机电一体化技术毕业设计样本.docx
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机电一体化技术毕业设计样本
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:
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
第三章软件设计
第五章数和数值的编码
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,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*r
UB=IB*r+IB*r
UA-UB=UAB=IA*R
3.2电压放大器电路电路图
图3.2电压放大器电路图
放大器的电压放大公式:
U=A(u+-u-),其中U为输出电压,A为放大器放大倍数,u+-u-=UA-UB,UA-UB为图一中UAB。
电路中引入电容是为了降低干扰脉冲。
放大电路引入电压负反馈后,能够使输出电压稳定。
任何外界因素引起输
电压不稳时,输出电压的变化将通过反馈网络立即回送到放大电路的输入端,并与原输入信号进行比较,得出与前一变化相反的有效输人信号,从而使输出电压的变化量得到削弱,输出电压便趋于稳定。
可见,负反馈使放大电路具有了自动调节能力。
电压负反馈能够稳定输出电压。
3.3电压-频率变换器LM331
3.3.1Lm331周边电路图
图3.3lm331周边电路
3.3.2概述
LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。
LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度围和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。
LM331的动态围宽,可达100dB;线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。
LM331的部电路组成如图1所示。
由输入比较器、定时比较器、R-S触
发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。
输出驱动管采用集电极开路形式,因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑电平,以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。
LM331可采用双电源或单电源供电,可工作在4.0~40V之间,输出可高达40V,而且可以防止Vcc短路。
3.3.3工作原理
图3.4lm331原理图
上图是由LM331组成的电压频率变换电路,LM331部由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。
输出驱动管采用集电极开路形式,因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑电平,以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。
当输入端Vi+输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,输出高电平,输出驱动管导通,输出端f0为逻辑低电平,同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。
当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时,定时比较器输出一高电平,使R-S触发器复位,输出低电平,输出驱动管截止,输出端f0为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容C2通过复零晶体管迅速放电;电子开关使电容C3对电阻R3放电。
当电容C3放电电压等于输入电压Vi时,输入比较器再次输出高电平,使R-S触发器置位,如此反复循环,构成自激振荡。
输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。
其输入电压和输出频率的关系为:
fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2) 由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。
电阻R1和电容C1组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度。
DB0~DB7:
双向数据总线,用来传送8279与CPU之间的数据和命令。
CLK:
时钟输入线,用以产生部定时的时钟脉冲。
RESET:
复位输入线,8279复位后被置为字符显示左端输入,二键闭锁的触点回弹形式,程序时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。
—CS:
片选输入线,低电平有效,单片机在此端为低时可以对8279进行读写操作。
A
A0:
缓冲器低位地址,当A0为高电平时,表示数据总线上为命令或状态;为低电平时,表示数据总线上为数据。
—RD:
读信号输入线,低电平有效,将缓冲器读出,数据送往外部总线。
—wr:
写信号出入线,低电平有效,将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。
IRQ:
中断请求输出线,高电平有效,在键盘工作方式下,当FIFO/传感器RAM中有数据时,此中断线变为高电平,在FIFO/传感器RAM每次读出时,中断线就下降为高电平。
在传感器工作方式中,每当探测到传感信号变化时,中断线就变为高电平。
SL0~SL3:
扫描线,用来扫描按键开关、传感器阵列和显示数字,这些线可被编码或被译码。
RL0~RL7:
回送线,经过按键或传感器开关与扫描线连接,这些回送出入线部设置有上拉电路,使之保持为高电平,只有当一个按键闭合时,对应的返回线变为低电平;无按键闭合时,均保持高电平。
Shift:
换位功能,当有开关闭合时被拉为低电平、没有按下shift开关时,shift输入端保持高电平,在键盘扫描方式中,按键一闭合,按键位置就和换位输入状态一起被存储起来。
CNTL/STB:
当此开关闭合时将其拉到低电平,否则始终保持高电平,对于键盘输入方式,此线用作控制输入端,当键被按下时,按键位置就和控制输入状态一起被存储起来。
在选通输入方式中,作选通用,把数据存入FIFOram中。
OUTA0~OUTA3及OUTB0~OUTB3:
显示输出A口及B口,这两个口是16*4的显示器更新寄存器输出,这些输出端输出的数据与扫描线SL0~SL3同步,供多路切换的数字显示。
这两个端口被独立控制,也可以看成一个8位端口。
BD:
空格显示,此输出端信号用于在数字转换时将显示空格,或者用现实空格命令控制其显示空格字符。
Vcc:
+5V电源输入线。
Vss:
地线输入线。
SL0~SL3:
扫描线,用来扫描按键开关、传感器阵列和显示数字,这些线可被编码或被译码。
RL0~RL7:
回送线,经过按键或传感器开关与扫描线连接,这些回送出入线部设置有上拉电路,使之保持为高电平,只有当一个按键闭合时,对应的返回线变为低电平;无按键闭合时,均保持高电平。
Shift:
换位功能,当有开关闭合时被拉为低电平、没有按下shift开关时,shift输入端保持高电平,在键盘扫描方式中,按键一闭合,按键位置就和换位输入状态一起被存储起来。
CNTL/STB:
当此开关闭合时将其拉到低电平,否则始终保持高电平,对于键盘输入方式,此线用作控制输入端,当键被按下时,按键位置就和控制输入状态一起被存储起来。
在选通输入方式中,作选通用,把数据存入FIFOram中。
OUTA0~OUTA3及OUTB0~OUTB3:
显示输出A口及B口,这两个口是16*4的显示器更新寄存器输出,这些输出端输出的数据与扫描线SL0~SL3同步,供多路切换的数字显示。
这两个端口被独立控制,也可以看成一个8位端口。
BD:
空格显示,此输出端信号用于在数字转换时将显示空格,或者用现实空格命令控制其显示空格字符。
Vcc:
+5V电源输入线。
Vss:
地线输入线。
SL0~SL3:
扫描线,用来扫描按键开关、传感器阵列和显示数字,这些线可被编码或被译码。
RL0~RL7:
回送线,经过按键或传感器开关与扫描线连接,这些回送出入线部设置有上拉电路,使之保持为高电平,只有当一个按键闭合时,对应的返回线变为低电平;无按键闭合时,均保持高电平。
Shift:
换位功能,当有开关闭合时被拉为低电平、没有按下shift开关时,shift输入端保持高电平,在键盘扫描方式中,按键一闭合,按键位置就和换位输入状态一起被存储起来。
CNTL/STB:
当此开关闭合时将其拉到低电平,否则始终保持高电平,对于键盘输入方式,此线用作控制输入端,当键被按下时,按键位置就和控制输入状态一起被存储起来。
在选通输入方式中,作选通用,把数据存入FIFOram中。
OUTA0~OUTA3及OUTB0~OUTB3:
显示输出A口及B口,这两个口是16*4的显示器更新寄存器输出,这些输出端输出的数据与扫描线SL0~SL3同步,供多路切换的数字显示。
这两个端口被独立控制,也可以看成一个8位端口。
BD:
空格显示,此输出端信号用于在数字转换时将显示空格,或者用现实空格命令控制其显示空格字符。
Vcc:
+5V电源输入线。
Vss:
地线输入线。
第四章软件设计
4.1简述
本装置的软件设计包括主程序、键盘处理子程序、显示子程序、温度设定子程序以及相关硬件的初始化子、写程序、和读程序等。
程序完成的功能:
启动系统获取一频率值FX,PT温度传感器的比例系数K的获取方法如下:
第五章数和数值的编码
计算机只认得二进制数,要计算机处理的所有的数,都要用二进制数字来表示,所有的字母、符号亦都要用二进制编码来表示。
5.1进位计数制
1、十进制数:
(1)有十个不同的数字符号0、1……9。
(2)逢"十"进一。
不同位置的数字代表的数值是不同的(有个位、十位……)
2、二进制数:
(1)只有二个符号0、1;
(2)逢"二"进一,不同的数码在不同的数位,所代表的值也不同。
3、十六进制数:
(1)用16个不同的数码符号0~9以及A、B、C、D、E、F来表示数值;
(2)逢"十六"进位。
在不同的数位,数码所表示的值是不同的。
5.2二进制编码
在计算机中,是采用二进制数。
因而,要在计算机中表示的数、字母、符号等都要以特定的二进制码来表示,这就是二进制编码。
1、二进制编码的十进制数:
BCD码(Binary-CodedDecimal)2、字母与字符的编码字母和各种字符($、#……)也必须按特定的规则用二进制编码才能在机中表示。
普通的是采用ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)码。
0~9的ASCII码为30H~39H,大写字母A~Z的ASCII码为41H~5AH。
5.3带符号数的表示法
1、机器数与真值
通常用最高位作为符号位,若字长为8位即D7为符号位,D6~D0为数字位,
符号位用0表示正,用1表示负如X=(01011011)B=+91
X=(11011011)B=-91
2、原码
按上所述,正数的符号位用"0"表示,负数的符号位用"1"表示,这种表示法就称为原码。
X=+105[X]原=01101001
X=-105[X]原=11101001
3、反码
正数的反码表示与原码相同,最高位为符号位,用"0"表示正,其余位为数值位。
(+4)10=00000100
符号二进制数值
(+31)10=00011111
(+127)10=01111111
而负数的反码表示为它的正数的按位取反(连符号位)而形成的。
(+4)10=00000100
(-4)10=11111011----反码表示
(+31)10=00011111
(-31)10=11100000----反码表示
(+127)10=01111111
(-127)10=10000000----反码表示
(+0)=00000000
(-0)=11111111----反码表示
4、补码
正数的补码表示与原码相同,即最高位为符号位,用"0"表示正,其余位为数值位。
如【+4】补=【+4】原=【+4】反=00000100
【+127】补=【+127】原=【+127】反=01111111
负数的补码表示为它的反码,并在其最后位(即最低位)加1形成。
如【+4】原=00000100
【-4】反=11111011是+4各位取反
【-4】补=11111100反码+1
【+31】原=00011111
【-31】反=11100000
【-31】补=11100001
【+0】原=00000000
【-0】反=11111111
【-0】补=00000000
8位带符号数的补码特点:
(1)【+0】补=【-0】补=00000000
(2)8位二进制补码所能表示的数值为+127~-128
(3)一个用补码表示的二进制数,最高位为符号位。
当符号位为"0"(即正数)时,其余七位即为此数的二进制值;当符号位为"1"(即负数)时,其余几位不是此数的二进制值,把它们按位取反,且在最低位加1,才是它的二进制值。
如:
【X】补=10010100是负数,它的数值为0010100按位取反,
得1101011,
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