机电一体化技术毕业设计样本

武汉理工大学网络教育毕业设计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 武汉理工大学网络教育毕业设计摘要：X MT-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 机武汉理工大学网络教育毕业设计目 录第一章 绪论 .1第二章 本次毕业设计任务2.1 设计题目： .12.2 设计意义： .2第三章 软件设计3.1.1 Pt 温度传感器 .43.1.2 恒流源介绍 .4恒流源分为流出(Current Source)和流入(Current Sink)两种形式。 .43.3 电压-频率变换器 LM331 .63.3.1 Lm331 周边电路图 .63.3.2 概述 .63.3.3 工作原理 .73.4 8279 单片机的性能及结构 .83.4.1 芯片引脚功能说明 .83.4.2 内部结构 .103.5 Pcb 印制板电路图 .103.5.1 PCB 发展简介： .10第四章 软件设计4.1 程序流程图如下 .10第五章 数和数值的编码5.1 前面板示意图及案件说明： .115.2 仪表参数的设置流程 .12参考文献 .131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 (Center Processing Unit,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。21.2 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 。3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 。4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3.1.1 Pt 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,Resistance Temperature Detector)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+ T) 其 中 =0.00392,Ro 为 100 (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(Current Source)和流入(Current Sink)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5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 3.1 pt 传 感 器 与 恒 流 源 电 路令 AA、 BB与 CC3 段 电 阻 阻 值 相 等 为 r， 恒 =流 源 IA=IBUA=IA*r+IA*R+IA*rUB=IB*r+IB*rUA-UB=UAB=IA*R3.2 电压放大器电路电路图6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 LM3313.3.1 Lm331 周边电路图图 3.3 lm331 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7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