智能负载监控系统毕业设计报告.docx

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智能负载监控系统毕业设计报告

电子信息科学与技术专业毕业设计任务指导书

指导老师张帆2012.05.12

一、毕业论文的目的

这次我选择智能负载监控系统，因为我对单片机设计有极大的兴趣，我想抓住这个机会好好地锻炼自己的把理论应用到实践的能力，为以后工作打下坚实的基础。

在这个过程中我更加深入的理解和掌握了c语言的程序设计和硬件电路的结合过程，动手焊接了一个完整的电路板，进一步加深了对继电器，蜂鸣器，模数转换认识。

二、主要内容

用STC89C52单片机实现对负载工作情况的智能监控，保证当负载发生异常时，通过继电器的通断来保护负载，当负载电压超出正常范围时，继电器断开，红灯闪烁，蜂鸣器报警。

调节滑动变阻器，使负载两端电压处于正常范围，此时继电器接通，对负载提供电压。

通过对单片机编写控制程序，实现智能自动控制。

通过指示灯和蜂鸣器以及显示器的状态来报告负载的工作情况。

包括以下内容：

　　1、负载参数的采集

　　为了能够让单片机做出正确的判断，数据的采集必须准确，及时。

运用模数转换芯片把采集到的模拟量转换为数据提供给单片机，使其分析和处理，并做出处理动作。

　　2、数据的分析处理

通过做出和模数芯片相对应的计算，还原模拟量并作出判断。

不同的判断结果要有不同的处理结果。

3、结果的执行

处理结果控制外部设备（继电器、显示屏，蜂鸣器）做出动作。

4、深入研究单片机的芯片功能，掌握与其相关的接口电路，熟练掌握与其相关的汇编语言或C语言的设计方法。

5、学习单片机仿真原理，学会使用单片机仿真器及相关编译、仿真软件。

三、任务与要求

1．熟悉单片机各种芯片，主要是STC系列，本次设计将采用STC89C52、ADC0804芯片。

了解单片机指令集和C语言。

2．熟悉Protel、Keil软件，并用来设计应用系统原理图。

3．学习硬件的焊接、安装、组装，单片机仿真器的使用。

4．阅读参考资料、文献及论文，提交本设计开题报告。

5．完成设计所需要的编程，硬件电路设计与实现，焊接。

6．系统电路测试与交付。

四、时间安排（2011--2012学年）

1、第一学期第19周前

通过师生双向选择确定毕业设计课题。

　2、第二学期1--2周

　　阅读相关的参考资料及文献，基本完成开题报告。

3、第二学期3--4周

进一步修订完善开题报告、确定设计的目标和具体功能。

　4、第二学期5--6周

完成各kei的软件设计，protel辅助分析。

5、第二学期7--11周

完成电路制作，调试。

6、第12周

完成毕业设计，全部成果交指导老师批阅。

7、第13周

毕业答辩

五、论文设计成果以及应用价值

1、设计成果

用STC89C52单片机芯片实现对负载工作情况进行智能的监控，LCD1602显示绿灯电压和当前状态，保证当负载发生异常时，通过控制继电器的通断，来保护负载。

通过滑动变阻器调节负载上电压，当负载恢复正常时，自动控制继电器接通电路，对负载提供电压。

通过对单片机编写控制程序，实现智能自动控制。

通过设置的指示灯、蜂鸣器、显示器可以观测负载的工作情况。

2、应用价值

由于我们所面对的工程问题越来越复杂，过去所依赖分析的技术已逐渐不敷使用。

利用电脑来分析及解决工程问题已是当今工程师的必要工具。

使用软件进行仿真，能够极大加快科研人员进行研究开发的进度，减少在编写程序和开发算法方面所消耗的时间和有限的经费，从而获得最大的效能。

六、参考资料

1．《新编单片机原理与应用》潘永雄编著西安电子科技大学出版社

2．《模拟电子技术基础》第三版童诗白华成英主编高等教育出版社

3．《数字电子技术基础》第四版阎石主编高等教育出版社

4．《preteus入门教程》

5．《keilc51入门教程》

6.《电路》.邱关源（罗先觉修订）高等教育出版社

7、《C语言大学实用教程》小红陈惠鹏孙志岗等电子工业出版社

8、《protel电路设计实用教程》王正谋电子工业出版社。

开题报告

2012年3月19日

学生

姓名

侯建涛

学号

200811620

专业

电子信息科学与技术

题目

名称

智能负载监控系统

课题

来源

老师提供

研究现状和发展趋势

研究现状

在智能控制技术快速发展的今天，单片机智能控制技术广泛地应用与工业控制，智能监控，仪表的检测，家用电器甚至电子玩具等各个领域。

　发展趋势

　　由于我们所面对的时代对产品的要求越来越高。

这就要求我们采用更加复杂的监控手段来应对需要监控的变量，并不断使系统智能化，来减少人工的参与，不断改进系统的可靠性，稳定性来保证整个产品的质量。

研究的目的和意义

目的：

　　我选择了《智能负载监控系统》这个课题作为毕业设计其主要目的是通过此次课程设计进一步学习和巩固单片机及其相关知识，并学会利用所学的知识能，在设计过程中能综合运用所学知识内容，进一步熟悉和掌握proteus和keil的使用方法;对单片机的信息采集、处理和输出有较深的了解;为即将进入社会参加工作打下坚实的基础;掌握收集资料、消化资料和综合资料的能力等等。

意义：

人类早已经经历的电器时代，现在进入了信息时代，但不论哪个都要考虑负载的问题，由于电路设计和材料的问题，负载必须控制在一定范围之内，不然就会造成事故，造成经济损失。

监控系统可以随时把负载的情况展现给工程师，如果监控系统能够自动处理突发情况的话，不但更有利于操作，也能使得负载更加安全可靠。

　　从事电子行业而不能熟练操作使用proteus电子线路设计软件，在工作和学习中将是寸步难行的。

在电子行业，使用proteus等仿真软件对产品进行设计、仿真在很早以前就已经成为了一种趋势，这类软件的问世也极大地提高了设计人员在通信、电子等行业的产品设计质量与效率。

通过本次设计我一定能够更加地熟练掌握这类仿真软件，进而提高专业本领，为以后的专业发展奠定基础。

实现的主要功能

以8051单片机芯片为控制核心，通过数模转换芯片将负载的电压转换成数字量提供给单片机，单片机经过计算处理得出结果并控制外围设备做出以下动作：

1、电压正常闭合继电器使负载工作，电压过高断开继电器使负载断路。

2、将结果输出给LCD1602，显示当前电压，当前状态--“toolow"、"normal"、"warming"、"off".

3、电压处于不正常状态（太低、警报、断开）时、蜂鸣器响警报，LED闪烁。

另外，可通过外部开关来控制负载的通断。

研究的主要内容

　　1、负载参数的采集

　　为了能够让单片机做出正确的判断，数据的采集必须准确，及时。

运用模数转换芯片把采集到的模拟量转换为数据提供给单片机，使其分析和处理，并做出处理动作。

　　2、数据的分析处理

通过做出和模数芯片相对应的计算，还原模拟量并作出判断。

不同的判断结果要有不同的处理结果。

　　3、结果的执行

处理结果控制外部设备（继电器、显示屏，蜂鸣器）做出动作。

电路原理总体设计

基于单片机的智能负载监控系统的设计过程主要包括：

总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试等几个阶段。

对于总体设计，主要是画出原理框图。

系统总体设计框图

主要器件

（1）单片机芯片：

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

（2）AD转换器

ADC0804是属于连续渐进式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。

（3）LCD1602

1602字符型液晶是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块,它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

（4）继电器

采用5V小型继电器

时间安排

第1、2周：

阅读文献资料；

第3周：

搜集资料，确定方案；

第4周：

搜集8051等器件的功能和引脚资料，熟悉单片机一般编程语言或C语言，为后期的设计做前期准备；

第5-6周：

分析功能实现原理，利用proteus画出初步电路图；

第7-8周：

进一步和同组人探讨整个功能实现（包括硬件和软件的结合，用软件进行仿真测试；

第9-10周：

焊接出实际的电路板，测试、运行、实现功能；

第11-12周：

汇总整个的工作流程，查资料，做论文，准备答辩。

指导教师意见

签名：

年月日

备注

摘要

本次设计（智能负载监控系统）所要达到的目的是通过单片机应用系统的数据采集、数据处理、程序控制等技术，实现单片机对负载工作情况的智能监控。

保证当负载发生异常时（负载电压过大或者过小），通过采样电路、模/数转换电路，把异常信号传递给单片机。

单片机通过把接收的采样信号与程序所设置的基准正常信号范围进行比较，输出控制信号，控制固态继电器开起，切断负载上电压；并在电路断开期间，调节滑动变阻器，当负载恢复正常时，控制固态继电器接通电路，对负载提供电压。

通过设置的指示灯和蜂鸣器可以观测到电路的工作情况。

该设计在现实生产中很有实用意义。

只要将相应元器件稍加改进，就可应用到不同的生产场合。

如：

这里被监控的负载（发光二极管）可以是水位监测、温度检测、防盗系统检测等。

本次设计主要工作是进行：

1、总体设计，确定技术指标和软硬件分工；2、硬件设计，确定电路功能框图和原理图；3、软件设计，在总体分工和硬件设计的基础上，确定程序功能、编写功能模块子程序，本着简化硬件电路、提高系统性能的要求完成整体程序设计。

关键字：

单片机模数转换器继电器智能控制控制参数

ABSTRACT

Thisdesign（intelligentloadmonitoringsystem）toachievethepurposeisthroughtheSCMapplicationsystemdataacquisition,dataprocessing,processcontroltechnology,therealizationofsinglechiploadworkingconditionintelligentmonitoring.Toensurethatwhentheloadisabnormal（loadvoltageistoolargeortoosmall）,thesamplingcircuit,a/Dconversioncircuit,theabnormalsignalsaretransmittedtothesinglechipmicrocomputer.SCMthroughthereceivedsamplingsignalandprogramsetbythereferencesignaliscomparedinnormalrange,outputcontrolsignal,controlsolidstaterelaytoopenup,cutofftheloadvoltage;andthecircuitisdisconnectedduring,adjustingtherheostatsliding,whentheloadisrestored,controlsolidstaterelaytoswitchonthecircuit,theloadvoltage.Throughthearrangementofthelampandthebuzzercanbeobservedintheworkofthecircuit.

Thedesignintherealproductionofverypracticalsignificance.Aslongasthecorrespondingcomponentsisimproved,itcanbeappliedtovariousproductionapplications.Suchas:

herehasbeenmonitoringtheload（photosensitiveresistance）canbealevelmonitoring,temperaturemonitoring,anti-theftsystemdetection.

Thedesignofthemainworkis:

1,overalldesign,determinethetechnicalindexesandsofthardwaredivision;2,hardwaredesign,circuitfunctionalblockdiagramandschematicdiagram;3,softwaredesign,intheoveralldivisionoflaborandthehardwaredesignonthebasisofdefiningfunctions,procedures,thepreparationoffunctionalmodulesubroutine,thespiritofthehardwarecircuitissimplified,improvesystemperformancerequirementstocompletetheoverallprogramdesign.

Thekeyword:

SingleChipMicrocomputerMold/NumberswitchingAfterelectricappliancesIntelligencecontrolControlparameter

第一章绪论

1.1背景知识及设计平台

如今电子设备日新月异，越来越大的影响着人们的生活，其中智能化过程越来越受人们的青睐，也在很大程度上改变着人们的生活。

利用现代化的技术工具,开发一种智能化、功能相对齐全的软件来实现智能化控制的系统，就成为了一种需要。

就微控制器在行业中的设计和应用来说，没有哪个行业像智能自动化和控制领域发展得如此迅速。

如此深刻的影响着人们的生活。

智能监控系统是指自动的分析和处理被监控设备的信息。

这个过程要借助计算机来完成，智能设备就像人的大脑一样控制着各种器件。

利用计算机对得到的信息中的海量数据进行分析，过滤掉一些不相关的信息，仅仅提取一些关键信息。

智能监控以数字化、智能化为基础，及时发现系统中的异常情况，并能够以最快和最佳的方式发出警报和提供有用的信息，从而能够更加有效地协助安全人员处理危机，并最大限度地降低损失和危害，这在社会上发挥了很大的作用。

这种技术的日渐成熟会越来越大的改变人们的生活。

促进社会的发展和进步。

以单片机为核心的控制和监控系统，其系统构成、设计思想、设计方法与传统控制系统有根本的区别。

在传统的控制或监控系统中，控制或监控参数通过电路、机械装置等直接对被监控参数进行调节与控制，而在单片机为核心的控制系统中，控制参数和被控参数不直接发生变化，而是将控制参数转化为数字信号输入到单片机内，单片机根据其情况向被控对象输出信号进行控制，正如智能负载监控试验，就是利用单片机I/O口输出信号对继电器进行控制，进而对负载进行控制或监控，因此类似任何一个单片机控制系统的组成结构,一般常化简为输入部分、输出部分和电子控制单元。

单片机智能控制技术作为计算机技术的一个重要技术,广泛地应用于工业控制、智能监控、仪表的检测、家用电器、甚至电子玩具等各个领域,它具有体系小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点,因此,越来越多受到工程人员的重视。

1、硬件设计的原理图以及开发环境

　Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件；具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能。

支持主流单片机系统仿真，目前支持的机型有：

68000系列、AT89C51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

提供软件调试功能，同时观察各个变量、寄存器的当前状态。

因此在软件仿真系统中，也必须有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境。

例如：

Keilc51uVision2等软件。

④具有强大的原理绘图功能。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前在国内刚刚起步，但已经受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、科技工作者的一致青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

2、软件辅助编程环境

C语言是一种计算机程序设计语言。

它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。

它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出。

1978后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上。

它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。

它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。

具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。

3、调试程序相关工具

KeilC51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编、PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用。

它还有很大的一个优点，生成目标代码效率很高。

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

 Keil C51单片机软件开发系统的整体结构：

C51工具包的整体结构中uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。

然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。

目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。

ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

1.2预期成果及对设计的认识

预期成果是实现对负载的智能监控。

当外界环境发生变化时（如：

外界的温度、压力、光强等）产生的干扰导致负载发生异常时，通过采样电路把异常信号传递给单片机，进行运算处理，并产生自动产生控制信号，切断负载上的电压，红灯亮，显示器显示的是不在正常范围工作的电压，蜂鸣器响。

当负载恢复正常时，能自动对负载提供电压，使电路能自动恢复正常工作，此时显示器显示正常工作的电压范围，绿灯亮。

在本次毕业设计过程中，我们综合运用了所学的专业知识进行分析、解决实际问题；同时也掌握了文献检索、资料查询的基本方法以及获取新知识的能力以及动手焊制版子的能力。

理论与实践相结合，基本具备了用计算机软件、硬件应用系统设计和开发的能力；并且体会到合作的重要性，这次毕业设计使我明白了很多，理论和实践还是有些不同的，动脑动手同样重要，这为我以后的工作打下了一个坚实的基础，开一个好头。

第二章总体设计的原理与实现

2.1总体设计

单片机应用系统的设计研制过程主要包括：

总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试等几个阶段。

对于总体设计，主要是画出原理框图、确定出主要技术指标。

图2.1智能控制系统通用框

2.2系统原理设计及功能实现

本次设计原理如下：

电源模块将0~220V的交流电压转化为0~5V的直流稳定电压,为各个模块提供正常工作的电压。

另外设定了ADC0804的正常工作极限电压5V,若输入ADC0809的电压值大于5V,则其不能正常工作（不过本设计为负载提供的电压在0~5V之间,所以这点不予考虑）,电源模块只起到供电作用,,负载电压信号送入模数转换模块ADC0804,经过量化、编码，将模拟电压值转化为8位数字电压值，将其经数据总线送STC89C52的P0口，接受STC89C52的读取，STC89C52将读取的数字信号与软件设置的负载正常工作的基准电压范围比较，若与基准电压范围不相一致，这时P1.7口输出低电平，关闭继电器，切断负载上的电源,停止采样。

P1.6口输出低电平，即故障灯亮。

总体设计下的功能划分：

1、通过软件设置基准电压，并用软件设置ADC0804对电压的转换，另外也用软件实现STC89C52对LED灯，LCD，继电器的控制。

2、软件设置P1.4且CS=0,RD=0，实现对ADC0809的控制，控制ADC0809的工作状态。

3、ADC0804采用外部震荡电路提供时钟，被设计采用一个10K的电阻和一个150PF的电容的常用震荡电路为之提供。

4、显示采用LCD1602，两行显示，第一行是标题，第二行是当前的电压值和状态，电压和状态都是实时的。

5、接在STC89C52芯片的X1、X2引脚上是一个晶振电路，主要为STC89C52提供所需的振荡频率。

6、三极管NPN起到电流放大的作用（共射）,来给蜂鸣器提供足够的功率。

7、三极管PNP起到电流放大的作用（共射）,来给继电器提供足够的电流。

8、1K滑动变阻器是用来调节LCD1602背光亮度。

9、继电器在电路中控制负载工作，通过滑动变阻器和负载串联,若