智能仪表课程设计.docx

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1、智能仪表课程设计 智能仪器设计课程设计报告书 班级：自动化0803 学号： 姓名 指导教师： 摘要 实现智能数字显示仪表。要求8位数码管显示（4位显示测量值，4位显示设定值），4输入按钮（功能选择、数码管选择、数字增加、数字减少），可设定上下限报警（蜂鸣器报警）。适配PT100热电阻，测温范围为0300。采用比例控制、并用晶闸管移相驱动1000W电加热器（电源电压为AC220V）。 一、课程设计题目 17. 试设计智能仪表 实现智能数字显示仪表。要求8位数码管显示（4位显示测量值，4位显示设定值），4输入按钮（功能选择、数码管选择、数字增加、数字减少），可设定上下限报警（蜂鸣器报警）。适配PT

2、100热电阻，测温范围为0300。采用比例控制、并用晶闸管移相驱动1000W电加热器（电源电压为AC220V）。 二、题目分析 1.设计任务分析 本设计要求使用ATmega16单片机作为MCU主控芯片，设计一个智能显示仪表。 据任务要求，本系统采用8位数码管分别显示测量温度值和设定值，在设定状态时用来显示设置功能号和该功能实现的设置当前值；系统拥有报警功能，当当前温度超过上限值或者下限值时，蜂鸣器响，且上限报警/下限报警LED灯亮以区分上/下限报警；系统有四个控制按键，功能分别是：功能选择、数码管选择、数字增加、数字减少，用来对温度设定值、上限值、下限值等设置；还有四个状态显示LED灯，分别显

3、示：正常运行、设定状态、上限报警、下限报警；本系统除显示以外，还要求有对加热器控制的功能以达到使温度控制在设定值的要求。 2.功能实现分析 根据设计任务要求，现设想以下设计以满足要求： 仪表适配PT100热电阻，因此首先需要一个PT100热电阻的信号调理电路，使热电阻的热电势转化为MCU可直接测得的电压值，从而测得当前温度值。 采用ATmega16作为主控芯片，可直接利用内部AD转换电路进行，因为内置10位A/D转换器，可以满足一般精度的要求。 按键电路可以采用中断方式进行处理，并且只有先按“功能选择”键才可以启动按键扫描，对其进行处理，在处理过程中关中断，各功能都设置完后，再按“功能选择”键

4、以退出处理程序；不同按键实现不同的功能：“功能选择”键：启动中断，并选择切换不同的设置对象和存储上一个对象设置的值，最后切换完所有功能后按下保存所有设定值并退出中断； “数码管选”键：选择待设定对象的数码管，即选择该对象加/减操作的单位量（1000/100/10/1）； “数字增加”键：在以选择的单位上进行加1个单位的操作； “数字减少”键：在以选择的单位上进行减1个单位的操作。 状态显示和蜂鸣器操作分别用单片机的输出端口操作。 硬件框图： 三、电路器件选型 1.主芯片简介 ATmega16是基于增强的A VR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执

5、行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 其结构图如下： ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个

6、SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声；Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Stand

7、by 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 2.引脚简介 ATmega16引脚图： 引脚简介： VCC：数字电路的电源 GND：地 端口A(PA7.PA0)：端口A 做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。 端口B(PB7.PB0)：端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内

8、部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。端口B 也有其他不同的特殊功能。 端口C(PC7.PC0)：端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C 有其他不同的特殊功能。 端口D(PD7.PD0)：端口D 为8 位双向I/O 口

9、，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输 入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复 位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。 RESET：复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 XTAL2：反向振荡放大器的输出端。 A VCC：A VCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC

10、 连接。 AREF：A/D 的模拟基准输入引脚。 3.传感器件简介 本系统采用PT100热电阻作为测温元件，测温范围0300。 其分度表如下： 四、硬件设计 1.主控MCU模块 1.1电路图 1.2简介 主控MCU采用ATmega16。在主控MCU模块中，接有8MHZ的XTAL1外部晶振，可以用短接帽Jxta1选择内部/外部晶振；在复位端RST接有上电复位和按键复位，实现复位功能；A/D转换的外部参考电平由引脚A VCC提供，通过短接帽JREF1和JREF2可以选择5V或者4.096V作为参考电平；XTAL2提供3.2767KHZ的计时晶振。 2.电源供电模块 2.1电路图 2.2简介 电源由

11、7805稳压得到，外部电源由POWER输入，四个二极管用来防止电源正负极反接引起设备故障或者损坏。外部电源经7805稳压后得到供电电源+5V，而模拟电源+A5V则由数字电源+5V接一个电感得到，为减小干扰，+5V和+A5V都接上去偶电容；发光二极管用于上电指示，表示已上电。 3.信号调理模块 3.1 电路图 3.2 简介 本系统采用PT100热电阻作为测温元件，以上为信号调理电路：该电路采用运放LM258作为恒流源，PT100提供1mA电流，可调电阻RP1用于调节电流为1mA，为防止热电阻损坏和便于替换，将PT100用脚针接出。 采用单电源仪表放大器AD623放大热电阻两端的电压信号，由分度表

12、可知：在0时，热电阻的阻值为100.000，在300时，热电阻的阻值为212.062，由于AD623的放大倍数为20倍，因此AD623的输出电压V o范围为：2V4.241V。 4.光耦驱动模块 4.1 电路图 4.2 简介 本系统要求具有控制加热器的功能，采用二位式控制，即只需控制开和断，设计要求采用晶闸管过零驱动，故设计如上图：采用MOC3062进行驱动，该电路相当于单片机控制一个交流功率开关，控制负载得电或失电，特别是在交流电过零瞬间，因此对电网冲击小，电磁辐射小。电阻R1用于控制MOC3062输入电流在10mA左右；电阻R2用于限制被驱动双向晶闸管的门极触发电流IGT；R3用于抗干扰；

13、Cs用于限制电压的上升速率dV/dt；电阻Rs用于限制Cs上的浪涌电流。 5.按键模块 5.1 电路图 5.2 简介 本系统有4个功能按键，按键模块如上图： K0：功能选择； K1：数码管选择； K2：数字增加； K3：数字减少。 按键模块的扫描由K0启动INT0中断进行处理，在处理过程中管中断并一直扫描键盘进行设定操作。四个按键通过RKEY接地连接到引脚PB0、PB1、PB2、PB3，单片机内含有上拉电阻。 6.状态显示模块 6.1 电路图 6.2 简介 本系统有四个状态显示LED，其功能分别是： LED1：正常工作，连接到PA0控制； LED2：处于设定状态，连接到PA1控制； LED3：

14、上限报警，连接到PA2控制； LED4：下限报警，连接到PA3控制。 四个LED等都是低电平控制，在系统运行控制中显示系统状态。 7.数显模块 7.1 电路图 7.2 简介 本系统的数字显示模块采用两片74HC595控制，共2块8个共阳数码管，其中Uy1控制段选，控制八段数码管的导通与断开，而Uy2则控制位选，选择其中一个作为当前选亮的数码管，采用动态显示。 控制线只有3根，分别接在PC0，PC1，PC2上，其中PC0分位输出数据；PC1输出锁存信号，对输入进行锁存；PC2输出移位脉冲，控制移位，每输入一位数据都需移动一位；因此需要全部点亮八个数码，必须输出8次16位数据，每次的16位数据包括位选码和段选码。 8.蜂鸣报警模块