机电一体化技术毕业设计.docx
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机电一体化技术毕业设计
网络与继续教育学院
毕业设计
题目:
智能温度器的研究
学校:
武汉理工大学
专业:
机电一体化
姓名:
卫康
指导老师:
江毅
完成时间:
2011年8月15日
摘要:
XMT-100系列数字显示控制仪是一种带微电脑的新型全量程智能仪表。
它与热电阻、热电偶、压力变送器、远程电阻压力表及各种线性变送器配合使用,可测量和控制温度、压力、流量、电压、电流等各种工业参数,适用于冶金、化工、电力、轻功、医疗、视频、半导体等行业。
本文介绍了温度控制器的硬件及软件,硬件包括pt传感器、电压放大器、压频转换器lm331及89s8253-8279组成的单片机系统。
关键词传感器、电压放大器、lm331、单片机
目录
第一章绪论1
第二章本次毕业设计任务
2.1设计题目:
1
2.2设计意义:
2
第三章软件设计
3.1.1Pt温度传感器4
3.1.2恒流源介绍4
恒流源分为流出(CurrentSource)和流入(CurrentSink)两种形式。
4
3.3电压-频率变换器LM3316
3.3.1Lm331周边电路图6
3.3.2概述6
3.3.3工作原理7
3.48279单片机的性能及结构8
3.4.1芯片引脚功能说明8
3.4.2内部结构10
3.5Pcb印制板电路图10
3.5.1PCB发展简介:
10
第四章软件设计
4.1程序流程图如下10
第五章数和数值的编码
5.1前面板示意图及案件说明:
11
5.2仪表参数的设置流程12
参考文献13
第一章绪论
1.1单片机发展概述
1946年第一台电子计算机诞生至今,只有50年的时间,依靠微电子技术和半导体技术的进步,从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路,现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管,使得计算机体积更小,功能更强。
特别是近20年时间里,计算机技术获得飞速的发展,计算机在工农业,科研,教育,国防和航空航天领域获得了广泛的应用,计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。
单片机诞生于20世纪70年代,象Fairchid公司研制的F8单片微型计算机。
所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(CenterProcessingUnit,也即常称的CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上,构成一个最小的计算机系统,而现代的单片机则加上了中断单元,定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路,使得单片机的功能越来越强大,应用更广泛。
20世纪70年代,微电子技术正处于发展阶段,集成电路属于中规模发展时期,各种新材料新工艺尚未成熟,单片机仍处在初级的发展阶段,元件集成规模还比较小,功能比较简单,一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上,象Farichild公司就属于这一类型,它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。
类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。
1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机,这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机,并推向市场。
它以体积小,功能全,价格低赢得了广泛的应用,为单片机的发展奠定了基础,成为单片机发展史上重要的里程碑。
在MCS-48的带领下,其后,各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机,象Zilog公司的Z8系列。
到了80年代初,单片机已发展到了高性能阶段,象INTEL公司的MCS-51系列,Motorola公司的6801和6802系列,Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,***的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。
80年代,世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机,约有几十个系列,300多个品种,此时的单片机均属于真正的单片化,大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统,甚至还有一些带A/D转换器的单片机,功能越来越强大,RAM和ROM的容量也越来越大,寻址空间甚至可达64kB,可以说,单片机发展到了一个全新阶段,应用领域更广泛,许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。
泛的应用。
因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义。
微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。
1.2单片机发展趋势
现在可以说单片机是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。
纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有:
1.低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。
象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。
CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2.微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
3.主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。
所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。
而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。
此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路。
第二章本次毕业设计任务
2.1设计题目:
《温度控制器》
2.2设计意义:
温度控制器控制方法一般分为两种:
一种是由被冷却对象的温度变化来进行控制,多采用蒸气压力式温度控制器,另一种由被冷却对象的温差变化来进行控制,多采用电子式温度控制器。
温度控制器可分为:
1.机械式温度控制器分为:
蒸气压力式温度控制器、液体膨胀式温度控制器、气体吸附式温度控制器、金属膨胀式温度控制器。
其中蒸气压力式温度控制器又分为:
充气型、液气混合型和充液型。
家用空调机械式温度控制器都以这类温度控制器为主。
2.电子式温度控制器分为:
电阻式温度控制器和热电偶式温度控制器。
传统的温度控制器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主,两者里面都用发热丝制成。
发热丝通过电流加热时,通常达到1000℃以上,所以发热棒、发热圈内部温度都很高。
一般进行温度控制的电器机械,其控制温度多在0-400℃之间,所以,传统的温度控制器进行温度控制期间,当被加热器件温度升高至设定温度时,温度控制器会发出信号停止加热。
但这时发热棒或发热圈的内部温度会高于400℃,发热棒、发热圈还将会对被加热的器件进行加热,即使温度控制器发出信号停止加热,被加热器件的温度还往往继续上升几度,然后才开始下降。
当下降到设定温度的下限时,温度控制器又开始发出加热的信号,开始加热,但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时候,这就要视乎发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。
通常开始重新加热时,温度继续下降几度。
所以,传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象,但这不是温度控制器本身的问题,而是整个热系统的结构性问题,使温度控制器控温产生一种惯性温度误差,
此次设计重点则是解决传统温度控制器系统结构上存在的问题。
2.3主要内容:
系统任务
本装置的任务是对温度进行实时监测与控制。
温度的变化会使pt温度传感器阻值发生变化,让恒流源电流通过电阻,根据U=I*R对电阻取电压,用电压放大器对电压值放大,压频转换器lm331对电压值进行转换,把输出的频率信号出入单片机比较处理,频率信号大于一定值时则发出中断。
第三章硬件电路设计
3.1恒流源与pt传感器电路图及原理
3.1.1Pt温度传感器
pt温度传感器是一种稳定性和线性都比较好的白金热电阻传感器,电阻式温度检测器(RTD,ResistanceTemperatureDetector)是一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻係数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。
大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,最为稳定-耐酸碱、不会变质、相当线性...,最受工业界采用。
PT温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下:
R=Ro(1+αT) 其中α=0.00392,Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度
因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。
传感器的接入非常简单,从系统的5V供电端仅仅通过一支电阻就连接到PT100了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是.由于有了单片机的软件校正作为后盾,因此就简化了传感器的接入方式.
3.1.2恒流源介绍
恒流源分为流出(CurrentSource)和流入(CurrentSink)两种形式。
最简单的恒流源,就是用一只恒流二极管。
实际上,恒流二极管的应用是比较少的,除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外,电流规格比较少,价格比较贵也是重要原因。
最常用的简易恒流源用两只同型三极管,利用三极管相对稳定的电压作为基准,
这种恒流源优点是简单易行,而且电流的数值可以自由控制,也没有使用特殊的元件,有利于降低产品的成本。
缺点是不同型号的管子,其电压不是一个固定值,即使是相同型号,也有一定的个体差异。
同时不同的工作电流下,这个电压也会有一定的波动。
因此不适合精密的恒流需求。
为了能够精确输出电流,通常使用一个运放作为反馈,同时使用场效应管避免三极管的电流导致的误差。
如果电流不需要特别精确,其中的场效应管也可以用三极管代替。
恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈,动态调节设备的供电状态,从而使得电流趋于恒定。
只要能够得到电流,就可以有效形成反馈,从而建立恒
流源。
能够进行电流反馈的器件,还有电流互感器,或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈,也可以利用回路上的发光器件(例如光电耦合器,发光管等)进行反馈。
这些方式都能够构成有效的恒流源,而且更适合大电流等特殊场合。
3.1.3电路图及原理
图3.1pt传感器与恒流源电路
令AA`、BB`与CC`3段电阻阻值相等为r,恒=流源IA=IB
UA=IA*r+IA*R+IA
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