大学毕业设计智能光柱显示仪的设计研制.docx

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大学毕业设计智能光柱显示仪的设计研制

摘要

智能光柱显示仪通过单片机驱动光柱和数码管来实现。

它采用光柱/数字同时显示，使仪表既有趋势指示，又有数显表精度，清晰直观地把工业过程中的模拟量和工程量紧密结合起来，是当前国际上显示仪表的流行款式。

本系统采用LED光柱指示、响应速度快、无惯性、无机械传动部件、耐震动、低功耗、寿命长、可靠性好。

而且显示直观醒目，色彩丰富，LED光柱采用进口高亮度管芯制成，有橙红、黄绿、琥珀黄等多种颜色。

1%分辨率、性能稳定、亮度均匀。

同时又配有数码管显示当前数值，精确度高，一目了然。

本系统还配有报警系统，可自由设定上下限值，当测量值超出安全工作区域即报警，对过程监视特别有效。

关键词：

智能光柱显示仪，光柱，单片机

Abstract

IntellectivelightpillarDisplaypassesthesingleamachinedrivesthelightpillartotakescareoftorealizewiththefigures.Itadoptthelightpillar/arithmeticfiguretoshowatthesametime,makingcurrenttrendingaugeinstructioned,havingagainthenumbershowthewatchaccuracy,clearkeeptheviewgroundmeasurestheindustryemulationintheprocessputstogetherwiththecloseknotinamountofengineering,isfrontinternationallastthemanifestationgaugefliestothestyle.

ThissystemadoptstheLEDlightpillarinstructionsesandrespondtothespeedquick,havenoinertial,havenothemachinespreadtomovethepartsandbearthevibration,lowpowerconsumes,thelifespangrows,dependablegood.Andthemanifestationkeepstheviewrefreshing,thecolorisabundant,theLEDlightpillaradoptsimportthehighandbrightatubemakeinto,havingthered,Huanggreen,amberHuangetc.variouscolors.1%Distinguishingtherate,functionstabilizes,thebrightdegreeiseven.Haveagainatthesametimethefigurestakecareofthecurrentnumberinmanifestation,theaccuracyishigh,isingclearataglance.

Thissystemstillhastoreporttothepolicethesystem,freeenactmentthetopandbottomlimitsvalue,bemeasuredvaluebeyondthereachofsafetyworkdistrictnamelyreporttothepolice,keepwatchontotheprocessspecialvalid.

Keywords:

IntellectivelightpillarDisplay,lightpillar,MCS

第一章引言

前期的光柱生产厂商都是使用自己研制的专用芯片驱动光柱来显示的，导致生产厂商垄断光柱的显示技术，又给拓宽应用的使用者带来很大的不便。

随着近来单片机技术的不断发展，技术不断成熟，成本大幅度下降，从而使得单片机广泛的应用于个方面。

智能光柱显示器是利用单片机来控制光柱的仪器，起到直观显示的效果，使用单片机技术不但可以降低光柱显示器的成本，而且可以提高可靠性。

1.1光柱显示器概述

光柱显示报警仪广泛应用于个方面，像SXG系列LED光柱指示报警仪。

它与热电偶、热电阻、霍尔压力变送器、电感压力变送器、远程电阻压力表、DDZ-Ⅱ型、DDZ-Ⅲ型及各种线性变送器配合，可用于冶金、电力、石油、化工、机械制造、热处理、轻工等行业实现对压力、温度、流量、液位、电压、电流等各种工业参数的指示、调节或自动报警。

光柱显示仪具有以下特点：

1.光柱/数字同时显示使仪表既有趋势指示，又有数显表精度，清晰直观地把工业过程中的模拟量和工程量紧密结合起来，是当前国际上显示仪表的流向款式。

2.采用LED光柱指示、响应速度快、无惯性、无机械传动部件、耐震动、低功耗、寿命长、可靠性好。

3.显示直观醒目，色彩丰富，LED光柱采用进口高亮度管芯制成，有橙红、黄绿、琥珀黄等多种颜色。

1%分辨率、性能稳定、亮度均匀。

4.测量值和显示值同时显示与面板，测量值，上限设定值和下限设定值均由光柱显示，当测量值超出安全工作区域即报警，对过程监视特别有效。

5.为了适应污染严重、条件恶劣的环境，仪表面框和机壳，接线排和机壳之间都垫有密封橡皮圈。

6.仪表采用模块化设计方法，调整、维修、设定极其方便。

1.2光柱显示器的原理、面板及接线端子示意图

1.2.1原理方框图

1.2.2工作原理

光柱（数字）显示报警仪主要由信号转换、数显、报警设定、报警、模拟量输出、电源等七部分电路组成。

由各种一次仪表送来的信号经转换电路变成额定的电压信号。

该信号的一部分经A/D转换和纵、横向驱动电路分别点亮LED数码管和LED发光二极管，从而形成数显和光柱显示。

信号的另一部分进入报警电路与设定信号进行比较，一旦越限，将改变继电器的工作状况以启动系统的控制电路。

信号的第三部分进入模拟量输出电路变为标准信号输出。

1.2.3光柱显示器的面板及接线端子示意图

输入信号下限报警

+-

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

-24VDC+

220VAC

上限报警中线电源相线

第二章系统硬件设计

2.1光柱

一、概述

LED光棒，采用日本进口高亮度LED芯片和特殊工艺制成。

它和驱动电路结合后能呈带状或单亮线显示，显示值能随输入信号变化逐渐变化，不仅能取代传统的模拟式（即指针式）仪表，检测温度、压力、液位、流速、位移等模拟量，还可以与数字显示相结合，变成“数字/模拟条图”双显示仪表，既能直观的看清趋势，又能精确示值，是当前国内新颖的显示方式，具有广阔的应用前景。

LED光棒显示清晰、亮度均匀、抗振动、耐冲击、可靠性高、寿命长、具有多种规格和显示颜色。

二、特性参数

A.工作环境：

-10~+50℃相对湿度<80%

B.贮存环境：

-25~+55℃相对湿度<70%

C.正向特性：

1.8~2.2V

D.反向特性：

>8V

E.额定功耗：

135mW

F.额定工作电流：

150mV

三、结构原理

由原理图可知：

C为高电平，S为低电平时，二极管亮。

例如：

Ci为高电平，Sj为低电平，则第（I-1）*8+j跟发光二极管点亮。

四、封装尺寸

五、引脚定义

引脚P

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

段位C

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

C11

C12

C13

线位S

S1

S2

S7

S8

S6

S5

S4

S3

2.2微处理器

2.2.1微处理器的发展

微控制器又称单片机，具有控制功能强，体积小，功耗小等一系列的优点，它在工业控制、智能仪表、节能技术改造、通讯系统、信号处理及家用电器产品中都得到广泛的应用。

随着数字技术的发展和单片机的广泛应用，以往采用模拟电路、数字电路实现的电路系统，大部分功能单元都可以通过对单片机硬件功能的扩展及专用控制程序来实现。

近年来，微处理器的发展速度足以让世人惊叹。

以计算机为主导的信息技术作为一种崭新的生产力，正在向社会的各个领域渗透，也使机电一体化的进程大大加快。

机电一体化是当今制造技术和产品发展的主要倾向，也是我国机电工业发展的必由之路。

可以认为，它是用系统工程学的观点和方法，研究在机电系统和产品中如何将机械、计算机、信息处理和自动控制技术综合应用，以求机电系统和产品达到最佳的组合。

机电一体化产品所需要的是嵌入式微型处理器，各种型号和功能更强的单片机和超级接口芯片不断出现，进一步向高层次发展的重要标志就是构成多机系统和分布式网络。

世界上单片机芯片的产量以每年27%的速度递增，到本世纪初已达30亿片，而我国的年需求量也超过了一亿片的数量，这表明单片机有着广阔的应用前景。

目前而言，英特尔公司的“MCS-51系列”161是所有单片机应用中的基础，后续的产品基本上是在它们的基础上进行性能改良和设计开发的，MCS-51单片机应用系统功能较强、价格较低，较早应用，目前应用广泛。

MCS-51系列的三个基本产品是8031,8751,8051。

它们本是同根生，引脚与指令完全兼容，核心是一个8位的CPU，但内部结构有所不同。

8031除CPU外，还包括128字节的RAM,21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行输入输出口、1个全双工串行口，2个16位的定时器/计数器，但内部没有程序存储器，需要在芯片外扩展EPROM芯片。

8051包含了8031，芯片内又集成了4K字节的ROM，用作程序存储器，并且8051是掩膜型单片机，不超过4K字节的程序是厂家制作芯片时，代用户烧制的，用户不能修改。

所以8051在国内很少见到。

问题与8051功能相同的是8751，但是它的4K字节的程序存储器采用了EPROM，用户可以其中反复修改程序。

但是8751价格昂贵，甚至比8031外加一片4K字节的EPROM还贵，而且经常擦写的EPROM也较易损坏，8751的EPROM一旦损坏，整个片子就报废了。

因此其应用范围也有所限制。

Intel公司还在MCS-51系列三种基本型产品的基础上，推出了各类增强型产品，主要有8032/8052/8752:

它们的内部RAM增到256字节，8752/8052片内的程序存储器容量增到8K字节，定时器/计数器增至3个16位计数器，有6个中断源。

另外还有低功耗的CHMOS工艺芯片的80C31/87C51/80C51:

有二种掉电工作方式，其一是让CPU停止工作，其它部分仍继续工作，其二是除片内RAM继续保持数据外，其它部分都停止工作。

还有一种可用BASIC语言编程的BASIC52单片机，其芯片内固化有BASIC解释程序，而且BASIC52语言能和MCS-51汇编语台混合使用。

高性能的8XCX52系列是以8052为基础，采用CHMOS工艺，并将MCS-96系列中的高速输入/输出、A/D转换器、脉冲宽度调制、看门狗定时器等移植进来构成新一代MCS-51产品，PHILIPS公司生产的8XC552系列即为此类产品。

到目前为止，MCS-51也是后继有人了，首先是低功耗、高性能的89C51.AT89C系列和51完全兼容，但内含4K字节的FLASHPEROM（快擦写可编程/擦除只读存储器），可以电可擦写1000次以上。

AT89C系列单片机价格也便宜，使用也方便，是真正单片的单片机。

它的时钟频率高达20MHz，芯片上的EEPROM允许在线（+5V）电擦除、电写入，此外还支持软件选择的二种掉电工作方式，非常适于电池供电的场合。

2.2.2AT89C51单片机

采用美国Atmel公司的AT89C51单片机，外部管脚如图2.1所示。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51的指令集和输出管脚相兼容。

该控制器将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器171，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51的主要特性如下:

（1）能与MCS-51兼容

（2）有一个4K字节可编程闪烁存储器

（3）使用寿命比较长一般为1000写/擦循环

（4）数据保留时间长般为10年

（5）全静态工作:

OHz-24Hz

（6）三级程序存储器锁定

（7）128*8位内部RAM

（8）32条可编程I/0线

（9）两个16位定时器/计数器

（10）5个中断源

（11）可编程串行通道

（12）低功耗的闲置和掉电模式

（13）片内振荡器和时钟电路

AT89C51的管脚说明如下:

VCC端口:

供电电压。

GND端口:

接地端口。

PO端口:

PO端口为一个8位漏级开路双向I/0端口，每脚可吸收8个TTL门电

流。

当POI-I的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

PO能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，PO端口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，PO输出原码，此时PO外部必须被拉高。

P1端口:

Pi端口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/0端口，Pi端口缓冲器能接收输出4个TTI,门电流。

Pi端口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1端1-l被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1端口作为低八位地址接收。

P2端口:

P2端口为一个内部上拉电阻的8位双向I/0口，P2端口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2端口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

作为输入时，P2端口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2端口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2端口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2端口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2端口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3端口:

P3端口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/0口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3端口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，当外部下拉为低电平，P3端口将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

P3端口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示:

（1）P3.0RXD（串行输入端口）

（2）P3.1TXD（串行输出端口）

（3）P3.2/INTO（外部中断0）

（4）P3.3ANTI（外部中断1）

（5）P3.4TO（记数器0外部输入）

（6）P3.5T1（记数器1外部输入）

（7）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

（7）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

（8）P3端口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

（9）RST:

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电

平时间。

（10）ALE/PROD:

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出1F.脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是:

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX和MOVC指令时ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（11）/PSEN:

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

（12）/EA/VPP:

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（OOOOH-FFFFH）,

不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

（13）XTALl:

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

（14）XTAL2:

来自反向振荡器的输出。

振荡器的特性如下:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

输入系内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

芯片擦除:

整个FPEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平lOms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1"且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止11070

2.3LED显示器接口

2.3.1LED显示原理

LED是发光二极管的缩写。

LED显示器是由发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。

LED显示器在单片机中的应用非常普遍。

通常所说的LED显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器.

此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用于显示小数点。

通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。

共阳极接法

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。

使用时公共阳极接+5V。

这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通电亮，而输入高电平的则不点亮。

共阴极接法

把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。

使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的在不点亮。

使用LED显示器时要注意区分这两种不同的接法。

为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码。

因为这些代码是为显示字形的，因此称之为字形代码。

七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段。

因此提供给LED显示器的字形代码正好一个字节。

各代码位的对应关系如下：

代码位

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

显示段

dp

g

f

e

d

c

b

a

用LED显示器显示十六进制数的字形代码在下表中列出。

十六进制数字形代码表

字型

共阳极代码

共阴极代码

字型

共阳极代码

共阴极代码

0

C0H

3FH

9

90H

6FH

1

F9H

06H

A

88H

77H

2

A4H

5BH

B

83H

7CH

3

B0H

4FH

C

C6H

39H

4

99H

66H

D

A1H

5EH

5

92H

6DH

E

86H

79H

6

82H

7DH

F

8EH

71H

7

F8H

07H

灭

FFH

00H

8

80H

7FH

2.4双积分A/D转换器原理

双积分A/D由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。

双积分A/D是将未知电压Vx转换成时间值来间接测量的，所以双积分A/D也称为V-T型A/D。

在进行一次A/D转换时，开关先把Vx输入到积分器，积分器从0V开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关将与Vx极性相反的基准电压VRFF输入到积分器进行反相积分，到积分器输出为0V时停止反相积分。

由积分器输出波形可以看出：

反相积分时积分器的斜率是固定的，Vx越大，积分器的输出电压就越大，反相积分时间也就越长。

计数器在反相积分时间内计数值就是与输入电压Vx在时间T内的平均值对应的数字量。

由于这种A/D要经历正、反两次积分，故转换速度较慢。

常用的双积分式A/D集成电路有MC14433（三位半）、ICL7135（四位半）。

2.4.1MC14433

MC14433是一种三位半积分式A/D。

其最大输出电压为199.9MV和1.999V两档，抗干扰性强，转换精度高，但转换速度较慢（约每秒1-10次）。

一、MC14433的结构

如图给出了MC14433的引脚分布和逻辑结构框图。

MC14433的引脚功能如下：

VDD：

主电源，+5V；

VEE：

模拟部分呢的负电源，-5V；

VSS：

数字地；

VR：

基准电压输入线，为200mV或2V；

Vx：

被测电压输入线，最大为199.9mV或1.999V；

VAG：

VR和Vx的地（模拟地）；

RI：

积分电阻输入线，当Vx量程为2V时RI取470千欧；当Vx量程为20时RI取27千欧；

CI：

积分电容输入线，CI一般取0.1uF的聚丙烯电容；

RI/CI：

RI和CI的公共连接端；

C01，C02：

接失调补偿电容C0，值约0.1uF；

CLKI，CLKO：

外接振荡器时钟频率调节电阻RC，其典型值是300千欧；时钟频率随RC值上升而下降；

EOC：

转换结束状态输出线。

EOC是一个宽为0.5个时钟周期的正脉冲；

DU：

更新转换控制信号输入线，DU若与EOC相连，则每次A/D转换结

后自动启动新的转换；

OR：

过量程状态信号输出线，低电平有效，当|Vx|≤VR时OR有效；

DS4~DS1：

分别是个、十、百、千万的选通脉冲宽度为18个时钟周期的正脉冲，

它们之间的间隔时间为两个时钟周期（见图）；

2-1MC14433引脚图

Q3~Q0：

BCD码数据输出线，动态地输出千位、百位、十位、个位值，即：

DS4有效时，Q3~Q0表示的是个位值（0~9）；

DS3有效时，Q3~Q0表示的是十位值（0~9）；

DS2有效时，Q3~Q0表示的是百位值（0~9）；

DS1有效时，Q3表示的是千位值（0或1）、Q2表示转换极性（0负1正）、Q1