智能儀表設計基礎課程設計

1、智能儀表設計基礎課程設計課題名稱 直流電機轉速測量儀 學生姓名 所在班級 指導教師 揚州大學能源與動力工程學院二一 年九月總 目 錄第一部分：任務書 第二部分：課程設計報告 第 一 部 分任務書智能儀表課程設計課程設計任務書一、課題名稱溫度測量儀設計二、設計內(nèi)容及設計要求利用pt100熱電阻作為測溫元件，設計一個溫度測量儀，具有下面的功能：1. 測量范圍為0500，精度誤差小于1。2. lcd液晶顯示當前溫度值和溫度動態(tài)曲線3. 通過繼電器通斷控制溫度范圍45854. 具有rs232通信接口。三、時間安排第一周：星期一星期二：布置任務，熟悉資料，確定儀表的功能要求、性能指標。熟悉實驗板原理圖和

2、印刷板圖。星期三星期五：進行儀表的方案選擇，確定主要芯片、工作方式、輸入輸出信號的接口方式、鍵盤和顯示方式、以及通信方式。進行硬件設計和元器件選擇，畫出硬件原理圖。第二周：星期一星期五：根據(jù)硬件原理圖，焊接硬件電路；測試硬件電路的功能；軟件設計，包括軟件需求說明、軟件結構框圖、主要軟件功能模塊的流程圖；編寫程序。第三周：星期一星期三：調試程序，聯(lián)調軟件和硬件。星期四星期五：寫課程設計報告。四、應交成果應交成果包括：n 紙質課程設計報告和電子文檔；n 硬件原理圖的protel99se文件，程序；n 可以演示的硬件和軟件成果。五、課程報告內(nèi)容課程設計報告應包括下列部分：n 課程設計任務書n 儀表的

3、功能要求、性能指標要求。n 方案選擇：提出多種方案，進行方案比較，說明選定方案的理由，描述硬件和軟件的功能分工。n 硬件設計：包括硬件結構框圖、原理圖及其各個主要環(huán)節(jié)的工作原理說明，元器件選擇的計算方法或者理由，利用提供的實驗板焊接元器件。n 軟件設計：首先提出軟件的功能需求，然后進行軟件的結構設計，再畫出主要功能模塊的軟件框圖。n 程序編寫和調試。n 設計小結。報告中硬件原理于用protel99se畫出，軟件框圖和程序流程圖用microsoft visio畫出。 第 二 部 分課程設計報告目 錄第一章 設計內(nèi)容及要求11.1 課題名稱11.2 儀表的功能要求及性能指標12.1 測速裝置的選擇

4、22.2 顯示方案的選擇22.3 總體方案的設計2第三章 硬件設計33.1 硬件結構框圖33.2 電路各主要環(huán)節(jié)工作原理33.2.1 直流電機驅動電路33.2.2 光電碼盤測速電路43.2.3 程序下載模塊63.2.4 單片機控制系統(tǒng)73.2.5 電機工作狀態(tài)轉換電路73.2.6 lcd1602顯示電路83.2.7 直流電機轉速測量儀硬件總原理圖，如圖3-139第四章 軟件設計94.1 軟件實現(xiàn)的功能94.2 各環(huán)節(jié)程序框圖104.2.1 主程序框圖，如圖4-1104.2.2 中斷服務程序框圖，如圖4-2114.2.3 加速、減速程序框圖，如圖4-3和4-412第五章 程序編寫13第六章 運行

5、與調試146.1 串口程序下載及顯示電路調試146.2 借助函數(shù)發(fā)生器調試基本程序146.3 電機與光電碼盤測速電路調試146.4 直流電機驅動電路調試146.5 電機工作狀態(tài)轉換按鍵調試15第七章 設計小結16附錄一 成果實物照片展示19第一章 設計內(nèi)容及要求1.1 課題名稱 1.2 儀表的功能要求及性能指標1. 測量范圍為0500，精度誤差小于1。2. lcd液晶顯示3. 通過繼電器通斷控制4. 具有rs232通信接口。第三章 硬件設計3.1 硬件結構框圖直流電機轉速測量儀原理框圖主要由電機、直流電機驅動模塊、光電碼盤、單片機、lcd1602顯示器、狀態(tài)開關等組成；通過傳感器光電碼盤將轉速

6、轉換為相應的頻率量后送入單片機計數(shù)，然后經(jīng)過處理后，由單片機輸出信號lcd1602顯示。硬件原理框圖，如圖3-1傳感器模塊單片機顯示模塊直流電動機電動機驅動模塊兩個狀態(tài)轉換按鍵圖3-1 電機轉速測量儀硬件框圖3.2 電路各主要環(huán)節(jié)工作原理3.2.1 直流電機驅動電路（1）l298n構成的電路原理圖，如圖3-2圖3-2 直流電機驅動電路原理圖（2）直流電機驅動模塊l298n管腳及功能，如圖3-3圖3-3 l298n管腳圖l298n是st公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46v；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3a，持續(xù)工作電流為2

7、a；額定功率25w。內(nèi)含兩個h橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作,有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用l298n芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機m1和m2。工作原理：引腳enablea、enableb可用于輸入pwm脈寬調制信號對電機m1與m2進行調速控制。輸入信號端input1接高電平，輸入端input2接低電平時，電機m1正轉；如果信

8、號端input1接低電平，input2接高電平，電機m1反轉?？刂屏硪慌_電機是同樣的方式，輸入信號端input3接高電平，輸入端input4接低電平，電機m2正轉，反之則反轉。 （3）直流電機驅動電路工作原理直流電機驅動芯片l298n受單片機的控制，當in1與in2分別接收到單片機發(fā)出的高電平和低電平信號，直流電機對應接到out1與out2引腳上，ena持續(xù)接收到高電平“1”時，直流電機全速正轉。而當單片機向ena發(fā)出脈寬調制信號pwm給l298n的ena引腳時，直流電機的轉速便實現(xiàn)可調。另外，電路中四只續(xù)流二極管起到保護作用。3.2.2 光電碼盤測速電路（1）光電碼盤測速電路原理圖，如圖3-

9、4圖3-4 光電碼盤測速接線圖（2）光電碼盤傳感器管腳及功能，如圖3-51電源2地3輸出圖3-5 光電碼盤管腳1、具有信號輸出指示。2、單路信號輸出。3、輸出有效信號為低電平。4、靈敏度不可調。5、可用于工件計數(shù)、電機測速。6、電路板輸出開關量。圖3-6 光電碼盤電路原理圖原理圖說明：如圖所示，傳感器由兩個光電二極管（一個負責發(fā)送一個負責接收）、電壓比較電路等簡單原件共同組成。當碼盤柵格擋住兩個二極管之間的光時，比較器3端電壓為高，則1端輸出電壓低，既傳感器輸出out為高電平（此時二極管亮），當柵格沒有阻擋光時，3端電壓低，從而1端出低即此時out出高（此時二極管滅）。就這樣一直輸出為方波，方

10、波的頻率反映了電機的轉速。3.2.3 程序下載模塊（1）max232芯片構成的程序下載電路原理圖，如圖3-7圖3-7 max232程序下載電路圖（2）max232芯片管腳及說明，如圖3-8圖3-8 max232芯片 （3）程序下載電路工作原理由于電腦串口rs232電平是-10v10v，而一般的單片機應用系統(tǒng)的信號電壓是ttl電平為0+5v，max232芯片就是用來進行電平轉換的，該器件包含兩個驅動器、兩個接收器和一個電壓發(fā)生器電路，用來提供tia/eia-232-f電平。max232符合tia/eia-232-f標準，每一個接收器將tia/eia-232-f電平轉換成5-v ttl/cmos電

11、平，每一個發(fā)送器將ttl/cmos電平轉換成tia/eia-232-f電平。max232的r1out、t1in分別與單片機的rxd、txd相連，然后max232的t1out、r1in分別與上位機pc的txd、rxd相連，這樣單片機就可以通過max232實現(xiàn)與上位機pc機的數(shù)據(jù)傳輸。3.2.4 單片機控制系統(tǒng)（1）單片機控制系統(tǒng)原理圖，如圖3-9圖3-9 單片機控制系統(tǒng)原理圖（2）單片機控制系統(tǒng)組成及功能直流電機轉速測量儀的單片機系統(tǒng)由石英晶體和微調電容構成的時鐘振蕩電路、復位電路及單片機構成。實現(xiàn)與上位機的通信（程序下載）功能，對霍爾開關轉換的數(shù)字信號進行運算和處理，并控制zlg7290八位數(shù)

12、碼管顯示轉速。3.2.5 電機工作狀態(tài)轉換電路（1）電機工作狀態(tài)轉換控制電路圖，如圖3-10圖3-10 電機工作狀態(tài)轉換控制電路 （2）電路原理說明設定兩個按鍵sw1、sw2，分別定義為加速按鍵和減速按鍵，即當sw1被按下時，電機按照固定的比例加速，而當sw2被按下時，電機按照固定的比例減速。軟件上，通過編程由單片機控制直流電機驅動電路輸出的pwm信號來實現(xiàn)這一功能。3.2.6 lcd1602顯示電路（1）顯示電路原理圖，如圖3-11圖3-11 顯示電路圖（2）顯示電路說明因為之前就已經(jīng)熟悉lcd1602的使用，因此使用起來十分方便快捷，通過p0口將數(shù)據(jù)直接傳送到顯示器即可。顯示位數(shù)自定，還可

13、以顯示英文字符（如：the velocity）很人性化。3.2.7 直流電機轉速測量儀硬件總原理圖，如圖3-13圖3-13 總原理圖第四章 軟件設計4.1 軟件實現(xiàn)的功能軟件部分主要是對光電傳感器輸出的由電機轉動產(chǎn)生的脈沖信號轉換而來的數(shù)字電平信號進行運算和處理，并控制lcd1602電路實時地顯示電機轉速。另外，控制單片機實時查詢兩個功能按鍵的狀態(tài)，根據(jù)按鍵的狀態(tài)來改變直流電機驅動芯片l298n輸出的pwm信號，從而控制電機工作狀態(tài)的轉換，即適當?shù)丶铀?、減速，并且由顯示電路顯示加速或減速后的電機轉速值。4.2 各環(huán)節(jié)程序框圖4.2.1 主程序框圖，如圖4-1圖4-1 主程序框圖說明：主程序包括

14、lcd1602初始化程序、控制l298n輸出pwm信號初始化程序、定時/計數(shù)器中斷初始化程序。并且在主程序里通過對各設定標志位進行判斷從而實現(xiàn)對加速子程序、減速子程序和顯示子程序的調用，進而實現(xiàn)加速、減速和顯示功能。4.2.2 中斷服務程序框圖，如圖4-2圖4-2 中斷服務程序說明：中斷服務程序首先對定時/計數(shù)器的初值重新賦值，晶振為12mhz，初值設定為64536，時間為1ms。利用在主程序中已經(jīng)定義的標志位ct來作為取計數(shù)器值顯示的標志，而用與ct同步變化的ctt標志位來作為判斷pwmh輸出變化的標志。從而實現(xiàn)在一定占空比的pwm脈沖信號情況下對電機轉速實現(xiàn)實時測量。4.2.3 加速、減速

15、程序框圖，如圖4-3和4-4圖4-3 加速程序框圖圖4-4 減速程序框圖說明：當加速鍵或減速鍵按下時，主程序調用加速或減速程序，pwm初值設定為20，pwmh初值設定為10，而pwm值不變，改變的是pwmh值，按鍵每被按下一次占空比改變1/20。第五章 程序編寫程序編寫是一個邏輯思維展開的過程，也是將程序框圖逐步細化的過程，要求編寫者思維縝密。程序框圖的繪制是程序編寫的重要基礎。如果在編寫一個系統(tǒng)的程序之前，編寫者能認真思考、繪制程序框圖，而且程序框圖幾經(jīng)修改完善沒有邏輯錯誤，那接下來的程序編寫便很輕松的多，這正是老師反復強調的“程序好編，框圖難畫，框圖完成，程序的編寫定會清清楚楚”，而且如果

16、程序運行出錯，單從程序中檢查錯誤很難，而回頭看程序框圖便很容易查出邏輯錯誤，可見程序框圖的重要性。因此，直流電機轉速測量儀的程序編寫也是在畫好程序框圖的前提下進行的。在繪制程序框圖時注意主程序、中斷服務程序、子程序調用的邏輯順序，并反復檢查是否存在邏輯、時序等問題，然后再對每一部分進行細節(jié)分析，繼而再進行邏輯檢查，看各部分變量的定義是否有沖突等，最后再利用c語言編寫程序，反復調試運行，首先排查語法錯誤，再總體分析邏輯時序方面的問題。直流電機轉速測量儀的程序參見附錄二。c語言具有一下一些優(yōu)點:簡潔緊湊、靈活方便運算符豐富數(shù)據(jù)結構豐富c是結構式語言c語法限制不太嚴格、程序設計自由度大c語言允許直接

17、訪問物理地址，可以直接對硬件進行操作c語言程序生成代碼質量高，程序執(zhí)行效率高c語言適用范圍大，可移植性好 第六章 運行與調試6.1 串口程序下載及顯示電路調試（1）調試過程由于單片機定時器通信限制，故沒有實現(xiàn)單片機的實時通信功能，但依然將max232通信口焊接在電路板上以供下載程序使用。顯示電路的調試很重要，由于之前在自己的開發(fā)板上以經(jīng)進行過系統(tǒng)整體的測試，因而很幸運的是顯示電路沒有什么問題。焊接成功。（2） 調試的結果與遇到的問題lcd1602顯示正常。 6.2 借助函數(shù)發(fā)生器調試基本程序（1）調試過程根據(jù)軟件的設計，單片機可對外部輸入脈沖進行計數(shù)，從而通過簡單的運算得出頻率，基于這個原理，

18、我們將函數(shù)信號發(fā)生器輸出方波接到計數(shù)端，觀察lcd1602顯示器顯示的頻率是否和函數(shù)發(fā)生器的頻率一致。（2）調試結果與遇到的問題剛開始，顯示器有顯示，示數(shù)基本和函數(shù)發(fā)生器顯示一致，但波動和誤差較大，這兒是我們遇到的一個難題，思考了很長時間，反復檢查程序，但沒有什么結果。于是我想到了唯一可能的問題就是出現(xiàn)在計時上，最后通過修改計時初值，逐漸消除誤差，最終和函數(shù)發(fā)生器顯示一致。6.3 電機與光電碼盤測速電路調試（1）調試過程測速電路連接好后，將信號輸出端接入示波器觀察波形。（2）調試結果與遇到的問題連接好測試電路后，觀察示波器，輸出為標準的方波，并且電機的轉速不同，輸出的波形的頻率也不同，說明電機

19、與光電碼盤測速電路沒有問題。6.4 直流電機驅動電路調試（1）調試過程將單片機上定義的直流電機驅動引腳如p1.0、p1.1、p1.2分別與芯片l298n的使能端ena、in1、in2相連，將電機的正負極接至l298n的out1與out2處，檢測電路的接線不用改變，將事先編寫好的程序下載到單片機里，觀察電機轉動情況及顯示情況。（2）調試結果與遇到的問題電機正常轉動，但是數(shù)碼顯示數(shù)值為1500r/min-1560r/min，與不加直流電機驅動電路時候數(shù)據(jù)有出入，說明電機的驅動電源小于5v，經(jīng)分析，原因是直流電機驅動電路產(chǎn)生少部分壓降。6.5 電機工作狀態(tài)轉換按鍵調試（1）調試過程將兩個帶有上拉電阻

20、的按鍵的引出腳接到單片機的p2.0與p2.1。把編寫好的程序下載到單片機里，已知程序中兩個按鍵的定義，一次按下其中一個按鍵，觀察電機轉動情況以及數(shù)碼管顯示數(shù)值的變化。（2）調試結果與遇到的問題當加速鍵或減速鍵按下又松開后，電機的轉速并沒有明顯變化，因此在程序中改了pwm信號的占空比，反復調試，電機的轉速在按鍵按下后有了明顯變化，說明按鍵電路沒有問題，雖然按鍵有抖動現(xiàn)象，但是不影響基本功能，因此只要對程序進行修改并完善就行了。其中，在測量顯示時得到，當占空比為50%的時候，電機轉速約為960r/min，而每按下按鍵一次，電機轉速增加或減少約120r/min。本階段調試用程序參見附錄二。第七章 設

21、計小結參考文獻【1】 張毅剛主編.單片機原理及應用（第一版）.高教出版社.2003【2】 程德福 林君主編.智能儀器（第二版）.機械工業(yè)出版社.2009【3】 杜宇人主編.現(xiàn)代電子測量技術(第一版).機械工業(yè)出版社.2009【4】 侯殿有主編.單片機c語言程序設計.人民郵電出版社.2010附錄一 成果實物照片展示附錄二 源程序1、最后成果展示程序#includereg52.h#define uchar unsignedchar#define uint unsignedintuint tm1,tm2,temp,flg,ct,ctt,pwmm,pwm,a,b,c,d,e;sbit ena=p22;

22、sbit in1=p12;sbit in2=p11;sbit alarm=p13;sbit jiak=p20;sbit jiank=p21;/sbit dula=p26;/sbit wela=p27;sbit gui=p25; /*1602顯示程序*/uchar code table=the velocity: ;uchar data table1= r/min;sbit lcden=p27; /p34; /sbit lcdrs=p26; /p35; /uchar num;void delay1(uint z)uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-);

23、void write_com(uchar com)lcdrs=0;p0=com;delay1(5);lcden=1;delay1(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;p0=date;delay1(5);lcden=1;delay1(5);lcden=0;void init() /初始化函數(shù)lcden=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);write_com(0x80);for(num=0;num16;num+)write_data(tablenum);delay1(10); write_com(0x80+0x49); for(num=9;num14;num+)write_data(table1num);delay1(10); void display(uint temp) a=temp/10000;/將計數(shù)值每一位取出b=temp/1000%10;c=temp/100%10;d=temp/10%10;e=temp%10; table13=a+0; /送給數(shù)組待顯示 table14=b+0; table15=c+0; table16=d+0; table17=e+0; write_