机电一体化技术毕业设计样本.doc

1、武汉理工大学网络教育毕业设计 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： 武汉理工大学 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 武汉理工大学网络教育毕业设计 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

2、 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 武汉理工大学网络教育毕业设计 目 录 第一章 绪论 . 错误 !未定义书签。 第二章 本次毕业设计任务 2.1 设计题目： . 1 2.2 设计意义： . 2 第三章 软件设计 3.1.1 Pt 温度传感器 . 4 3.1.2 恒流源介绍 . 4 恒流源分为流出 (Current Source)和流入 (Current Sink)两种形式。 . 4 3.3 电压 -频率变换器 LM331 . 6 3.3.1 Lm331 周边电路图 . 6 3.3.2 概述 . 6 3.3.3 工作原理 . 7

3、 3.4 8279 单片机的性能及结构 . 错误 !未定义书签。 3.4.1 芯片引脚功能说明 . 错误 !未定义书签。 3.4.2 内部结构 . 错误 !未定义书签。 3.5 Pcb 印制板电路图 . 9 3.5.1 PCB 发展简介： . 错误 !未定义书签。 第四章 软件设计 4.1 程序流程图如下 . 错误 !未定义书签。 第五章 数和数值的编码 5.1 前面板示意图及案件说明： . 错误 !未定义书签。 5.2 仪表参数的设置流程 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 13 1 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

4、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 (Center Processing Unit,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

5、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

6、-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

7、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。 2 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

8、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 )。

9、 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

10、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 公司的产品和中国台湾的 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 PI

11、C精简指令集 (RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的 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。在一定的时期内，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。 3 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

12、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、发热圈内部温度都很高。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

13、加热。但这时发热棒或发热圈的内部温度会高于 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

14、主要内容：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。 4 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 3.1.1 Pt 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,Resistance Temperature Detector)是一种物质材料作成的电阻 ,它会随温度的上

15、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+ T) 其中 =0.00392,Ro 为 100 (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

16、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 (Current Source)和流入 (Current Sink)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。

17、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 5 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

18、）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 3.1 pt 传感器与恒流源电路 令 AA、 BB与 CC3 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 6 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

19、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 3.3.1 Lm331周边电路图 图 3.3 lm331 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

20、个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。 LM331 的动态范围宽，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 的内部电路组成如图 1 所示。由输入比较器、定时比较器、 R S 触 7 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

21、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 3.4 lm331 原理图 上图是由 LM331 组成的电压频率变换电路， LM331 内部由输入比较器、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

22、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。