多路溫度監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目 錄1 設(shè)計(jì)任務(wù) . 11.1任務(wù)條件 . 11.2 技術(shù)要求 . 11.3 已知條件 . 12 系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì) . 121設(shè)計(jì)原理 . 12.2系統(tǒng)框圖 . 22.3 系統(tǒng)總體說(shuō)明 . 23 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 33.1 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) . 33.1.1 穩(wěn)壓電壓設(shè)計(jì)原理 . 33.1.2 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路 . 43.2 傳感器與多路開(kāi)關(guān)的選擇 . 53.2.1 傳感器選用 . 53.2.2 多路開(kāi)關(guān)選擇 . 53.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) . 73.3.1 減法電路 . 73.3.2 陷波器電路 . 83.3.3 放大電路 . 93.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2、 . 93.5 顯示電路設(shè)計(jì) . 113.6 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì) . 123.7 鍵盤(pán)輸入設(shè)計(jì) . 134 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 154.1 系統(tǒng)主程序 . 154.2 定時(shí)程序 . 164.3 LED顯示程序 . 164.4故障報(bào)警程序 . 174.5波碼盤(pán)輸入程序 . 184.6 數(shù)字濾波程序 . 195 系統(tǒng)仿真與誤差分析 . 196 設(shè)計(jì)小結(jié) . 20參考文獻(xiàn) . 21附錄一 軟件程序 . 22附錄二 電路圖 . 26武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)智能溫度采集和顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1任務(wù)條件某化工廠需要連續(xù)監(jiān)測(cè)8個(gè)反應(yīng)罐的溫度，設(shè)計(jì)一個(gè)智能溫度數(shù)據(jù)采集和顯示系統(tǒng)。1.2 技術(shù)

3、要求 0-3號(hào)罐溫度允許范圍：101-199，測(cè)量精度不低于0.5; 4-7號(hào)罐溫度允許范圍：301-349，測(cè)量精度不低于0.3; 罐號(hào)和溫度同時(shí)顯示，顯示精度均為1，顯示間隔為2秒； 溫度越限1，進(jìn)行聲光報(bào)警并持續(xù)顯示故障罐號(hào)及溫度，同時(shí)不影響其它罐的溫度測(cè)量；1.3 已知條件 已知溫度傳感器的靈敏度均為10mV/，工作電壓為5V；（為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)8位A/D的分辨率為20mV） 現(xiàn)場(chǎng)有較嚴(yán)重的隨機(jī)脈沖干擾（幅值5V）和50Hz工頻干擾（最大值達(dá)20mV）。2 系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)21設(shè)計(jì)原理根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本次課設(shè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該包含以下7大模塊：傳感器部分、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單

4、片機(jī)部分、聲光報(bào)警部分、四位顯示和撥碼盤(pán)輸入。由于給定的已知條件里面對(duì)于傳感器已經(jīng)給出了靈敏度這一指標(biāo)，所以我選用了能夠滿足這一指標(biāo)的PT100熱電阻溫度傳感器，具體傳感器設(shè)計(jì)本次課設(shè)中沒(méi)有進(jìn)行。信號(hào)調(diào)理電路主要由：數(shù)據(jù)選擇器、陷波器、放大器和一個(gè)減法器組成，使用數(shù)據(jù)選擇器是因?yàn)楣灿?路傳感器輸入信號(hào)具有共性且系統(tǒng)不要求同時(shí)采用處理，其中0-3和4-7分別可以共有數(shù)據(jù)輸入通道， 1武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)節(jié)省系統(tǒng)硬件成本，同時(shí)是系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了。A/D轉(zhuǎn)換電路采用8位ADC0809芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，其中只有兩路輸入。顯示部分采用4為L(zhǎng)ED顯示，一位顯示代表反應(yīng)罐的號(hào)數(shù)，另外3位表

5、示對(duì)應(yīng)反應(yīng)罐的溫度。鍵盤(pán)部分主要是用來(lái)設(shè)定溫度范圍，采用撥碼盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。聲光報(bào)警部分由一個(gè)顯示燈和蜂鳴器組成，在溫度超出正常范圍時(shí)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)的核心是單片機(jī)部分，主要是將A/D轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，正常就輸出顯示；異常就進(jìn)行聲光報(bào)警；同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)其它部分的控制與調(diào)節(jié)，使整個(gè)系統(tǒng)正常工作。2.2系統(tǒng)框圖按照上面的原來(lái)說(shuō)明，具體的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2.3 系統(tǒng)總體說(shuō)明由于系統(tǒng)精度要求分別是0.5和0.3，因此必須對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行放大處理，因?yàn)橄到y(tǒng)給定的傳感器靈敏度均為10mV/，系統(tǒng)給定的溫度值分別是101199和301349，因此輸出電壓分別為1.01V-1

6、.99V和3.01V-3,49V，這樣放大倍數(shù)最多2.5倍，由于50Hz的工頻信號(hào)的干擾，達(dá)不到要求的精度。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)減法電路，分別減去1V和3V，然后再分別放大5倍和10倍，這樣就完全能夠達(dá)到系統(tǒng)需要的精度，也能夠被采樣，只需要在單片機(jī)處理程序里面分別在輸入數(shù)據(jù)上重新加上1V和3V即可。2武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)由于系統(tǒng)的8個(gè)反應(yīng)罐的溫度傳感器輸出值分為兩組，所以多路開(kāi)關(guān)（數(shù)據(jù)選擇器）采用雙四選一的芯片74LS153來(lái)進(jìn)行傳感器選擇，后面的減法電路、陷波器和放大電路都是兩路。一路放大5倍，一路放大10倍。這兩路的最終輸出信號(hào)進(jìn)入ADC0809的兩個(gè)輸入端進(jìn)

7、行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采用4位七段LED來(lái)顯示反應(yīng)罐號(hào)碼和對(duì)應(yīng)的溫度，反應(yīng)罐號(hào)碼是由單片機(jī)控制循環(huán)控制顯示，同時(shí)系統(tǒng)的溫度采集也是對(duì)應(yīng)于此進(jìn)行的，3位LED顯示反應(yīng)罐的溫度，必將進(jìn)行取整處理，這是由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，根據(jù)系統(tǒng)需要還設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)輸入和聲光報(bào)警裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)罐上下限溫度值的設(shè)定和超出上下限溫度的自動(dòng)報(bào)警顯示。還有一個(gè)不得不提的部分是穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，因?yàn)橄到y(tǒng)芯片需要供電，同時(shí)減法電路中需要1V和3V的電壓作為基準(zhǔn)的電壓進(jìn)行運(yùn)算處理，所以設(shè)計(jì)中專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電源，可以將220V工業(yè)電壓，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的穩(wěn)壓直流電壓。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)3.1.1 穩(wěn)壓電

8、壓設(shè)計(jì)原理電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐怠＝涣麟娊?jīng)過(guò)二極管整流后，方向單一了，但是大小（電流強(qiáng)度）還處在不斷變化之中。這種脈動(dòng)直流一般不能直接用來(lái)給集成電路供電，而是要通過(guò)整流電路將江流點(diǎn)變?yōu)橹绷麟妷骸Ｓ捎诖酥绷麟妷哼€含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。濾波的任務(wù)就是把整流器輸出電壓中的波動(dòng)成分盡可能的減小，改造成接近穩(wěn)恒的直流電。但是這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有10%左右的波動(dòng)），負(fù)載和溫度的變化而變化，因而在整流濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。穩(wěn)壓電源一般由

9、變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗璧牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。3武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3.1.2 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路根據(jù)以上理論分析，我設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源如圖3.1所示。圖3.1 5V穩(wěn)壓電源電路工作原理：圖中為T(mén)R1電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓220V變?yōu)檎麟娐芬蟮慕涣麟妷?，四只整流二極管D1D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱(chēng)。先計(jì)算文件參數(shù)：二極管D1、D3和D2、D4兩兩輪流導(dǎo)通的，所以流經(jīng)每個(gè)二極管的平均電流為：1UID=IC=0.452L2二極管在截止時(shí)管子

10、兩端承受的最大反向電壓可以從圖3.1中看出。在V2正半周時(shí)D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，此時(shí)D2、D4所承受的最大反向電壓均為V2的最大值，即VRM=2。同理，在V2的負(fù)半周，D1、D3也承受到同樣大小的反向電壓。橋式整流電路的有點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因?yàn)殡娫醋儔浩髟谡?fù)半周內(nèi)都有電流給負(fù)載供電，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。 濾波電路：我們采用電容濾波電路。因?yàn)楸菊n設(shè)中為小功率電源，初始時(shí) 4武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當(dāng)V2為正半周時(shí)，

11、通過(guò)D1、D3向電容C充電；當(dāng)V2為負(fù)半周時(shí)，通過(guò)D2、D4向電容C充電。充電時(shí)間常數(shù)為c=RintC。Rint包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管D正向電阻。由于Rint一般很小，電容器很快就達(dá)到了交流電壓的V2，輸出為一個(gè)恒定的直流。3.2 傳感器與多路開(kāi)關(guān)的選擇3.2.1 傳感器選用在本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求中，明確了傳感器的分辨率為10mV/。因此，我在設(shè)計(jì)中選用了PT100專(zhuān)業(yè)溫度傳感器，pt100是鉑熱電阻，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時(shí)阻值為100歐姆，在100時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，

12、它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長(zhǎng)的。至于溫度傳感器的工作使用原理和具體工作方式在本次課設(shè)中暫不討論，只是確定傳感器的輸出電壓值分別為1.01V1.99V和3.01V3.49V。課設(shè)中就是針對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理和分析顯示。3.2.2 多路開(kāi)關(guān)選擇在本次課設(shè)的系統(tǒng)測(cè)量中采用了8個(gè)溫度傳感器，且其中也具有一定的共性，同時(shí)不需要同步采樣。因此在課設(shè)中采用了多通道共享輸入通道，將8個(gè)傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)通過(guò)雙四選一芯片74LS153分別進(jìn)行輸入信號(hào)選擇，再由兩路輸出通道分別進(jìn)行信號(hào)處理。采用多通道共享輸入結(jié)構(gòu)可以充分利用元器件的性能，提高性?xún)r(jià)比，減少硬件成本。因?yàn)橄到y(tǒng)中8個(gè)反應(yīng)罐的溫度測(cè)量在2個(gè)范圍內(nèi)：

13、101-199和301-349，因此在設(shè)計(jì)中采用了74LS153芯片。74LS153是一種雙四選一數(shù)據(jù)選擇器，有選通輸入端。74153里面有兩個(gè)地址碼共用的4選1數(shù)據(jù)選擇器。通過(guò)輸入不同的地址碼A1，A0，可以控制輸出Y選擇4個(gè)輸入數(shù)據(jù)X0X3中的一個(gè)。1E和2E是用來(lái)選擇1組還是2組輸入信號(hào)被輸出。具體芯片引腳圖如圖3.2所示。5武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)圖3.2 74LS153芯片引腳圖 表3.1 74LS153功能表L 低電平 H 高電平 X 任意 引出端符號(hào)：A、B 選擇輸入端 1X0-1X3、2X0-2X3 數(shù)據(jù)輸入端6武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1E、2E 選

14、通輸入端（低電平有效）1Y、2Y 數(shù)據(jù)輸出端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，反應(yīng)罐0-3號(hào)的傳感器輸出信號(hào)分別接1X0-1X3，4-7號(hào)罐的傳感器輸出信號(hào)分別接2X0-2X3引腳，A、B、E接單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2引腳（1E和2E接反相器并聯(lián)和P2.2相接，確保每次只有一個(gè)四選一通道被選通）。這樣實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制多路選擇器工作，軟件程序分時(shí)選通不同的輸入端來(lái)進(jìn)行某一路的溫度測(cè)量和顯示。3.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路主要包含減法電路、陷波器電路和放大電路3部分組成。3.3.1 減法電路正如前面總體原理介紹中闡述的原理：由于系統(tǒng)精度要求分別是0.5和0.3，因此必須對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行放大處理，

15、因?yàn)橄到y(tǒng)給定的傳感器靈敏度均為10mV/，系統(tǒng)給定的溫度值分別是101199和301349，因此輸出電壓分別為1.01V-1.99V和3.01V-3.49V，這樣放大倍數(shù)最多2.5倍，由于50Hz的工頻信號(hào)的干擾，達(dá)不到要求的精度。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)減法電路，分別減去1V和3V，然后再分別放大5倍和10倍，這樣就完全能夠達(dá)到系統(tǒng)需要的精度，也能夠被采樣。減法電路如圖3.3所示。圖3.3 減法電路原理圖由疊加原理（疊加原理是指在線性電路中，任一支路的電路是每一個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)在該支路所產(chǎn)生的電流代數(shù)和），U1、U2共同作用時(shí)（兩者疊加），輸出電壓為：7武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)

16、計(jì)說(shuō)明書(shū)Uo=UO+UO=-R2RR4U1+(1+2)U2R1R1R3+R4當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，則：Uo=U1-U2通過(guò)該電路，將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成0.01V-0.99V和0.01V-0.49V的小信號(hào)，然后分別進(jìn)行5倍和10倍的放大，達(dá)到0.05-4.95V和0.1-4.9V的電壓信號(hào)，這樣保證信號(hào)能夠被ADC0809采樣，這樣能夠達(dá)到設(shè)計(jì)需求的精度要求0.5和0.3。3.3.2 陷波器電路由于現(xiàn)場(chǎng)具有嚴(yán)重的干擾信號(hào)，其中50Hz的工頻干擾信號(hào)最大值達(dá)20mV，若不采取處理，將會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生直接干擾。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了陷波器電路來(lái)消除工頻干擾。本次設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)VCVS（壓

17、控電壓源）陷波器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工頻干擾的消除。陷波器電路如圖3.4所示。圖3.4 50Hz陷波器電路原理圖這是一種典型的二階有源帶阻濾波器，其傳遞函數(shù)為：1+(sCR)2A(s)=1+2(2-Av)sCR+(sCR)28武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中心頻率為：o=2f0=1RC式中：Av為放大增益。這個(gè)電路的特點(diǎn)是所用器件少，調(diào)試方便。選用R=1K,C=4.7uF。根據(jù)計(jì)算可得出增益衰減大約為10倍。但是50Hz的工頻干擾信號(hào)衰減后還有2mV，經(jīng)過(guò)放大后依舊會(huì)產(chǎn)生干擾AD采樣。因此我在設(shè)計(jì)中采用了兩級(jí)陷波器級(jí)聯(lián)，可以明顯改善陷波效果。經(jīng)過(guò)兩級(jí)陷波后，增益衰減100倍，可以直接忽略不計(jì)，完全

18、消除了工頻信號(hào)對(duì)于溫度信號(hào)的干擾。3.3.3 放大電路根據(jù)設(shè)計(jì)需要，分別要對(duì)陷波以后的信號(hào)進(jìn)行放大5倍和10倍，才能達(dá)到AD轉(zhuǎn)換的要求，因此需要設(shè)計(jì)兩路放大電路。但是在前面的減法電路中，如果選擇合適的電阻參數(shù)值，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于信號(hào)放大的功能。因此，本著系統(tǒng)最優(yōu)化的原則，本次課設(shè)中沒(méi)有在單獨(dú)設(shè)計(jì)放大電路，而是借助于減法電路的放大功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于信號(hào)的放大。根據(jù)前面的公式：Uo=UO+UO=-R2RR4U1+(1+2)U2R1R1R3+R4若R1=R3，R2=R4，則有：UO=R2(U2-U1)R1分別選擇R2=10R1=20k和R2=5R1=10k，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于輸出信號(hào)10倍和5倍的放大，從而減少

19、了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，也能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一切功能需求。3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)9武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)本次課設(shè)中需要8位A/D轉(zhuǎn)換，因此，我在設(shè)計(jì)中選用了最常用的ADC0809芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能。ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8 路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。ADC0809芯片管腳圖如圖3.5所示。圖3.5 AD

20、C0809芯片管腳圖IN0IN7：8 條模擬量輸入通道。ADC0809 對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是05V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條。ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A， B，C 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B 和C 為地址輸入線，用于選通IN0IN7 上的一路模擬量輸入。10武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)數(shù)字量輸出及控制線：11 條ST 為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST

21、上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST 應(yīng)保持低電平。EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0 為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，。AD0809 的工作頻范10KHZ-1280KHZ,當(dāng)頻率范圍為500KHZ 時(shí)，其轉(zhuǎn)換速度為128us，通常使用頻率為500KHZ。AT89C51的輸出頻為晶振頻的1/

22、6（2MHZ），AT89C51 與74LS74連接經(jīng)與74LS74的ST腳提供AD0809 的工作時(shí)鐘VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。使用說(shuō)明：（1） ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89C51 單片機(jī)直接相連。（2） 初始化時(shí)，使ST 和OE信號(hào)全為低電平。（3） 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。（4） 在ST 端給出一個(gè)至少有100ns 寬的正脈沖信號(hào)。（5） 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC 信號(hào)來(lái)判斷。（6） 當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。3.5 顯示電路設(shè)計(jì)顯示系統(tǒng)是單片機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于顯示

23、各種參數(shù)的值，以便使現(xiàn)場(chǎng)工作人員能夠及時(shí)掌握生產(chǎn)過(guò)程。在本次課程設(shè)計(jì)中，需要顯示反應(yīng)罐的號(hào)碼和對(duì)應(yīng)的溫度，根據(jù)要求需要4位LED顯示。課設(shè)中采用了動(dòng)態(tài)掃描方式顯示數(shù)據(jù)。 LED數(shù)碼管有共陽(yáng)和共陰兩種，設(shè)計(jì)中采用共陰極型數(shù)碼管，其七個(gè)發(fā)光管的負(fù)極都連在一起，作為一條引線。ag段用于顯示數(shù)字, dp顯示小數(shù)點(diǎn)。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類(lèi)。由于設(shè)計(jì)中顯示位數(shù)較多，故采用動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài) 11武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式

24、之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮

25、，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LED顯示電路如圖3.6所示。圖3.6 四位LED顯示電路3.6 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需要，當(dāng)檢測(cè)溫度超過(guò)上下限時(shí)，系統(tǒng)不光要由LED顯示故障反 12武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)罐的號(hào)數(shù)和故障溫度，同時(shí)系統(tǒng)還將進(jìn)行聲光報(bào)警提示，因此在設(shè)計(jì)中專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套聲光報(bào)警電路。當(dāng)檢測(cè)出反應(yīng)罐發(fā)生故障時(shí)，單片機(jī)通過(guò)P3.3口給聲光報(bào)警電路的控制口輸出一個(gè)低電平，聲光報(bào)警電路開(kāi)始工作，產(chǎn)生聲音報(bào)警和光電報(bào)警信號(hào)，提示系統(tǒng)工作故障。當(dāng)反應(yīng)

26、罐正常工作時(shí)，P3.3口輸出高電平，三極管截止，蜂鳴器和光電二極管都不工作。設(shè)計(jì)的聲光報(bào)警電路如圖3.7所示。圖3.7 聲光報(bào)警電路3.7 鍵盤(pán)輸入設(shè)計(jì)系統(tǒng)中要求可以對(duì)反應(yīng)罐的上下限報(bào)警溫度進(jìn)行在線修改，因此需要設(shè)計(jì)鍵盤(pán)輸入單元。結(jié)合實(shí)際情況，反應(yīng)罐的上下限報(bào)警溫度在10以?xún)?nèi)，所以設(shè)計(jì)中采用了專(zhuān)用的BCD撥碼盤(pán)來(lái)進(jìn)行在線改變反應(yīng)罐的上下限報(bào)警溫度。具體電路圖如圖3.8所示。13武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)圖3.8 撥碼盤(pán)輸入電路14武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本次課設(shè)中的軟件設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)部分：輸入通道控制程序（包含A/D轉(zhuǎn)換和多路選通程序）、數(shù)字濾波

27、程序、LED顯示程序、故障報(bào)警程序、撥碼盤(pán)輸入程序和定時(shí)程序。每一塊程序既能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能，也要在正在系統(tǒng)中承擔(dān)一定的其他功能。相互之間有一定的關(guān)聯(lián)性。4.1 系統(tǒng)主程序圖4.1 系統(tǒng)程序總框圖根據(jù)程序總框圖可知，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，單片機(jī)一直以2s為定時(shí)基準(zhǔn)進(jìn)15武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)行定時(shí)，每隔兩秒循環(huán)選通一路傳感器輸入給單片機(jī)處理和顯示；同時(shí)，在2s結(jié)束時(shí)，對(duì)于撥碼盤(pán)的輸入值進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)在線改變上下限報(bào)警溫度。4.2 定時(shí)程序N圖4.2 定時(shí)程序流程圖課程設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)定時(shí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)2s的定時(shí)，當(dāng)2s定時(shí)結(jié)束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序包含：傳感器輸入

28、選通控制程序和撥碼盤(pán)掃描程序。4.3 LED顯示程序課程設(shè)計(jì)中采用的是4位LED動(dòng)態(tài)掃描顯示的方法，因此在編程中要有位選輸出信號(hào)和顯示斷碼信號(hào)。根據(jù)需要顯示的位對(duì)應(yīng)的輸出口引腳，動(dòng)態(tài)選擇P2.0、P2.1、P2.2和P2.3，依次循環(huán)輸出低電平，這樣就點(diǎn)亮了對(duì)應(yīng)的LED顯示芯片；再將輸出數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的段碼值通過(guò)P0口輸出，就完成了一位顯示。動(dòng)態(tài)掃描頻率很高，所以最終顯示的是四位數(shù)據(jù)：一位反應(yīng)罐號(hào)和三位溫度顯示值。具體流程圖如圖4.3所示。16武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)N圖4.3 顯示程序流程圖4.4故障報(bào)警程序當(dāng)測(cè)量溫度值超出設(shè)定溫度范圍的上下限值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行聲光報(bào)警并顯示故障的反應(yīng)

29、罐號(hào)和故障溫度。由于設(shè)計(jì)的局限性，在溫度超出正常值時(shí)，在下限情況下，只能顯示100和300，更低的溫度也是顯示著兩個(gè)值。聲光報(bào)警程序就極為簡(jiǎn)單，只要檢測(cè)出數(shù)據(jù)超出正常范圍，直接給P3.3口一個(gè)低電平，使光電二極管和蜂鳴器導(dǎo)通，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)即可。正常情況下，P3.3輸出高電平。故障報(bào)警程序軟件框圖如圖4.4所示。17武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)N圖4.4 故障報(bào)警程序框圖4.5波碼盤(pán)輸入程序?qū)τ贐CD撥碼盤(pán)來(lái)說(shuō)，設(shè)定的溫度上下限報(bào)警值都是10以?xún)?nèi)的BCD碼，因此輸入程序只需要對(duì)輸入端口的電平進(jìn)行讀入就行。因此程序只需讀取P2.4-P2.7的電平就行。18武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

30、說(shuō)明書(shū)圖4.5 撥碼盤(pán)輸入程序流程圖4.6 數(shù)字濾波程序在系統(tǒng)工作時(shí)有一些隨機(jī)干擾信號(hào)也會(huì)隨傳感器輸入給單片機(jī)，為了消除隨機(jī)干擾，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的軟件中值濾波程序。在2s的時(shí)間內(nèi)，傳感器的輸出值將多次被處理傳給單片機(jī)，因此可以對(duì)應(yīng)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波，這樣就可以消除隨機(jī)信號(hào)的干擾。圖4.6 中值濾波流程圖5 系統(tǒng)仿真與誤差分析本次課設(shè)采用了PROTEUS軟件進(jìn)行畫(huà)圖與仿真，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件進(jìn)行了分析。由于軟件存在一點(diǎn)漏洞，ADC0809芯片在PROTEUS軟件中沒(méi)有模型，所以仿真遇到了麻煩，最后選用了與ADC0809功能相近的ADC0808芯片來(lái)進(jìn)行仿真，最終成功的仿真出了輸入設(shè)定傳感器模擬電平

31、值后顯示出溫度值和反應(yīng)罐號(hào)碼；同時(shí)在超出溫度設(shè)定的上下限范圍時(shí)也是聲光報(bào)警產(chǎn)生。在本次課程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)和軟件程序的19武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)編制。在信號(hào)處理電路中，本著經(jīng)濟(jì)性原則，采用了共享輸入通道結(jié)構(gòu)，將八路傳感器輸入轉(zhuǎn)換成雙通道分時(shí)輸入，減少了硬件電路的復(fù)雜程度。同時(shí)，為了達(dá)到八位A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換的0.5和0.3的精度要求，設(shè)計(jì)中創(chuàng)造性的運(yùn)用了減法電路，且減法電路參數(shù)的選擇又同時(shí)將信號(hào)分別放大了10倍和5倍。不需要單獨(dú)的放大電路。在消除干擾信號(hào)上面，分別采用了兩種方式：硬件濾波和軟件數(shù)字濾波。對(duì)于50Hz的工頻干擾信號(hào)，采用兩級(jí)陷波器級(jí)聯(lián)的方

32、式來(lái)消除，隨機(jī)干擾采用數(shù)字編程平均值濾波消除。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)要求，在精度和經(jīng)濟(jì)性上面取得了很好的平衡，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。6 設(shè)計(jì)小結(jié)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)于大學(xué)所學(xué)的各科知識(shí)有了更加清晰的認(rèn)識(shí)，也對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程有了切身的體會(huì)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到了以往所學(xué)書(shū)本知識(shí)存在不少的缺陷和片面性，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須對(duì)于系統(tǒng)的各個(gè)方面有考慮和選擇，像我所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，運(yùn)用了74LS153芯片做為數(shù)據(jù)選擇器，實(shí)現(xiàn)共享輸入通道。而且為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求的精度，在放大前專(zhuān)門(mén)采用了減法電路，來(lái)減去共同的基礎(chǔ)值，然后將差值進(jìn)行放大，能夠很好的達(dá)到精度要求。當(dāng)然，本次課程設(shè)計(jì)中也

33、暴露出了我自身學(xué)習(xí)中存在的一些不足，對(duì)于所學(xué)知識(shí)沒(méi)有很好的形成體系，缺乏對(duì)于專(zhuān)業(yè)知識(shí)的深入專(zhuān)研，所以在課程設(shè)計(jì)的編程和硬件設(shè)計(jì)上面只是根據(jù)所需要求和對(duì)應(yīng)芯片進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合。對(duì)應(yīng)芯片選擇和系統(tǒng)優(yōu)化等方面還存在很多的不足。不能像高手那樣進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依舊停留在理論設(shè)計(jì)的階段，缺少動(dòng)手鍛煉的能力，因?yàn)槲疫€將進(jìn)行研究生的學(xué)習(xí)，我想這些不足的暴露也為我后面的學(xué)習(xí)提供了方向。經(jīng)管這次課程設(shè)計(jì)我順利完成了，但是，我前面還需要努力的地方還有很多。我將以此為契機(jī)，繼續(xù)努力，真正收獲知識(shí)。20武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)參考文獻(xiàn)【1】李廣弟、朱月秀、王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，

34、2001.7【2】史健芳.智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，北京：電子工業(yè)出版社，2005.6【3】張國(guó)雄.測(cè)控電路.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002【4】趙燕.傳感器原理及應(yīng)用.北京：北京大學(xué)出版社，2010.,【5】韓啟綱等.智能化儀表原理與使用維修.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2002.9【6】王念旭等. DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.【7】張雄偉，曹鐵勇. DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用.第二版. 北京：電子工業(yè)出版社，2000.【8】 蘇奎峰，呂強(qiáng)，耿慶鋒，陳圣儉.TMS320F2812原理與開(kāi)發(fā).第2版.北京:電子工業(yè)出版社，2006【9】蘇奎峰，呂強(qiáng)，耿慶鋒，陳圣儉.T

35、MS320X281XDSP原理及C程序開(kāi)發(fā). 北京:電子工業(yè)出版社，2008【10】孫傳有、孫曉斌、漢澤西、張欣.測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.9 【11】徐愛(ài)鈞.智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1995.1121武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)附錄一 軟件程序1. 主程序#include#include#include#includehardware.h#includeadc0809.h#includeled.h#includemaincall.h#define uchar unsigned char#define uint u

36、nsigned intvoid main()uchar select=0;InitTimer0();while(1)if(!ok)while(!ok);SetMode();ShowNormal(); /等待松手2. 定時(shí)程序/*函數(shù)功能：定時(shí)器0的初始化函數(shù)，定時(shí)100ms函數(shù)原型：void InitTimer0(void)*/void InitTimer0(void)TMOD=0x01; /time0為定時(shí)器，方式1 TH0=0x3c; /預(yù)置計(jì)數(shù)初值TL0=0xb0;EA=1;ET0=1;TR0=1;mscount=0;/*函數(shù)功能：定時(shí)器0的中斷函數(shù)，定時(shí)50ms，顯示間隔為2秒；函數(shù)原

37、型：void Timer0(void) interrupt 1 using 022武漢理工大學(xué)智能儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)*/void Timer0(void) interrupt 1 using 0 /定時(shí)器0方式1，50ms中斷一次 TH0=0x3c;TL0=0xb0;mscount+;if(mscount=20)chn+;mscount=0;if(chn7) chn=0;#endif3. 顯示程序*/#ifndef _MAINCALL_H_#define _MAINCALL_H_uchar mscount;uchar chn=0;/*函數(shù)功能：正常顯示函數(shù)，罐號(hào)和溫度同時(shí)顯示，顯示精度均為1，顯示間隔為2秒；函數(shù)原型：v