智能仪器设计课程设计.docx
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课程名称：
智能仪器设计课程设计
实验项目：
_设计智能仪表
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
20 年 1 月 12 日
目 录
一、设计目的及要求 3
二、设计思路 3
三、硬件电路原理图与设计 3
3.1智能仪表基本模块硬件电路 3
3.2智能仪表基本模块的功能 8
四、测温模块设计 9
4.1热电偶 9
4.2热电偶信号调理电路 10
五、驱动双向晶闸管设计 10
六、软件设计 11
6.1主程序 11
6.2子程序 12
七、总结 16
一、设计目的及要求
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B型（铂铑30）热电偶，测温范围为400℃~1200℃。
采用位式（两位、三位，具有滞环）控制、并用晶闸管过零驱动1000W电加热器（电源电压为AC220V）。
二、设计思路
通过B型（铂铑30）热电偶测量的答题思路为
三、硬件电路原理图与设计
3.1智能仪表基本模块硬件电路
智能仪表基本模块由单片机、输入按钮、硬件显示和通信接口组成原理图：
.
JLED
4
3
2
1
.
Jkey1
1
2
3
4
13
12
10
11
15
1
2
3
4
5
6
7
9
1312
10
11
15
1
2
3
4
5
6
7
9
SN74HC595
14
SER QHQH1
QA
RCK QB
QCSRCLRQD
SRCKQEQFQG
G
SN74HC595
14
G QA
RCK QBQC
SRCLRQD
SRCKQEQFQG
SER QHQH1
11
11
3
5
10
1
2
4
7
abcdefgh
3
5
10
1
2
4
7
abcdefgh
.
abcdefgh
.
.
510¦¸x8
SM2
LLM
RMR
SM1
LLM
RMR
n812
n79
n68
n56
n412
n39
n28
n16
.
.
.
.
.
.
.
hgf
ed
cba
+5V
510¦¸x4
Uy1
Uy2
AN1AN2AN3
AN4
Rz1510
J5951
3
2
1
data
RCKSRCK
+5V
.
（1）最小系统板电路
n8n7n6n5n4n3n2n1
（2）电源电路
（3）按键电路
（4）扬声器电路
（5）数码管电路
（6）信号调理电路
（7）功率驱动电路
（8）LED电路
3.2智能仪表基本模块的功能：
（1）具有两排8个是数码管显示，分别显示测量值与设定值，数码管由74HC595驱动，因此只需要3个单片机引脚，可以用SPI接口引脚：
PB4、PB5（MOSI）和PB7（SCK），或是采用I/O引脚搭配时序的方法驱动。
（2）具有4个按钮：
功能选择按钮、数码管选择按钮、数字加按钮、数字减按钮。
按钮直接连在单片机引脚，低电平有效。
（3）具有4个LED灯，用于显示状态，直接连到单片机引脚，低电平有效。
智能仪表的外形：
PV
SV
.
SET
ÖÇÄÜÒDZ
.
.
.
其中上排数码管显示测量值，下排数码管显示设定值，4个按钮用三个，右上侧有4个发光二极管。
四、测温模块设计
4.1热电偶
B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。
适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。
B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。
B型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。
两种不同成分的导体两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势成为热电势，也称为热电动势，热电偶就是利用这种原理进行温度测量的。
其中，直接用做测量介质温度的一端叫作工作端（称为测量端），另一端叫做冷端（称为补偿端）。
冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会显示出热电偶所产生的热电势。
热电偶将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注
意以下问题：
（1）热电偶所产生的热电势大小，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成分和两端的温差有关
（2）当热电偶的两个热电偶丝材料成分确定后，热电偶电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，则热电势仅是工作端温度的单值函数
本设计要求的B型（铂铑30）热电偶测温范围如下表
热电偶分类
热电偶电极材料
温度范
围
（ C）
热电动势（mV）/温度
（ C）
正极
负极
B
铂铑30
铂铑6
0—1800
0/0 18.84/1800
.
.
.
D11N4001
JD1
~220V
L N
G1
JRELAY
R1
300¦¸C1
104
1
2
TLP521-1+12V
4
3
9013
Q1
R1
10k¦¸
R1
5.1k¦¸
R5
470¦¸
0.047uFC3
J1_1
J1_2
.
¼ÓÈÈÆ÷2000W
.GND12
GND12
加热器1000W
JC1
2
1
4.2热电偶信号调理电路
采用LM35的B00000000 型热电偶冷端补偿电路
B型热电偶在0度时的热电势为0mV，在1600度时的热电势为18.84mV。
若输出电压为0.2-3.3v。
因此放大器输出电压方程为：
1）0.2=m*0+b和2）3.3=m*18.84+b算出m、b的值然后根据
3）m=[R2/（R1+R2）][（Rf+Rg）/Rg]和4）b=Vref[R1/（R1+R2）][（Rf+Rg）/Rg]算出实验所需的数据
五、驱动双向晶闸管设计
本系统采用晶闸管脉冲调制驱动电路，其负载为1000W的电加热器（电源电压为
220VAC）。
单片机驱动晶闸管脉冲调制驱动器的电路如下图所示。
8
1
7
5
2
4
6
3
+12V
.
单片机驱动晶闸管脉冲调制驱动器的电路
六、软件设计
6.1主程序
#include#include
unsignedcharvadc; //vadc测得的放大电势值
unsignedintvar; //测得的温度值
Unsignintdata[8]; //全局变量unsignedcharxs[8]; //数据缓存
unsignedchardisp[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,//共阳数码
0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf,0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f,0xFE,0xFF};
unsigned intweizhi[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};高电平有效*/
unsignedcharLED0,LED1,LED2,LED3;
Voidmain（void） //主函数
{
unsigncharadc_time;unsigncharsaomiao_time;unsigncharxianshi_time;
init_devices（）；adc_time=0;}
while
（1）
While（adc_time=1） //测温
{adc（）;
Charlp（）; //滤波
PID（）；
Shuchu（）;adc_time=0;}
While（saomiao_time==1）
{saomiao1（）; //扫描按键并存放数据
Saomiao_time=0;}while（xianshi_time==1）
{spihc（）; //数码管显示
LED（）; //LED灯显示
xianshi_time=0;}
}
#pragmainterrupt_handlerint_TCCR1A:
7 //定时器1的TCCR1A组比较匹配中断服务程序
{staticunsignedcharn；
n++;
If（n==20） //200ms
adc_time=1; //adc转换
Saomiao_time=1; //扫描PD口按键
xianshi_time=1; //显示数码管
}
6.2子程序
（1）ADC初始化函数
Voidadc_init（void）
{ADCSRA=0x00; //ADCSRA–ADC控制和状态寄存器
ADMAX=0x20; //选择外部参考电压，通道0，左对齐
ADCSRA=0xE2;
SFIOR=0Xa0; //SFIOR-特殊功能IO寄存器，定时器1比较匹配B
}
（2）ADC转换程序
Voidadc（void）
{staticunsignedcharn;
while（!
（ADCSRA&（1<ADH=ADCH; //8位转换
If（n<5）
Value_adc[n++]=ADH;
Else
n=0;}
（3）算术平均值滤波子函数VoidCharlp（void）
{Intsum=0;
Charcount;
For（count=0;count<5;count++）
{ sum+=Value_adc[count]; //获取ADC转换结果，计算相加
Delay（）;}vadc=sum/5;
}
（4）定时器初始化函数
VoidT1_init（void） //初始化定时器，产生10ms周期中断
{OCR1A=1249;TIMSK|=（1<TCCR1B=0x08; //定时器工作在CTC计数器模式
TCCR1B|=0x02; //设定定时器1的分频值为8分频
}
（5）显示LED灯子程序
VoidLED（void）
{if（LED0==1）PORTB^=0x01;If（LED1==1）
PORTB|=1<<1;If（LED2==1）PORTB|=1<<2;If（LED3==1）
PORTB|=1<<3;
}
（6）定时器1的TCCR1A组比较匹配中断服务程序
#pragmainterrupt_handlerint_TCCR1A:
7 //定时器1的TCCR1A组比较匹配中断服务程
序
{staticunsignedcharn；
n++;
If（n==20） //200ms
adc_time=1; //adc转换
Saomiao_time=1; //扫描PD口按键
xianshi_time=1; //显示数码管
}
（7）SPI初始化
VoidSPI_init（void）
SPDR=（1<<6）|（1<<4）|（1<<5）|（1<<1）|（1<<0）; //使能SPI主机模式，设置时钟速率为
fck/128
}
（8）引脚初始化函数
Voidport_init（void） //引脚初始化函数
{PORTA=0x80; //AD通道PA0口输入模拟信号
DDRA=0x80;
PORTB=0xff; //PB输出LED灯
DDRB=0xff;
PORTC=0xff; //PC输出数码管
DDRC=0xff;
PORTD=0x00; //PD口输入按钮信号
DDRD=0x00;
}
（9）系统初始化函数
Voidinit_devices（void） //系统初始化
{CLI（）;
port_init（）;
adc_init;T1_init;SPI_init;SEI（）;
}
（10）扫描子程序
Voidsaomiao1（void）
{unsignedinti;
Staticunsignedintj,m,k;
If（j==0）
{if（PIND|=0xFE） //判断PD0引脚 功能键
for（i=0;i<<2000;i++）;if（PIND|=0xFE）
while（PIND|=0xFE）;
{j+=1;
if（j>3）j=0;}
else
saomiao2（）;shuju（）;
if（j==1） //LED灯亮
{LED1=1;
data[3]=data[2];} //设定并存放报警上限值
Elseif（j==2）
{LED2=1;data[4]=data[2];} //设定并存放报警下限值
Elseif（j==3）
{ED3=1;data[5]=data[2];} //设定并存放给定值
}
（11）数码管、按钮子程序
Voidsaomiao2（void） //选择数码管按钮
{unsignedintp;if（m==0）
if（PIND|=0xFD） //判断PD1引脚
for（p=0;p<<2000;p++）;if（PIND|=0xFD）
while（PIND|=0xFD）;
{m+=1;
if（m>4）m=0;}
else
saomiao3（）;
}
（12）判断数据增减子程序
Voidsaomiao3（void） //判断数据增减
{unsignedintq;
If（0if（PIND|=0xFB） //判断PD2引脚
for（q=0;q<<2000;q++）;if（PIND|=0xFB）
while（PIND|=0xFB）;
{k+=1；}
if（PIND|=0xF7） //判断PD3引脚
for（q=0;q<<2000;q++）;if（PIND|=0Xf7）
while（PIND|=0xF7）;
{k-=1;}
Elsek=0;
}
（13）数据设定存放子程序
Voidshuju（void）
{If（m==1）
data[2]+=k;if（m==2）data[2]+=1<<4;
if（m==3）data[2]+=1<<8;
if（m==4）data[2]+=1<<12;}
（14）向HC595输出数据的函数
voidxianshi（unsignedcharX） //向HC595输出数据的函数
{unsignedchari;for（i=8;i>=1;i--）
{if（X&0x80）PORTC.5=1;elsePORTC.5=0; //先输出低位X<<=1;
PORTC.7=0;
PORTC.7=1;
}
}
（15）显示数码管子程序
voidspihc595（void） //显示子程序
{unsignedchari;
{
{data[0]=var; //显示测量值
data[1]=data[4]; //显示给定值定值
if（LED1==1）
data[1]=data[2]; //显示报警上限值
if（LED2==1）
data[1]=data[3]; //显示报警下限值xs[0]=data[1]/1000%10;
xs[1]=data[1]/100%10;xs[2]=data[1]/10%10;xs[3]=data[1]%10;xs[4]=data[0]/1000%10;xs[5]=data[0]/100%10;xs[6]=data[0]/10%10;xs[7]=data[0]%10;
}
xianshi（weizhi[i]）; //位输出
xianshi（disp[xs[i]]）; //段输出
PORTC.6=0; //锁存信号低电平
PORTC.6=1; //锁存信号高电平i++;if（i==8）i=0;
}
}
七、总结
在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
智能仪表的课程设计使我加深了对于所学知识的理解，巩固了所学的知识，学会了用
Protel99SE软件设计制作简单的单片机电路及其设计封装PCB图。
从生疏到较熟练地应用软件设计单片机的过程中，并不是一帆风顺，我在设计过程中也遇到了不少自己没有想到的问题和困难，只有理论的自己发现要将这些理论灵活运用起来还是非常困难的。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，
从而加以弥补。
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