智能儀器設計 溫度控制器.doc

智能儀器設計課程設計報告書題目號：0816摘要微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，引起了儀表結構的根本性變革，以微型計算機（單片機）為主體，將計算機技術和檢測技術有機結合，組成新一代“智能化儀表”，在測量過程自動化、測量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)儀表的常規(guī)測量電路相比較，取得了巨大進展。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問題，還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。本文采用ATmega16單片機實現(xiàn)智能數(shù)字顯示儀表。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.目錄第一章 智能儀器概述31.1 智能儀器的定義31.2智能儀器的工作原理31.3智能儀器的功能特點4第二章 設計介紹52.1設計任務52.2設計要求5第三章 硬件設計63.1 系統(tǒng)原理框圖63.2 詳細原理圖及說明63.2.1 按鍵63.2.2 報警電路73.2.3 數(shù)碼顯示和指示電路73.2.4 下載電路93.2.5 通信電路93.2.6 熱電偶輸入電路103.2.7 輸出驅動電路103.2.8 電源103.2.8 系統(tǒng)總原理圖113.2.10 系統(tǒng)PCB圖123.2.11 系統(tǒng)元件清單13第四章 軟件設計14第五章 設計總結16一、設計中遇到的問題及解決方法16二、學習心得及體會16三、感謝16第一章 智能儀器概述1.1 智能儀器的定義 智能儀器是含有微型計算機或者微型處理器的測量儀器，擁有對數(shù)據(jù)的存儲運算邏輯判斷及自動化操作等功能。它的出現(xiàn)，極大地擴充了傳統(tǒng)儀器的應用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應用。 1.2智能儀器的工作原理 傳感器拾取被測參量的信息并轉換成電信號，經濾波去除干擾后送入多路模擬開關；由單片機逐路選通模擬開關將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經AD轉換器轉換成相應的脈沖信號后送入單片機中；單片機根據(jù)儀器所設定的初值進行相應的數(shù)據(jù)運算和處理(如非線性校正等)；運算的結果被轉換為相應的數(shù)據(jù)進行顯示和打??；同時單片機把運算結果與存儲于片內FlashROM(閃速存儲器)或E2PROM(電可擦除存貯器)內的設定參數(shù)進行運算比較后，根據(jù)運算結果和控制要求，輸出相應的控制信號(如報警裝置觸發(fā)、繼電器觸點等)。此外，智能儀器還可以與PC機組成分布式測控系統(tǒng)，由單片機作為下位機采集各種測量信號與數(shù)據(jù)，通過串行通信將信息傳輸給上位機PC機，由PC機進行全局管理。 1.3智能儀器的功能特點 與傳統(tǒng)儀器儀表相比，智能儀器具有以下功能特點： 1 操作自動化。儀器的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機或微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。2 具有自測功能，包括自動調零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉換等。智能儀表能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運行，同時也可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護。 3 具有數(shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。智能儀器由于采用了單片機或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如，傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進行上述測量，而且還具有對測量結果進行諸如零點平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計分析等復雜的數(shù)據(jù)處理功能，不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來，也有效地提高了儀器的測量精度。4 具有友好的人機對話能力。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結果及時告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀。 5 具有可程控操作能力。一般智能儀器都配有GPIB、RS232C、RS485等標準的通信接口，可以很方便地與PC機和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統(tǒng)，來完成更復雜的測試任務。 第二章 設計介紹2.1設計任務單片機綜合練習是一項綜合性的專業(yè)實踐活動，目的是讓學生將所學的基礎理論和專業(yè)知識運用到具體的工程實踐中，以培養(yǎng)學生綜合運用知識能力、實際動手能力和工程實踐能力，為此后的畢業(yè)設計打下良好的基礎。本次單片機綜合練習的任務是設計并制作一個溫度控制器。該設計采用ATmega16單片機實現(xiàn)智能數(shù)字顯示儀表。要求8位數(shù)碼管顯示（4位顯示測量值，4位顯示設定值），4輸入按鈕（功能選擇、數(shù)碼管選擇、數(shù)字增加、數(shù)字減少），可設定上下限報警，蜂鳴器報警。適配Cu100熱電阻，測溫范圍為0150。采用位式（兩位、三位，具有滯環(huán)）控制、并用晶閘管過零驅動1000W電加熱器（電源電壓為AC220V）。2.2設計要求2.2.1按鈕任務功能選擇按鈕：選擇需要設置數(shù)據(jù)，如，報警上限值、下限值、給定值的輸入狀態(tài)選擇。數(shù)碼管選擇按鈕：選擇需要設置數(shù)據(jù)的數(shù)碼管。數(shù)字增加按鈕：用于設置數(shù)值的增加，每按下一次，數(shù)值加1。數(shù)字減少按鈕：用于設置數(shù)值的減少，每按下一次，數(shù)值減1。2.2.2儀表選擇發(fā)送顯示數(shù)據(jù)任務：主要用于位掃描與段碼輸出，需要將要顯示的數(shù)據(jù)，組合成數(shù)組，在轉換成十進制數(shù)字，發(fā)送到74HC595。ADC數(shù)據(jù)獲取任務：選擇通道，并將轉換完成后的數(shù)據(jù)存入數(shù)組。數(shù)字濾波：用平均值濾波。第三章 硬件設計3.1 系統(tǒng)原理框圖3.2 詳細原理圖及說明3.2.1 按鍵 4個按鍵與單片機的接線圖及個按鍵的作用如上圖所示；當單片機的引腳輸入為低電平時，表示該引腳所對應的按鍵按下，單片機實現(xiàn)相應的功能。3.2.2 報警電路 當溫度超過報警限時，單片機相應管腳輸出高電平，蜂鳴器發(fā)出響聲。3.2.3 數(shù)碼顯示和指示電路（a）具有2排8個數(shù)碼管顯示，分別顯示測量值和設定值。SM1顯示的是熱電阻測的電加熱器的實際溫度值，SM2顯示的是人工設計的電加熱器的期望溫度值。數(shù)碼管是有HC595芯片來驅動的，HC595接在SPI通信的3個接口上。（b）指示電路是指示按鍵的輸入狀態(tài)的。D1、D2、D3、D4與S1、S2、S3、S4一一對應，當某個按鍵按下時，單片機相應的引腳將置低電平，使該按鍵相對應的二極管發(fā)光。3.2.4 下載電路下載程序代碼用的是SPI接口，用ISP電纜對單片機進行編程。3.2.5 通信電路 該模塊用到跳線，不通信時D0、D1口作為常規(guī)I/O口使用；通信時其作為通信口使用，實現(xiàn)單片機與單片機或是其它上位機的通信。3.2.6 熱電偶輸入電路.C4104.RF1100kRF222k1/2 LM358Rx1100RP0200.U2TL431AU1A.+A5VR23kR310kR13kRG110kU1B.R510kRG210k1/2 LM358+A5V.RP110kC1104C2104C310412JCu100CON2.Cu100R4100k 該電路采用Cu100熱電阻進行測溫，1N4148二極管對熱電偶冷端進行補償，采用TLV2252M放大器對輸入信號進行放大。3.2.7 輸出驅動電路123456U0MOC3063R2360R3360Q1BTA12R439C20.01uFLEDR122012JMCUC10,1uF+5V.J1220VLNJ1_1加熱器1000WR5470C30.047uFJ1_2.采用光控過零驅動晶閘管，進而控制電加熱器的通斷電。3.2.8 電源 采用7805進行穩(wěn)壓，輸入采用4節(jié)電池，LED作為電源指示燈。3.2.8 系統(tǒng)總原理圖 3.2.10 系統(tǒng)PCB圖（PCB板）3.2.11 系統(tǒng)元件清單第四章 軟件設計4.1 主要程序#include mega16.h #include delay.h /*如下注釋語句是用與共陽數(shù)碼的數(shù)組unsigned char disp = 0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf; /共陽數(shù)碼段輸出unsigned int weizhi=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80; /高電平有效位輸出unsigned char disp = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, 0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x40; /共陰數(shù)碼段輸出高電平有效unsigned char weizhi=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f; /位輸出低電平有效 unsigned int data8; void SPI_MasterInit(void) /SPI接口初始化 DDRB |= (15) | (17); /設置MOSI 和SCK 為輸出，其他為輸入 SPCR = (16) | (14)|(15)|(11) | (10); /使能SPI 主機模式，設置時鐘速率為fck/128void SPI_595_Out(unsigned char i) /595數(shù)據(jù)輸出 SPDR = i; /啟動數(shù)據(jù)傳輸 while (!(SPSR & (17) ; /等待傳輸結束 void main(void) unsigned char saomiao=0; unsigned char w10; DDRA = 0x00; /輸入 PORTA = 0x00; /上拉 DDRB = 0xB0; /高4位方向輸出，低4位為輸入/ PORTB = 0xFF; DDRC = 0xFC; PORTC = 0xFF; PORTD = 0x00; DDRD = 0xFF; SPI_MasterInit(); /SPI初始化 while (1) data0=1234; data1=5678; /向HC595輸出的數(shù)據(jù) 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); /準備鎖存 SPI_595_Out(weizhisaomiao); /位數(shù)據(jù) SPI_595_Out(dispwsaomiao); /段數(shù)據(jù) PORTB |= (1 =8) saomiao=0; 第五章 設計總結一、設計中遇到的問題及解決方法 1.在畫protel圖時，我們使用網(wǎng)絡名，NET走線。但是有時候因為疏忽，沒 靠在線上，從而出現(xiàn)錯誤（要兩黑點載同一點上才算是連接上）。 2.畫原理圖時，由于將一些不必要的元器件刪去后沒有及時將net網(wǎng)絡名刪去， 或者更改，致使網(wǎng)絡名成單個出現(xiàn)，導致錯誤。 3.將所有的錯誤都去掉，如果有一些沒有錯誤但被打上錯誤標志的連接 線用“No Error”標示。 4.剛開始編寫的程序中，工作模式切換后，容易出現(xiàn)溫度超過調節(jié)范圍的情況。后來，我們在切換模式時做了一些改進：當工作模式切換時，程序先判斷當前的溫度是否超出溫度調節(jié)范圍，若超出，將其設置為溫度調節(jié)范圍內的溫度。 二、學習心得及體會 在畫原理圖時，雖然我們組成員有參加過電子設計的同學，但是過于粗心，以致出了許多錯誤，后來在同學和老師的幫助下一一改正。學習知識一定要扎扎實實的一步一步走，走捷徑、一步登天的想法是萬萬不能有的。 編程時，如上所述，出現(xiàn)了很多的小錯