智能仪器设计课程设计报告文档格式.docx

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３.１.3温度数据显示子程序........................................

3.２软件设计基础．．．．...........................................

3.3系统流程图...............................................

4.1Protel99SE电气原理....................................................

4.2PCB版图................................................................

５.1Proteus仿真软件介绍.

5.2仿真分析..............................................................

附录２　参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

第1章摘要

０.１　摘要：

运用单片机原理及应用-基于51与高速新型C8051F330单片机做的智能仪器是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能。

它的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。

智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。

本次课程设计就是基于STC89C51单片机的数字测温智能仪器。

传感器取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；

由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经A／D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；

单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理（如非线性校正等）；

运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；

同时单片机把运算结果与存储于片内FlashROM（闪速存储器）或EPROM（电可擦除存贮器）内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号（如报警装置触发、继电

器触点等）。

本次设计使用PT100热电阻。

目前的智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）。

社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展，本文将介绍智能集成温度传感器铂金属电阻的结构特征及控制方法，并对以此传感器，单片机为控制器构成的数字温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。

与传统的温度计相比，其具有读数方便，测温范围广，测温准确，输出温度采用数字显示，主要用于对测温要求比较准

确的场所，或科研实验室使用。

此外，智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机——PC机，由PC机进行全局管理。

本次课程设计采用keil编译软件编写C语言源代码。

经调试好后，装载入单片机进行仿真，完成智能仪器的核心设计。

关键字：

STC89C51单片机，A／D转换器，铂金属电阻，EPROM，智能仪器，数字测温温度计

0.2Abstract:

Usingsinglechipmicrocomputerprincipleandapplications-basedon51withhighspeedandnewsinglechipmicrocomputerintelligentinstrumentdoC8051F330containsamicrocomputerormicroprocessormeasuringinstrumentfordatastorageoperationswithlogicandautomaticoperationetc.Function.Theemergenceofthetraditionalinstrumentsgreatlyexpandedtherange.Intelligentinstrumentwithitssmallsize,thefunctionisstrong,lowpowerconsumptionadvantages,quicklyinhomeappliances,scientificresearchunitsandindustrialenterpriseinawiderangeofapplications.ThiscourseisdesignedbasedonthesinglechipmicrocomputerSTC89C51digitaltemperaturemeasuringintelligentinstrument.

Sensormeasuredparameterstotakeinformationandtranslatedintoelectricalsignals,thefilterremoveinterferenceintomoreroadafteranalogswitch;

Bywayofmicrocomputerchoosetheanalogswitchwilleachinputchannelonesignalintoprogram-controlledgainamplifier,enlargethesignalaftertheA/Dconverterconvertedintothepulsesignalintothesinglechipmicrocomputerafter;

Singlechipsetbytheinstrumentaccordingtotheinitialcorrespondingdataoperationandtreatment（suchasnonlinearcorrectionetc.）;

Operationresultwasconvertedtodatadisplayandprint;

Atthesametimetheoperationresultandsinglechipmicrocomputerstoredinpieces（FlashROM（flashmemory）orEPROM（electriccanerasememory）setparametersinoperationsaftercomparison,accordingtotheoperationresultandcontrolrequirements,theoutputcorrespondingcontrolsignals（suchasalarmdevicetrigger,relayImplementcontacts,etc.）.ThisdesignusesPT100heatresistance.

Thecurrentintelligenttemperaturesensor（alsocalleddigitaltemperaturesensor）isinthemid1990scame,itismicroelectronicstechnology,computertechnologyandautomatictesttechnology（ATE）crystallization,characteristicistooutputdataandrelatedtemperatureoftemperaturecontrolquantity,adaptationvariousmicrocontroller（MCU）.Thedevelopmentofthesocietytotherequirementsofthesensortomakepeoplemoreandmoreisalsohigh,nowofthetemperaturesensorisbasedonthebasisofsinglechipfromanalogtodigital,fromintegration,networktothedirectionoftheintelligentrapiddevelopment,andhighprecision,multi-function,bustowardstandardization,highreliabilityandsecurity,developmentvirtualsensorandnetworksensor,developmentmonolithictemperaturemeasuringsystemandotherhigh-techdirectionofrapiddevelopment,thisarticlewillintroduceintelligentintegratedtemperaturesensorplatinumresistanceofthefeaturesofthestructureofandcontrolmethods,andtothesensor,asinglechipmicrocomputercontrollerfordigitaltemperaturemeasurementdevice'

sworkingprincipleandprogramdesignisanalyzedindetail.Comparedwiththetraditionalthermometer,ithasconvenientreadings,temperaturemeasuringrange,temperaturemeasurementaccuracy,thetemperatureoutputdigitaldisplay,mainlyusedfortemperaturemeasurementdemandisaccurated.theplace,orscientificresearchlaboratoryuse.Inaddition,intelligentinstrumentcanalsowithPCunitintodistributedmeasurementandcontrolsystem,bysinglechipmicrocomputerasamachineacquisitionundervariousmeasurementsignalanddata,throughserialcommunicationinformationtransmissiontotheuppermachinewill-PC,byaPCglobalmanagement.

ThiscoursedesignuseskeilsoftwarecompilerlanguageCsourcecode.Afterthecommissioning,loadedintothesinglechipmicrocomputer,andsimulationcompleteintelligentinstrumentthecoredesign.

Keyword:

STC89C51single-chipmicrocomputer,A/Dconverter,platinumofresistance,EPROM,intelligentinstrument,digitaltemperaturethermometer

第一章设计目的及原理

1.1设计题目和目的:

1.1.1设计题目

题目要求：

27.试设计智能仪表

实现智能数字显示仪表。

要求8位数码管显示（4位显示测量值，4位显示设定值），4输入按钮（功能选择、数码管选择、数字增加、数字减少），可设定上下限报警（蜂鸣器报警）。

适配PT100热电阻，测温范围为0℃~300℃。

采用比例控制、并用晶闸管脉宽调制驱动1000W电加热器（电源电压为AC220V）。

.1.1.2设计目的

涉及智能仪表硬件与软件设计。

智能仪器课程设计是智能仪器课程教学的重要环节，根据设计智能仪表产品的课程改革目的，特选择一些小型智能仪表产品作为课设题目，满足教学需求。

单片机综合练习是一项综合性的专业实践活动，目的是让学生将所学的基础理论和专业知识运用到具体的工程实践中，以培养学生综合运用知识能力、实际动手能力和工程实践能力。

1.2设计基本要求:

（1）正确理解设计题目，经过查阅资料，给出正确设计方案，画出详细仪表原理框图（各个功能部分用方框表示，各块之间用实际信号线连接）。

在网上收集题目中所用到的器件资料，例如传感器（热偶分度表等）、信号调理电路、AD转换器、单片机、继电器、电源、显示器件等。

通过课程学习熟悉单片机内部资源，学会ADC、SPI接口、定时器、中断、串口、I/O引脚等模块的编程。

相关单片机的显示、AD转换、显示、控制算法等程序。

在充分研究这些资料基础之上，给出设计方案（选择信号调理电路、单片机、显示、按键输入、继电器驱动、电源等，简要说明选择的理由）

（2）用Protel99SE软件设计仪表详细原理图要求正确标记元件序号、元件数值、封装名。

（3）设计PCB图。

在画PCB前应该购买元件，因为有了元件才知道封装尺寸，本次设计只到元件商店测量实际元件尺寸后，使用Protel99SE画封装图。

（4）采用C语言开发所设计仪表的程序。

按照题目要求，确定仪表需要完成的任务（功能），然后分别编制各任务的程序。

程序应该有说明，并有详细注释。

1.3设计原理：

PT100是温度敏感元件，由于温度不同，它的电阻值不同变化。

可以实现温度采集并转化为电量。

由热电阻传感器送来的电信号在测量桥路进行冷端自动补偿后，送入放大器，一面把信号进行放大，同时把非线性信号校正为线性信号，经线性放大信号一路Ａ／Ｄ转换电路把模拟量转换成数字信号进行数字显示，另一路传输到调节网络，进行规定的比较运算，同时输出一个需要的控制信号和进行工作状态指示。

通过数字滤波等信号调理电路将所得数字量，传送至数码管显示，即可实时读出所测得温度值

第二章硬件设计

2.1系统原理框图：

图1基本原理图

本设计智能温度数显表由温度监测、信号处理、输出控制三部分组成。

其系统框图如图1所示,它通过Pt100热电阻传感器获取绕组温度值,经信号调理电路处理后直接送入控制器的A/D转换输入端。

微控制器根据信号数据及设定的各种控制参数,按照嵌入的软件控制规律执行计算与处理,自动显示智能仪表数显表可测的温度范围、并根据当前状态输出正常、设定上下限报警等。

2.1.1STC89C51简介：

图2STC89C51单片机引脚

STC89C52系列单片机是从引脚到内核都完全兼容标准8051的单片机，有PDIP-40、PLCC-44、PQFP-44三种封装形式。

Intel公司MCS-51单片机的基本结构如图1-4所示。

该单片机具有如下资源：

（1）一个8位算术逻辑单元（CPU）。

（2）4组，共32个I/O口，每口8个引脚，可单独寻址，其中P0、P2口具有地址/数据总线功能。

（3）两个16位定时/计数器（简称为定时器）。

（4）全双工串行通信口。

（5）5个中断源，具有两个中断优先级。

（6）128B内置RAM。

（7）具有64KB可寻址数据和代码区。

（8）各个模块采用三总线（地址、数据和控制）连接。

（9）开放总线接口，P0口分时作为8位数据总线与8位地址总线，P2口作为地址总线高8位。

每个MCS-51单片机处理周期包括12个时钟周期（又称为一个机器周期），每12个时钟（一个机器）周期用来完成一个操作，例如取指令等，指令执行时间为时钟频率除以12后取倒数，如果系统时钟是12MHz，则相当于执行每条指令所需要的时间1μs。

1.I/O端口

I/O端口0、1、2、3驱动器与锁存器。

2.存储器部分

RAM：

51单片机具有128字节的片内RAM，

FLASH：

片内ROM，用于保存代码等，片内ROM采用FLASH结构的存储器构成，具有ISP功能，容量随型号不同而不同，对于AT89S51单片机，FLASH容量为4KB。

SP：

栈指针

3.算术与逻辑运算部分

寄存器B：

用于乘除等操作的寄存器，常保存运算的第2操作数。

ACC：

累加器，

TMP1、TMP2：

暂存器，用于暂时保存数据。

ALU：

8位算术逻辑单元ALU，

PSW：

程序状态字，

4.指令处理部分

程序地址寄存器：

用于保存程序地址。

缓冲器：

缓冲总线数据。

PC+1：

程序计数器加1处理模块。

PC：

保存下一条指令地址的16位地址寄存器，可寻址范围为64K。

DPTR：

双数据指针，DPTR为两个8位缓存器（DPH和DPL）组成的16位缓存器，。

5.时序控制与指令寄存部分

定时与控制单元：

指令寄存器：

保存指令并指令译码后，在定时与控制单元的配合下，使CPU执行各种操作。

WDT：

看门狗。

用于程序不运行时，自动复位单片机。

OSC：

时钟振荡器，与外接石英晶体一起组成时钟振荡器。

6.ISP部分

ISP端口：

通过该端口与PC通信，实现在系统编程（ISP）。

编程逻辑：

控制ISP操作。

7.外围模块部分

该单片机的外围模块包括两个定时器，串行接口、4个I/O口与外中断模块。

2.1.2产品外观：

图3举例产品

2.2基本模块简介：

由题目可知，该测温仪表需要如下电路模块：

（1）单片机电路（包括单片机最小系统、ADC、数码显示、按键、LED灯、电源等）。

（2）热电阻PT100信号调理电路

（3）4~20mA输出电路与加热功率驱动电路。

2.2.1Pt100温度测量接口技术：

下图为Pt100电阻外观：

图4Pt100电阻

（1）铂金属热电阻简介

铂金属电阻精度高，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；

最常用铂电阻按照0℃时的电阻值分为R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，称为Pt10、Pt100、Pt1000；

铂电阻阻值与温度之间的关系呈非线性,即

Rt=R0（I+αt+βt2）（t在0～630℃之间）

式中:

Rt是铂热电阻的电阻值，单位为Ω;

R0是铂热电阻在0℃时的电阻值，对于PT100，R0=100Ω;

α是一阶温度系数，α=3.912×

10-3（℃）

β是二阶温度系数，β=6.179×

10-7（℃）

铂热电阻PT100的阻值与温度之间的关系称为分度表，分度表给出温度每变化10℃对应的阻值。

如下表（0℃~300℃）：

（2）PT100设计参数

PT100铂热电阻A级在0℃时的电阻值R0=100±

0.06Ω；

B级R0=100±

0.12Ω。

PT100铂热电阻允许通过的最大测量电流为5mA，由此产生的温升不大于0.3℃。

设计时PT100上通过的电流不能超过5mA。

由于非线性计算浪费时间，温度测量会有很大的滞后，所以编程时不会用计算法，而是利用PT100热电阻的分度表通过查表，找到对应温度的阻值，即可得到实时温度值。

若R-T分度表没该温度下的电阻值，通过线性内插法，大概估算温度值。

下表即为PT100的分度表。

范围是-200——390℃

2.2.2热电阻PT100信号调理电路设计：

1.铂热电阻的工作原理：

铂热电阻元件作为一种温度传感器，其工作原理是在温度的作用下，铂电阻丝的电阻值随着温度的变化而变化。

温度和电阻的变化接近于线性关系，偏差极小且随着时间的增长，偏差可以忽略，具有可靠性好、热响应时间短等特点，且电气性能稳定。

铂热电阻是一种精确、灵敏、稳定的温度传感器。

铂热电阻元件是用微型陶瓷管、孔内绕制好的铂热电阻丝脱胎线圈制成的感温元件，由于感温元件可以做的相当小，因此它可以制成各种微型温度传感器探头。

可用于-200～+240℃范围内的温度测量。

2.PT100铂电阻传感器接线方式：

PT100铂电阻传感器有三条引线,可用A、B、C（或黑、红、黄）来代表三根线,三根线之间有如下规律：

A与B或C之间的阻值常温下在110欧左右,B与C之间为0欧,B与C在内部是直通的,原则上B与C没什么区别.仪表上接传感器的固定端子有三个：

A线接在仪表上接传感器的一个固定的端子.B和C接在仪表上的另外两个固定端子，B和C线的位置可以互换,但都得接上，。

如果中间接有加长线,三条导线的规格和长度要相同。

热电阻的3线和4线接法：

是采用2线、3线、4线，主要由使（选）用的二次仪表来决定。

目前热电阻的引线主要有三种方式

　　○1二线制：

在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：

这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合

　　○2三线制：

在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。

　　○3四线制：

在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。

可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

图5三种接线方式比较

　　热电阻采用三线制接法。

采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量