智能仪表器课程设计.doc

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1、 摘要 单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能温度控制仪表化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。Abstart Single-chip micro-computer, with the ultra-large scale integrated circuit technology, the development of the birth, and because of its s

2、mall size, strong function and high cost performance, it is widely used in electronic equipment, household appliances, energy-saving devices, military devices, robots, industrial control and many other areas to make product miniaturization, intelligent temperature control instrumentation, both to im

3、prove the products features and quality, but also reduce the cost and simplify design. This paper introduces the MCU to the temperature control applications. I目录摘要IAbstartI目录II第一章 智能仪器概述11.1 智能仪器的定义11.2智能仪器的工作原理11.3智能仪器的功能特点11.4智能仪器的发展概况21.5智能仪器发展趋势2第二章 设计任务及目的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73.2.1

4、 按键73.2.2 报警电路73.2.3 数码显示和指示电路83.2.4 下载电路93.2.5 通信电路103.2.6 热电偶输入电路103.2.7 输出驱动电路113.2.8 电源113.2.9 总原理图123.2.10 系统PCB图133.2.11 系统元件清单14第四章 软件设计154.1初始化定时器-154.2向8位数码管输出数据程序-15第五章 总结与体会-17 参考文献-1717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、

5、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

6、、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

7、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

8、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。 1.4智能仪器的发展概况 1. 80年代，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，测量系统常通过IEEE488总线连接。不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展等。 2. 90年代，仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计；DSP芯片的问世，使仪器仪表数

9、字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI总线得到广泛的应用。3. 近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。 4. 国际上智能测量仪表更是品种繁多，例如，美国HONEYWELL公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿，其精度可

10、达到0.1FS；美国RACA-DANA公司的9303型超高电平表，利用微处理器消除电流流经电阻所产生的热噪声，测量电平可低达-77dB；美国FLUKE公司生产的超级多功能校准器5520A，内部采用了3个微处理器，其短期稳定性达到1ppm，线性度可达到0.5ppm；美国FOXBORO公司生产的数字化自整定调节器，采用了专家系统技术，能够像有经验的控制工程师那样，根据现场参数迅速地整定调节器。这种调节器特别适合于对象变化频繁或非线性的控制系统。由于这种调节器能够自动整定调节参数，可使整个系统在生产过程中始终保持最1.5智能仪器发展趋势1 微型化 微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合

11、应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。例如，目前要同时测量一个病人的几个不同的参量，并进行某些参量的控制，通常病人的体内要插进几个管子，这增加了病人感染的机会，微型智能仪器能同时测量多参数，而且体积小，可植入人体，使得这些问题得到解决。2 多功能 多功能本身就是智能仪器仪表的一

12、个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上（如准确度）比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。3 人工智能化 人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面 。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉（图形及色彩辨读）、听觉（语音识别及语言领悟）、思维（推理、判断、学习与联想）等方面具有一定的能力。这样，智能仪器可无需人的干预而自主地完成

13、检测或控制功能。显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。4 融合ISP和EMIT技术，实现仪器仪表系统的Internet接入（网络化） 伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Internet的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。在系统编程技术（In-System Programming，简称ISP技术）是对软件进行修改、组态或重组的一种最新技术。它是LATTICE半导体公司首先提出的一种使我

14、们在产品设计、制造过程中的每个环节，甚至在产品卖给最终用户以后，具有对其器件、电路板或整个电子系统的逻辑和功能随时进行组态或重组能力的最新技术。ISP技术消除了传统技术的某些限制和连接弊病，有利于在板设计、制造与编程。ISP硬件灵活且易于软件修改，便于设计开发。由于ISP器件可以像任何其他器件一样，在印刷电路板（PCB）上处理，因此编程ISP器件不需要专门编程器和较复杂的流程，只要通过PC机，嵌入式系统处理器甚至INTERNET远程网进行编程。 EMIT嵌入式微型因特网互联技术是emWare公司创立ETI（eXtend the Internet）扩展Internet联盟时提出的，它是一种将单片

15、机等嵌入式设备接入Internet的技术。利用该技术，能够将8位和16位单片机系统接入Internet，实现基于Internet的远程数据采集、智能控制、上传下载数据文件等功能。 目前美国ConnectOne公司、emWare公司、TASKING公司和国内的PS公司等均提供基于Internet的DeviceNetworking的软件、固件（Firmware）和硬件产品。5 虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段 测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器

16、。这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”。 传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术控制工程网版权所有，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。第二章 设计任务及目的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

17、、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R型（铂铑13）热电偶，测温范围为01200。采用比例控制、并用晶闸管移相驱动1000W电加热器（电源电压为AC220V）。按钮任务：1.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。2.数码管选择按钮：选择需要设置数据的数码管。3.数字增加按钮：用于设

18、置数值的增加，每按下一次，数值加1。4.数字减少按钮：用于设置数值的减少，每按下一次，数值减1。发送显示数据任务：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 系统原理框图热电阻输入按键输入Atmega16单片机下载报警输出通信指示和显示移相驱动加热器此系统由7个模块构成。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。

19、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显示的是热电偶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

20、 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 该电路采用R型（铂铑13）热电偶进行测温，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。3.2.9 总原理图3.2.10 系统PCB图（PCB板）（打印预览图）3.2.11 系统元件清单第四章 软件设计4.1初始化定时器#include iom16v.h

21、#include void T1_Init(void) /初始化定时器，产生10mS周期中断OCR1A = 1249; /计数周期为10ms，F=1MHz OCR1A为计数器TOP TIMSK |= (1 OCIE1A); /比较中断A允许 TCCR1A = 0x00; /普通端口操作，非OC1A和OC1B TCCR1B = 0x08; /定时器工作在CTC计数器模式，计数值与OCR1A值比较，/相等就中断，然后，计数器归0 TCCR1B |= 0x02; /设置定时器1的分频值为8分频4.2向8位数码管输出数据程序#include mega16.h #include delay.h /*如下

22、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,0x79,0

23、x71,0x40; /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

24、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

25、; /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 总结与体会通过这次课程设计，让我得到了一次用专业知识、专业技能去分析问题和解

26、决问题的机会。使我在单片机的基本原理、单片机的硬件构成、单片机应用系统开发有了更进一步的认识。这次课程设计让我把以前学习到的知识得到了巩固和进一步的提高认识，并再次加深了对它们的理解和认识。由于自身能力有限，在课程设计中碰到了很多的问题，我通过查阅相关书籍、资料以及和周围同学交流，得到了解决。由于使用的是单片机作为核心的控制元件，使得电路的可靠性比较高，功能也比较强大，而且可以随时的更新系统，进行不同状态的组合。但是设计的过程中，也发现了一些问题，有待进一步完善。此外，在这次课程设计，我也发现理论和实践的差距真的很大，在以后的学习中，我会更加注意这方面的问题的。参考文献1. 华成英. 模拟电子技术基础(第四版). 高等教育出版社. 20062. 夏路易. 智能控制与智能仪表(EDA). 2009版3. 牛昱光. 单片机原理与接口技术. 2009