智能儀器智能溫度測試儀的設(shè)計(jì).doc
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北華大學(xué) 智能儀器 綜合設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)報(bào)告 題目:智能溫度測試儀的設(shè)計(jì) 專業(yè):測控技術(shù)與儀器 班級: 姓名: 學(xué)號: 指導(dǎo)老師: 目錄 一、 概述 …………………………………………………………………1 二、 方案設(shè)計(jì) ……………………………………………………………2 1.設(shè)計(jì)任務(wù) ………………………………………………………………2 2.總體方案 ………………………………………………………………2 3.具體方案 ………………………………………………………………2 4.PT100傳感器特性 … ………………………………………………………3 5.測溫原理 ……………………………………………………………………3 三.MK-4PC 智能儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)簡介 ……………………………………3 四.硬件電路設(shè)計(jì) … ……………………………………………………5 1.硬件功能分析 …………………………………………………………5 2.各部分硬件設(shè)計(jì)…………………………………………………………5 五.軟件設(shè)計(jì)………………………………………………………………8 1. 編程環(huán)境介紹 …………………………………………………………8 2.軟件功能需求分析……………………………………………………………10 3.各部分軟件設(shè)計(jì)………………………………………………………………11 a.軟件的流程圖……………………………………………………………… 11 b.主程序…………………………………………………………………………11 六.調(diào)試…………………………………………………………………………21 七.實(shí)習(xí)總結(jié)……………………………………………………………………21 八.參考文獻(xiàn)………………………………………………………………22 一、概述 溫度是自然界中和人類打交道最多的物理參數(shù)之一,無論是在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)場所,還是在居住休閑場所,溫度的采集或控制都十分頻繁和重要,而且,網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程采集溫度并報(bào)警是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個必然趨勢。 由于溫度不管是從物理量本身還是在實(shí)際人們的生活中都有著密切的關(guān)系,所以溫傳感器就會相應(yīng)產(chǎn)生。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng),它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類,前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸,而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離,檢測從待測物體放射出的紅外線,達(dá)到測溫的目的。 由于PT100熱電阻的溫度與阻值變化關(guān)系,人們便利用它的這一特性,發(fā)明并生產(chǎn)了PT100熱電阻溫度傳感器。它是集溫度濕度采集于一體的智能傳感器。溫度的采集范圍可以在-200℃~+200℃,濕度采集范圍是0%~100%。pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成:傳感器和信號轉(zhuǎn)換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻;信號轉(zhuǎn)換器主要由測量單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元組成(由于工業(yè)用熱電阻和熱電偶分度表是標(biāo)準(zhǔn)化的,因此信號轉(zhuǎn)換器作為獨(dú)立產(chǎn)品時也稱為變送器),有些變送器增加了顯示單元,有些還具有現(xiàn)場總線功能。此次實(shí)習(xí)我們利用SST89V564RD單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度測量系統(tǒng)。 二、方案設(shè)計(jì) 1.設(shè)計(jì)任務(wù) 測溫的模擬電路是把當(dāng)前PT100熱電阻傳感器的電阻值,轉(zhuǎn)換為容易測量的電壓值,經(jīng)過放大器放大信號后送給A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后傳給單片機(jī),單片機(jī)再根據(jù)公式換算把測量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值,并將數(shù)據(jù)送出到LCD顯示器進(jìn)行顯示。 2.總體方案 智能溫度測量儀的設(shè)計(jì),包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。先對該測量儀進(jìn)行概括性介紹,然后介紹該測量儀在硬件設(shè)計(jì)上的主要器件:“Pt100熱電阻”、單片機(jī)和LCD顯示器以及描述測量儀的總體結(jié)構(gòu)原理。在本設(shè)計(jì)中,是以鉑電阻PT100作為溫度傳感器,采用恒流測溫的方法,通過單片機(jī)進(jìn)行控制,用放大器、A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度信號的采集。總體來說,該設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫度傳感器,信號放大電路,A/D轉(zhuǎn)換模塊,數(shù)據(jù)處理與控制模塊,溫度顯示五個部分。 3.具體方案 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括溫度信號采集單元,單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元,溫度顯示單元。其中溫度信號的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號的獲取電路(采樣)、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖 本溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì),是采用PT100溫度傳感器經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī)進(jìn)行控制溫度顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過外接電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能,從而更好的實(shí)現(xiàn)溫度現(xiàn)場的實(shí)時控制。 經(jīng)過多次的修改和調(diào)試測量,本設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求,由于受人為因素和軟硬件的限制,系統(tǒng)難免不了帶來一些誤差,但通過調(diào)節(jié)和精確計(jì)算可以減小誤差。 4.PT100傳感器特性 電阻式溫度傳感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物 質(zhì)材料作成的電阻,它會隨溫度的改變而改變電阻值。 PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器,屬于正電阻系數(shù), 由于它的電阻—溫度關(guān)系的線性度非常好,因此在測量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下:R=Ro(1+αT) 其中α=0.00392, Ro為100Ω(在0℃的電阻值),T為華氏溫度,因此鉑做成的電阻式溫度傳感器,又稱為PT100。 PT100溫度傳感器的測量范圍廣:-200℃~+600℃,偏差小,響應(yīng)時間短,還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn),其得到了廣泛的應(yīng)用,本設(shè)計(jì)即采用PT100作為溫度傳感器。 5.測溫原理 通過運(yùn)放U1A將基準(zhǔn)電壓4.096V轉(zhuǎn)換為恒流源,電流流過Pt100時在其上產(chǎn)生壓降,再通過運(yùn)放U1B將該微弱壓降信號放大(圖中放大倍數(shù)為10),即輸出期望的電壓信號,該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。 智能儀器實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺集中了單雙極性輸入通道、程控放大、模擬濾波、16位A/D轉(zhuǎn)換及CPLD技術(shù)和單片機(jī)技術(shù),并具有超過128KB的大存儲空間,集中體現(xiàn)了智能儀器課程所涉及到的各種軟硬件技術(shù),非常適合大學(xué)本科生的學(xué)習(xí)以及在此基礎(chǔ)上的進(jìn)一步開發(fā)。 三.MK-4PC 智能儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)簡介 智能儀器實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺采用模塊化設(shè)計(jì),整個平臺設(shè)有一個母板,該母板具有四個相同規(guī)格的擴(kuò)展部分,每個擴(kuò)展部分設(shè)四個插口,每個插口對應(yīng)的分別為單片機(jī)的P0、P1、P2、P3口,如圖1所示。設(shè)計(jì)時將單片機(jī)作為控制部分的核心,因此單片機(jī)板獨(dú)立占用其中一個擴(kuò)展,顯示部分采用液晶模塊完成,該部分還設(shè)有四個按鍵作為組合按鍵使用。第三個部分為基于CPLD的16位數(shù)據(jù)采集部分,設(shè)有兩個獨(dú)立輸入通道,每個通道可設(shè)置為單極性輸入或雙極性輸入,具有程控放大、模擬濾波等功能,CPLD控制A/D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)的采集工作,數(shù)據(jù)采集的采樣頻率可設(shè)置為10KHz、20KHz … 500KHz,采樣點(diǎn)數(shù)可以根據(jù)要求設(shè)置。平臺的最后一個擴(kuò)展部分為空,留給平臺的使用者做擴(kuò)展使用,根據(jù)要求自己獨(dú)立設(shè)計(jì)該部分的電路。 圖1俯視尺寸規(guī)格圖(單位:毫米) 除平臺能夠獨(dú)立完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外,為實(shí)現(xiàn)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示,該平臺還可以通過標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口與PC機(jī)連接,通過PC機(jī)的顯示器將數(shù)據(jù)波形顯示出來,同時還可以利用該串行接口對單片機(jī)進(jìn)行仿真或傳輸控制參數(shù)使其工作在設(shè)定模式下。整個功能框圖如圖2所示。 圖2 功能框圖 四.硬件電路設(shè)計(jì) 1.硬件功能分析 圖4 硬件部分電路圖 后面有CPLD及單片機(jī),單片機(jī)控制液晶顯示部分。 圖5 液晶顯示器電路圖 2.各部分硬件設(shè)計(jì) 對于熱電阻的測量電路我們可以采用二線式的測量電路等。而對于我們此次實(shí)習(xí)則選擇利用恒流源模擬此測量部分。 二線式圖如下: 圖6 二線式圖 信號取回后需要進(jìn)行信號的調(diào)理,信號調(diào)理電路圖如下: 圖7 信號調(diào)理電路圖 右下角OP07起偏置作用。調(diào)節(jié)電位器Rpot1可調(diào)節(jié)偏置。 上圖的差分放大電路的輸出連接至程控放大電路的輸入。電路圖如下: 圖8 程控放大電路圖 程控放大器的輸出信號進(jìn)入電平抬高電路。如下: 圖9 電平抬高電路圖 兩個二極管起鉗位作用。這個電路是求差電路。 電平抬高電路的輸出進(jìn)入程控濾波電路。如下圖: 圖10 程控濾波電路圖 用到的程控濾波芯片為LTC1569-7,F(xiàn)CLK0是CPLD產(chǎn)生的方波信號,用來控制濾波器截止頻率。若要控制濾波器截止頻率為1kHz,CPLD要產(chǎn)生32k的方波信號給FCLK0。 程控濾波電路之后接入A/D轉(zhuǎn)換器。圖如下: 圖11 AD轉(zhuǎn)換電路圖 U20為AD780,它是基準(zhǔn)電壓芯片。A/D轉(zhuǎn)換器是AD7655,它是一款16位的A/D,它的數(shù)據(jù)口D0-D7、控制端口BUSY、CNVST、IMPULSE、BYTESWAP連接至CPLD。單片機(jī)通過往CPLD寫控制字來控制A/D的采樣率。 單片機(jī)部分的電路圖如下: 圖12 單片機(jī)部分電路圖 五.軟件設(shè)計(jì) 1. 編程環(huán)境介紹 單片機(jī)軟件開發(fā)采用目前比較通用的Keil51開發(fā)軟件完成,該軟件有很多詳細(xì)的應(yīng)用文檔,在此不再贅述。如果不使用硬件仿真器,多數(shù)通用單片機(jī)都無法實(shí)現(xiàn)在線仿真功能,而本實(shí)驗(yàn)平臺所用單片機(jī)SST89V564RD可以實(shí)現(xiàn)在線仿真以及程序下載功能,兩者皆可以通過PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口與Keil51軟件通信實(shí)現(xiàn),其連接示意圖如下圖,本節(jié)主要介紹如何在現(xiàn)有Keil51軟件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)上述功能。針對在線仿真功能,SST公司為方便用戶使用單片機(jī)調(diào)試程序而開發(fā)了調(diào)試工具SoftICE(Software In Circuit Emulator,在電路軟件模擬),該調(diào)試工具可實(shí)現(xiàn)下述功能: 下載INTEL HEX文件 在線調(diào)試及設(shè)置斷點(diǎn),支持匯編語言和C51語言 反匯編代碼區(qū)到8051助記符 讀寫代碼/數(shù)據(jù)存儲器、FSR特殊功能寄存器及PORT端口 IAP(In Application Programming,應(yīng)用中再編程)功能 軟件重啟動 圖6 計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)平臺連接示意圖 對于我們本次實(shí)習(xí)的單片機(jī)SST89V564RD,我們用keil C51編程環(huán)境進(jìn)行程序的編寫。keil C51 軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一。它集編輯、編譯、仿真于一體,支持匯編、PLM 語言和 C 語言的程序設(shè)計(jì)。界面友好,易學(xué)易用。對于下載的軟件我們可以直接用keil C51下載。同時我們也可以在SST軟件的下載頁面中下載。而且這兩種下載方式都需要程序生成.HEX文件。如下圖所示: 圖13 而應(yīng)用SoftICE調(diào)試工具進(jìn)行程序在線仿真調(diào)試的過程是這樣的: (1)利用SST Boot-Strap Loader軟件將SoftICE直接下載到單片機(jī)中,重新上電復(fù)位后,單片機(jī)中的SoftICE便可以與Keil51軟件通信以進(jìn)行仿真調(diào)試,下載界面如下 (2)在Keil51軟件上選擇使用的單片機(jī)型號SST89V564RD; (3)在Keil51軟件的Project下拉菜單中選擇“Options for Target‘Monitor51’”; (4)在Options for Target‘Monitor51’窗口的Debug欄中選擇“Use Keil Monitor-51 Driver”,由于每次RESET目標(biāo)板時用戶代碼區(qū)會被擦除,如果用戶程序需要在開始時下載到目標(biāo)板,要勾上“Load Application at Startup”; (5)點(diǎn)擊Settings項(xiàng),彈出Target Setup窗口進(jìn)行配置,可以選擇PC機(jī)與目標(biāo)板通信的串行接口及波特率,如果需要顯示存儲器的實(shí)時窗口,請不要選Cache Options,注意,如果選擇了的中斷向量3Serial Interrupt去Stop Program Exacution,SoftICE將修改在位置0023H個字節(jié),要確保用戶程序未占用這些地址; (6)開始調(diào)試,此時可以根據(jù)Keil51軟件的Debug進(jìn)行程序調(diào)試。通過View下拉菜單的部分選項(xiàng)可以觀察及修改特殊功能寄存器及數(shù)據(jù)存儲器等的內(nèi)容。 2.軟件功能需求分析 單片機(jī)軟件開發(fā)采用目前比較通用的Keil51開發(fā)軟件完成。如果不使用硬件仿真器,多數(shù)通用單片機(jī)都無法實(shí)現(xiàn)在線仿真功能,兩者皆可以通過PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口與Keil51軟件通信實(shí)現(xiàn)。針對在線仿真功能,SST公司為方便用戶使用單片機(jī)調(diào)試程序而開發(fā)了調(diào)試工具SoftICE(Software In Circuit Emulator,在電路軟件模擬)。該調(diào)試工具可實(shí)現(xiàn)下述功能: (1) 下載INTEL HEX文件; (2)在線調(diào)試及設(shè)置斷點(diǎn),支持匯編語言和C51語言; (3)反匯編代碼區(qū)到8051助記符; (4)讀寫代碼/數(shù)據(jù)存儲器、FSR特殊功能寄存器及PORT端口; (5)IAP(In Application Programming,應(yīng)用中再編程)功能; (6)軟件重啟動。利用該調(diào)試工具我們可以很方便的用計(jì)算機(jī)對MK-4PC智能儀器實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)及實(shí)習(xí)。 3.各部分軟件設(shè)計(jì) a.軟件的流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 PT100溫度數(shù)據(jù)采集 處理讀到的數(shù)據(jù) 送LCD顯示 結(jié)束 開始 初始化函數(shù) A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換 將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換為溫度 返回 圖1 系統(tǒng)總流程圖 圖2 溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 調(diào)用溫度子程序 調(diào)用顯示子程序 調(diào)用掃描按鍵程序 開始 將溫度數(shù)據(jù)寫入到LCD 讀取溫度值 顯示溫度值 返回 圖3 顯示流程圖 圖4 主函數(shù)流程圖 b.主程序 ADS7841驅(qū)動程序 #include- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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