试设计智能仪表智能仪课程设计论文.docx

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太原理工大学现代科技学院

智能仪器设计 课程设计

专业班级 自动化11-2

学 号

姓 名

题目号 14

题 目14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）。

适配铁铜镍热电阻，测温范围为0℃~200℃。

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）。

摘 要

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，迅速的在家用电器，研单位和工业企业中得到了广泛的应用。

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）。

本次设计使用铁-铜镍热电阻。

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）。

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，铁-铜镍电阻，EPROM，智能仪器，数字测温温度计

目 录

摘 要 2

—设计目的及原理 4

1.1设计题目和目的 4

1.1.1设计题目 4

1.2设计基本要求 4

1.3设计原理 5

二．硬件设计 5

1.1系统原理框图 5

1.1.1STC89C51简介 6

1.2基本模块简介 8

1.2.1铁-铜镍温度测量接口技术 8

1.2.2铁-铜镍热电阻信号调理电路设计 8

1.2.3功率输出电路 9

1.2.44-20mA电流输出电路 9

1.2.5数码管显示及指示电路 10

1.2.6按键电路 11

1.2.7报警电路 11

1.2.8下载电路 12

1.2.9通信电路 12

1.2.10输出驱动电路 13

1.2.11电源电路 13

1.2.12比例控制算法 13

1.1.13热非线性校正算法 14

1.3.1基于STC89C51单片机实现智能测温仪表软件设计 15

1.3.2基于STC89C51单片机的智能测温仪表程序框架 16

三．系统流程图 18

四、总原理图 19

4.2 PCB版图 21

五、电路仿真的设计与分析 22

５.１ Proteus仿真软件介绍：

22

５.２ 仿真分析：

22

六、体会心得 24

附录１ C语言程序：

26

附录2 参考文献：

34

—设计目的及原理

1.1设计题目和目的

1.1.1设计题目

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）。

适配铁-铜镍热电阻，测温范围为0℃~200℃。

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）。

在互连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。

在互连网上收集相关单片机的显示、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，但也可以不购买元件，只到元件商店测量实际元件尺寸后，画封装图。

（4）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。

（5）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

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。

二．硬件设计

报

下

警

载

指

示和

显示

单片

机

通

信

1.1系统原理框图

按

Atmega16l

热

电

阻

键

输入

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、设定上下线报警等。

1.1.1STC89C51简介

图2 STC89C51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。

1.2基本模块简介

1.2.1铁-铜镍温度测量接口技术

（1）铁-铜镍金属热电阻简介

铁-铜镍热电偶测温线（J型热电偶）又称铁-康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。

它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学成分为：

55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN和TN来替换。

铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为

-200~1200℃，但通常使用的温度范围为0~750℃

J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用。

J型热电偶测温线可用于真空，氧化，还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。

1.2.2铁-铜镍热电阻信号调理电路设计

基于铁-铜镍传感器测温的智能测温仪表

试采用STC89C51单片机实现智能测温仪表。

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

传感器为铁铜镍热电阻，测温范围为0℃~200℃。

采用比例控制、并用晶闸管过零驱动1000W电加热器（电源电压为220VAC