【机床温度测控系统的设计5900字（论文）】

机床温度测控系统的设计目录摘要 11、绪论 21.1总体框架设计 21.2设计需要解决的问题 22、数控机床温度控制系统的硬件设计 22.1单片机小系统 22.1.1单片机的选用 22.1.2时钟模块硬件电路 42.1.3复位电路 52.1.4同步动态随机存储器 62.2温控模块电路设计 62.2.1温度传感电路设计 62.2.2温度控制电路的设计 82.3系统外围电路设计 82.3.1显示电路设计 82.3.2键盘电路设计 92.3.3报警电路 103、数控机床温度控制系统的软件设计 123.1汇编语言以及主程序图 123.1.1汇编语言 123.1.2程序图设计 123.2子程序设计分析 133.2.1蜂鸣器报警子程序 133.2.2系统显示子程序 143.2.3DS18B20程序 143.2.4中断服务程序 154、仿真和调试 174.1电路测试 174.2仿真与验证 174.2.1联机调试 174.2.2调试 18总结 22参考文献 22摘要本系统采用单片机作为车载终端，利用基于计算机集中测量方案与基于总线的分散测控方案，结合传感器数据采集技术开发数控机床温度监测及控制系统。它的主要组成部分有：单片机、键盘与显示器电路、温度控制电路。它可以实时的显示数控机床的温度，实现对数控机床温度的监测。该套系统主要包括数控机床温度监测模块、数据处理模块三部分，当预警系统监测到数控机床温度达到预设的报警温温度（安全运行温度上限）时，发出声报警，提示机床操作员停止运行。通过对数控机床温度的实时监测，并根据在单片机中预先设置好的程序进行识别，及时发出处理，待温度恢复正常后再继续前行，从而提高数控机床运行安全，减少数控机床事故的发生，为数控机床操作安全提供保障。关键词：数控机床；温度；测控；报警1、绪论1.1总体框架设计主控机模块主控机模块AT89C51显示模块按键模块复位电路模块电源模块温度采集模块报警模块TX图1.1系统方块图通过前向数控机床温度采集电路，采集当前机床内部的温度信号，将采集到的模拟信号通过ADC0809模数转换芯片，转变为AT89C51可控的数字信号，AT89C51芯片根据输入的当前实际温度，控制输出合理的数字信号，再由DAC0832转换为模拟信号，输入到后向加热执行电路，以此来完成对整个机床的温度监测控制。节省了人力资源，并且能够根据用户设定的温度与检测来的温度的比较结果来迅速的对温度进行控制，并且这种控制方式可以进一步扩展实现温度的计算机的远程监控，方便调整。并能根据仿真结果分析设计的存在的问题和缺陷，从而进行程序的调试和完善。1.2设计需要解决的问题将AT89C51和DAC0832结合，利用AT89C51控制器实现DAC0832温度传感器的温度采集和控制处理的工作再结合PID智能控制，不但可以提高温度控制的速度、精度、而且还可以提高系统的稳定性。2、数控机床温度控制系统的硬件设计2.1单片机小系统2.1.1单片机的选用微处理器AT89C51单片机作为主要控制器，是ATMEL公司生产的低电压，高绩效CMOS8有4k字节flash单片机可擦只读程序存储器和获取数据128字节的随机存取内存(RAM)，设备采用ATMEL公司的高密度非易失存储器技术，生产，和标准MCS-51指令，8-芯片，通用汽车的中央处理单元(CPU)和闪存细胞相容性[[]肖绍杰，赵航.测距式超声波防盗报警器[J].锦州师范学院学报(自然科学版).2012(03)][]肖绍杰，赵航.测距式超声波防盗报警器[J].锦州师范学院学报(自然科学版).2012(03)图2.1最小系统图图2.2AT89C51单片机系统的硬件电路原理图2.1.2时钟模块硬件电路DS1302是一个高性能、低功耗实时时钟芯片DS1302和微控制器连接只需要三行，采用三线SPI接口与CPU同步通信发送时钟信号或多个字节的RAM中的数据。在此系统中，AT89C51单片机为主要设备，DS1302的设备和从设备接收数据，发送数据。本次系统设计中系统时钟所采用的晶振为50MHz的有源晶振，活跃的晶体主要使用3.3V直流电源，该电源系统时钟电路[[]路锦正，王建勤，杨绍国，赵珂，赵太飞.超声波测距仪的设计[J].传感器技术.2012(08)]。系统时钟电路如图2.3所示。经实际电路测试，该时钟电路可以稳定输出50MHz[]路锦正，王建勤，杨绍国，赵珂，赵太飞.超声波测距仪的设计[J].传感器技术.2012(08)图2.3时钟模块硬件电路图2.1.3复位电路在MCS单片机系列，广泛使用复位电路如图2.4所示，其有效时间就持续24个振荡周期以上才能完成复位操作。RST销复位信号输入，复位信号的有效高度，RST有一定宽度的脉冲，可以有效地实现电动自动复位和手动复位在12MHz时钟时，通常C7可取22μF，R2可取1kΩ，需持续2μs以上才能完成复位操作。图2.4复位电路在图2.4中，信号nRST连接到LPC2119芯片的复位引脚RESET，nests还连接到键盘与LCD驱动芯片ZLG7290的复位端，用于ZLG7290的复位。随着时间的增加，电容电压值增加缓慢，和RST销上的电压逐渐降低，当RST销的电压值降至较低水平，单片机恢复正常，呼吁电动复位。2.1.4同步动态随机存储器SDRAM作为NIOSII系统中最重要的一个组成部分，在AT89C51系统设计过程中担任着重要角色。每次系统上电的时候，AT89C51都会把EPCS中存储的控制程序发送给SDRAM，并在SDRAM中运行，由于SDRAM速度很快，这样做可以加快系统的运行速度，考虑到SDRAM中数据掉电丢失的特性，因此我们要将程序提前固化到EPCS中。图2.5SDRAM电路2.2温控模块电路设计2.2.1温度传感电路设计本文采用DS18B20数字温度传感器作为测温元件。采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM，温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图2.6所示。图2.6DS18B20管脚图在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法，如图2.7所示:把DS18B20的数据线与单片机的13管脚连接，再加上拉电阻。图2.7温度传感电路图，DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。2.2.2温度控制电路的设计图2.8温度控制电路实际电路如图2.8所示，通过键盘设定温度的上下限。把实际测量的温度和设定的上下限进行比较，来控制P0.0、P0.1、P0.7端口的高低电平。把P0.0、P0.1、P0.7端口分别与三极管的基极连接来控制温度和报警。当测量的温度超过了设定的最高温度，P2.2由高电平变成低电平，就相当于基极输入为“0”，这时三极管导通推动小风扇和控制电路工作，反之，当基极输入为“1”时，三极管不导通，报警器和控制电路都不工作。只要控制单片机的P0.0、P0.1、P0.7口的高低电平就可以控制模拟电路的工作。2.3系统外围电路设计2.3.1显示电路设计液晶显示采用LCD12864，这样就算是在不使用计算机的情况下，控制系统系统也能正常运行，并且能具有直观的可视性。使用该模块模式灵活的界面和简单和方便的操作指令，可以在中文构成了人机交互式图形界面。主要是通过键盘显示电路，实现刹车片温度设置，速度和当前参数设置。图2.9液晶显示LCD12864电子图组成的液晶显示器（LCD）的模块方案并与类型的图形点阵液晶显示模块，无论硬件电路结构或显示程序更简洁，和这个模块的价格略低于相同的点阵图形液晶模块。下图是显示原理图2.10：图2.10LCD显示原理图本系统可以通过键盘来设置数控温度报警信息，具有良好的人机交互功能。2.3.2键盘电路设计本设计采用单片机控制器处理，按键是采用行列式键盘。键盘是最常见的人机接口设备，微机控制器通过键盘可以输入各种操作指令和数据，单片机控制器捕捉关键信息，与单片机控制器进行相应的处理。本设计中，我们采用4*4键盘进行对电路的设定。4*4键盘的结构如图2.11所示：图2.11键盘示意图2.3.3报警电路蜂鸣器报警原理比较简单，单片机对IO口P3.0和3.1进行控制。报警信号电路由单片机控制，该系统使用发光二极管和蜂鸣器报警，传感器检测闯入时，响应单片机蜂鸣器报警。当DS18B20检测到温度信号，经DS18B20处理，传给单片机，单片机将P3.0和P3.1口输出低电平，蜂鸣器工作，LCD灯亮达到报警的效果。报警电路如图2.12：图2.12蜂鸣器与单片机的接口电路图3、数控机床温度控制系统的软件设计3.1汇编语言以及主程序图3.1.1汇编语言汇编C语言是单片机编程语言的一种重要形式，也是最常用的在今天的单片机开发人员程序开发的语言形式。汇编语言是一种替代机器语言的编程语言。汇编语言的特点是每个指令助记符。并进行目标程序、检查修改程序中的错误，对程序运行结果进行分析，直到正确为止。3.1.2程序图设计根据系统硬件设计和电路原理，根据硬件连接和每个模块的特点和功能芯片实现，初始化，主程序的流程是通过温度感应模块接收数控机床温度信息，然后传送到单片机进行分析和监控。整体方案方框图如图3.1所示。整个温度采集系统的流程如图3.1所示：开始初始化开始初始化是否有键按下？温度采集单片机AT89C51温度显示超过温度限度？机床温度设置YN触发报警NY初始上下限图3.1系统主流程图3.2子程序设计分析3.2.1蜂鸣器报警子程序首先是定义发光二极管及蜂鸣器数据，当数值为LCD和BELL数值为“0”时，发光二极管亮、蜂鸣器响。可以使用一个晶体管驱动程序。报警程序设计如图3.2所示。驱动报警电路驱动报警电路报警鸣音不报警判别触发信号YN图3.2报警程序流程图3.2.2系统显示子程序因为通过模数转换模块，使单片机的数据以16进制储存于寄存器当中，为了让LED显示需要转换为BCD码。本次采用软件消抖，通过调用子程序延时来解决，可以很好地解决单片机的抖动问题。驱动HD7279驱动HD7279选择段、位码LED显示数据传输YLED闪烁LED闪烁≤2m≥15m图3.3LED显示子程序流程图3.2.3DS18B20程序DS18B20程序流程图如图3.4所示：开始开始调初始化子程序设置跳过ROM命令CCH，调写命令子程序设置启动温度转换命令44H，调写命令子程序调延时子程序调初始化子程序设置匹配命令BEH，调写命令子程序设置温度数据存放位置，调写命令子程序读出数据结束图3.4DS18B20程序流程图由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送。因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。系统还有一个循环显示数码管程序编辑及小部分元器件控制程序。3.2.4中断服务程序温度采集及仪表与上位机数据通讯主要通过定时器以及计数器，串行I/O口和中断服务来实现。中断服务程序如图3.5。图3.5中断服务子程序4、仿真和调试4.1电路测试使用万用表测量每个销和焊点，检查是否正常。在测量的过程中，我们发现有一个封锁和漏焊。通电之前，检查焊接好电路板，确保焊接。没有调试电路元件，只要组件，连接是正确的，通常可以正常工作。1.用万用表分别检测电阻、二极管、电容和集成电路。2.元器件的引线成型及插装。3.按技术要求和焊盘间距对元器件的引脚成形。4.在印制电路板上插装元器件。插装时应注意一下事项。5.电阻和涤纶电容无极性之分，但插装时一定要注意电阻值和电容值，不能插装错。6.电解电容和发光二极管有正负极之分，插装是要看清楚极性。7.插装集成电路和传感器时要注意管脚。4.2仿真与验证4.2.1联机调试（1）采集电路调试为使温度采集电路输出的电压与温度的关系符合理论设计数值，可用一点测试法。在室温27℃时，调节电位器Rw1，使AD590对地电阻为1KΩ，运放正端输入电压V+=300mV时，V0=2.7V即可。调节Rt2使V+=323mV时，Vo=5V，则5V/5O℃=100mV/℃即为输出精度。因软件还要校正测温值，故基本符合上述数值即可。采用两点测试法较精确，故用两点法。（2）LED显示调试调试中发现发光二极管的亮度一直很微弱，用万用表测量可知，其输入电压只有1.99V，勉强能够发光，而89C51输出的电压依然为5V左右，分析知89C51在串行口工作方式下，负载很重，发光二极管分得的电流较小，使其不能正常发光。在此加入一块同相放大器来驱动它们工作。4.2.2调试原理图的绘制比较简单，将各器件从库中调用出来，然后按照硬件电路设计将电路连接完成。如芯片AT89C51单片机，首先点击库，在下拉菜单中选择拾取元件，然后在弹出的对话框中输入AT89C51单片机回车，如图4.1查找AT89C51单片机。图4.1查找AT89C51单片机然后点击确定，在图形编辑窗口中点击鼠标左键，出现AT89C51单片机芯片，并跟随鼠标移动，选择合适的地方再次点击鼠标左键，放置AT89C51单片机芯片，如图设计系统时，用C语言进行编程，使用iccavr进行编程调试，最后程序写完调试完成，点击project中的options，在弹出菜单中选择AT89C51单片机芯片在avrstudiosimulatorio和avrstudio4.0compatible上打钩，然后保存编译，不然ISIS不能仿真。双击AT89C51单片机芯片，进入芯片设置，将CKSELFuses设置成8MHz，不然也无法仿真。如图4.2所示。图4.2芯片设置完成后点击界面左下角的开始仿真按钮，如图4.3开始仿真按钮。图4.3开始仿真按钮仿真开始，如图4.4仿真界面。实际测温系统运用时温度值直接送入内部处理，不一定需要经过LDC显示，温度数据通过客户端软件显示保存。采用外接LDC显示屏很有必要，方便在实际测试的时候调试。在系统内调用LCD接口函数，可以使所测得的温度值在LDC上显示。图4.4仿真界面仿真过程中，点击DS18B20的温度升降按钮，LCD显示模块显示相应的数值，如图4.5DS18B20温度按钮。图4.5DS18B20温度按钮在任意时刻长按四个按钮中的任意一个（如图4.6按钮），进入温度设置，如图4.6温度设置显示。图4.5按钮图4.6温度设置显示之后设置好温度上下限，再次调节DS18B20的温度，实验是否设置成功。如果成功，当DS18B20的温度超过设定时，报警器报警如图4.7报警。图4.7报警总结数控机床加工过程状态监测系统的研究是当前制造业市场的需求，是保证自动化加工顺利进行，降低生产成本，提高产品质量，