智能仪表课程设计（论文）-智能型高压蒸汽灭菌装置.doc

本科生课程设计（论文） 智能仪表 课程设计（论文）题目： 智能型高压蒸汽灭菌装置 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间： 课程设计（论文）任务及评语 学 号学生姓名专业班级设计题目智能型高压蒸汽灭菌装置课程设计（论文）任务设计任务：设计一个高压蒸汽灭菌自动控制器，具有以下功能：1、可以通过键盘预设灭菌的温度、压力和杀菌时间；2、能够调节加热管的输出功率为半功输出；3、通过液晶显示设定的灭菌温度和时间；设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适单片机、液晶显示模块、传感器等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。技术参数：1、 温度检测范围：0125，精度优于0.5%2、 压力检测范围：0300kpa，精度优于0.5%3、 压力设定值为200kpa，温度设定值为110度，杀菌时间为25min；工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成）2、选择温度传感器、压力传感器、单片机、液晶模块型号。（1天，实验室完成）3、绘制硬件电路图。（1天，实验室完成）4、按系统的控制要求，编写软件程序。（3天，分散2天，实验室1天）5、上机调试、修改程序、答辩。（2天，实验室完成）6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要随着自动化技术的发展，工业生产中对设备自动化的要求越来越强烈，对于在食品加工行业中广泛使用的高温灭菌装置更应该实现自动化控制。所以设计一套合理、实用、高效、智能的高温灭菌装置的控制系统显得尤为重要。本文设计的就是高温灭菌装置的智能控制系统。利用对应的传感器分别对温度和压力进行检测，并通过变送器送到8位a/d转换模块的模拟通道进行转换，输出的数字量送到89c51单片机里进行处理和显示，工人可以通过4个按键来对灭菌的温度、压力、时间进行设置，设置完成后系统就自动运行，工人可以通过162的液晶显示屏来观察实时数据。整个系统完全自动化，不需要人员的任何操作，只要根据需求给系统设置好设定值，系统就自动调节。系统具有很高的安全性、可靠性、快速性。而且系统在食品加工行业得到广泛应用。 关键词：单片机；液晶；a/d转换；键盘；智能 目录第1章 绪论1第2章 方案论证22.1 设计任务分析22.2 系统结构图22.3 方案论证22.3.1控制模块22.3.2 显示模块32.3.3 温度传感器变送器模块42.3.4 压力传感器变送器模块42.3.5 a/d转换模块52.3.6 键盘模块5第3章 硬件设计63.1 单片机最小系统设计63.2 键盘模块电路设计63.3 a/d转换模块电路设计73.4 液晶显示模块电路设计73.5 加热管模块的电路设计8第4章 软件设计104.1 主程序设计104.2键盘程序设计11第5章 总结13参考文献14附录15附录1622第1章 绪论仪器是生产、科研等领域中不可缺少的测量和计量器具。随着自动化技术的发展，仪器也由原来的模拟式、数字式发展成现在的智能式。尤其是微处理器的采用，使仪器的智能化进一步提高。智能仪器与传统仪器相比较具有很多优点，例如：使用键盘代替传统仪器中的旋转式或键琴式切换开关来实现对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连；智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便的实现量程的自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准和自诊断功能，有力的提高了仪器的自动化测量水平；智能仪器具有友好的人机对话能力和超强的通信能力。这些优点给生产和生活带来了很大的方便，减少生产中的劳动力的支出，降低生产成本，提高经济效益和社会效益，而且还增加了生产的安全性。 对于高压蒸汽灭菌装置来说，在智能仪器出现以前，整个装置都由人工操作的。操作工通过压力表、温度表来读取装置内的压力和温度，再与需求值进行比较，然后手动调节加热装置。整个过程都是由操作人员完成，精度低，而且稍有不慎还会造成生产事故，消耗人力物力较多。当智能仪器的出现以后，这些问题就等到了解决。设计一套智能仪器对高压蒸汽灭菌装置，用传感器对装置内的温度和压力进行检测并送到智能仪表中进行处理，智能仪表控制相应的加热装置来使装置内的参数稳定在设定值。整个过程没有人为因素的引入，控制精度很高，节约劳动力，安全可靠。本文设计的就是一套智能的仪器，该智能仪器的功能就是实现对高压蒸汽灭菌装置进行智能的控制。所谓的智能控制就是指灭菌时间和灭菌温度可以通过仪器的键盘随意设定，一旦设定完成，装置就不需要再由人为控制，一切都由智能仪器来完成，自动计时、自动控温、时间到自动关闭系统等。系统具有安全可靠、控制精度高、性价比高等优点。在工业生产中会得到广泛应用。第2章 方案论证2.1 设计任务分析本文设计的是智能型高压蒸汽灭菌装置，通过键盘对灭菌温度、灭菌时间、灭菌压力进行设置，设置完成后系统运行起来。通过温度传感器变送器和压力传感器变送器对装置内的温度和压力分别进行检测并输出05v的模拟信号经过a/d转换模块送到单片机中进行处理，与设定值进行比较，小于设定值就使加热管全功率加热，等于设定值就使加热管半功率加热。而且单片机内的定时器自动计时，定时时间到停止装置的运行，加热管停止加热。整个过程要用液晶显示设定值和实时值。2.2 系统结构图单片机温度传感器变送器a/d转换模块1液晶显示模块压力传感器变送器a/d转换模块2键盘模块加热管模块图2.1 系统框图2.3 方案论证2.3.1控制模块控制模块主要采用intel公司的单片机， intel公司的单片机有两种系列：mcs-51系列和mcs-52系列。这两种系列的单片机最主要的区别就是52系列片内数据存储器（ram）和程序存储器（rom）的大小比51系列增加一倍，另外增加了一个定时/计数器和一个中断源。我们只是设计简单的交通灯控制器，mcs-51系列就足以满足各项要求，从经济的角度考虑应选用mcs-51系列单片机。mcs-51系列单片机又有很多子系列，根据采用不同的子系列的单片机制作了以下几个方案：方案一：采用8051系列。8051采用的是掩膜rom，在制作时程序就被写定而无法更改。我们可以采用这类单片机在出厂时直接把编好的交通灯控制程序写入。但是如果以后需要对程序进行更改时只能制作一个新的单片机。方案二：采用8751系列。8751采用的是eprom，该系列单片机是可多次改写、可现场编程的。但需要紫外线来擦除已存在的信息，要在紫外线下照射20分钟左右才能擦除已存在的信息。在程序写好以后还要防止有紫外线照射使程序丢失。方案三：采用8951系列。8951系列采用的是eeprom，是一种可多次电信号编程、电信号擦除的单片机。而且在擦除时不必从系统上拆下来，可直接擦除和写入，使用起来很方便。三个方案进行比较可以发现方案三更合适，使用方便，需要改写时可直接擦除和改写，虽然价格会比另外两个贵一些，但是8951系列单片机是现在市场的主流，容易购买到。综合考虑还是选择8951系列单片机做控制器2.3.2 显示模块系统需要显示温度、压力、时间三个设定值和三个实时数值共六个值，根据工业常用显示模块制定如下两个方案：方案一：采用7段数码管进行显示，根据设计要求时间需要显示3位、压力需要显示3位、时间需要显示2位，所以共需要数码管16个来进行显示。方案二：采用液晶显示模块，选择一个合适的液晶显示模块对数据进行显示。液晶显示模块要选择字符型液晶显示模块，要选择2行的，一行用来显示设定值，一行用来显示实时数据值。每行要至少能显示13个字符。两个方案进行比较，如果采用方案一硬件电路要复杂的多，而且单片机的串口还需要进行扩展才能满足要求。才用方案二虽然在价格上会贵一些，但是硬件电路简单需要的单片机串口也相对少得多。所以显示模块采用方案二。采用ocmc2x16b型液晶显示模块，参数如下：显示内容：两行，每行16个字符显示模式：stn，positive背光：led，黄绿色工作温度：055控制ic：ks0066/s6a00692.3.3 温度传感器变送器模块 系统需要温度传感器的测量范围是0125，根据设计要求对传感器进行选择指定方案如下：方案一：采用热敏电阻类型的温度传感器对温度进行测量。方案二：采用热点偶类型的温度传感器对温度进行测量。方案三：采用辐射式温度传感器对温度进行测量。 这3种温度传感器都是比较常用的温度传感器，但是热电偶式温度传感器的测量范围很大，辐射式温度传感器主要是用来测量运动中物体的温度，相对价格也很高，用在这里不够经济。所以就采用经济实惠的热敏电阻温度传感器，测量范围合适，精度要求刚好满足设计要求。最典型的热电阻式温度传感器就是pt100，根据设计要求，选择一个wzp-a型pt100温度传感器对装置内温度进行测量。 wzp-a型pt100温度传感器的参数规格如下：测温范围： 0200精度等级：0.15引线长度：1m测量电路：三线制由于温度传感器选择的是wzp-a型pt100温度传感器，所以选择的变送器要与之对应，所以选择rtm-82型高精度温度变送器，该型号变送器专为pt100温度传感器设计，他将电阻传感器的阻值变化转换成与温度有线性关系的05v直流电流信号。而且他还具有线性修正功能。2.3.4 压力传感器变送器模块 压力传感器的种类繁多，使用的场合也个不相同，制定档方案如下：方案一：采用电阻应变式压力计对装置压力进行检测。方案二：采用变面积电容式压力计对装置压力进行检测。这两种类型的压力计都是应用比较广泛的，价格也相差不多，单从测量环境考虑选择方案二的变面积电容式压力计更好一些，因为如果采用电阻应变式压力计当装置内温度发生变化时对压力的测量结果会造成影响，会产生很大的误差。所以压力传感器选择变面积电容式压力计。 本文选用ptp701高温压力传感器变送器，参数如下：量 程: 01 (mpa) 综合精度: 0.2%fs、0.5%fs、1.0%fs 输出信号: 1.0mv/v、1.5mv/v、21.0mv/v(四线制) 供电电压: 10dcv(612dcv) 介质温度: 01000 环境温度: 常温(-20185) 负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50k 绝缘电阻: 大于2000m (100vdc 振动影响: 在机械振动频率20hz1000hz内，输出变化小于0.1%fs 电气接口(信号接口): 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母 2.3.5 a/d转换模块对于a/d转换模块的选用主要考虑的是a/d转换器的位数。根据本文的设计要，温度的测量范围为0200，控制精度为1，所以需要200个状态，8位的a/d转换器就能满足要求，所以选择8为的a/d转换器来对测量来的温度信号进行转换。对于压力测量信号来说，8位的a/d转换器也同样满足。 方案一：选择两个8位a/d转换器分别对两路模拟信号进行转换，方案二：选择一个多路模拟信号输入的8位a/d转换器对两路模拟信号分时转换。 如果选用方案一，不但不够经济而且需要的单片机串口较多。所以应选择方案二，但编程的难度就会增加很多。2.3.6 键盘模块单片机的键盘模式有两种，一种是独立式，另一种是矩阵式，因为设计需求的按键格式不是很多，所以选用独立式的键盘设计。关于按键的需求设计如下，一个设置切换键用来实现温度、压力、时间三个参数的设置的切换，一个位切换键用来对每个参数值的位进行切换，一个增加减用来调节酶位的数值从09变化,一个确认键结束设置。具体按键是怎么使用的，会在后边的软件设计中介绍。第3章 硬件设计3.1 单片机最小系统设计图3.1 单片机最小系统 单片机最小系统主要由晶振电路和手动复位电路构成，设计如图3.1。晶振采用的是12mhz的晶振。按键s0为手动复位按键，按住10ms以上单片机就自动复位。3.2 键盘模块电路设计图3.2键盘模块电路图 四个按键s1、s2、s3、s4就构成了键盘模块，s1为设置切换键，与单片机的p0.4连接，当没有按下按键时，p0.4为高电平，有键按下时p0.4由高电平变成低电平，单片机通过p0.4的电平变化来判断是否有键按下。其他几个按键的原理与s1相同，s2与单片机的p0.3相连，s3与单片机的p0.2相连，s4与单片机的p0.1相连。3.3 a/d转换模块电路设计图3.3 a/d转换模块电路图adc0809为8位的a/d转换器，他有8路模拟信号输入通道，通过p2口输出数据并经过74ls373锁存器锁存来选择相应的通道。本文用到的只有in0和in1两个通道，in0输入的是温度测量信号，in1输入的是压力测量信号。d0d7与单片机的p2口相连，用于数据的传输，当eoc输出低电平时代表转换结束，转换结果就可以通过adc0809的d0d7口输出给单片机的p2口。start启动端和ale地址锁存控制端与单片机的p3.6口连接，单片机通过控制p3.6口的电平来控制a/d转换的开始和通道地址的锁存。eoc为转换结束输出信号，与单片机的p3.2口连接，单片机通过判断p3.2口的电平高低来判断是否转换结束。oe为输出有效控制位，与单片机的p3.7连接。clk时钟信号输入端与单片机的时钟信号输出端ale相连。3.4 液晶显示模块电路设计液晶显示模块采用的是ocmc2x16b型液晶显示器，如图3.4所示，液晶显示模块的数据输入端db0db7直接与单片机的p1口相连。三个控制端与单片机的p3.0、p3.1、p3.3分别相连。单片机通过p1口把数据送到显示模块，通过p3.0、p3.1、p3.3口来实现对显示模块的控制。显示的映像存储区的地址范围为40h5fh共32个存储单元分别对应液晶显示中的32个字符。只要把要显示的数值存入相应的存储单元，液晶显示器对应单元就能显示该字符。图3.4液晶显示模块电路图3.5 加热管模块的电路设计图3.5 加热管模块电路图加热管的半功率输出是通过一个双向晶闸管来实现的，晶闸管的门极与p0.0连接，当p0.0输出高电平时，双向晶闸管导通，加热管全功率输出；当p0.0输出低电平时，双向晶闸管截止，加热管半功率输出。电路如图3.5所示。第4章 软件设计4.1 主程序设计开中断上电选择模拟通道0并采样设置定时器t0和t1并启动显示的初始化设置读入转换结果送显示转换是否结束？都小于设定值吗？选择模拟通道1并采样转换是否结束？全功加热半功加热读入转换结果送显示结束noyesyesyesnono图4.1主程序流程图如图4.1所示为系统的主程序流程图，上电以后先进行初始化设置，对有特殊用途的单元清零，例如作为显示映像存储单元。然后开启定时中断，并对定时器t0和定时器t1进行初始化设置，工作模式的选择、初值的设置等。其中t0定时5ms，用来扫描键盘；t1定时50ms，用来计时。接下来要对显示进行初始化的设置，包括显示映像存储区的定义、显示行数和列数、坐标的存储单元、还有一些一直显示的字符串也要在这里定义。设置完成以后开始真正的运行，通过设置相应端口的电平来对a/d转换器进行控制，先选择通道in0对当前温度值进行采样并进行转换，转换结束后转换结果送到单片机中进行处理，处理包括与设定值进行比较、转换成对应的温度数值送到显示单元等。处理结束并输出相应的控制信号。然后选择通道in1对当前的压力值进行采样并转换，同样转换结束后巴转换结果送到单片机中处理，最后输出控制信号。然后再跳到通道0依次循环下去直到定时时间到结束程序运行。程序见附录4.2键盘程序设计定时中断入口读取键盘信息调用延时子程序 有键按下？与上次相同？是否释放？执行相应的功能子程序返回是否是否是否图4.2键盘程序流程图如图4.2所示为键盘扫描程序，本文设计的键盘采用的是定时扫描的方法，每5ms产生一次定时中断并跳入到键盘扫描中断程序当中来执行。进入程序先读取键盘信息，然后判断是否有键按下，如果没有直接退出中断程序返回到主程序中，如果有键按下，判断是哪个键按下并去除抖动，等待释放该按键，按键释放以后调用该按键的功能子程序进行译键。程序见附录第5章 总结本文设计了一套在食品加工行业中广泛使用的智能高温灭菌控制装置，该装置具有控制精度高，调节速度快，可靠性高的优点。而且控制器可以安装在控制室里，对设备进行远程控制，安全方便。但是系统还有很多不足的地方，一但停电系统将无法运行，所以要给系统配置一个临时供电装置，使系统在停电时依旧能够运行。在安全方面，系统还缺少报警装置和连锁保护装置的设计，可以给系统增加一些指示灯或蜂鸣器在温度和压力超过设定值时或定时时间到时给操作人员明显的提示。如果条件优越，也可以设计一套mcgs监控组态画面来对整个过程进行实时监控。从总体上说，本文设计的系统简单可靠，经济实用，会在在食品加工行业中得到广泛的应用。参考文献1周航慈,朱兆优,李跃忠.智能仪器原理与设计.北京:北京航空航天大学出版社,20052孟志永.单片机外围电路设计.北京：电子工业出版社,20043张松春.电子控制设备抗干扰技术及应用.北京：机械工业出版社,2003:40-594独立秀.热工控制系统.第1版.北京：中国电力出版社,2001:100-1505宋文绪,杨帆.传感器与检测技术.北京：高等教育出版社,2004附录 图6.1总体电路图附录 主程序如下：org 0000hljmp mainorg 000bh；定时中断0入口ljmp 0200horg 001bhljmp 0300horg 0030hmain:setb ea；开总中断setb et0；开定时中断mov 80h,#60；为定时次数准备mov 81h,#20；为定时次数准备mov r0,30h；把设置的定时时间给r0mov tmod,#11h；设置两个定时器的工作模式mov th0，#11101100b；给定时器t0赋初值mov tl0，#01111000bmov th1，#00111100b；给定时器t1赋初值mov tl1，#10110000bsetb tr0；启动定时器t0setb tr1；启动定时器t1tbufequ 40h；定义显示映像存储区的首地址txmaxequ 16；设置每行显示的字符数tymax equ 2；这只显示的行数txdata 60h；定义x坐标的存储单元tydata 61h；定义y坐标的存储单元mov ty,#1mov tx,#1；指向第1行第1列lcall sout；调用输出字符串的程序db ”t”,0；在第1行第1列显示字符tmov ty,#6mov tx,#1；指向第1行第6列lcall sout；调用输出字符串的程序db ”p”,0；在第1行第6列显示字符pmov ty,#11； mov tx,#1；指向第1行第11列lcall sout；调用输出字符串的程序db ”t”,0；在第1行第11列显示字符tmov ty,#1；mov tx,#2；指向第2行第1列lcall sout；调用输出字符串的程序db ”t”,0；在第2行第1列显示字符tmov ty,#6；mov tx,#2；指向第2行第1列lcall sout；调用输出字符串的程序db ”p”,0；在第2行第1列显示字符pmov ty,#11mov tx,#2；指向第2行第11列lcall sout；调用输出字符串的程序db ”t”,0；在第2行第11列显示字符t初始化设置结束，开始采集并显示kong:mov p2,00000000b；选择通道0setb p3.6；把p3.6置位产生一个上升沿lcall min；调用延时子程序clr p3.6；把p3.6清零jb p3.2，w1；判断转换是否完成，完成后跳转sjmp $；没完成就等待w1:setb p3.7；使eoc端有效转换结果给单片机mov 70h,p2；把转换结果存入70h单元mov a,70h；把结果存入累加器进行处理mov b,#256div abmov b,200mov ab；把数字量转化成对应的模拟量值mov b,#64hdiv ab；除以100求百位的值mov 51h,a；把温度的百位值送显示mov a,bmov b,#0ahdiv ab；除以10求十位的值和个位值mov 52h,a；把温度的十位值送显示mov 53h,b；把温度的个位值送显mov p2,00000001b；选择通道1setb p3.6；把p3.6置位产生一个上升沿lcall min；调用延时子程序clr p3.6；把p3.6清零jb p3.2，w2；判断转换是否完成，完成后跳转sjmp $；没完成就等待w2:setb p3.7；使eoc端有效转换结果给单片机mov 71h,p2；把转换结果存入70h单元mov a,71h；把结果存入累加器进行处理mov b,#256div abmov b,200mov ab；把数字量转化成对应的模拟量值mov b,#64hdiv ab；除以100求百位的值mov 56h,a；把压力的百位值送显示mov a,bmov b,#0ahdiv ab；除以10求十位的值和个位值mov 57h,a；把压力的十位值送显示mov 58h,b；把压力的个位值送显示计时中断程序：org 0300hmov th1,#00111100b；给定时器t1重新赋初值mov tl1,#10110000bmov r1,80h；把次数调出来存入r1mov r2,81h；把次数调出来存入r2rel2:djnz r2,rel；判断是否到20次mov 81h,#20；到了就重新赋值mov r2,81hdjnzr1,rel2；判断是否到60次mov 80h,#60；到了重新赋值mov r1,80hdjnz r0，rel2；判断设定的次数到了没有ljmp rel0；到了就返回主程序rel:mov 20h,r2ljmp rel0rel0:reti 键盘扫描程序：org 0200h mov th0，#11101100b；给定时器t0重新赋初值mov tl0，#01111000bmova,p1；读键anla,#00011110b；把无关位屏蔽s1:cjnea,#00001110b,s2；判断是不是s1键按下 lcalltime；调用延时子程序 cjnea,#00001110b,s2；去抖s11:cjnea,#00001110b,s12；判断是否释放按键ljmps11；等待释放s12:lcallg