温度测控仪的设计.rar

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    温度 测控 设计
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    贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页I目录摘要 ....................................................................IIIAbstract .................................................................IV第一章 绪论 ..............................................................11.1 研究背景 ..........................................................11.2 国内外研究的现状 ..................................................11.3 课题意义 ..........................................................21.4 本文内容及结构 ....................................................3第二章 单片机的运用及简介 ................................................42.1 单片机的原理 ......................................................42.1.1 单片机的特点 ................................................52.1.2 单片机最小系统 ..............................................52.2 单片机应用领域 ....................................................52.3 单片机的具体应用— 单片机的时钟电路 ................................72.3.1 内部时钟方式 ................................................72.3.2 外部时钟方式 ................................................72.4 复位电路 ..........................................................8第三章 所需芯片简介 ......................................................93.1 MCS-51 单片机 .....................................................93.1.1 8051 单片机特点 ..............................................93.1.2 8051 单片机引脚图及引脚功能介绍 ..............................93.1.3 80C51 单片机 .................................................93.2 74LS164 介绍 .....................................................103.2.1 74LS164 的引脚介绍 ..........................................103.2.2 74LS164 具体应用 ............................................103.3 AD0809 介绍 ......................................................123.3.1 AD0809 的内部结构 ...........................................13第四章 温度测控仪的设计 .................................................15贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页II4.1 LED 数码管显示 ...................................................154.1.1 显示基本原理 ...............................................154.1.2 LED 数码管显示接口 ..........................................164.1.3 LED 数码管 ..................................................164.2 温度传感器的分类和应用 ...........................................174.2.1 模拟温度传感器 .............................................174.2.2 数字式温度传感器 ...........................................174.2.3 逻辑输出型温度传感器 .......................................194.3 常用外围设备接口电路 .............................................204.4 设计说明 .........................................................204.5 电路图 ...........................................................214.6 流程图及源程序 ...................................................224.6.1 流程图 .....................................................224.6.2 源程序 .....................................................224.6.3 仿真图 .....................................................25第五章 总结 .............................................................27参考文献 .................................................................28致谢 .....................................................................29诚信承诺书 ...............................................................30贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页III温度测控仪的设计摘要温度是是我们日常生活中必不可少的,温度测量与控制也与我们的生活息息相关。温度测量与控制不但可用在家居中,也可用在花卉大棚中,还可以在工业,农业,国防等行业有着广泛的应用。利用单片机技术的温度测控仪以体积小,可靠性高而被广泛的采用。为了提高对温度传感器的研究以及其用途,基于实用,广泛和典型的原则而设计了这一温度测控仪系统。而近百年来,温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段;传统的分立式温度传感器;模拟集成温度传感器/控制器;智能温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。本设计重点对测控仪硬件,软件的组成进行了分项,模块化逐步分析设计。对各部分的电路逐一进行分析。最终实现该电路的硬件电路,绘制了电路原理图。完成了硬件调试。根据硬件的设计和测控仪所要实现的功能,并反复的模拟运行,调试,修改。最后形成了一套完整的程序系统。整个文章分为五个部分:第一部分主要介绍温度测控仪的当前概括和研究的意义背景。第二部分详细讲述了单片机的运用及介绍。第三部分讲述本次设计所需的芯片的简介。第四本分重点讲述此次设计的重点:温度测量与控制仪是如何设计的。第五部分是对本次设计的总结关键词:温度;环境温度;测量;控制;传感器贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页IVDesign of Temperature MonitorAbstractTemperature is essential to our daily lives, the temperature measurement and control but also with our lives. Temperature measurement and control is not only available in the home can also be used in the flower greenhouses, but also in industry, agriculture, national defense and other industries have wide applications. Monitor the temperature using SCM technology to small size, high reliability has been widely adopted. To improve the temperature sensor and its use, based on practical, extensive, and the principle of the typical design of the temperature measurement and control instrument system. The past century, the development of the temperature sensor has gone through three phases; the traditional discrete temperature sensor; analog integrated temperature sensor / controller; smart temperature sensor. Currently, the international new temperature sensor is moving from analog to digital, from the integrated to the intelligent, network-oriented direction. Monitor the design focus on the hardware and software sub-components were modular analysis and design phase. One by one for each part of the circuit analysis. Ultimate realization of the hardware circuit of the circuit, the circuit schematic drawing. Completed the hardware debugging. Monitor the hardware design and functionality to be achieved, and repeated the simulation run, debug, modify. Final form of a complete program system. The article is divided into five parts: The first part introduces the general temperature measurement and control instrument and study the significance of the current background. The second part describes in detail the use and introduction of SCM. The third part describes the design of this chip required an introduction. The fourth sub-highlight the focus of this design: temperature measurement and control instrument is how to design. The fifth part is a summary of this design Key words: Temperature,Ambient temperature,Measurement, Control,Sensors贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页1第一章 绪论温度测控系统是比较常见的和典型的过程系统,温度是工业过程中重要的被控参数之一,温度在生态中也有重要地位。生态区划是在对生态系统客观认识与充分研究的基础上,利用生态原理和方法揭示自然地狱内在的相似性和差异性 。在冶金,食品,机械等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉等对工件处理温度等均需要对温度严格控制与测量。当今计算机控制在这方面的应用,已经是温度控制系统达到自动化,智能化。1.1 研究背景30—40 年代,运用以单变量控制为主要内容的古典控制理论,采用大尺寸的基地式仪表,实现就地分散控制与测量,以稳定产品质量,改善劳动条件,降低原料和能源消耗50—60 年代,运用多变量控制,最佳控制等为主要内容的现代控制理论,以单元组合仪表构成集中控制与测量系统,并将单元组合仪表,巡回检测仪表和工业计算机相配合组成控制系统,以适合工业设备大型化和连续化,实现集中控制,提高设备效率,确保生产安全。整个系统分成现场设备和中央控制两块。现场设备一般是检测,执行单元仪表。控制室则完成调节单元仪表,记录。显示等功能。现场设备和中央控制室之间以 0~10mA 或 4~20mA 等标准信号传递信息。70 年代以来。以计算机通信技术为基础,运用大系统理论,采用大,中,小,微型计算机,组成分级控制系统--简称集散控制系统,把单机控制,协调控制,最佳控制和生产调度结合起来,实现对温度测量,控制的自动化。控制分为本地和远程控制 。1.2 国内外研究的现状目前先进国家都装备有完善的测量议表和计算机控制系统。其计算机控制已采用集散系统和分布式系统的形式,大部分分配有先进的控制算法,能够获得较好的工艺性能指标。我国的温度测控系统的发展大致经历三个阶段:贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页2第一阶段:基地式仪表。四十年代初,当时由于石油,化工,电力等 工业对自动化的需要,出现了将测量,记录,调节仪表组装在一个表壳里的基地式仪表。如自力式温度调节器。基地式仪表一般结构简单,价格低廉,它们的功能仅限于单回路控制且控制精度低。第二阶段:单元组合式仪表。随着大型工业企业的出现,生产向综合自动化和集中测量控制的方向发展,人们发现基地式仪表的结构不够灵活,不如将仪表按功能划分,制定若干种能独立完成一定功能的标准单元,各单元之间以规定的标准信号相互联系,这样仪表的精度可以提高。在使用中可根据需要,选择一定的单元,积木式地把仪表组合起来,构成各种复杂程度不同的自动测量控制系统,这种积木式的仪表就称为单元组合式仪表。以上两个阶段,无论是基地式仪表阶段,还是单元组合式仪表阶段都是利用各种仪表对温度进行测量,调节,控制。对于较复杂的系统,难以实现复杂的控制规律,测量精度不高。第三阶段:微机控制阶段,随着微电子技术的发展,大规模集成电路制造的成功和微处理器的问世,计算机性能价格比的明显提高以及微型计算机在工业控制领域中的应用,使得温度测控系统发展到微机控制阶段。温度微机控制系统取代模拟控制系统,克服了其调节精度差。可靠性不高的缺点。由于计算机具有高速的数据运算处理功能和打容量存储信息的能力,使得此类似系统稳定可靠,维护方便,抗干扰能力强,而且可以采用先进的控制算法以进一步提高测控能力。1.3 课题意义温度是生活及生产中最基本的物理量,它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理,化学过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中,温度的测量和控制都直接和安全生产,提高生产效率,保证产品质量,节约能源等重大技术经济指标相联系。因此,温度的测量在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。近年来,温度的检查在理论上发展比较成熟,但在实际测量和控制中,如何保证快速实时地进行采样,确保数据的正确传输,并能对所测温度进行较精准的控制,任然是当前所需要解决的问题。温度测控技术包括温度控制和测量两个方面:贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页3在温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类:动态温度跟踪和恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是是被控对象的温度值预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标,如在发酵过程中的控制,化工业生产中的化学反应温度控制。恒值温度控制的目的是是被控对象的温度恒定在某一数值上,且要求其波动幅度不能超过某一给定值。在温度的测量技术中,接触式测量发展较早,这种测量方法的优点是:简单,可靠,低廉,测量精度较高,一般能够测量得到真实的温度,但由于检测元件惯性的影响,响应时间较长,对热容量小的物体难以实现精确地测量,并且该方式不适宜于对腐蚀性介质测温,不能用于极高温测量,难于测量运动物体的温度。非接触式测温是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方式,其优点是:不破坏被测温场,可以测量热容量小的物体,适于测量运动温度,还可以测量区域的温度分布,响应速度较快,但也存在测量误差较大,仪表指示值一般仅代表表观温度,结构复杂,价格昂贵等缺点。因此,在实际的测量中,要求根据具体的测量对象选择适合的测量方法,在满足测量精度要求的前提下尽量减少人力和物力的投入。1.4 本文内容及结构第一章 绪论。主要介绍本设计的背景知识及总体方案分析。第二章 单片机的运用及简介。第三章 所需芯片的简介第四章 温度测量与控制设计。着重介绍系统的设计,调试等。第五章 总结。介绍论文研究过程中得出的重要结论,参考文献及致谢。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页4第二章 单片机的运用及简介2.1 单片机的原理单片机到底是是什么?就是一个电脑,只不过是微型的,但麻雀虽小,五脏俱全。它内部也用和电脑功能类似的模块,比如 CPU,内线,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都能相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱也相对很低。我们可以用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作。我们现在用的全自动滚筒洗衣机等家用电器里面就可以看到它的身影。当然它的主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机,在线式就是现场控制,需要的是有较强的抗干扰能力,较低的成本,这也是和离线式计算机的主要区别。单片机是靠程序运行,并且可以修改,通过不同的程序实现不同的功能,尤其是特殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的,有些则是花费很大力气也难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开放的 74 系列,或者 60 年代的 CD4000 系列这些硬件就可以了。电路一定是一块大 PCB 板。但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机,结果就会有天壤之别。由于单片机对成本是敏感的,所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言(近几年,C 语言也开始广泛被应用),它是除了二进制机器码以上最低级的语言了,既然这么低级为什么还要用呢?很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢?原因很简单,就是单片机没有家用计算机那样的 CPU,也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮,也会达到几十 K 的尺寸!对于家用 PC 的硬盘来讲没什么,可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行,所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理,如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用 PC上来运行,家用 PC 的也是承受不了的。目前最常用的单片机为 MCS-51,是由美国INTEL 公司(生产 CPU 的英特尔)生产的,89C51 是这几年在我国非常流行的单片机,它是由美国 ATMEL 公司开发生产的,其内核兼容 MCS-51 单片机。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页52.1.1 单片机的特点 高集成度,体积小,高可靠性。  控制功能强。  低电压,低功耗,便于生产便携式产品。  易扩展。  优异的性能价格比。 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率,单片机已开始使用 RISC 流水线和 DSP 等技术。单片机的寻址能力也已突破 64KB 的限制,有的已可达到 1MB 和16MB,片内的 ROM 容量可达 62MB,RAM 容量则可达 2MB。由于单片机的广泛使用,因而销量极大,各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉,其性能价格比极高。2.1.2 单片机最小系统如图 2.1 所示:Y122.1184C915PC810uFS1SW-PBALEWRRDRXDTXDINT0EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10VCC 40GND 20U189S52VCCPSENP10P11P12P13P14P15P16P17T0T1INT1P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27VCCR610KR4101R510KC1015PX1X2图 2.1 最小系统2.2 单片机应用领域 单片机在智能仪器仪表中的应用。在各类仪器仪表中引入单片机,使仪器仪表智能化,提高测试的自动化程度和精度,简化仪器仪表的硬件结构,提高其性能价格比。  单片机在机电一体化中的应用。机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体,具有智能化特征的机电产品,例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页6器,能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点,可大大提高机器的自动化、智能化程度。  单片机在日常生活及家用电器领域的应用。自从单片机诞生以后,它就步入了人类生活,如洗衣机、电冰箱、空调器、电子玩具、 电饭煲、视听音响设备等家用电器配上单片机后,提高了智能化程度,增加了功能,倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。  在实时过程控制中的应用。用单片机实时进行数据处理和控制,使系统保持最佳工作状态,提高系统的工作效率和产品的质量。  办公自动化设备。现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。  商业营销设备。在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC 卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。  在计算机网络和通信领域中的应用。现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。  单片机在医用设备领域中的应用。单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 汽车电子产品。现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器(黑匣子)等都离不开单片机。  航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域。单片机的应用更是不言而喻。 综合所述,单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面,单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用
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