自动化 毕业设计论文Word格式.docx

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设计任务：

本次设计要求温度范围在-50度~100度之间，测量精度为+/-0.3度之间，温度超出设定最高温度，必须进行相应的器件报警，并且给出相应的温度补偿信号进行温度补偿，除此之外，还应该具有手动设定温度上下限功能，以及通过数码管显示当前温度和上限温度功能。

毕业设计成绩

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小组答辩成绩

答辩成绩

答辩委员会评定成绩

答辩委员会主任（签名）

摘要

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。

尤其是在磨床加工机器零件时，由于高速运转和摩擦产生大量的热量，从而使温度上升，产生一定的体积膨胀，造成测量误差。

温度对于工业如此重要，由此人们越来越重视温度因素，许多产品对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器在进行测量时大多有抗干扰能力差、软件编程复杂等缺点。

本次设计要求温度测量的抗干扰能力很强，软件编程相对简单的优点，但是有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。

在这样的形式下，开发一种能够同时测量温度，并且实时性高、精度高，能够综合处理单点温度信息的测量系统就很有必要。

本课题以AT89C2051单片机系统为核心，对磨床进行单点的温度实时巡检。

各检测单元能独立完成各自功能，同时能够根据主控单片机的指令对温度进行定时采集，测量结果能在本地显示，而且可以利用单片机串行口，将采集的数据传送到主控机，进行进一步的存档、处理。

单片机负责控制指令的发送，控制AD590进行温度采集，收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和存储。

主控机与各部分能够相互联系、相互协调，从而达到系统整体统一、和谐的效果。

关键词：

单片机AD590温度测量

Abstract

Today,inourlife,thetemperaturebecomesmoreandmoreimportantandalotofproductsaresensitivetotemperature.However,temperature-measuringapparatusinthemarketnowonlycancheckandmeasurethetemperatureofonepoint,atthesametime,thetemperatureinformationisnotrealtimeandtheprecisionislow.Ittakesagreatoftroublesfortheindustry-controllerstomakedecision.Inthissituation,designandimplementoneapplicablesystemwhichcanwatchmeasureandcontrolthetemperatureandthemeasuringresultsisrealtimeandtheprecisionisgreatismoreessential.Inordertomeetingthisapplication,thispapertalkaboutTheMultiple-Point’stemperatureMeasuringSystem.

Thissystembasedonsinglechipcomputer,caninspectandcontrolmultipletemperaturesinrealtime.TheSlavedMachinecancollecttemperatureinformationonitsownanddisplayitontheLEDmodule.FollowingtheMasterMachine’scommand,theSlavedMachinecanup-sendthetemperatureinformationtotheMasterMachine.TheMasterMachinesendscommands,controlstheDS18B20gatheringandup-sendingthetemperaturedataincludinghistoryinformation,anditmanagesprocessesandstoresthetemperatureinformation.TheMasterandSlavedComputerwillexchangeinformationandcorrespondtoeachother,soitworkstogetherperfectly.

Keywords：

singlechipcomputerAD590measure-temperature

课程设计任务书…………………………………………..……….….……..………1

摘要………………………………………………..……….….……………….....…3

绪论…………………………………………………..……….….……..….....……...7

第一章总体设计……………………………..……….….……..….....…………….9

1.1方案论证….…………………………………………………………………………….10

1.2总体方案比较…………………………………………………………………………11

第二章硬件电路设计及描述……………………………………………………………14

2.1总体系统框图：

………………………………………………………………….15

2.289C2051单片机的概述……………………………………………………16

2.3电源电路设计………………………………………………………..17

2.4温度采集电路设计……………………………………………………...………18

2.4.1AD590概述………………………………………………………….…………19

2.4.2AD590的应用电路……………………………………………………………20

2.5AD转换电路设计………………………………………………………….…………24

2.5.1AD574A的概述………………………………………………………….………24

2.5.2AD574A与单片机的接口电路………………………………….………25

2.5.3AD574A的转换和中断………………………………….…………………..26

2.6按键模块设计………………………………………………………….…………26

2.7显示电路设计……………………………………………………………………...27

2.8补偿脉冲输出电路设计…………………………………………………………..27

2.9本章小结……………………………………………………………………...……28

第三章软件设计流程及描述………………………………………………………………28

3.1总体描述………………………………………………………………………….…….29

3.2温度采集电路的软件设计…………………………………………………………29

3.2.1AD574A的转换…………………..……………………...….………………….30

3.2.2AD574A的中断…………………………..………………………………...….31

3.3显示电路的软件设计………………………………….…………………………33

3.4本章小结……………………………………………………………………35..

第四章结论…………………………………………………………………….…….…..36

致谢…………………………………………………………………………………………….37

参考文献……………………………………………………………………………………….38

附录……………………………………………………………………………………………..39

1课程设计原理图………………………………………………………………………...40

1.1面板原理图………………………………………………………………………...40

1.2内部原理图….……………………………………………………………………...40

2PCB图…………………………………………………………………………………...40

2.1面板PCB….………………………………………………………………………...40

2.2内部PCB….………………………………………………………………………...41

3全部程序清单...………………………………………………………………………...42

绪论

随着时代的前进和发展，控制智能化、仪器小型化、功耗微小化进一步发展,单片机得到了广泛关注,并且在这些领域中起到了举足轻重的作用，这就把单片机的应用提到重要的地位，单片机的应用系统设计就成为新的热门技术。

特别是MCS-51系列单片机由于其使用和扩展都比较简单,并且与大多数厂家的单片机兼容,所以更加引起人们的关注和大量的研究。

随着精加工工业的迅速发展，越来越多的地方需要通过温度来控制工业系统，所以温度系统越来越多的应用于工业领域。

因此，温度的采集与显示系统就是工业生产过程中比较典型的应用之一。

其应用范围十分广泛，为人们的生产和生活提供了巨大的便利。

因为温度传感器的种类很多，主控制器的类型也是多种多样，所以温度系统的设计方案也是多种多样的。

本例是温度系统的一个比较典型的应用。

众所周知：

磨床在加工机器零件时，由于磨件高速传动产生了大量的热量，多数材料在温度升高时都会产生一定的体积膨胀，虽然膨胀的比例非常小，但是由于磨床加工的通常是比较精细的零件，不允许有任何的误差，这就需要磨床通过一定的系统来控制磨件的温度误差。

而具体到磨床上，磨床是通过磨削液来控制磨床磨削过程中的正确温度的，那就是说要将磨床磨削液的温度控制在一定的范围内，以保证磨床正常工作时的磨削温度，从而消除长时间工作摩擦升温引起的工件膨胀带来的误差，进一步使加工的工件尺寸合适无误。

本课题是设计一个磨床温度补偿器，通过温度传感器采集实时温度，并且通过主控制器来比较温度的合适性，如果温度不合适，就通过主控制器输出一定的补偿脉冲，来将磨床磨削液的温度控制在一定的范围内，以保证磨床正常工作时的磨削温度，从而消除长时间工作摩擦升温引起的工件膨胀带来的误差。

本设计是以MCS-51系列单片机中的AT89C2051单片机为核心器件，采用温度传感器AD590做检测器件，进行单点温度检测，检测精度为+/-0.3°

C，温度显示采用4位LED数码管显示,并且将采集的温度与设定值比较，温度不合适时输出补偿信号，以确保磨床磨削液的适当温度。

首先，总体论述了当前流行的各种测量温度的方法，并且将它们进行比较，得到本课题的最佳方案---AD590温度系统。

然后，具体论述了本系统的硬件电路的各个部分，并对各个部分用到的器件和各个芯片在系统中的作用，做了详细的说明，然后给出了各个部分的具体工作过程和系统的整个工作过程。

其次，根据在硬件电路中叙述的工作过程在软件中去实现，每部分软件都给出了具体和流程图和部分主要程序，并给出了详细的注释。

最后给出了整个设计的硬件电路图和具体的源程序。

第一章：

总体设计

1.1方案论证：

温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。

对于控制系统可以采用计算机、单片机、PLC等。

鉴于上诉题目要求，进行如下方案设计：

1.1.1设计方案一：

本方案以AT89C51单片机系统为核心，可以对多点或单点进行实时控制巡检。

主控机与各从机之间能够相互联系、相互协调，从而达到了系统整体统一和谐的控制效果。

单片机是温度采集和控制模块的核心，是必不可少的部分，在各个温度采集和控制模块中，单片机主要是读取DS18B20中的温度采集结果，并进行相应的数据处理。

本设计使用了目前较流行的AT89C51，为此首先对其进行必要的介绍：

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

主要特性：

与MCS-51兼容、4K字节可编程闪烁存储器、寿命：

1000写/擦循环、数据保留时间：

10年、全静态工作：

0Hz-24Hz、三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。

具体框图如下：

图1-1方案一的系统框图

该方案主控机和从机完全由单片机实现，采用该方案完全可满足工业上大部分需求，而且相对与第二种方案价格更加容易让人接受。

上图中，从机部分实现的功能几乎和主机是对等的，但会接受主机发送过来的命令的指示。

图1-2从机的框图

图1-3AT89C51单片机的图

该方案采用热电阻PT100做温度传感器、AD620作为信号放大器MAX187作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，其优点是测量精度高、测量范围广，常用的热电偶从-50℃至+1600℃均可连续测量。

但需采用电路或软件设计等修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响，使用不便。

热电阻也是最常用的一种温度传感器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便，测量范围为-200℃～600℃。

其中PT100作为传感器最为经常应用。

就本方案言，优点在于其性价比好一些，但是热电偶采集到的数据还需要进一步的数据处理，该过程相当烦索，而且线性化难以实现，所以我也不准备采用这个方案。

1.1.2设计方案二：

采用PC机作为主控机，单片机构成信号采集单元。

通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理，通过通信线路将信息上行到PC机，在PC机上我们可对温度信号进行任何分析、处理。

图1-4方案二的系统框图

采用该方案技术已经成熟，而且通过将温度信息上传到PC机，利用PC机强大的数据处理能力和相应的辅助软件，可以多角度、多需求的分析处理温度数据，但这在工业上大多不是必须的。

而且目前PC的机价格的原因，制造出这样的系统，不会得到普遍的应用。

所以我不准备采用此种方案。

1.1.3设计方案三：

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

温度测量误差小于1℃，分辨力小于0.1℃。

符合本次设计的任务要求。

另外由于AD590精度高、价格低、它有非常好的线性输出性能，温度每增加1℃，其电流增加1uA。

常用于测温和热电偶的冷端补偿。

具有低成本和易使用的特点。

总体电路结构框图如图所示

图1-5数字温度计电路结构框图

主控制器的选择：

单片机AT89C2051具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用，系统可用二节电池供电。

而且较小的芯片利于步线。

温度传感器的选择：

与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

主要依据如下：

（1）.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：

量程的大小；

被测位置对传感器体积的要求；

测量方式为接触式还是非接触式；

信号的引出方法，有线或是非接触测量；

传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

（2）.灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。

因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。

但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的串扰信号

（3）.频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

（4）.线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。

以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。

传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。

当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

（5）.稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。

影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。

因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

（6）.精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

基于以上的选择规则，进一步比较AD590与热电偶PT100，特别是考虑到本设计的事物大小，我还是选择了AD590作为本次设计的传感器。

总体方案比较：

方案一中PC机价格昂贵，不宜采纳，而方案二中由于PT100需要考虑信号处理、线性化等问题，系统稳定性差，特别是本次设计所需温度范围不大，用AD590的-55℃～+150℃就可以满足要求，更何况AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好。

AD590是一种由所在环境温度决定的恒流输出器件而且是直接数字信号输出，无需再进行信号处理，系统相应可以得以简化。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

综上所述，本次设计我选择方案三系统——单片机AT89C2051作为核心元件，AD590数字温度传感器进行温度采集。

第二章硬件电路设计及描述

2.1总1总体系统框图：

图2-1总体框图

2.289C2051单片机的概述：

2.2.1比较AT89C51与AT89C2051:

表2－1　AT89C51和AT89C2051主要性能表

AT89C51

AT89C2051

4KB可编程Flash存储器（可擦写1000次）

2KB可编程Flash存储器（可擦写1000次）

三级程序存储器保密

两级程序存储器保密

静态工作频率:

0Hz-24MHz

128字节内部RAM

2个16位定时/计数器

一个串行通讯口

6个中断源

32条I/O引线

15条I/O引线

片内时种振荡器

1个片内模拟比较器

2.2.2特性：

·

与MCS－51产品兼容

2K字节可重编程闪存

－耐久性：

1,000次读/写周期

工作电压2.7V至V

全静态运行：

0Hz至24MHz

两级程序锁存

128×

8位内部RAM

15个可编程I/O口

两个16位定时器/计数器

五个中断源

可编程串行UART（通用异步收发器）通道

可直接驱动LED的输出

芯片级模拟比较器

低功耗空闲模式和微功耗模式（Power-downmode）

2.2.3说明：

AT89C2051是一种低电压、高性能的8位CMOS微型计算机。

带2K字节的闪存和可擦除编程只读存储器（EPROM）。

该器件应用爱特美尔（Atmel）的高密度非易失性技术生产，与工业级MCS51架构组相兼容。

将一片通用的8位CPU与闪存集成在单块芯片上，爱特美尔AT89C2051是一种功能强大的微型计算机。

它为许多嵌入式控制提供了高灵活性低成本的解决方案。

AT89C2051的标准特性如下：

2K字节闪存，128字节RAM，15个I/O口，两个16位定时器/计数器，一个五失量两级中断结构，一个全双工串行通信口，一个精准模拟比较器，芯片级振荡器和时钟电路。

另外，AT89C2051用静态逻辑设计，可在低至零频下工作，支持两种软件可选节能模式。

空闲模式下CPU不工作，而RAM，定时器/计数器，串口和中断系统继续工作。

微功耗模式（power-downmode）下保存RAM的内容，但冻结振荡器，禁止其它所有的芯片功能直到下一个硬件复位到来。

2.3电源电路设计：

工作原理：

图中为T1电源变压器，它的作用是将交流电网电压V1变为整流电路要求的交流电压

，四只整流二极管D1~D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。

先计算文件参数：

二极管D1、D3和D2、D4两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为：

ID=

IC=0.45

。

二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图1中看出。

在

正半周时D1、D3导通，D2、D4截止。

此时D2、D2所承受的最大反向电压均为的

最大值。

即

=

。

同理，在

的负半周，D

、D

也承受到同样大小的反向电压。

桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因为电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。

因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。

图2-25V电源示意图