智能儀表課程課設(shè).doc

本設(shè)計(jì)介紹一種基于Atmega16單片機(jī)的智能多路溫度控制器。該控制器采用高精度的Cu50電阻傳感器、專(zhuān)門(mén)的A/D轉(zhuǎn)換電路及輸出電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)4路溫度的同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)及線(xiàn)性化處理,其誤差小于0.5；設(shè)定報(bào)警及跳閘閥值。軟件使用模塊化結(jié)構(gòu)，并對(duì)溫度進(jìn)行分段線(xiàn)性化處理。 關(guān)鍵詞:單片機(jī)；液晶顯示；模數(shù)轉(zhuǎn)換；嵌入式第一章 設(shè)計(jì)前提1.1設(shè)計(jì)題目和目的1.1.1設(shè)計(jì)題目試設(shè)計(jì)智能儀表：采用ATmega16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字顯示儀表。要求8位數(shù)碼管顯示（4位顯示測(cè)量值，4位顯示設(shè)定值），4輸入按鈕（功能選擇、數(shù)碼管選擇、數(shù)字增加、數(shù)字減少），可設(shè)定上下限報(bào)警（蜂鳴器報(bào)警）。適配Cu50熱電阻，測(cè)溫范圍為0130。采用位式（兩位、三位，具有滯環(huán)）控制、并用晶閘管過(guò)零驅(qū)動(dòng)1000W電加熱器（電源電壓為AC220V）。1.1.2設(shè)計(jì)目的單片機(jī)綜合練習(xí)是一項(xiàng)綜合性的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)，目的是讓學(xué)生將所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)運(yùn)用到具體的工程實(shí)踐中，以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)能力、實(shí)際動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力，為此后的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。1.2設(shè)計(jì)思路1.2.1顯示及測(cè)量原理由熱電阻傳感器送來(lái)的電信號(hào)在測(cè)量橋路進(jìn)行冷端自動(dòng)補(bǔ)償后，送入放大器，一面把信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)把非線(xiàn)性信號(hào)校正為線(xiàn)性信號(hào)，經(jīng)線(xiàn)性放大信號(hào)一路轉(zhuǎn)換電路把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字顯示，另一路傳輸?shù)秸{(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行規(guī)定的比較運(yùn)算，同時(shí)輸出一個(gè)需要的控制信號(hào)和進(jìn)行工作狀態(tài)指示。1.2.2設(shè)計(jì)組成及方框圖Atmega16l單片機(jī)按鍵報(bào)警指示和顯示熱電阻輸入下載通信本設(shè)計(jì)智能溫度數(shù)顯表由溫度監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理、輸出控制三部分組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示,它通過(guò)Cu50電阻傳感器獲取繞組溫度值,經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后直接送入控制器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端。微控制器根據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù),按照嵌入的軟件控制規(guī)律執(zhí)行計(jì)算與處理,自動(dòng)顯示智能儀表數(shù)顯表可測(cè)的溫度范圍、并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)輸出正常、設(shè)定上下線(xiàn)報(bào)警等第二章Protel99se畫(huà)的詳細(xì)原理圖與原理圖說(shuō)明2.1 Atmega16單片機(jī)溫控儀控制核心采用Atmega16單片機(jī), 具有16KB 系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的8 位微控制器 ATmega16 有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW)， 512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線(xiàn)，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 (T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)CPU 停止工作，而USART、兩線(xiàn)接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶(hù)保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止CPU 和除了異步定時(shí)器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。2.2Cu50電阻傳感器銅電阻在測(cè)溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，溫度系數(shù)大適用于無(wú)腐蝕介質(zhì)，超過(guò)150易被氧化，銅電阻有R0=100和R0=50兩種，本次課程設(shè)計(jì)采用的是Cu50的熱電阻，所以其分度號(hào)如下表所示T()-50-40-30-20-10-0R()39.24241.40043.55545.70647.85450.000T()010203040506070R()50.00052.14454.28556.42658.56560.70462.84264.981T()8090100110120130140150R()67.12069.25971.40073.54275.68677.83379.98281.1342.3基本模塊簡(jiǎn)介2.3.1模擬轉(zhuǎn)換電路模擬轉(zhuǎn)換控制電路用于將溫度模擬量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的電信號(hào),轉(zhuǎn)換原理如圖2所示。當(dāng)溫度變化時(shí),熱電偶的阻值會(huì)隨著溫度的變化線(xiàn)性變化,其分壓值與某一固定電路分壓值進(jìn)行比較,其結(jié)果送入運(yùn)算放大器,轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的模擬量。AT89C52中的A/D轉(zhuǎn)換精度為8位,由于參考電壓為5v,所以必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成05v的電壓,因此在設(shè)計(jì)此電路時(shí),各元件的參數(shù)都按照此要求設(shè)計(jì)。同時(shí),還要考慮其線(xiàn)性化,為了使軟件設(shè)計(jì)中的計(jì)算按線(xiàn)性處理,在硬件設(shè)計(jì)時(shí),一定要將溫度與轉(zhuǎn)換到單片機(jī)的數(shù)字量成線(xiàn)性變化。得出的A/D轉(zhuǎn)換電壓與RW不成正比,不符合線(xiàn)性要求。如果滿(mǎn)足R3RW,轉(zhuǎn)換電壓就與RW近似成正比,與溫度也近似成正比關(guān)系。這樣就可以通過(guò)線(xiàn)性計(jì)算來(lái)求出任意一點(diǎn)的溫度,不過(guò)用線(xiàn)性化來(lái)計(jì)算這種近似線(xiàn)性的圖形,也會(huì)帶來(lái)微小的誤差,這些誤差可以在軟件設(shè)計(jì)中解決。2.3.2數(shù)碼管顯示數(shù)碼管顯示通過(guò)鍵盤(pán)/顯示器接口專(zhuān)用智能控制芯片HD7279A來(lái)實(shí)現(xiàn)。HD7279A是一種管理鍵盤(pán)和LED顯示器的專(zhuān)用智能控制芯片。它無(wú)需外圍電路，只需要外接少量的電阻等，就能對(duì)8位共陰極LED顯示器或64個(gè)LED發(fā)光管進(jìn)行管理和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)能對(duì)多達(dá)88的鍵盤(pán)矩陣的按鍵情況進(jìn)行掃描，具有自動(dòng)消除鍵抖動(dòng)并識(shí)別按鍵代碼的功能，從而可以提高CPU工作的效率。HD7279A和微處理器之間采用SPI串行接口方式，其接口電路和外圍電路簡(jiǎn)單，占用口線(xiàn)少，加之它具有較高的性能價(jià)格比，因此，在微型控制器和智能儀表中廣泛應(yīng)用。其主要特點(diǎn)如下： 帶有串行接口，無(wú)需外圍元件便可直接驅(qū)動(dòng)LED； 各位可獨(dú)立控制譯碼/不譯碼、消隱和閃爍等屬性； 具有(循環(huán))左移/(循環(huán))右移指令； 具有段尋址指令，可方便地用來(lái)控制獨(dú)立的LED顯示管； 64鍵鍵盤(pán)控制器內(nèi)含去抖動(dòng)電路。2.3.3按鍵電路4個(gè)按鍵與單片機(jī)的接線(xiàn)圖及個(gè)按鍵的作用如上圖所示；當(dāng)單片機(jī)的引腳輸入為低電平時(shí)，表示該引腳所對(duì)應(yīng)的按鍵按下，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。2.3.4輸出電路輸出電路是單片機(jī)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算和控制結(jié)果的體現(xiàn)2.3.5數(shù)碼顯示和指示電路SM1顯示的是熱電偶測(cè)的電加熱器的實(shí)際溫度值，SM2顯示的是人工設(shè)計(jì)的電加熱器的期望溫度值。數(shù)碼管是有HC595芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)的，HC595接在SPI通信的3個(gè)接口上。指示電路是指示按鍵的輸入狀態(tài)的。D1、D2、D3、D4與S1、S2、S3、S4一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)某個(gè)按鍵按下時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)的引腳將置低電平，使該按鍵相對(duì)應(yīng)的二極管發(fā)光。2.3.6報(bào)警電路當(dāng)溫度超過(guò)報(bào)警限時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)管腳輸出一定頻率的電平。蜂鳴器發(fā)出響聲第三章Protle99SE畫(huà)的基本原理圖和PCB圖3.1智能儀表總原理圖第四章 智能儀表軟件軟件程序設(shè)計(jì)4.1軟件個(gè)功能模塊簡(jiǎn)介軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),包括1個(gè)主模塊和5個(gè)子模塊(按鈕處理子模塊、設(shè)置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊、通信子模快、故障輸出處理子模塊和顯示子模塊),主模塊完成對(duì)各個(gè)子模塊的初始化和調(diào)用故障輸出處理子模塊、顯示子模塊。而按鈕處理子模塊、設(shè)置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊、通信模塊采用中斷方式工作,主模塊與它們通過(guò)共用一段RAM區(qū)域進(jìn)行聯(lián)系。由于在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中含有種種噪音和干擾,故本程序采用數(shù)字濾波技術(shù)濾波。除此之外,對(duì)于前面提到的線(xiàn)性化問(wèn)題,我們采用了將0200分成四個(gè)區(qū)域,在每個(gè)區(qū)域進(jìn)行線(xiàn)性化計(jì)算。這樣比在0200區(qū)域內(nèi)直接進(jìn)行計(jì)算要精確的多,能夠達(dá)到0.1的精度。各個(gè)子模塊的功能如下:(1)按鈕處理子模塊在有鍵按下時(shí)向ATmega16申請(qǐng)中斷,在中斷子程序中修改預(yù)先設(shè)好的標(biāo)志位。(2)設(shè)置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊可以在長(zhǎng)時(shí)間按鍵時(shí)修改上限溫度的界面,通過(guò)按鈕對(duì)溫度范圍為0130所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行采集,并將結(jié)果存到E2PROM里。 (4)故障輸出子模塊可以通過(guò)實(shí)際溫度與上限溫度的比較,來(lái)判斷現(xiàn)場(chǎng)是否出現(xiàn)異常情況。同時(shí),設(shè)置標(biāo)志位來(lái)判斷是否進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、是否進(jìn)行顯示。(5)顯示子模塊將線(xiàn)性計(jì)算出的結(jié)果經(jīng)二進(jìn)制到BCD碼的轉(zhuǎn)換送到8位LED顯示器顯示4.2C語(yǔ)言程序注釋#include /Atmega16單片機(jī)頭文件#include Flash unsigned char SHUMA=0xC0,0xF9,0xA4,0XB0,0x99,0x92 0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,;/定義數(shù)碼管譯碼數(shù)組定義數(shù)碼管位選數(shù)組；SPI初始化；Void SPI_MasterInit(void)DDRB|=(15)|（17)；SPCR=(16)|（14) |(15)|（11)| (10)；Void SPI_595_Out(unsigned char i)SPDR=i;While(!SPDR&(17);Void main(void)unsigned char saomiao=0;Unsigned char w10;DDRA=0x00;PORTA=0X00;DDRB=0XB0;PORTB=0Xff;DDRC=0XFC;PORTC=0XFF;PORTD=0X00;DDRD=0XFF;SPI_Masterlnit();While(1)data0=1234;data1=5678;W0=data0%10;W1=data0/10%10;W2=data0/100%10;W3=data0/1000%10;W4=data0%10;W5=data0/10%10;W6=data0/100%10;W1=data0/1000%10;PORTB&=(14);SPI_595_Out(weizhisaomiao);SPI_595_Out(dispwsaomiao;PORTB=|(1=8saomiao=0;while(1)uchar j=0;uint i;DDAR=0xFF;DDRB=0XFF;PORTD=0XFF;DDRD=0X00;While(1)if(PIND|0XEE)=0XEF)For(i=0;i99)j=0;While(PIND|0XEF)=0XEF);PORTB=SHUMAj/10;PORTC=SHUMAj%10;PORTA=j;while(1)PORTC=SHUMAcounter;/數(shù)碼管顯示語(yǔ)句：if(display_time= =1) /如果顯示標(biāo)記display_time=1，則執(zhí)行顯示任務(wù)，完成一位數(shù)碼管顯示數(shù)碼管掃描顯示語(yǔ)句； /采用兩片74HC595掃描數(shù)碼管display_time= =0；/ADC轉(zhuǎn)換與數(shù)字濾波語(yǔ)句：if(sample_time= =1) /如果數(shù)據(jù)采樣標(biāo)記sample_time=1，執(zhí)行ADC轉(zhuǎn)換任務(wù)TLC1549轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波與非線(xiàn)性校正程序；sample_time= =0;/ADC輸出數(shù)值判斷、報(bào)警、位式算法運(yùn)算與控制量輸出：if (control_time= =1) /如果控制周期標(biāo)記control_time=1，則實(shí)現(xiàn)控制算法control_time=0;if (DAC_time= =1) /如果DAC轉(zhuǎn)換標(biāo)記DAC_time=1，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入DACTLC5615數(shù)據(jù)輸出語(yǔ)句；DAC_time=0;/定時(shí)器0中斷服務(wù)程序，用于產(chǎn)生顯示、ADC轉(zhuǎn)換與控制周期標(biāo)記void Timer0() interrupt 1 static n,m,k,h;n+; m+，k+；h+;if(n= = display_time0) /display_time0為顯示周期n=0; display_time=1;if(m= = sample_time0) /sample_time0為ADC轉(zhuǎn)換周期m=0; sample_time=1;if(k= = control_time0) /control_time0為控制周期k=0; control_time=1;if(h= = DAC_time0) /DAC_time0為DAC轉(zhuǎn)換周期h=0; DAC_time=1;第五章參考文獻(xiàn)與總結(jié)5.1設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及解決方法 1.在畫(huà)protel圖時(shí)，我們使用網(wǎng)絡(luò)名，NET走線(xiàn)。但是有時(shí)候因?yàn)槭韬觯瑳](méi) 靠在線(xiàn)上，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤（要兩黑點(diǎn)載同一點(diǎn)上才算是連接上）。 2.畫(huà)原理圖時(shí)，由于將一些不必要的元器件刪去后沒(méi)有及時(shí)將net網(wǎng)絡(luò)名刪去， 或者更改，致使網(wǎng)絡(luò)名成單個(gè)出現(xiàn)，導(dǎo)致錯(cuò)誤。 3.將所有的錯(cuò)誤都去掉，如果有一些沒(méi)有錯(cuò)誤但被打上錯(cuò)誤標(biāo)志的連接 線(xiàn)用“No Error”標(biāo)示。 4.剛開(kāi)始編寫(xiě)的程序中，工作模式切換后，容易出現(xiàn)溫度超過(guò)調(diào)節(jié)范圍的情況。比如：通風(fēng)模式的溫度調(diào)節(jié)范圍是1432度，而制熱模式下的溫度范圍是1430度。當(dāng)工作模式從通風(fēng)模式轉(zhuǎn)換到制熱模式下的時(shí)候，若通風(fēng)模式的溫度是31或32度，切換到制熱模式后它的溫度仍然是31或32度，這就超出了制熱模式的溫度調(diào)節(jié)范圍，出現(xiàn)bug。 后來(lái)，我們?cè)谇袚Q模式時(shí)做了一些改進(jìn)：當(dāng)工作模式切換時(shí)，程序先判斷當(dāng)前的溫度是否超出溫度調(diào)節(jié)范圍，若超出，將其設(shè)置為溫度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的溫度。 5.在工作模式的選擇上，原本只用了work_mode來(lái)表示四種工作模式，后來(lái)發(fā)現(xiàn)若只有work_mode，則有不能選擇制冷和通風(fēng)模式的可能。比如：使用者選擇的模式為自動(dòng)，空調(diào)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際溫度選擇制冷、通風(fēng)或制熱模式。假設(shè)空調(diào)自動(dòng)選擇的是通風(fēng)模式（模式2），那么無(wú)論使用者怎么按模式選擇鍵，它都將跳過(guò)制冷模式（模式1），從而無(wú)法選擇制冷模式。 我們采取的辦法是增加變量work_mode_fact，意為在自動(dòng)模式下實(shí)際執(zhí)行的工作模式。方便工作在在自