《专业班级自动化》word版.doc

装订线专业班级 0 学号 0 姓名 0 成绩 目录摘要2一、概述3二、设计题目及要求3三、设计方案3四、硬件设计41、单片机控制模块42、输入模块的设计73、通信模块的设计104、人机接口模块的设计115、温度控制模块136.电源模块的设计147、PCB图15五、软件设计16六、总结20七、参考文献20摘要智能温控器(亦称数字温控器)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。目前，国际上已开发出多种智能温控器系列产品的应用,诸如:用于面包房发酵时的温度控制、用于工业锅炉的温度控制等。智能温控器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。关键字：智能温控器 传感器 A/D转换器 信号处理器一、概述温控仪表发展快速，使它集成了许多自动控制功能，众多温控仪表的发展来看,智能温控仪表的发展前景看好。其主要表现在它的“智能性” 。它的工作原理其实是比较智能而简单化的，它是通过一块智能芯片加上外部信号输入和输出功能相结合而形成的一个测试整体，它的工作原理像电脑一样，是通过一块处理芯片，像电脑中的CPU，但又没有CPU功能强大，再加上信号输入，信号放大，数模转换，控制输出等几个部份组成。而信号的转换主要是通过单片机来完成的。智能温控器(亦称数字温控器)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。目前，国际上已开发出多种智能温控器系列产品的应用,诸如:用于面包房发酵时的温度控制、用于工业锅炉的温度控制等。智能温控器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。进入21世纪后，智能温控器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温控器和网络温控器、研制单片机测温控温系统等高科技的方向迅速发展二、设计题目及要求题目：反应器的智能温控仪表设计功能要求：反应器由800W电热器加热，最高温度为100C。反应器的温度可以设置，恒温控制过程为设置的温度，温度控制误差1C。可以实时显示设置温度和实际温度，显示精度为1C。当实际温度超出设置温度2C时发出报警 采用STC89C51单片机和12Hz的晶振；采用AD590温度传感器 。采用位式控制、并用晶闸管过零驱动800W电热器（电源电压为AC220V）。三、设计方案该课题主要讲述了基于单片机的智能温控仪的硬件设计与实现。采用STC89C55单片机做为核心元件，温度传感器采用AD590，而模数转换采用ADC0832，在显示模块中用74LS244和74LS06分别作为段驱动和位驱动，这样增加的段控线和位控线的驱动能力并且增加了数码管的亮度。在控制部分用继电器来控制执行器件的电源，从而达到控制温度的目的。图1 系统原理框图具体工作过程是：系统输入由AD590温度传感器采集的温度信号，再由模数转换器ADC0832将该信号转换后输入到单片机，再由单片机将其与给定温度对比，发出相应控制信号，控制模块是利用继电器来切断电源，以免温度继续上升，并且用三个数码管同步显示温度，系统框图如图1所示。四、硬件设计1、单片机控制模块随着社会发展，单片机以其体积小、可靠性高、使用方便的特点在社会生活中达到广泛应用。根据温度控制特点，本次设计采用STC89C51。以下对其进行详细介绍。STC89C51是目前应用最为广泛的一种单片机系列。其内部结构简化框图如下所示。STC89C51系列单片机主要有CPU、存储器，IO接口电路及时钟电路等部分组成。STC89C51单片机引脚功能STC89C51单片机40个引脚及总线结构图如下所示。由于STC89C51单片机是高性能的单片机。同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能图。 图2 单片机引脚图1）.主电源引脚主电源引脚两根：VCC接+5V电源正端；VSS接+5V电源地端。2）.外接晶体引脚两根XTAL1:接外部石英体和微调电源一端。XTAL2:接外部晶体和微调电容另一端。其中，对用外部时钟时，对于HMOS单片机,XTAL1脚接地，XTAL2脚作为外部振荡信号输入端。对CHMOS单片机XTAL1脚作为外部振荡信号的输入端，XTAL2脚空不接。3）.IO引脚共32根。APO口：P0.0-P0.7统称为PO口是8位双向I/O口线。P0口即可作为地址/数据总线使用，又可作为通用的I/O口线。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据的总线。BP1口：P1.0-P1.7统称为P1口。是8位准双向I/O口线。P1口作为通用I/O口使用。CP2口：P2.0-P2.7统称为P2口。是8位准双向I/O口线。P2口即可作为通用的I/O口使用。也可作为片外存储器的高8位地址线。与P0口组成16位片外存储器单元地址。P3口的第二功能如下表所示：P3口的第二功能P3.0 RXD 串行口输入P3.1 TXD 串行口输出P3.2 外部中断0输入P3.3 外部中断1输入P3.4 T0 定时/计数器0计数输入P3.5 T1 定时/计数器1输入P3.6 片外RAM写选通信号（输出）P3.7 片外RAM读选通信号（输出）4）.控制线控制线共四根。A：ALE/PROG 地址锁存有效信号输出率。B：PSEN 片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。C：RST/VPD 复位信号备用电源输入信号。D：EA/VPP 片外程序存储器选用端。此模块是设计的核心部分，由一片STC89C51微处理器、以及其内部方式时钟电路及手动复位开关，还有工作方式选择开关构成。图3 89C51的复位和振荡电路XTAL1和 XTAL2引脚分别为单片机内反向器的输入/输出端，其频率范围为1.212MHZ。XTAL2又是内部时钟发生器的输入端，这个内部反向器可与外部元件相连。当采用石英晶体振荡器时，C=3010pF；当采用陶瓷谐振荡器时，C=4010pF，如图3所示。2、输入模块的设计2.1温度检测及放大电路模块设计本设计以单片机为核心，采用的AD590是一种低温传感器。它的主要特性如下：1、AD590的测温范围为-55+150。2、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。3、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。图4为电平转换模拟电路的结果，测量温度从0100，转换电压范围在13.5V之间，在此电压范围之内可以确保测量的精度，减少误差。图4温度转换电路模拟结果温度传感器获得温度的值，经温度检测及变换电路来调节电压的大小，经过电压变换以及反向滤波电路使之输出的模拟电压能够直接可以输入到ADC0832中。温度检测及变换电路如图5所示。AD590将检测到的信号通过可调电阻以电压形式接至精密运放LM234的反向输入端。AD590的正极接+5V电压，设通过2接口和电阻R27的电流分别为I1和I2则AD590的电流表达式为I=I0+I1，电压增益A1，只要在0度以下调整R27使I0等于AD590在该温度下的工作电流值（此时I1=0，I=I0），I0就为恒定值。图5 电平转换电路的设计2.2 A/D转换模块设计由于输入信号为一个模拟信号，故需要经过A/D转换才能进入计算机。本设计采用ADC0832。ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前己经有很高的普及率。ADC0832具有以下特点:8位分辨率双通道A/D转换输入输出电平与TTL/CMOS相兼容 5V电源供电时输入电压在0-5V之间 工作频率为250KHZ，转换时间为32S 一般功耗仅为15mW 8P, 14P-DIP(双列直插)、PICC多种封装商用级芯片温度为0-70，工业级芯片温度为-40 -85芯片接口说明:/CS 片选使能，低电平芯片使能。CH0 模拟输入通道0。CH1 模拟输入通道1。GND 芯片参考0电位(地)。D0 数据信号输入，选择通道控制。D1 数据信号输出，转换数据输出。CLK 芯片时钟输入。VCC 电源输入及参考电压输入(复用)。 ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32 S，据有双数据输出.可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。单片机对ADC0832的控制过程:正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是/CS, CLK, DO, DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以在电路设计时将DO和DI并联在一根数据线上使用。图6 89C51配置ADC0832硬件接口电路当ADC0832未工作时其/CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将/CS使能端置于低电平并且保持低电平自到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2, 3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。在本系统中由于只需要一路信号的转换，所以通道0和通道1并联在一起。VCC用5V电压源供电，同时也是A/D转换的参考电压。它与单片机连接电路如图6所示：3、通信模块的设计当选定外给定方式时，就需要与计算机进行通讯。计算机将设定值传送到单片机进行控制。在这个模块为确保通讯成功，需要与计算机在软件上约定好通信协议。利用单片机的串行口可以进行单片机与单片机、单片机与APPLE微机、单片机与PC、XT/AT系列微机等之间的串行异步通信。因为要与PC机通信，所以这里涉及到单片机和计算机之间的双机异步通信接口设计。图7串行通信模块设计由于89c51串行口为全双工异步通信串行接口，为了增加通讯距离，减少通道及电源干扰，可采用RS-232C或RS-422、RS-485标准进行双机通讯，两通讯系统之间采用光电隔离技术，以减少通道及电源的干扰，提高通讯可靠性。本论文选用Rs-232标准进行通讯。RS-232C是美国EIA（电子工业联合会）与BELL公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据端传输率在020000bit/s范围内的通讯。它最终是为远程通讯连接数据中端设备DTE与数据通信设备DCE而制定的。因此这个标准的制定未考虑到计算机系统的应用要求。但由于其推出时间较早，通用设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一中标准在微机通讯接口中得到广泛应用，如PC机的COM1，COM2口。RS-232C标准对两个方面作了规定，即信号电平标准和控制信号线的定义。RS-232C采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平和通常用的TTL电平不兼容。RS-232C将-5V -15V规定为“1”，+5V+15V规定为“0”。TTL标准和RS-232C标准之间的电平转换可以通过专用芯片完成，如MAX202 等，具体电路连接如图7所示。4、人机接口模块的设计4.1键盘模块设计1)独立键盘如下图所示。每个键都有一根信号线与单片机电路相连，所有按键都有一个公共地或公共正端，每个键相互独立互不影响。当按下一个键时，无论其它键是否被按下，信号线由1变为0；当松开此键时，无论其它键是否被按下，信号线由0变为1。考虑到所用按键较少所以采用独立键盘。图8 键盘电路图2）键盘功能简介键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，低电平有效。按键ASN1，AN2，AN3，AN4的功能定义如表一所示。按键AN2与-INT0相连，采用外部中断方式，并且优先级定为最高，按键AN3和AN4分别与p1.6和p1.5相连，采用软件查询方式，AN1为硬件复位键，与R，C构成复位电路。按键键名功能AN1复位键使系统恢复AN2功能转换键按键按下（灯亮）时，显示温度设定值。按键升起时（灯灭）时，显示当前温度值AN3加1键设定温度渐次加1AN4减1键设定温度渐次减1表1 按键功能4.2 LED显示器模块设计考虑到动态显示使用硬件少、价格低等优点，并且一般微机本身都具有较强的逻辑控制功能，且软件译码器译码逻辑可随意编程设定，同时还可简化硬件电路结构，故在微机应用系统中，用得最多的还是软件译码LED显示器接口。本论文即选用了软件译码LED显示器接口。LED数码管显示，以共阴极八段数码管为例，工作原理为：每个数码管由八个发光二极管组成，发光二极管的阴极连在一起，当阴极接地，需发光的二极管阳极接高电平时，相应二极管发光，即产生相应要显示的数字。LED动态显示：该模块主要由LED数码管组成。其接口电路是把所有的LED显示器的8个笔画段AG，DP的同名端连在一起，而每一个数码管的公共端COM是各自独立的接受I/O线控制。CPU向字段输出口送出字型码时，所有显示器接受到相同的字型码，但究竟是哪个显示器亮取决于COM端，而这一端是由I/O口控制的可以自行决定何时显示哪一位。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮 图9 数码管接线图在轮流点亮扫描的过程中，每位显示管的点亮时间是极为短暂的，约1ms左右，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。本设计显示部分采用共阴极LED显示 ，数码管的引脚图以及接线图见图9所示。图10 数码管连接图由于位控线的驱动电流较大，8段全亮时大约是4060mA，因此单片机的P2.5，P2.6，P2.7的输出口加74LS06进行反相和提高驱动能力，然后在接LED显示器的位控端。段控线的负载电流约为8mA，为了增加亮度，外加74LS244进行段控输出驱动，和单片机的P0口相接，具体连线如图10所示。4.3报警电路图11当温度超过报警限时，单片机相应管脚输出一定频率的电平。蜂鸣器发出响声5、温度控制模块图12本系统要求具有控制加热器的功能，采用二位式控制，即只需控制开和断，设计要求采用晶闸管过零驱动，故设计如上图：采用MOC3063进行驱动，该电路相当于单片机控制一个交流功率开关，控制负载得电或失电，特别是在交流电过零瞬间，因此对电网冲击小，电磁辐射小。电阻R1用于控制MOC3063输入电流在10mA左右；电阻R2用于限制被驱动双向晶闸管的门极触发电流IGT；R3用于抗干扰；Cs用于限制电压的上升速率dV/dt；电阻Rs用于限制Cs上的浪涌电流采用光控过零驱动晶闸管，进而控制电加热器的通断电。6.电源模块的设计图13 电压转换电路图13是一个由220V交流变换成5V直流的转换电路，先由变压器转换成8V，然后经过桥式整流电路转换成直流, 再经过滤波电容，稳压器，电阻等器件，最后输出5V直流电压作为该系统的电源。7、PCB图五、软件设计本系统软件由单片机C语言编写而成，采用模块化结构设计。基于单片机的语音报警智能温控仪其主要功能是：将采集到的外界温度与设定温度相比较，假如温度超过或者低于设定温度系统就会通过外接设备进行调整。该系统的软件部分包括控制模块、数据模块、数据显示模块、光报警模块等。Stc89C51单片机提供了数据采集、显示所需接口。具体工作过程是：系统输入由AD590温度传感器采集的温度信号，再由模数转换器ADC0832将该信号转换后输入到单片机，再由单片机产生乡音信号对温度进行控制，温度过高自动进行报警，同时控制800w电热器来控制温度。流程图14所示图14程序清单#include / STC59C51单片机头文件#include Flash unsigned char SHUMA=0xC0,0xF9,0xA4,0XB0,0x99,0x92 0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,;/定义数码管译码数组定义数码管位选数组；SPI初始化；Void SPI_MasterInit(void)DDRB|=(15)|（17)；SPCR=(16)|（14) |(15)|（11)| (10)；Void SPI_595_Out(unsigned char i)SPDR=i;While(!SPDR&(17);Void main(void)unsigned char saomiao=0;Unsigned char w10;DDRA=0x00;PORTA=0X00;DDRB=0XB0;PORTB=0Xff;DDRC=0XFC;PORTC=0XFF;PORTD=0X00;DDRD=0XFF;SPI_Masterlnit();While(1)data0=1234;data1=5678;W0=data0%10;W1=data0/10%10;W2=data0/100%10;W3=data0/1000%10;W4=data0%10;W5=data0/10%10;W6=data0/100%10;W1=data0/1000%10;PORTB&=(14);SPI_595_Out(weizhisaomiao);SPI_595_Out(dispwsaomiao;PORTB=|(1=8saomiao=0;while(1)uchar j=0;uint i;DDAR=0xFF;DDRB=0XFF;PORTD=0XFF;DDRD=0X00;While(1)if(PIND|0XEE)=0XEF)For(i=0;i99)j=0;While(PIND|0XEF)=0XEF);PORTB=SHUMAj/10;PORTC=SHUMAj%10;PORTA=j;while(1)PORTC=SHUMAcounter;/数码管与LED灯显示语句： if(display_time= =1) /如果显示标记display_time=1，则执行显示任务，完成一位数码管显示数码管扫描显示语句；/采用两片74HC595扫描数码管display_time= =0；/ADC转换与数字滤波语句：if(sample_time= =1) ADC转换、数字滤波与非线性校正程序；sample_time= =0;/ADC输出数值判断、报警、位式算法运算与控制量输出：if (control_time= =1) 温度值判断与报警语句；/具有比例算法的运算语句：Error = SetPoint temp_value; /求偏差 LastError = Error; out=Proportion*Error control_time=0;/DAC转换语句：if (DAC_time= =1) DAC数据输出语句；DAC_time=0;/PCA0中断服务程序用于产生PWM输出（高优先级中断）void PCA0_ISR (void) interrupt 11 /使用定时器0溢出作为时钟源/PWM输出语句:unsigned int duty; /定义占空比变量，5000s对应5V，1000s对应1VTMOD=0X10; /定时器1，工作模式1，16位定时模式TH1=(65536-1000)/256; /定时1初始化TL1= (65536-1000)%256;ET1=1; /允许定时器1中断EA=1; /允许总中断TR1=1; /启动定时器1/定时器1中断服务程序，用于产生显示、ADC转换、DAC与控制周期等标记定时器1中断服务程序：timer1() interrupt 3 static bit w; /定义位变量if(w=0) /当w=0时，P2.0输出低电平TL1= (65535-(6000-duty)%256;P2_0=0; /这里用P2.0引脚输出PWM信号elseTH1=(65535-duty)/256; /定时器1赋初值（高电平区间）TL1= (65535-duty)%256;P2_0=1; /当w=0