智能仪器设计 温度控制器.doc

智能仪器设计课程设计报告书题目号：0816摘要微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。本文采用ATmega16单片机实现智能数字显示仪表。Abstart Microelectronics and computer technology continues to evolve, causing fundamental changes in the structure of the instrument in order to micro-computer (SCM) as the main body, the computer technology and detection technology combination to form a new generation of smart meters in the measurement process automation , measurement data processing and functional diversification of traditional instruments compared to conventional measuring circuit has made great progress. Smart meters will address not only the traditional instruments is not easy or can not solve the problem, but also simplify the instrumentation circuitry to improve the reliability of instruments easier to achieve high-precision, high-performance, multi-purpose.ATmega16 MCU using intelligent digital display meter.目录第一章 智能仪器概述31.1 智能仪器的定义31.2智能仪器的工作原理31.3智能仪器的功能特点4第二章 设计介绍52.1设计任务52.2设计要求5第三章 硬件设计63.1 系统原理框图63.2 详细原理图及说明63.2.1 按键63.2.2 报警电路73.2.3 数码显示和指示电路73.2.4 下载电路93.2.5 通信电路93.2.6 热电偶输入电路103.2.7 输出驱动电路103.2.8 电源103.2.8 系统总原理图113.2.10 系统PCB图123.2.11 系统元件清单13第四章 软件设计14第五章 设计总结16一、设计中遇到的问题及解决方法16二、学习心得及体会16三、感谢16第一章 智能仪器概述1.1 智能仪器的定义 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，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。 1.2智能仪器的工作原理 传感器拾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AD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E2PROM(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。 1.3智能仪器的功能特点 与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下功能特点： 1 操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。2 具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。 3 具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。4 具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。 5 具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB、RS232C、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。 第二章 设计介绍2.1设计任务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，为此后的毕业设计打下良好的基础。本次单片机综合练习的任务是设计并制作一个温度控制器。该设计采用ATmega16单片机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Cu100热电阻，测温范围为0150。采用位式（两位、三位，具有滞环）控制、并用晶闸管过零驱动1000W电加热器（电源电压为AC220V）。2.2设计要求2.2.1按钮任务功能选择按钮：选择需要设置数据，如，报警上限值、下限值、给定值的输入状态选择。数码管选择按钮：选择需要设置数据的数码管。数字增加按钮：用于设置数值的增加，每按下一次，数值加1。数字减少按钮：用于设置数值的减少，每按下一次，数值减1。2.2.2仪表选择发送显示数据任务：主要用于位扫描与段码输出，需要将要显示的数据，组合成数组，在转换成十进制数字，发送到74HC595。ADC数据获取任务：选择通道，并将转换完成后的数据存入数组。数字滤波：用平均值滤波。第三章 硬件设计3.1 系统原理框图3.2 详细原理图及说明3.2.1 按键 4个按键与单片机的接线图及个按键的作用如上图所示；当单片机的引脚输入为低电平时，表示该引脚所对应的按键按下，单片机实现相应的功能。3.2.2 报警电路 当温度超过报警限时，单片机相应管脚输出高电平，蜂鸣器发出响声。3.2.3 数码显示和指示电路（a）具有2排8个数码管显示，分别显示测量值和设定值。SM1显示的是热电阻测的电加热器的实际温度值，SM2显示的是人工设计的电加热器的期望温度值。数码管是有HC595芯片来驱动的，HC595接在SPI通信的3个接口上。（b）指示电路是指示按键的输入状态的。D1、D2、D3、D4与S1、S2、S3、S4一一对应，当某个按键按下时，单片机相应的引脚将置低电平，使该按键相对应的二极管发光。3.2.4 下载电路下载程序代码用的是SPI接口，用ISP电缆对单片机进行编程。3.2.5 通信电路 该模块用到跳线，不通信时D0、D1口作为常规I/O口使用；通信时其作为通信口使用，实现单片机与单片机或是其它上位机的通信。3.2.6 热电偶输入电路.C4104.RF1100kRF222k1/2 LM358Rx1100RP0200.U2TL431AU1A.+A5VR23kR310kR13kRG110kU1B.R510kRG210k1/2 LM358+A5V.RP110kC1104C2104C310412JCu100CON2.Cu100R4100k 该电路采用Cu100热电阻进行测温，1N4148二极管对热电偶冷端进行补偿，采用TLV2252M放大器对输入信号进行放大。3.2.7 输出驱动电路123456U0MOC3063R2360R3360Q1BTA12R439C20.01uFLEDR122012JMCUC10,1uF+5V.J1220VLNJ1_1加热器1000WR5470C30.047uFJ1_2.采用光控过零驱动晶闸管，进而控制电加热器的通断电。3.2.8 电源 采用7805进行稳压，输入采用4节电池，LED作为电源指示灯。3.2.8 系统总原理图 3.2.10 系统PCB图（PCB板）3.2.11 系统元件清单第四章 软件设计4.1 主要程序#include mega16.h #include delay.h /*如下注释语句是用与共阳数码的数组unsigned char disp = 0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf; /共阳数码段输出unsigned int weizhi=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80; /高电平有效位输出unsigned char disp = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, 0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x40; /共阴数码段输出高电平有效unsigned char weizhi=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f; /位输出低电平有效 unsigned int data8; void SPI_MasterInit(void) /SPI接口初始化 DDRB |= (15) | (17); /设置MOSI 和SCK 为输出，其他为输入 SPCR = (16) | (14)|(15)|(11) | (10); /使能SPI 主机模式，设置时钟速率为fck/128void SPI_595_Out(unsigned char i) /595数据输出 SPDR = i; /启动数据传输 while (!(SPSR & (17) ; /等待传输结束 void main(void) unsigned char saomiao=0; unsigned char w10; DDRA = 0x00; /输入 PORTA = 0x00; /上拉 DDRB = 0xB0; /高4位方向输出，低4位为输入/ PORTB = 0xFF; DDRC = 0xFC; PORTC = 0xFF; PORTD = 0x00; DDRD = 0xFF; SPI_MasterInit(); /SPI初始化 while (1) data0=1234; data1=5678; /向HC595输出的数据 w0=data0%10; w1=data0/10%10; w2=data0/100%10; w3= data0/1000%10; w4=data1%10; w5=data1/10%10; w6=data1/100%10; w7=data1/1000%10; PORTB &= (1 4); /准备锁存 SPI_595_Out(weizhisaomiao); /位数据 SPI_595_Out(dispwsaomiao); /段数据 PORTB |= (1 =8) saomiao=0; 第五章 设计总结一、设计中遇到的问题及解决方法 1.在画protel图时，我们使用网络名，NET走线。但是有时候因为疏忽，没 靠在线上，从而出现错误（要两黑点载同一点上才算是连接上）。 2.画原理图时，由于将一些不必要的元器件删去后没有及时将net网络名删去， 或者更改，致使网络名成单个出现，导致错误。 3.将所有的错误都去掉，如果有一些没有错误但被打上错误标志的连接 线用“No Error”标示。 4.刚开始编写的程序中，工作模式切换后，容易出现温度超过调节范围的情况。后来，我们在切换模式时做了一些改进：当工作模式切换时，程序先判断当前的温度是否超出温度调节范围，若超出，将其设置为温度调节范围内的温度。 二、学习心得及体会 在画原理图时，虽然我们组成员有参加过电子设计的同学，但是过于粗心，以致出了许多错误，后来在同学和老师的帮助下一一改正。学习知识一定要扎扎实实的一步一步走，走捷径、一步登天的想法是万万不能有的。 编程时，如上所述，出现了很多的小错