多功能过程控制测量单元的设计.doc

1、 I 多功能过程控制测量单元的设计 作者姓名： 专业班级： 指导老师： 摘要 随着科学技术的飞速发展，工业生产技术也在不断提高，其中生产过程自动化的发展程度已成为衡量工业企业现代化水平的重要标志之一。对于生产过程的各个环节中，其中一个很重要的环节就是测量单元的部分。 本文介绍的测量单元是以单片机微处理器为控制核心 ,对过程控制中典型的参数即温度、压力、液位、流量、成分和物性等多样化参数信息进行转化和获取。而测量单元中很重要的一个组成部分就是传感器。由于传感器 输出的 是按一定规律将测量 参数 转换成各种性质的电信号，如 数字电信号或模拟电信号，电流信号或电压信号，所以对测量信号进行电流电压转化

2、和数模转换并获取，并最终显示测量结果，实现多功能测量单元的设计 。 关键词 ： 单片机 传感器 A/D 转化器 LED 显示 II The design of multi-function process control measurement unit Abstract： With the rapid development of science and technology, industrial production technology is constantly improving, and the development of the automation of productio

3、n line has become one of the important mark to judge the modernization level of industrial enterprises. For the production process, one of the important link is the one part of the measuring unit. The measurement unit that is introduced in this paper is single-chip microprocessor as control core, th

4、e typical parameters of process control, temperature, pressure, liquid level, flow, composition and properties such as the diversification of parameters information conversion and acquisition. While a very important part of the measurement unit is the sensor. Because the sensor output are various pr

5、operties electric signals which are according to regularly measured parameters and are converted into, such as digital signal or analog signals, current or voltage signal, so the measurement signal of current and voltage transformation and digital-analog conversion and acquisition, and finally show

6、the result of measurement, design and Realization of multifunctional measuring unit. Key words: MCU Sensor A/D converter LED display III 目录 第 1 章 前言 . 1 1.1 课题的背景 . 1 1.2 课题的意义 . 2 1.3 课题的研究方法 . 3 第 2 章 总体设计 . 4 2.1 系统总的设计方案 . 4 2.2 总体硬件设计电路 . 4 第 3 章 硬件的设计 . 5 3.1 电路原理图 . 5 3.2 主要器件的介绍选型 . 5 3.2.1

7、单片机的介绍 . 5 3.2.2 AT89S52 单片机的介绍 . 6 3.2.3 传感器的介绍和选型 . 11 3.2.4 DS18B20 传感器 . 12 3.2.5 DHT11 传感器 . 15 3.2.6 ADC0804 转换器 . 16 3.2.7 数码管简介 . 17 3.3 系统各部分硬件实现 . 19 3.3.1 振荡电路模块 . 19 3.3.2 复位电路模块 . 19 3.3.3 采样电路模块 . 20 3.3.4 显示模块 . 23 3.3.5 稳压电源模块 . 24 第 4 章 系统软件设计 . 25 4.1 主程序的设计 . 25 4.2 A/D转换程序 . 28 第

8、 5 章 系统调试 . 29 IV 5.1 硬件的制作 . 29 5.2 软件的调试 . 30 结论 . 32 致谢 . 33 参考文献 . 34 附录 原理图 . 35 附录 系统程序 . 36 1 第 1 章 前言 1.1 课题的背景 回顾自动化技术的发展历史，可以发现到它和生产过程的发展有着密不可分的联系，是一个从局部自动化到全局自动化，从简单形式到复杂形式，从低级智能到高级智能的发展过程。工业生产对过程控制要求是比较多方面的，可以总 结成为三项要求，即安全性、稳定性和经济性。而安全性则是指在整个生产过程中，能确保人身和设备的安全，这是最基本也是最重要的要求。所以在生产过程中，对各个参数

9、的采集以及诊断措施是非常重要的。而对于经济性，旨在生产同样数量和质量产品所消耗的能量和原材料最少，也就是要求生产成本低而且效率高。近年来，随着世界能源的匮乏和市场竞争力的加剧，经济性已经受到过去从来没有过的重视。对于稳定性而言，要求就是指系统具有抑止外部干扰，保持生产过程长期能很好运行的能力。 对于过程控制系统性能的稳定性、准确性、快速性而言，都离不开一个 测量系统，该系统对于生产过程来说是非常重要的。不论是简单的控制系统还是复杂的控制系统，它都离不开过程控制中的测量单元，因为测量单元是将测得的数据反馈给控制系统，而控制系统将得到的数据分析，分析后才能做出相应的动作。 现在随着科技的发展，测量

10、装置基本上都离不开传感器，传感器是检测和自动控制应用中的首要环节。测量技术也就是检测技术中通常是把测量的对象分为两大类：第一类是电参量的测量，电参量有电压、电阻、电流、功率、频率等，这些参量都可以表征系统或设备的性能；第二类是非电参量，非电参量包括机械量，如位移、速度、加 速度、力矩、力、振动、应变等，生物量，如酶、菌类、组织等，化学类，如浓度、成分、湿度、气体等。在以前，非电参量的测量方式多采用非电参量的测量方法，比如用温度计测量温度，用尺子测量长度等等，而到了现在，非电参量的测量方式多采用电测量的方法，其中的关键技术就是如何利用传感器将非电 参量转换成为电参量 1。 工业革命以来，传感器为

11、提高和改善机器的性能有着非常巨大的作用。传感器技术大致可以分为三代：第一代是结构型的传感器，它利用的是结构参量的变2 化来感受与转化信号；第二代是 20世纪 70 年代发展起来的固体型传感器，这种由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成的传感器，利用材料的某些特性制成；第三代传感器是刚刚发展起来的智能型传感器，具有一定的人工智能传感器是由微型计算技术和检测技术相结合的产物。 传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器所检测的信号近来显著地增加，因而其品种也极其繁多。 为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满

12、足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。因此作为一种功能块的传感器可狭义的定义为 ： “ 将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。 ” 1.2 课题的意义 人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理）， 作出相应 的动作。同样，如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（ “ 电五官 ” ）。 传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将处于一种不能适应实际需要的状态。如同为了很好的将体力劳动和脑力劳动进行协调一样，

13、也要求传感器、电子计算机和执行器三者都能 相互协调才行。这样，传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。 当传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域广泛应用的同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。 例如： （ 1） 自动化洗衣机中装有浊度传感器，可以合理的安排漂洗次数，起到节水、节电的作用。 3 （ 2） 方便转换频道等功能地遥控电视 机，可随意改变风速地遥控电风扇。在

14、防盗防入侵地报警装置中也装有红外传感器。 （ 3） 全自动照相机中的光电传感器保证在不同的光线下适度曝光。 （ 4） 通信电子产品方面：手机产量的大幅增长及手机新功能的不断增加给传感器市场带来机遇与挑战，彩屏手机和摄像手机市场份额不断上升增加了传感器在该领域的应用比例。此外，应用于集团电话和无绳电话的超声波传感器、用于磁存储介质的磁场传感器等都将出现强势增长。 目前，五 花八门的传感器种类繁多，仅我国敏感元件与传感器的品种已超过6000余种。在许多方面传感器的性能已凌驾于人的感官之上 。如紫外线、红外线、超声波等。从这个意义上讲传感器具有人类所梦寐以求的特异功能。 1.3 课题的研究方法 本文

15、主要是以 AT89S52 单片机为控制核心， 采用电流 /电压转换、电压增益调节及 A/D转换等环节，对通过传感器得到的多样化信息进行转化及获取，为 过程控制中的典型参数，如温度、压力、液位、流量、成分和物性等参数 的采集提供多功能转换接口，参数的检测和处理由单片机完成并在 LED 显示器上加以显示，实现多功能测量单元的设计。 本文就是利用单片机的控制简单、方便、快捷、资源丰富、价格低廉等优点，实现手动对电压，温度等 测量的按键切换 。实现直流电压测量范围是 0 55V。 4 第 2 章 总体设计 2.1 系统总的设计方案 在各个参数的测量中，转换成电压、电流和频率这最基本的三个被测量，其中电

16、压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受青睐。本设计从各 个角度分析了由单片机组成的多功能测量单元的设计过程及各部分电路的组成及其原理，并且分析了程序如何驱动单片机进而使系统运行起来的原理及方法。本设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路又大体可分为 A/D转换电路、 LED显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分

17、详细介绍；程序的设计使用 C语言编程。 2.2 总体硬件设计电路 本系统采用 AT89S52 控制输出数据，数据的采集可以直接通过元器件两端电压的测量得到，然后经过模数转换器输入给单片机，也可以通过温度、压力等传感器采集数据而来，由按键切换 单片机输入端口采集的数据，并且通过单片机的处理，在数码管上显示出来，以实现多功能测量的目的。本系统由控制部分、驱动部分、执行部分三部分构成。系统的总体电路设计框图如下图 2-1 所示： 数 据 采 集端A / D 转 换 器单 片 机按 键 输 入稳 压 电 源数 码 管 显 示图 2-1 系统总体电路框图 5 第 3 章 硬件的设计 3.1 电路原理图

18、本设计 采用 Altium Designer102设计原理图， 本设计根据系统框图设计的电路原理图如图 3-1 所示。 P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9(RXD)P3.010(TXD)P3.111(INT0)P3.212(INT1)P3.313(T0)P3.414(T1)P3.515(WR)P3.616(RD)P3.717XTAL218XTAL119GND20VCC40P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732EA/VPP31ALE/PROG30PSEN29P2.728P2.627P2

19、.526P2.425P2.324P2.223P2.122P2.021AT89S52U3AT89S52VCCGND123456789P2Header 9P00P01P02P03P04P05P06P0712Y130M30pFC730pFC8GNDXTAL2XTAL110KR610uFC6S1SW-PBGNDRSTVCC+5V10KR5D7XTAL1XTAL2RSTVCCCSRDW/RCLK ININTVin+Vin-GNDVEF/2GND DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0CLK RVCC12345678910 11121314151617181920U1 ADC0804VCC10K

20、R7ADCSADRDADWR150pFC1GNDGNDP20P21P22P23P24P25P26P27P20P21P22P23P24P25P26P27ADCSADRDADWRSIG1 SIG4P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07Q29012Q19012Q39012Q4901247KR10P10 P11 P12 P13VCCP10P11P12P13D11N4007D41N4007IN1GND2OUT3U2LM780510uFC50.1uFC4VCCGNDMOSI VCCNC NCRST NCSCK GNDMISO GND1 23 45 67 89 10P1 AVRISP

21、VCCGNDMOSIMISOSCKRSTMOSISCKMISO10KR410KR4GNDVCCDS18B20U5GNDVCC4.7KR9P3.0VCC10KR810KR11KR2GNDP3.2P3.2P3.0S1SW-PBGND9VACBDHT11VCC4.7KR3VCCGNDP3.1P3.19013 9013-12V+12VV1+-V010KR105.1KR125.1KR1310KR115.1KR15A B图 3-1 电路原理图 从原理图可以看出本设计所需的硬件主要有 AT89S52 型号的单片 机、ADC0804 转换器、温湿度等传感器、 LED 数码管、 9V 电源。 将电路图所示全部器

22、件按照电路图所示焊接到电路板上，从而完成硬件的制作。 3.2 主要器件的介绍选型 3.2.1 单片机的介绍 单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 单 片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理6 能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动 电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪 80

23、 年代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 32 位 300M 的高速单片机。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合 ，便可成为一个单片机控制系统 3。 单片机经过 1、 2、 3 代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的 CPU 功能在增强，内部资源在增多，引 角的多功能化，以及低电压底功耗。 3.2.2 AT89S52 单片机的介绍 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编

24、程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供 高灵活、超有效的解决方案 4。 与 MCS-51 单片机产品兼容； 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器； 1000 次擦写周期；全静态操作： 0Hz 33Hz；三级加密程序存储器； 32 个可编程 I/O 口线；三个 16 位定时器 /计数器；八个中断源；全双工 UART 串行通道 ；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。 AT89S52 主要功能如下： 1、拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash。 2、晶片内 部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz） 。 3、内部程序存储器（ ROM）为 8KB。 4、内部数据存储器（ RAM）为 256 字节 。 5、 32 个可编程 I/O 口线 。 6、 8 个中断向量源 。 7、三个 16 位定时器 /计数器 。 8、三级加密程序存储器 。 9、全 双工 UART 串行通道 5。