机电一体化技术样本.docx

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机电一体化技术样本

网络与继续教育学院

毕业设计

题目：

智能温度器的研究

学校：

武汉理工大学

专业：

机电一体化

姓名：

卫康

指导老师：

江毅

完成时间：

2011年8月15日

摘要：

XMT-100系列数字显示控制仪是一种带微电脑的新型全量程智能仪表。

它与热电阻、热电偶、压力变送器、远程电阻压力表及各种线性变送器配合使用，可测量和控制温度、压力、流量、电压、电流等各种工业参数，适用于冶金、化工、电力、轻功、医疗、视频、半导体等行业。

本文介绍了温度控制器的硬件及软件，硬件包括pt传感器、电压放大器、压频转换器lm331及89s8253-8279组成的单片机系统。

关键词传感器、电压放大器、lm331、单片机

第三章软件设计

第五章数和数值的编码

第一章绪论

1.1单片机发展概述

1946年第一台电子计算机诞生至今，只有50年的时间，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路，现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管，使得计算机体积更小，功能更强。

特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。

单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchid公司研制的F8单片微型计算机。

所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。

类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。

1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。

它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。

在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。

到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,***的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。

80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。

泛的应用。

因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义。

微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。

1.2单片机发展趋势现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

1.低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。

象80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。

CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。

所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

2.微型单片化

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。

现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

3.主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。

所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。

而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。

此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。

在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。

第二章本次毕业设计任务

2.1设计题目：

《温度控制器》

2.2设计意义：

温度控制器控制方法一般分为两种：

一种是由被冷却对象的温度变化来进行控制，多采用蒸气压力式温度控制器，另一种由被冷却对象的温差变化来进行控制，多采用电子式温度控制器。

温度控制器可分为：

1．机械式温度控制器分为：

蒸气压力式温度控制器、液体膨胀式温度控制器、气体吸附式温度控制器、金属膨胀式温度控制器。

其中蒸气压力式温度控制器又分为：

充气型、液气混合型和充液型。

家用空调机械式温度控制器都以这类温度控制器为主。

2.电子式温度控制器分为：

电阻式温度控制器和热电偶式温度控制器。

传统的温度控制器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主，两者里面都用发热丝制成。

发热丝通过电流加热时，通常达到1000℃以上，所以发热棒、发热圈内部温度都很高。

一般进行温度控制的电器机械，其控制温度多在0-400℃之间，所以，传统的温度控制器进行温度控制期间，当被加热器件温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。

但这时发热棒或发热圈的内部温度会高于400℃，发热棒、发热圈还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。

当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时候，这就要视乎发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。

通常开始重新加热时，温度继续下降几度。

所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差，

此次设计重点则是解决传统温度控制器系统结构上存在的问题。

2.3主要内容：

系统任务本装置的任务是对温度进行实时监测与控制。

温度的变化会使pt温度传感器阻值发生变化，让恒流源电流通过电阻，根据U=I*R对电阻取电压，用电压放大器对电压值放大，压频转换器lm331对电压值进行转换，把输出的频率信号出入单片机比较处理，频率信号大于一定值时则发出中断。

第三章硬件电路设计

3.1恒流源与pt传感器电路图及原理

3.1.1Pt温度传感器

pt温度传感器是一种稳定性和线性都比较好的白金热电阻传感器,电阻式温度检测器（RTD,ResistanceTemperatureDetector）是一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻係数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。

大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金（Pt）作成的电阻式温度检测器,最为稳定－耐酸碱、不会变质、相当线性...,最受工业界采用。

PT温度感测器是一种以白金（Pt）作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：

R=Ro（1+αT）　其中α=0.00392,Ro为100Ω（在0℃的电阻值）,T为摄氏温度
因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。

传感器的接入非常简单,从系统的5V供电端仅仅通过一支电阻就连接到PT100了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是.由于有了单片机的软件校正作为后盾,因此就简化了传感器的接入方式.

3.1.2恒流源介绍

恒流源分为流出（CurrentSource）和流入（CurrentSink）两种形式。

最简单的恒流源，就是用一只恒流二极管。

实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外，电流规格比较少，价格比较贵也是重要原因。

最常用的简易恒流源用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的电压作为基准，

这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。

缺点是不同型号的管子，其电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。

同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动。

因此不适合精密的恒流需求。

为了能够精确输出电流，通常使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的电流导致的误差。

如果电流不需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管代替。

恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。

只要能够得到电流，就可以有效形成反馈，从而建立恒

流源。

能够进行电流反馈的器件，还有电流互感器，或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈，也可以利用回路上的发光器件（例如光电耦合器，发光管等）进行反馈。

这些方式都能够构成有效的恒流源，而且更适合大电流等特殊场合。

3.1.3电路图及原理

图3.1pt传感器与恒流源电路

令AA`、BB`与CC`3段电阻阻值相等为r，恒=流源IA=IB

UA=IA*r+IA*R+IA*r

UB=IB*r+IB*r

UA-UB=UAB=IA*R

3.2电压放大器电路电路图

图3.2电压放大器电路图

放大器的电压放大公式：

U=A（u+-u-），其中U为输出电压，A为放大器放大倍数，u+-u-=UA-UB，UA-UB为图一中UAB。

电路中引入电容是为了降低干扰脉冲。

放大电路引入电压负反馈后，能够使输出电压稳定。

任何外界因素引起输

电压不稳时，输出电压的变化将通过反馈网络立即回送到放大电路的输入端，并与原输入信号进行比较，得出与前一变化相反的有效输人信号，从而使输出电压的变化量得到削弱，输出电压便趋于稳定。

可见，负反馈使放大电路具有了自动调节能力。

电压负反馈能够稳定输出电压。

3.3电压-频率变换器LM331

3.3.1Lm331周边电路图

图3.3lm331周边电路

3.3.2概述

LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。

LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。

LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。

LM331的内部电路组成如图1所示。

由输入比较器、定时比较器、R－S触

发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。

输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路。

3.3.3工作原理

图3.4lm331原理图

上图是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。

输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

当输入端Vi＋输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。

当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。

当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。

输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。

其输入电压和输出频率的关系为：

fo=（Vin×R4）/（2.09×R3×R2×C2） 由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。

电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。

DB0~DB7：

双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。

CLK：

时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。

RESET：

复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹形式，程序时钟前置分频器被置为31，RESET信号为高电平有效。

—CS：

片选输入线，低电平有效，单片机在此端为低时可以对8279进行读写操作。

A

A0：

缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态；为低电平时，表示数据总线上为数据。

—RD：

读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。

—wr：

写信号出入线，低电平有效，将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。

IRQ:

中断请求输出线，高电平有效，在键盘工作方式下，当FIFO/传感器RAM中有数据时，此中断线变为高电平，在FIFO/传感器RAM每次读出时，中断线就下降为高电平。

在传感器工作方式中，每当探测到传感信号变化时，中断线就变为高电平。

SL0~SL3：

扫描线，用来扫描按键开关、传感器阵列和显示数字，这些线可被编码或被译码。

RL0~RL7：

回送线，经过按键或传感器开关与扫描线连接，这些回送出入线内部设置有上拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按键闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。

Shift：

换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平、没有按下shift开关时，shift输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置就和换位输入状态一起被存储起来。

CNTL/STB:

当此开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平，对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存储起来。

在选通输入方式中，作选通用，把数据存入FIFOram中。

OUTA0~OUTA3及OUTB0~OUTB3:

显示输出A口及B口，这两个口是16*4的显示器更新寄存器输出，这些输出端输出的数据与扫描线SL0~SL3同步，供多路切换的数字显示。

这两个端口被独立控制，也可以看成一个8位端口。

BD:

空格显示，此输出端信号用于在数字转换时将显示空格，或者用现实空格命令控制其显示空格字符。

Vcc：

+5V电源输入线。

Vss：

地线输入线。

SL0~SL3：

扫描线，用来扫描按键开关、传感器阵列和显示数字，这些线可被编码或被译码。

RL0~RL7：

回送线，经过按键或传感器开关与扫描线连接，这些回送出入线内部设置有上拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按键闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。

Shift：

换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平、没有按下shift开关时，shift输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置就和换位输入状态一起被存储起来。

CNTL/STB:

当此开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平，对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存储起来。

在选通输入方式中，作选通用，把数据存入FIFOram中。

OUTA0~OUTA3及OUTB0~OUTB3:

显示输出A口及B口，这两个口是16*4的显示器更新寄存器输出，这些输出端输出的数据与扫描线SL0~SL3同步，供多路切换的数字显示。

这两个端口被独立控制，也可以看成一个8位端口。

BD:

空格显示，此输出端信号用于在数字转换时将显示空格，或者用现实空格命令控制其显示空格字符。

Vcc：

+5V电源输入线。

Vss：

地线输入线。

SL0~SL3：

扫描线，用来扫描按键开关、传感器阵列和显示数字，这些线可被编码或被译码。

RL0~RL7：

回送线，经过按键或传感器开关与扫描线连接，这些回送出入线内部设置有上拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按键闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。

Shift：

换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平、没有按下shift开关时，shift输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置就和换位输入状态一起被存储起来。

CNTL/STB:

当此开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平，对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存储起来。

在选通输入方式中，作选通用，把数据存入FIFOram中。

OUTA0~OUTA3及OUTB0~OUTB3:

显示输出A口及B口，这两个口是16*4的显示器更新寄存器输出，这些输出端输出的数据与扫描线SL0~SL3同步，供多路切换的数字显示。

这两个端口被独立控制，也可以看成一个8位端口。

BD:

空格显示，此输出端信号用于在数字转换时将显示空格，或者用现实空格命令控制其显示空格字符。

Vcc：

+5V电源输入线。

Vss：

地线输入线。

第四章软件设计

4.1简述本装置的软件设计包括主程序、键盘处理子程序、显示子程序、温度设定子程序以及相关硬件的初始化子、写程序、和读程序等。

程序完成的功能：

启动系统获取一频率值FX,PT温度传感器的比例系数K的获取方法如下：

第五章数和数值的编码

计算机只认得二进制数，要计算机处理的所有的数，都要用二进制数字来表示，所有的字母、符号亦都要用二进制编码来表示。

5.1进位计数制

1、十进制数：

（1）有十个不同的数字符号0、1……9。

（2）逢"十"进一。

不同位置的数字代表的数值是不同的（有个位、十位……）

2、二进制数：

（1）只有二个符号0、1；

（2）逢"二"进一，不同的数码在不同的数位，所代表的值也不同。

3、十六进制数：

（1）用16个不同的数码符号0～9以及A、B、C、D、E、F来表示数值；

（2）逢"十六"进位。

在不同的数位，数码所表示的值是不同的。

5.2二进制编码

在计算机中，是采用二进制数。

因而，要在计算机中表示的数、字母、符号等都要以特定的二进制码来表示，这就是二进制编码。

1、二进制编码的十进制数：

BCD码（Binary-CodedDecimal）2、字母与字符的编码字母和各种字符（$、#……）也必须按特定的规则用二进制编码才能在机中表示。

普通的是采用ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）码。

0～9的ASCII码为30H~39H,大写字母A~Z的ASCII码为41H~5AH。

5.3带符号数的表示法

1、机器数与真值

通常用最高位作为符号位，若字长为8位即D7为符号位，D6～D0为数字位，

符号位用0表示正，用1表示负如X＝（01011011）B＝＋91

X＝（11011011）B＝－91

2、原码

按上所述，正数的符号位用"0"表示，负数的符号位用"1"表示，这种表示法就称为原码。

X＝＋105[X]原＝01101001

X＝－105[X]原＝11101001

3、反码

正数的反码表示与原码相同，最高位为符号位，用"0"表示正，其余位为数值位。

（＋4）10＝00000100

符号二进制数值

（＋31）10＝00011111

（＋127）10＝01111111

而负数的反码表示为它的正数的按位取反（连符号位）而形成的。

（＋4）10＝00000100

（－4）10＝11111011----反码表示

（＋31）10＝00011111

（－31）10＝11100000----反码表示

（＋127）10＝01111111

（－127）10＝10000000----反码表示

（＋0）＝00000000

（－0）＝11111111----反码表示

4、补码

正数的补码表示与原码相同，即最高位为符号位，用"0"表示正，其余位为数值位。

如【＋4】补＝【＋4】原＝【＋4】反＝00000100

【＋127】补＝【＋127】原＝【＋127】反＝01111111

负数的补码表示为它的反码，并在其最后位（即最低位）加1形成。

如【＋4】原＝00000100

【－4】反＝11111011是＋4各位取反

【－4】补＝11111100反码＋1

【＋31】原＝00011111

【－31】反＝11100000

【－31】补＝11100001

【＋0】原＝00000000

【－0】反＝11111111

【－0】补＝00000000

8位带符号数的补码特点：

（1）【＋0】补＝【－0】补＝00000000

（2）8位二进制补码所能表示的数值为＋127～－128

（3）一个用补码表示的二进制数，最高位为符号位。

当符号位为"0"（即正数）时，其余七位即为此数的二进制值；当符号位为"1"（即负数）时，其余几位不是此数的二进制值，把它们按位取反，且在最低位加1，才是它的二进制值。

如：

【X】补＝10010100是负数，它的数值为0010100按位取反，

得1101011，然后再加1为11011