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文檔簡介
1、智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計目錄摘要-3題目-3整體設(shè)計及系統(tǒng)原理-3主要硬件介紹-4 STC89C51單片機(jī)特點(diǎn)-4STC89C51引腳說明-4硬件設(shè)計-6單片機(jī)最小系統(tǒng)-6數(shù)碼管顯示電路-7鍵盤電路-8AD轉(zhuǎn)換電路-9 信號調(diào)理電路-924C02電路-10報警電路-11加熱電路-11電源電路-12軟件設(shè)計-12數(shù)碼管顯示程序-1224C02讀寫程序-14AD轉(zhuǎn)換程序-18算數(shù)平均濾波程序-18熱電阻非線性校正算法-19按鍵子程序-20報警子程序-23PID子程序-23主程序-23課程設(shè)計總結(jié)-27參考文獻(xiàn)-27附錄: 系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)PCB圖摘要:隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,單片機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)各
2、行業(yè)發(fā)揮了重要的作用。它因?yàn)榧啥雀?、體積小、運(yùn)行可靠、應(yīng)用靈活、價格低、面向控制等特點(diǎn)得到了廣大工程技術(shù)人員和客戶的好評。在溫度控制方面,單片機(jī)能夠代替常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器。本文主要設(shè)計了單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)硬件電路和軟件程序。系統(tǒng)具有工作可靠、實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn),滿足控制精度的要求。本著在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下,盡可能的減少硬件成本。本文主要涉及到控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和單片機(jī)的控制軟件編程。本系統(tǒng)選用熱電阻Cu50對爐溫進(jìn)行檢測,在AD0804完成模數(shù)轉(zhuǎn)換之后,STC89C51單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。人機(jī)接口電路部分能實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、溫度顯示、超溫報警等功能。題目:20. 試設(shè)計智能儀表實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字顯示
3、儀表。要求8位數(shù)碼管顯示(4位顯示測量值,4位顯示設(shè)定值),4輸入按鈕(功能選擇、數(shù)碼管選擇、數(shù)字增加、數(shù)字減少),可設(shè)定上下限報警,蜂鳴器報警。適配Cu50熱電阻,測溫范圍為0130。采用比例控制、并用晶閘管移相驅(qū)動1000W電加熱器(電源電壓為AC220V)。整體設(shè)計及系統(tǒng)原理:電源在系統(tǒng)中,利用熱電阻測得電阻爐實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經(jīng)過溫度檢測電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對應(yīng)的數(shù)字信號進(jìn)入單片機(jī),單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,通過LED數(shù)碼管顯示溫度并判斷是否報警,同時將溫度與設(shè)定溫度比較,根據(jù)設(shè)定的P算法計算出控制量,根據(jù)控制量通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時間,
4、以實(shí)現(xiàn)對爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時鐘電路可以根據(jù)要求進(jìn)行準(zhǔn)確計時。數(shù)碼管鍵盤STC89C51單片機(jī)信號調(diào)理電路AD080424C02晶閘管主要硬件介紹:STC89C51是改進(jìn)型的51內(nèi)核單片機(jī),它比人們常用的AT89S51單片機(jī)編程更簡單。STC89C51單片機(jī)特點(diǎn):12時鐘/6時鐘機(jī)器周期的8051CPU;工作電壓3.4-5.5V;工作頻率0-40MHz;程序存儲器容量4KB;RAM容量512B;I/O端口與AT89S51相同;通過串口(P3.0 P3.1)直接下載用戶程序到代碼存儲器中(ISP功能),可下載10萬次以上;具有EEPROM;具有看門狗,冷啟動后未關(guān)閉狀態(tài),一旦啟動無法關(guān)閉;3個
5、定時計數(shù)器;2個外部中斷,掉電模式可由外部中斷低電平觸發(fā)喚醒;一個異步串行口;溫度范圍0-75(商業(yè)),-40-85(工業(yè));具有PDIP-40、PLCC-44、PQFP-44封裝。STC89C51引腳說明:VCC:供電電壓。 GND:接地。 P0口:P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時,被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時,P0 口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時,P0輸出原碼,此時P0外部必須被拉高。P1口:P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖
6、器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時,將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時,P1口作為第八位地址接收。 P2口:P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個TTL門電流,當(dāng)P2口被寫“1”時,其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時,P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時,P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時,它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢,當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時,P2口輸
7、出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。P3口:P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:口管腳 備選功能P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 /INT0(外部中斷0) P3.3 /INT1(外部中斷1)P3.4 T0(記時器0外部輸入) P3.5 T1(記時器1外部輸入)P3.6 /WR(外
8、部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時,要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG:當(dāng)訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是:每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時,將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時, ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是
9、ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無效。 /PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間,每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP:當(dāng)/EA保持低電平時,則在此期間外部程序存儲器(0000H-FFFFH),不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時,/EA將內(nèi)部鎖定為RESET;當(dāng)/EA端保持高電平時,此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。硬件設(shè)計:單片機(jī)最小系統(tǒng):時鐘電路采用12MHz的晶振和兩個30pF的電容連接
10、而成,是單片機(jī)的機(jī)器周期為1us左右,在使用定時器時便于計算和設(shè)置定時器的初始值。復(fù)位電路:由于機(jī)器周期為2us,所以RESET引腳上產(chǎn)生一個2us以上的高電平脈沖,即可產(chǎn)生復(fù)位動作。電源接上瞬間,電容上沒有電荷,相當(dāng)于短路,所以復(fù)位引腳直接連到VCC,單片機(jī)復(fù)位,隨時間增加,電容上電壓逐漸變大,RESET引腳上電壓逐漸降低至低電平時,單片機(jī)恢復(fù)正常狀態(tài),在此使用10k電阻,10uF電容,時間常數(shù)遠(yuǎn)大于2us,高電平能保持2us以上,足以使系統(tǒng)復(fù)位。串口可以用來向單片機(jī)里下載程序,以及和計算機(jī)通訊等。數(shù)碼管顯示電路:此電路采用8個數(shù)碼管和一個74LS245,一個74LS138和一個排阻組成。7
11、4LS245是一個8雙向總線接收器,與單片機(jī)的P0口相接,控制數(shù)碼管的段選端。由于P0口內(nèi)部沒有上拉電阻,所以做輸出口時,必須外接上拉電阻。74LS138是一個3-8譯碼器,與P2口的高三位相接,經(jīng)過譯碼控制數(shù)碼管的位選端,數(shù)碼管都是共陽數(shù)碼管。鍵盤電路: 4個按鍵分別與單片機(jī)的P3.3、P2.2、P2.3、P2.4相接,功能分別為功能選擇、數(shù)碼管選擇,加數(shù)字、減數(shù)字,都是低電平有效,都接上拉電阻是保證沒有鍵按下時,均為高電平,其中功能鍵按下時會觸發(fā)外部中斷。AD轉(zhuǎn)換電路:ADC0804是一個CMOS的逐步逼近式AD轉(zhuǎn)換器,具有8為分辨率,轉(zhuǎn)換時間為100us,而最大誤差為1個LSB值,差動式
12、模擬電壓輸入、三態(tài)數(shù)字輸出,模擬輸入電壓為0-5V。信號調(diào)理電路:Cu50在0130時電阻變化為50.00077.833,左上方電路為提供1mA電流的恒流源,因此Cu50輸出的電壓為0.005-0.077833V的電壓,通過信號調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)化為04.2V的電壓送入AD??闪蟹匠探M 0.005m+b=0與 0.077833m+b=4.2解得 m=151 b=-7.55 由電路圖可得Vout=1+R23R24Vin- R23R24 Vref 可令R23=150K,R24=1K, Vref=0.05V右下方為參考電壓電路Vref=(1+R22/R21)*V, 可令V=0.03V R22=2K R2
13、1=3K. 0.03V可由穩(wěn)壓管TL431經(jīng)分壓可得。此電路中,放大器選擇滿擺幅運(yùn)放TLV2472。24C02電路:24C02是一種由I2C接口的EEPROM存儲芯片,存儲容量為256B,100萬次的編程/擦除周期,數(shù)據(jù)保存可達(dá)100年。在此電路中使用此芯片是要保存儀表中某些已設(shè)定好的數(shù)據(jù),當(dāng)?shù)綦姾?,?shù)據(jù)不會丟失。由于I2C總線是開漏結(jié)構(gòu),因此時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA用10k電阻上拉到高電平。報警電路: 該報警電路由蜂鳴器和發(fā)光二極管、PNP三極管組成,當(dāng)單片機(jī)的P2.0口輸出低電平時三極管基極為低電平,三極管導(dǎo)通,蜂鳴器工作發(fā)出響聲,同時發(fā)光二極管也導(dǎo)通,發(fā)光。三極管在此處是為了驅(qū)動蜂鳴器
14、和發(fā)光二極管工作。在軟件設(shè)計中可設(shè)置當(dāng)溫度超過上限或下限時,報警電路工作。加熱電路:單片機(jī)驅(qū)動移相型驅(qū)動器、具有點(diǎn)阻性負(fù)載的電路如上圖所示。移相型驅(qū)動器可以在單片機(jī)控制驅(qū)動器的瞬間使驅(qū)動器MOC3022觸發(fā)雙向晶閘管BTA12,因此可以按照單片機(jī)發(fā)出的控制信號控制雙向晶閘管導(dǎo)通角。其中R9=(5V-VOL-VF)/IFT=2V/10mA=200,電阻R11用于限制MOC3022的輸出電流ITSM,計算公式如下:R11=Vpeak/ITSM=(2202)V/1A=311.第二個電路為電壓過零檢測電路,當(dāng)電壓過零時,向單片機(jī)發(fā)一個中斷,單片機(jī)可以按照此信號控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角。電源電路:這是儀表
15、的供電電路可以通過外接直流電源,然后通過該電源電路給儀表供電。電路圖中的二極管橋式電路是濾波電路。接入電源后通過穩(wěn)壓模塊7805穩(wěn)壓最終獲得+5V的電壓。最左面的發(fā)光二極管是檢測電源是否接通。通電時,二極管亮。軟件設(shè)計:數(shù)碼管顯示程序:#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint x) /延時函數(shù)大約延時5msuchar m,n;for(m=x;m-;m0)for(n=60;n-;n0);void display1(uchar a,uchar b,uchar c,uchar d)/設(shè)定值顯示P2=0x8f
16、&P2; /送第一個數(shù)碼管的位碼P0=a; /送第一個數(shù)碼管的段碼 delay(10); /短暫延時P2=0x9f&P2;/送第二個數(shù)碼管的位碼P0=b; /送第二個數(shù)碼管的段碼delay(10);P2=0xaf&P2;/送第三個數(shù)碼管的位碼P0=c;/送第三個數(shù)碼管的段碼delay(10);P2=0xbf&P2;/送第四個數(shù)碼管的位碼P0=d;/送第四個數(shù)碼管的段碼delay(10);void display2(uchar a,uchar b,uchar c,uchar d)/測量值顯示P2=0xcf&P2;/送第一個數(shù)碼管的位碼P0=a;/送第一個數(shù)碼管的段碼delay(10);P2=0x
17、df&P2;/送第二個數(shù)碼管的位碼P0=b;/送第二個數(shù)碼管的段碼delay(10);P2=0xef&P2;/送第三個數(shù)碼管的位碼P0=c;/送第三個數(shù)碼管的段碼delay(10);P2=0xff&P2;/送第四個數(shù)碼管的位碼P0=d;/送第四個數(shù)碼管的段碼delay(10);24C02讀寫程序:#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar a;sbit sda=P34;sbit scl=P35;void delay() ; void start() /啟用總線sda=1;delay();scl=1;delay();sda=
18、0;delay();void stop()/停用總線sda=0;delay();scl=1;delay();sda=1;delay();void reply()/應(yīng)答信號uchar i;scl=1;delay();while(sda=1)&(i250)i+;scl=0;delay();void first()/24C02初始化程序sda=1;delay();scl=1;delay();void write(uchar date)/寫一個字節(jié)的程序uchar k,temp;temp=date;for(k=0;k8;k+)temp=temp1;scl=0;delay();sda=CY;delay(
19、);scl=1;delay();scl=0;delay();sda=1;delay();uchar read()/讀一個字節(jié)的程序uchar i,m;scl=0;delay();sda=1;delay();for(i=0;i8;i+)scl=1;delay();m=(m0;a-)for(b=100;b0;b-);void write_add(uchar address,uchar date)/寫程序start();write(0xa0);reply();write(address);reply();write(date);reply();stop();uchar read_add(uchar
20、address)/讀程序uchar dat;start();write(0xa0);reply();write(address);reply();start();write(0xa1);reply();dat=read();stop();return dat;AD轉(zhuǎn)換程序:sbit wr=P36;sbit rd=P37;#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuint AD() /AD轉(zhuǎn)換函數(shù) uchar AD; wr=0; delay(2); wr=1; delay(20); rd=0; delay(2); P1=0xff; A
21、D=P1; rd=1; return AD; 算數(shù)平均濾波子程序: #define N 8/定義采樣次數(shù)uchar value_bufN;uchar lvbo()/濾波函數(shù)uchar i;uchar count;int sum=0;value_bufi+=AD; /獲取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果,并計算累加和if(i=N)i=0;for(count=0;countv1) max=mid;else min=mid;if(max-min)hial)fengmingqi=0;led1=0;if(varoutm) out=outm;if(out0) out=0;主程序:#include#define uchar u
22、nsigned char#define uint unsigned intuchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar code table1=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef,;uint code Rtable=50000 52144 54285 56426 58565 60704 64842 64981 67119 69259 71400 73542 75687 77833;uchar displaytime, samplet
23、ime,controltime, ba,sh,ge,sf,m;uint var,e,out,out0,outm,k,ci;sbit sda=P34;sbit scl=P35;sbit wr=P36;sbit rd=P37;sbit set=P33;sbit xuan=P22;sbit jia=P23;sbit jian=P24;sbit fengmingqi=P20;sbit jiare=P21;sbit led1=P31;sbit led2=P30;void main() uchar gao,di;TMOD=0x22;TH0=156;TL0=156;TH1=200;TL1=200;EA=1;
24、ET0=1;ET1=1;TR0=1;gao=uchar read_add(1);di=uchar read_add(2);sv=gao*100+di;gao=uchar read_add(3);di=uchar read_add(4);hial=gao*100+di;gao=uchar read_add(5);di=uchar read_add(6);loal=gao*100+di;gao=uchar read_add(7);di=uchar read_add(8);p=gao*100+di;while(1) anjian(hial,loal,p,sv); write_add(0x01,sv/100); write_add(0x02,sv%100); write_add(0x03,hial/100);write_add(0x04,hial%100);write_add(0x05,loal/100);write_add(0x06,loal%100);write_add(0x07,p100);write_add(0x08,p%100);ba=sv/1000;sh=sv%1000/100;ge=sv%100/10;sf=sv%10display1(tsbleba,tablesh,table1ge,tablesf);if(displaytime=1) ba=var/1000;sh=v
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