智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計_單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計.docx

1、.智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計目錄摘要-3題目-3整體設(shè)計及系統(tǒng)原理-3主要硬件介紹-4 STC89C51單片機特點-4STC89C51引腳說明-4硬件設(shè)計-6單片機最小系統(tǒng)-6數(shù)碼管顯示電路-7鍵盤電路-8AD轉(zhuǎn)換電路-9 信號調(diào)理電路-924C02電路-10報警電路-11加熱電路-11電源電路-12軟件設(shè)計-12數(shù)碼管顯示程序-1224C02讀寫程序-14AD轉(zhuǎn)換程序-18算數(shù)平均濾波程序-18熱電阻非線性校正算法-19按鍵子程序-20報警子程序-23PID子程序-23主程序-23課程設(shè)計總結(jié)-27參考文獻-27附錄： 系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)PCB圖摘要：隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機在國民經(jīng)濟生產(chǎn)

2、各行業(yè)發(fā)揮了重要的作用。它因為集成度高、體積小、運行可靠、應(yīng)用靈活、價格低、面向控制等特點得到了廣大工程技術(shù)人員和客戶的好評。在溫度控制方面，單片機能夠代替常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器。本文主要設(shè)計了單片機爐溫控制系統(tǒng)硬件電路和軟件程序。系統(tǒng)具有工作可靠、實時性強等特點，滿足控制精度的要求。本著在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，盡可能的減少硬件成本。本文主要涉及到控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和單片機的控制軟件編程。本系統(tǒng)選用熱電阻Cu50對爐溫進行檢測，在AD0804完成模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，STC89C51單片機對數(shù)據(jù)進行處理。人機接口電路部分能實現(xiàn)溫度設(shè)定、溫度顯示、超溫報警等功能。題目：20. 試設(shè)計智能儀表實現(xiàn)智能數(shù)字顯

3、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(shè)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(shè)定上下限報警，蜂鳴器報警。適配Cu50熱電阻，測溫范圍為0130。采用比例控制、并用晶閘管移相驅(qū)動1000W電加熱器（電源電壓為AC220V）。整體設(shè)計及系統(tǒng)原理：電源在系統(tǒng)中，利用熱電阻測得電阻爐實際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經(jīng)過溫度檢測電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對應(yīng)的數(shù)字信號進入單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理后，通過LED數(shù)碼管顯示溫度并判斷是否報警，同時將溫度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)設(shè)定的P算法計算出控制量，根據(jù)控制量通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時間

4、，以實現(xiàn)對爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時鐘電路可以根據(jù)要求進行準確計時。數(shù)碼管鍵盤STC89C51單片機信號調(diào)理電路AD080424C02晶閘管主要硬件介紹：STC89C51是改進型的51內(nèi)核單片機，它比人們常用的AT89S51單片機編程更簡單。STC89C51單片機特點：12時鐘/6時鐘機器周期的8051CPU；工作電壓3.4-5.5V；工作頻率0-40MHz；程序存儲器容量4KB；RAM容量512B；I/O端口與AT89S51相同；通過串口（P3.0 P3.1）直接下載用戶程序到代碼存儲器中（ISP功能），可下載10萬次以上；具有EEPROM；具有看門狗，冷啟動后未關(guān)閉狀態(tài)，一旦啟動無法關(guān)閉；3

5、個定時計數(shù)器；2個外部中斷，掉電模式可由外部中斷低電平觸發(fā)喚醒；一個異步串行口；溫度范圍0-75（商業(yè)），-40-85（工業(yè)）；具有PDIP-40、PLCC-44、PQFP-44封裝。STC89C51引腳說明：VCC：供電電壓。  GND：接地。   P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。  &#

6、160; P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。     P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外

7、部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。    P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1

8、 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出

9、的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。  /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。    /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序

10、存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。硬件設(shè)計：單片機最小系統(tǒng)：時鐘電路采用12MHz的晶振和兩個30pF的電容連接而成，是單片機的機器周期為1us左右，在使用定時器時便于計算和設(shè)置定時器的初始值。復(fù)位電路：由于機器周期為2us，所以RESET引腳上產(chǎn)生一個2us以上的高電平脈沖，即可產(chǎn)生復(fù)位動作。電源接上瞬間，電容上沒有電荷，相當于短路，所以復(fù)位引腳直接連到VCC，單片機復(fù)位，隨時間增加，電容上電壓逐漸變大，RESET引腳上電壓逐漸降低至低電平時，單片機恢復(fù)正常狀態(tài)，

11、在此使用10k電阻，10uF電容，時間常數(shù)遠大于2us，高電平能保持2us以上，足以使系統(tǒng)復(fù)位。串口可以用來向單片機里下載程序，以及和計算機通訊等。數(shù)碼管顯示電路：此電路采用8個數(shù)碼管和一個74LS245，一個74LS138和一個排阻組成。74LS245是一個8雙向總線接收器，與單片機的P0口相接，控制數(shù)碼管的段選端。由于P0口內(nèi)部沒有上拉電阻，所以做輸出口時，必須外接上拉電阻。74LS138是一個3-8譯碼器，與P2口的高三位相接，經(jīng)過譯碼控制數(shù)碼管的位選端，數(shù)碼管都是共陽數(shù)碼管。鍵盤電路： 4個按鍵分別與單片機的P3.3、P2.2、P2.3、P2.4相接，功能分別為功能選擇、數(shù)碼管選擇，加

12、數(shù)字、減數(shù)字，都是低電平有效，都接上拉電阻是保證沒有鍵按下時，均為高電平，其中功能鍵按下時會觸發(fā)外部中斷。AD轉(zhuǎn)換電路：ADC0804是一個CMOS的逐步逼近式AD轉(zhuǎn)換器，具有8為分辨率，轉(zhuǎn)換時間為100us，而最大誤差為1個LSB值，差動式模擬電壓輸入、三態(tài)數(shù)字輸出，模擬輸入電壓為0-5V。信號調(diào)理電路：Cu50在0130時電阻變化為50.00077.833，左上方電路為提供1mA電流的恒流源，因此Cu50輸出的電壓為0.005-0.077833V的電壓，通過信號調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)化為04.2V的電壓送入AD?？闪蟹匠探M 0.005m+b=0與 0.077833m+b=4.2解得 m=151 b

13、=-7.55 由電路圖可得Vout=1+R23R24Vin- R23R24 Vref 可令R23=150K,R24=1K, Vref=0.05V右下方為參考電壓電路Vref=(1+R22/R21)*V, 可令V=0.03V R22=2K R21=3K. 0.03V可由穩(wěn)壓管TL431經(jīng)分壓可得。此電路中，放大器選擇滿擺幅運放TLV2472。24C02電路：24C02是一種由I2C接口的EEPROM存儲芯片，存儲容量為256B，100萬次的編程/擦除周期，數(shù)據(jù)保存可達100年。在此電路中使用此芯片是要保存儀表中某些已設(shè)定好的數(shù)據(jù)，當?shù)綦姾?，?shù)據(jù)不會丟失。由于I2C總線是開漏結(jié)構(gòu)，因此時鐘線SCL

14、和數(shù)據(jù)線SDA用10k電阻上拉到高電平。報警電路： 該報警電路由蜂鳴器和發(fā)光二極管、PNP三極管組成，當單片機的P2.0口輸出低電平時三極管基極為低電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作發(fā)出響聲，同時發(fā)光二極管也導(dǎo)通，發(fā)光。三極管在此處是為了驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管工作。在軟件設(shè)計中可設(shè)置當溫度超過上限或下限時，報警電路工作。加熱電路：單片機驅(qū)動移相型驅(qū)動器、具有點阻性負載的電路如上圖所示。移相型驅(qū)動器可以在單片機控制驅(qū)動器的瞬間使驅(qū)動器MOC3022觸發(fā)雙向晶閘管BTA12，因此可以按照單片機發(fā)出的控制信號控制雙向晶閘管導(dǎo)通角。其中R9=(5V-VOL-VF)/IFT=2V/10mA=200，電阻R11

15、用于限制MOC3022的輸出電流ITSM，計算公式如下：R11=Vpeak/ITSM=(2202)V/1A=311.第二個電路為電壓過零檢測電路，當電壓過零時，向單片機發(fā)一個中斷，單片機可以按照此信號控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角。電源電路：這是儀表的供電電路可以通過外接直流電源，然后通過該電源電路給儀表供電。電路圖中的二極管橋式電路是濾波電路。接入電源后通過穩(wěn)壓模塊7805穩(wěn)壓最終獲得+5V的電壓。最左面的發(fā)光二極管是檢測電源是否接通。通電時，二極管亮。軟件設(shè)計：數(shù)碼管顯示程序：#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid dela

16、y(uint x) /延時函數(shù)大約延時5msuchar m,n;for(m=x;m-;m>0)for(n=60;n-;n>0);void display1(uchar a,uchar b,uchar c,uchar d)/設(shè)定值顯示P2=0x8f&P2; /送第一個數(shù)碼管的位碼P0=a; /送第一個數(shù)碼管的段碼 delay(10); /短暫延時P2=0x9f&P2;/送第二個數(shù)碼管的位碼P0=b; /送第二個數(shù)碼管的段碼delay(10);P2=0xaf&P2;/送第三個數(shù)碼管的位碼P0=c;/送第三個數(shù)碼管的段碼delay(10);P2=0xbf&

17、P2;/送第四個數(shù)碼管的位碼P0=d;/送第四個數(shù)碼管的段碼delay(10);void display2(uchar a,uchar b,uchar c,uchar d)/測量值顯示P2=0xcf&P2;/送第一個數(shù)碼管的位碼P0=a;/送第一個數(shù)碼管的段碼delay(10);P2=0xdf&P2;/送第二個數(shù)碼管的位碼P0=b;/送第二個數(shù)碼管的段碼delay(10);P2=0xef&P2;/送第三個數(shù)碼管的位碼P0=c;/送第三個數(shù)碼管的段碼delay(10);P2=0xff&P2;/送第四個數(shù)碼管的位碼P0=d;/送第四個數(shù)碼管的段碼delay(10);

18、24C02讀寫程序：#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar a;sbit sda=P34;sbit scl=P35;void delay() ; void start() /啟用總線sda=1;delay();scl=1;delay();sda=0;delay();void stop()/停用總線sda=0;delay();scl=1;delay();sda=1;delay();void reply()/應(yīng)答信號uchar i;scl=1;delay();while(sda=1)&&(i<250)

19、i+;scl=0;delay();void first()/24C02初始化程序sda=1;delay();scl=1;delay();void write(uchar date)/寫一個字節(jié)的程序uchar k,temp;temp=date;for(k=0;k<8;k+)temp=temp<<1;scl=0;delay();sda=CY;delay();scl=1;delay();scl=0;delay();sda=1;delay();uchar read()/讀一個字節(jié)的程序uchar i,m;scl=0;delay();sda=1;delay();for(i=0;i&l

20、t;8;i+)scl=1;delay();m=(m<<1)|sda;scl=0;delay();return m;void delay1(int x)/延時程序uchar a,b;for(x=a;a>0;a-)for(b=100;b>0;b-);void write_add(uchar address,uchar date)/寫程序start();write(0xa0);reply();write(address);reply();write(date);reply();stop();uchar read_add(uchar address)/讀程序uchar dat;

21、start();write(0xa0);reply();write(address);reply();start();write(0xa1);reply();dat=read();stop();return dat;AD轉(zhuǎn)換程序：sbit wr=P36;sbit rd=P37;#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuint AD() /AD轉(zhuǎn)換函數(shù) uchar AD; wr=0; delay(2); wr=1; delay(20); rd=0; delay(2); P1=0xff; AD=P1; rd=1; return AD;

22、 算數(shù)平均濾波子程序: #define N 8/定義采樣次數(shù)uchar value_bufN;uchar lvbo()/濾波函數(shù)uchar i;uchar count;int sum=0;value_bufi+=AD; /獲取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，并計算累加和if(i=N)i=0;for(count=0;count<N;count+)sum+=value_bufcount;return (uchar)(sum/N);熱電阻的非線性校正算法:熱電阻Cu50的阻值與溫度的關(guān)系，并非是絕對的線性關(guān)系，因此為了使儀表誤差較小應(yīng)該對熱電阻進行非線性校正。在1mA的恒定電流下，熱電阻的電壓與溫度變化的關(guān)系如

23、下表所示：T/0102030405060U/mA50.00052.14454.28556.42658.56560.70464.842T/708090100110120130U/mA64.98167.11969.25971.40073.54275.68777.833程序：uint var;uint code Rtable=50000 52144 54285 56426 58565 60704 64842 64981 67119 69259 71400 73542 75687 77833/熱電阻的電壓值，每隔10度對應(yīng)一個電壓/值void tab()/查表子函數(shù)uint v1=0,max,min,

24、min,mid,j;v1=AD*1000; /AD采樣值擴大1000倍，因為表中電壓值擴大/了1000倍min=0;max=13;/給出表格的初始元素序號與最后元素的序號while(1)/開始查表mid=(max+min)/2;/中心元素位置if(Rtablemid=v1) var=mid*10;break;/中心元素等于查表得元素/計算相應(yīng)溫度if(Rtablemid>v1) max=mid;else min=mid;if(max-min)<=1)/多次循環(huán)后，獲得v1值對應(yīng)的下限值元素序/號與上限元素序號 j=( Rtablemax-Rtablemin)/10;/表中相鄰兩值對

25、應(yīng)溫度相差/10度j=(v1-Rtablemin)/j; /得到max-min之間的電壓/度var=10*min+j; /獲得總溫度break；按鍵子程序:uchar ba,sh,ge,sf,m;sbit set=P33;sbit xuan=P22;sbit jia=P23;sbit jian=P24;void key()/按鍵函數(shù)uchar i;if(xuan=0) /按下數(shù)碼管選擇鍵delay(10); /延時消抖if(xuan=0) /再次確認是否按下i=i+0x10; /位選值加1if(i=0xcf)i=0x8f;P2=P2&i;/送入位選while(!xuan);/等待松手w

26、hile(jia!=0)&&(jian!=0)&&(set!=0)&&(xuan!=0)/數(shù)碼管閃爍P0=0xff;delay(20);P0=0x00;delay(20); if(jia=0)/加數(shù)子程序 delay(10);if(jia=0)switch (i) /選擇要加數(shù)的數(shù)碼管case 0x8f:ba+;if(ba=10)ba=0;P0=tableba;while(!jia);break;case 0x9f:sh+;if(sh=10)ba=0;P0=tablesh;while(!jia); break;case 0xaf:ge+;if(g

27、e=10)ge=0;P0=table1ge;while(!jia);break;case 0xbf:sf+;if(sf=10)sf=0;P0=tablesf;while(!jia); break; if(jian=0)/減數(shù)子程序 delay(10); if(jian=0) switch (i)/選擇要減數(shù)的數(shù)碼管case 0x8f:ba-;if(ba=0)ba=9;P0=tableba;while(!jian);break;case 0x9f:sh-;if(sh=0)sh=9;P0=tablesh;while(!jian);break;case 0xaf:ge-;if(ge=0)ge=9;P

28、0=table1ge;while(!jian);break;case 0xbf:sf-;if(sf=0)sf=9;P0=tablesf;while(!jian);break; void anjian(uint hial,uint loal,uint p,uint sv)/按鍵程序if(m=1)/設(shè)定設(shè)定值key();sv=ba*1000+sh*100+ge*10+sf;display2(0x00,0x6d,0x1c,0x00);if(m=2)/設(shè)定上限值key();hial=ba*1000+sh*100+ge*10+sf;display2(0x76,0x06,0x77,0x38);if(m=3

29、)/設(shè)定下限值key();loal=ba*1000+sh*100+ge*10+sf;display2(0x38,0x5c,0x77,0x38);if(m=4)/設(shè)定比例帶key();p=ba*1000+sh*100+ge*10+sf;display2(0x00,0x73,0x00,0x00);if(m=5)/設(shè)定退出m=0;void setjian() interrupt 2 /按下功能選擇鍵觸發(fā)中斷通過記錄中斷/次數(shù)改變要設(shè)定的功能delay(10);while(!set);m+;報警子程序:sbit fengmingqi=P20;sbit led1=P31;sbit led2=P30;vo

30、id baojing()if(var>hial)fengmingqi=0;led1=0;if(var<loal)fengmingqi=0;led2=0;PID子程序：uint e,out,outm,k;void pid()e=var-sv;k=1/p;out=k*e+outm;if(out>outm) out=outm;if(out<0) out=0;主程序:#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code table=0x3f,0x06,0x5b,

31、0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar code table1=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef,;uint code Rtable=50000 52144 54285 56426 58565 60704 64842 64981 67119 69259 71400 73542 75687 77833;uchar displaytime, sampletime,controltime, ba,sh,ge,sf,m;uint var,e,out,out0,outm,k,ci;sbit sda

32、=P34;sbit scl=P35;sbit wr=P36;sbit rd=P37;sbit set=P33;sbit xuan=P22;sbit jia=P23;sbit jian=P24;sbit fengmingqi=P20;sbit jiare=P21;sbit led1=P31;sbit led2=P30;void main() uchar gao,di;TMOD=0x22;TH0=156;TL0=156;TH1=200;TL1=200;EA=1;ET0=1;ET1=1;TR0=1;gao=uchar read_add(1);di=uchar read_add(2);sv=gao*100+di;gao=uchar read_add(3);di=uchar read_add(4);hial=gao*100+di;gao=uchar read_add(5);di=uchar read_add(6);loal=gao*100+di;gao=uchar read_add(7);di=uchar read_add(8);p=gao*100+di;while(1) anjian(hial,loal,p,sv); write_add(0x01,sv/100); write_add(0x02,sv%100); writ