機電工程系《綜合課程設計》指導書

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1、綜合課程設計指導書機電工程系2015 年 1 月目錄一、本課程設計的地位和作用 2二、課程設計的目的 2三、課程設計的要求 2四、課程設計的具體步驟 3五、課程設計報告要求 4六、課程設計課題 6設計實例一：單片機恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設計 10設計實例二：小型SBR廢水處理PLC電氣控制系統(tǒng)課程設計 17本課程設計的地位和作用綜合課程設計是電路分析、模擬電子技術、數(shù)字電子技術、自動檢測技術、 自動控制原理、電力電子技術、單片機、PLC等課程之后的一門綜合性的設計課 程，目的在于加深學生對自動控制系統(tǒng)的組成、 工作原理等基本理論和基本知識 的理解，讓學生初步掌握自動控制系統(tǒng)分析和設計的基本方法和

2、仿真調試步驟， 強化學生所學專業(yè)知識的實用性、 應用性和系統(tǒng)性， 使學生樹立系統(tǒng)和全面的觀 點，從整體上把握自動控制系統(tǒng)的設計、構成、實現(xiàn)等各個環(huán)節(jié)，提高學生的創(chuàng) 新意識和實踐能力。二、課程設計的目的1加深對所學理論知識的理解，并能將其熟練應用，做到理論知識與實際 應用相結合；2學會簡單的自動控制系統(tǒng)設計步驟，通過查尋資料、方案比較，以及設 計計算及調試等環(huán)節(jié)，進一步提高多門學科知識的綜合應用能力；3培養(yǎng)學生具有初步的系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)集成能力，能在系統(tǒng)的層面上 看待問題、解決問題。4培養(yǎng)獨立進行實驗，包括電路布局、安裝、調試和排除故障的能力。 5培養(yǎng)書寫綜合設計實驗報告的能力。對本次課程設計

3、， 原則上指導老師只給出大致的設計要求， 在設計思路上不 框定和約束同學們的思維， 所以同學們可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造性， 并力求設計方案 凝練可行、思路獨特、效果良好。三、課程設計的要求1在接受設計任務后，應根據(jù)設計要求和應完成的設計內容進度計劃，確 定各階段應完成的工作量，妥善安排時間。2在方案確定過程中應主動提出問題，以取得指導數(shù)師的幫助，同時要廣泛討論，依據(jù)充分。在具體設計過程中要多思考，尤其是主要參數(shù)，要經(jīng)過計算 論證。3所有電氣圖樣的繪制必須符合國家有關規(guī)定的標準，包括線條、圖型符 號、項目代號、回路標號、技術要求、標題欄、元器件明細表以及圖樣的折疊和 裝訂。4說明書要求文字通順、簡練，

4、字跡端正、整潔。5應在規(guī)定的時間內完成所有的設計任務。四、課程設計的具體步驟綜合課程設計的一般設計方法和步驟是： 分析設計任務和性能指標， 選擇總 體方案，設計單元電路及接口，選擇器件，計算參數(shù)，畫總體電路圖。進行仿真 試驗和性能測試。實際設計過程中往往反復進行以上各步驟， 才能達到設計要求， 需要靈活掌握。1. 總體方案選擇 設計的第一步就是選擇總體方案，就是根據(jù)提出的設計任務要求及性能指 標，在系統(tǒng)的高度上，給出一個解決方案。首先決定控制方式，采用開環(huán)控制還 是閉環(huán)控制；采用恒值控制、 隨動控制還是程序控制。 然后用若干系統(tǒng)單元組成 一個整體， 來實現(xiàn)設計任務提出的各項要求和技術指標。 此

5、階段要明確各單元的 功能及接口要求，并畫出系統(tǒng)結構圖。設計過程中，往往有多種方案可以選擇，應針對任務要求，查閱資料，權衡 各方案的優(yōu)缺點，從中選優(yōu)。2. 系統(tǒng)單元的設計 常見的系統(tǒng)單元有電源單元、信息采集單元、放大單元、控制單元、驅動單 元、執(zhí)行單元、顯示單元、通信單元等。雖然它們的功能不盡相同，但設計的方 法和步驟卻相似。2.1 設計系統(tǒng)單元的一般方法和步驟A. 根據(jù)系統(tǒng)單元功能要求和接口要求，確定各單元電路的性能指標。B. 擬定出各單元電路的要求后，對它們進行設計。C. 單元電路設計應采用符合的實用性和經(jīng)濟性的原則。2.2 元器件的選擇針對系統(tǒng)單元設計， 在搭建單元電路時， 對于特定功能單

6、元選擇主要集成塊 的余地較小。 比如時鐘電路選 555，轉換電路選 0809，譯碼及顯示驅動電路也都 相對固定。但由于電路參數(shù)要求不同，還需要通過選擇參數(shù)來確定集成塊型號。 一個電路設計， 單用一門課程內容是不夠的， 往往同時摻有線性電路元件和集成 塊，因此還需對相應內容熟悉， 比如運算放大器的種類和基本用法， 集成比較器 和集成穩(wěn)壓電路的特性和用法。 總之，構建單元電路時， 選擇器件的電平標準和 電流特性很重要。 普通的門電路、時序邏輯電路、 組合邏輯電路、 脈沖產(chǎn)生電路、 數(shù)模和模數(shù)轉換電路、 采樣和存儲電路等， 參數(shù)選擇恰當可以發(fā)揮其性能并節(jié)約 設計成本。單元電路設計過程中， 阻容元件的

7、選擇也很關鍵。 它們的種類繁多， 性能各 異。優(yōu)選的電阻和電容輔助于數(shù)字電路的設計可以使其功能多樣化、完整化。3. 電路仿真與調整首先進行系統(tǒng)單元部分仿真與測試， 發(fā)現(xiàn)問題及時調整。 所有系統(tǒng)單元均經(jīng) 過仿真測試后， 再進行系統(tǒng)集成仿真與測試， 此時主要測試各個系統(tǒng)單元的接口 是否正常， 各個單元配合到一起能否正常工作。 仿真測試時要逐個將系統(tǒng)單元增 加到系統(tǒng)中， 邊增加系統(tǒng)單元邊仿真測試。 集成測試中各系統(tǒng)單元的輸入輸出邏 輯關系與它們之間的正確傳遞決定了系統(tǒng)集成的成敗。4. 衡量設計的標準 工作穩(wěn)定可靠；能達到預定的性能指標，并留有適當?shù)挠嗔?；電路簡單，?本低，功耗低；器件數(shù)目少，集成體

8、積小，便于生產(chǎn)和維護。五、課程設計報告要求課程設計報告應包括以下內容：1封面2摘要3目錄4設計任務及其具體要求。 5總體設計方案及系統(tǒng)功能結構圖。 6系統(tǒng)單元設計（含各系統(tǒng)單元功能，輸入、輸出信號，系統(tǒng)單元原理圖 及其原理闡述，所選用的集成電路器件等。有的需要進行驗證計算。 ）。7整機電路圖（電路圖應用標準邏輯符號繪制，電路圖中應標明接線引出 端名稱、元件編號等） 。8器件清單。9. 仿真調試結果及改進措施。10. 總結與體會。11主要參考文獻六、課程設計課題1. 單相數(shù)顯電量表：最大電流30A,計量誤差1%有過流保護和停電數(shù)據(jù)保 存功能。不要求電量卡部分。2. 交流電流變送器： 檢測范圍 A

9、C 0-50A，輸出DC 0-5V, 4-20mA供電 DC 24V3. 速度里程表： 能顯示電動車當前速度和總里程, 可以分段統(tǒng)計平均、 最大 速度和段里程。4. 超聲波測距系統(tǒng)：測量距離100mm 2m，測量精度5mm5. 電動車有刷電機控制器：電機180Vy 36V,要求有過流保護、欠壓保護功 能。附加定速巡航功能,允許取消。6. 溫度控制儀：溫度控制范圍100-200 C,溫度傳感器為PT10Q加熱元件 功率1000W要求控制精度土C。7. 液位測量儀：能測量液位的深度（高度），量程0-100cm,誤差1%要求 適用于不同密度的液體測量。8. 直流數(shù)控電源：輸出1.5-15V，最大電流

10、1A,步進電壓0.1V。有過流和 短路保護。9. 數(shù)字電子稱：稱重范圍：0-5Kg，誤差1%要求輸入單價，根據(jù)稱重可以 計算出總價，具有總價累加功能。10. LED點陣電子屏：設計一個163 32點陣LED電子顯示屏，內容可以滾動 顯示。11. 停車場車位控制： 在出入口處設置傳感器，檢測車輛的出入情況。實時 顯示停車場空余車位數(shù)，空余車位數(shù)為 0，則不允許車輛進入。12. 病床呼叫系統(tǒng)： 每一層樓有一護士站，每一護士站均有該層樓病人緊急 呼叫與處理完畢的重置按鈕。共有 10 個病房，每間病房 3 個床位。每個床位均 有緊急呼叫按鈕及重置按鈕。 病人按下緊急呼叫按鈕， 護士站顯示病房緊急呼叫

11、并閃爍指示燈。 按下護士處理按鈕以取消閃爍情況， 再依病房緊急呼叫順序處理 病房緊急事故， 若事故處理妥當后， 病房緊急閃爍指示燈和病床上的緊急指示燈 方町被重置。13. 自助洗車機控制設計： 設計投幣 100 元自助洗車機。有 3 個投幣孔，分 別為5元、10元及 50元3種，當投幣合計 100元或超過時，按啟動開關洗車機 才會動作，啟動燈亮起。7段數(shù)碼管會顯示投幣金額（用 BCD碼），當投幣超過 100元時，可按退幣按鈕， 這時 7段數(shù)碼管會退回零， 表示找回余額（退幣選作）。 洗車機動作流程按規(guī)定的流程進行。14. 機械手臂搬運加工流程控制： 工作物由輸送帶 A 送到加工位置，然后由 機

12、械手臂將加工物送至工作臺 1 的位置進行第一步驟加工。 當?shù)谝徊襟E加工完成 后，機械手臂將工作物夾起再送至工作臺 2進行第二步驟加工； 當?shù)诙襟E加工 完成后，機械手臂將工作物放到輸送帶 B送走，然后由7段數(shù)碼管顯示加工完成 的數(shù)量。15. 自動售貨機的控制設計： 售貨共有 3種飲料供選擇， 分別為汽水（4 元）、 花茶（ 6 元）和咖啡（ 10 元），自動售貨機有 3 個投幣孔，分別為 1 元、5 元和 10元。投幣總額或當前值顯示在 7段數(shù)碼管上。投幣值等于或大于貨物金額時， 貨物可選。按下對應按鈕，則相對應的指示燈開始閃爍， 3s 后自動停止，表示 飲料已經(jīng)掉出。 如投幣總額超過銷售價格

13、， 將可由退幣鈕找回余額， 退回金額如 果大于 10 元，則先退 10 元再退 1。16. 全自動洗衣機：1. 按下啟動按扭及水位選擇開關， 2.注水直到高（中、 低） 水位，關水，3.2s后開始洗滌，4.洗滌時，正轉30s,停2s,然后反轉30s，停 2s， 5. 如此循環(huán) 5 次，總共 320s 后開始排水，排空后脫水 30s， 6. 開始清洗， 重復 2-5 ，清洗兩遍， 7. 清洗完成，報警 3 秒并自動停機。 8. 若按下停車按扭， 可手動排水（不脫水）和手動脫水（不計數(shù)） 。17. 電子計算器設計： 由按鍵輸入的數(shù)值顯示在 7段數(shù)碼管上，但只限 4位 數(shù)。按加、減、乘、除鍵時， 第

14、一次輸入的值被存放在緩沖區(qū)中， 當做被加、 減、 乘、除數(shù)，且加、減、乘、除相對的運算指示燈會亮。接著輸入一個數(shù)，之后若 是按下“ =”鍵，則此加、減、乘、除數(shù)被存放于另一個緩沖區(qū)中，與剛才輸入 的數(shù)做運算，且相對應的運算指示燈熄滅。將運算結果顯示在 7 段數(shù)碼管上。18. 自動噴泉的PLC控制：有16個彩燈代表16個噴頭，有4個選擇按鈕， 采用S7-200PLC進行控制，實現(xiàn)四種以上的自動噴泉花樣。19. 交通信號燈控制系統(tǒng) : 在南北向與東西向交錯的路口上，各設置紅、黃、 綠三種信號燈，以控制車輛和行人的通行。1.南北方向通車時綠燈亮25s，然后 黃燈亮警告5s后紅燈亮30s，如此循環(huán)；2

15、.東西向則是先紅燈30s,然后綠燈亮 25s后黃燈亮5s，如此循環(huán)；3.用數(shù)碼進行30s的時間遞減顯示。20. 裝瓶流水線的PLC控制：有A1A10選瓶、裝瓶、蓋蓋、貼簽、傳送、 成品入庫生產(chǎn)線操作工序，用 10盞燈來模擬；并有啟動 / 停止、移位、復位按鈕 進行操作。采用S7-200PLC進行控制，實現(xiàn)手動，自動等四種以上的裝瓶流水線 工序控制。21. 數(shù)字頻率計： 設計一個以單片機為核心的頻率測量裝置。使用單片機的 定時器/計數(shù)器的定時和計數(shù)功能，外部擴展 6位LED數(shù)碼管，要求累計每秒進 入單片機的外部脈沖個數(shù)，用 LED數(shù)碼管顯示出來。被測頻率fx=1000Hz，采用測頻法。22. 基

16、于單片機的多路數(shù)據(jù)采集 : 設計八路模擬信號自動采集與數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)；以單片機作為下位機，能夠完成模擬電壓信號采集和 A/D轉換，用三位數(shù)碼 管進行顯示，要求對通道號和測量值進行顯示。23. 小型機器人關節(jié)角控制 : 研究關節(jié)控制原理；設計關節(jié)控制方案；完成 硬件電路并搜集實驗數(shù)據(jù)。24. 智能定時搶答器設計： 幾個選手，誰先按下自己手中的按鈕， LED 顯示 器SM就會顯示相對應的選手號碼。開始按鈕開啟之后，才可以搶答。25. 燃氣熱水器恒溫控制系統(tǒng)設計：在了解燃氣熱水器結構的基礎上，完成燃氣熱水器水溫嵌入式調節(jié)控制系統(tǒng)的設計。水溫調節(jié)范圍20-60 C。26. 火災報警及滅火控制系統(tǒng)設計：

17、1、設計一個由單片機控制的室內火災自動報警控制器； 2、采用感煙傳感器和感溫傳感器，能對室內的煙霧及溫度的突 變進行報警；3、有火災發(fā)生時，產(chǎn)生聲、光報警信號；4、如火災報警10s后不 解除，則控制啟動滅火裝置。27. 自動門控制系統(tǒng)設計： 1、有人來時（進門或出門）開門。當人走到離門 不遠的時候時，安裝在門 上側的熱釋紅外線傳感器信號檢測裝置檢測到有人時， 將啟動電動機帶動傳動鏈 開門。 2、無人時關門延遲，當熱釋收發(fā)裝置沒有檢測到有人在離門1m的范圍內，將延遲1秒啟動電動機帶動傳動鏈關門。3、關 門中途來人，立即開門。當啟動電動機帶動傳動鏈關門時，感應探頭 突然檢測 到在離門1m的范圍內有

18、人，則立即停止電動機關門，啟動電動機帶動 傳動鏈開 門。28. 電阻測量儀：可以測試1Q1MQ的電阻，測量誤差小于1% LCD屏顯示。29. 可預約電飯鍋控制系統(tǒng)設計： 可預約工作時間，可選擇蒸熟飯后是保溫 還是斷電。具有過壓檢測保護功能。30. 光伏發(fā)電光照自動跟蹤系統(tǒng)設計：設計一個能夠檢測并指示點光源位置的模擬光伏發(fā)電太陽光自動跟蹤系統(tǒng)。31. 基于單片機的多功能智能小車設計：設計一個用單片機控制的智能小車， 具有循跡和避障功能。32. 單片機脈搏測量儀：利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢 測脈搏跳動的紅外光轉換成電信號，放大后用單片機進行顯示。設計實例一：單片機恒溫箱溫度控制系

19、統(tǒng)的設計設計要求：本溫度控制系統(tǒng)為以單片機為核心， 實現(xiàn)了對溫度實時監(jiān)測和控制， 實現(xiàn)了 控制的智能化。設計恒溫箱溫度控制系統(tǒng)，配有溫度傳感器，采用DS18B2C數(shù)字 溫度傳感器，無需數(shù)模擬/數(shù)字轉換，可直接與單片機進行數(shù)字傳輸，采用了 PID 控制技術，可以使溫度保持在要求的一個恒定范圍內，配有鍵盤，用于輸入 設定溫度；配有數(shù)碼管LED用來顯示溫度。技術參數(shù)和設計任務 ：1、 利用單片機實現(xiàn)對溫度的控制，實現(xiàn)保持恒溫箱在最高溫度為110C。2、 可預置恒溫箱溫度，烘干過程恒溫控制，溫度控制誤差小于土2C。3、 預置時顯示設定溫度，恒溫時顯示實時溫度，采用PID 算法顯示精確到0.1 C。4、

20、溫度超出預置溫度土 5C時發(fā)出聲音報警。5、對升、降溫過程沒有線性要求。6溫度檢測部分采用DS18B2C數(shù)字溫度傳感器，無需數(shù)模擬/數(shù)字轉換， 可直接與單片機進行數(shù)字傳輸7、人機對話部分由鍵盤、顯示和報警三部分組成，實現(xiàn)對溫度的顯示、報警。一、總體設計方案1、系統(tǒng)原理選用AT89C2051單片機為中央處理器，通過溫度傳感器DS18B20寸恒溫箱進 行溫度采集，將采集到的信號傳送給單片機，在由單片機對數(shù)據(jù)進行處理控制顯 示器，并比較采集溫度與設定溫度是否一致，然后驅動恒溫箱的加熱或制冷。2、系統(tǒng)總結構圖總體設計應該是全面考慮系統(tǒng)的總體目標，進行硬件初步選型，然后確定一個系統(tǒng)的草案，同時考慮軟硬件

21、實現(xiàn)的可行性?？傮w方案經(jīng)過反復推敲，確定了 以美國Atmel公司推出的51系列單片機為溫度智能控制系統(tǒng)的核心，并選擇低 功耗和低成本的存儲器、數(shù)碼顯示器等元件，總體方案如下圖：圖1系統(tǒng)總體框圖二、硬件各單元設計1、單片機最小系統(tǒng)電路單片機選用Atmel公司的單片機芯片AT89C2051,完全可以滿足本系統(tǒng)中要 求的采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要。單片機的選擇在整個系統(tǒng)設計中至關重要， 該單片機與MCS-51系列單片機高度兼容、低功耗、可以在接近零頻率下工作等 諸多優(yōu)點，而廣泛應用于各類計算機系統(tǒng)、工業(yè)控制、消費類產(chǎn)品中。AT89C2051是 AT89系列單片機中的一種精簡產(chǎn)品。它是將AT89C51

22、的 P0 口、 P2 口、EA/Vpp ALE/PROG PSENH線省去后，形成的一種僅 20引腳的單片機， 相當于早期Intel8031的最小應用系統(tǒng)。這對于一些不太復雜的控制場合，僅有 一片AT89C2051就足夠了，是真正意義上的“單片機” 。AT89C2051為很多規(guī)模 不太大的嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種極佳的選擇方案，使傳統(tǒng)的 51系列單片機的體積、功耗大、可選模式少等諸多弱點不復存在。該型號單片機包括（1）一個8位的微處理器（CPU）。（2）片內有2K字節(jié)的程序存儲器（ROM和128/256字節(jié)RAM（3）15條可編程雙向I/O 口線。（4）兩個16位定時器/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)

23、方式，用以對外部事件進行計 數(shù)，也可設置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結果實現(xiàn)計算機控制。（5）五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)。（6）個全雙工UATR通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O 口，用于實現(xiàn)單片機之 間或單片機與微機之間的串行通信。（7）片內含模擬比較器。（8）低功耗的閑置和掉電模式。+5V圖2最小系統(tǒng)電路AT89C205是一個20腳的雙列直插封裝（DIP）芯片。最小系統(tǒng)電路包括晶體振 蕩電路和手動復位電路，如圖2。本設計使用一片AT89C205就代替了原來的8031、EPROM2732地址鎖存器 74LS373,因為AT89C205內部的2KBEPRO和 128B的RAM對智能化溫度傳感

24、器測試系統(tǒng)已能滿足設計要求，而且降低了成本，結構設計也較精巧2、溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比,他能夠直接讀出被 測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 912位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？?以分別在93.75ms和750m內完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B2讀出的信 息或寫入DS18B2的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源 于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B2供電，而無需額外電源。因而 使用DS18B2可使系統(tǒng)結構更趨簡單,可靠性更高，成本更低。測量溫度范圍為 55C+125C。C,在一 10C+85C。C范圍內，精度為土

25、0.5 C。DS1822勺精度 較差為土 2C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng) 的抗干擾性。其引腳分布如圖3所示DSIKB2H圖3 DS18B2C引腳圖（1）引腳功能如下：NC（1、2、6、7、8腳）：空引腳，懸空不使用。VDD（3腳）:可選電源腳，電源電壓范圍35.5V。DQ（4腳）：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳,漏極開路,常態(tài)下高電平。DS18B20測溫原理DS18B2的測溫原理如圖4所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響 很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化 其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存

26、器被預置在-55 C所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信 號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1,計數(shù)器1 的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行 計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度 寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。DS18B2在正常使用時的測溫分辨率為0.5 C,如果要更高的精度，則在對DS18B2測溫原理進行詳細分析的基礎上， 采 取直接讀取DS18B2內部暫存寄存器的方法，將 DS18B2的測溫分辨率提高

27、到0.1 0.01C。圖4測溫原理圖DS18B20與單片機接口電路P1.3 口和DSI8B20的引腳DQS接，作為單一數(shù)據(jù)線。U2即為溫度傳感芯片 DS18B20,本設計雖然只使用了一片DSI8B20，但由于不存在遠程溫度測量的考慮 所以為了簡單起見，采用外部供電的方式，如圖2.6所示。測溫電纜采用屏蔽4芯雙 絞線,其中一對線接地線與信號線,另一對接VC（和地線,屏蔽層在電源源端單點 接地。+5V1RST(RXD)P3 0VCCP1 723(TXD)P3.1P1.64XTAL2P1 55XTAL1P1.4(INT0)P3.2P1.3(INT1)P3.3P1.28仃 0)P3.4P1.1(AIN

28、1)9仃 1)P3.5P1.0(AIN0)10GNDP3.7U120191817161514131211AT89C2051R154.7KU2-NCNC.NCNC-VDDNC-DQGND1234DS18B208765圖5 DS18B2C與單片機接口電路3、鍵盤顯示電路LED控制器的連接有并行和串行方式。由于串行方式占用較少接口，因此 得到廣泛應用。顯示電路中選用MAX721作為LEE3區(qū)動芯片。MAX721是一個高集 成化的串行輸入/輸出的共陰極LE耶動顯示器。每片可驅動8位7段加小數(shù)點的共 陰極數(shù)碼管。片內包括BCD?碼器、多路掃描控制器、字和位驅動器和 83 8靜態(tài) RAM外部只需要一個電阻

29、設置所有LEE顯示器字段電流。MAX721和控制器只需 要三根導線連接，每位顯示數(shù)字有一個地址由控制器寫入。 允許使用者選擇每位 是BC譯碼或不譯碼。使用者還可以選擇停機模式、數(shù)字亮度控制、從18位選擇掃描位數(shù)和對所有LED顯示器的測試模式。（1）引腳功能MAX7219是24引腳芯片，它的引腳排列如圖2.7所示。各引腳功能如下：1）DIN（1腳）:串行數(shù)據(jù)輸入端，當CLI為上升沿時數(shù)據(jù)被載入16位內部移位寄存 器。2）CLK （13腳）：串行時鐘脈沖輸入端，最大工作頻率可達 10MHz3）LOAD （12腳）：片選端，當LOA為低電平時，芯片接收來自DIN的數(shù)據(jù)，接收 完畢，LOA回到高電平，

30、接收的數(shù)據(jù)將被鎖定。4） DIGODIG7（2、3、5、6、7、8、10、11腳）：吸收顯示器共陰極電流的位驅動線，最大值可達500mADIMniG 4.M.EUG厶DIG 3巨巨巨r(nóng)zlzrvEELI叵疋叵1 CDIG*E ICIG.:叫刃zlnl可回in訶IniarJ圖6 MAX721引腳圖5）SEGASEGG SEGDR14、15、16、17、20、21、22、23腳）：驅動顯示器 7 段及小數(shù)點的輸出電流，一般為40mA可編程調整。6）ISET （18腳）：硬件亮度調節(jié)端。7）DOUT （24腳）:串行數(shù)據(jù)輸出端；V+,正電源。8）GND （9腳）:接地。MAX7219與單片機和LED

31、及鍵盤的接口電路1）MAX72191 勺3個輸入端DIN、CLK和LOAD!單片機的三個I/O 口連接，DIG0DIG7 分別與八個共陰極LED勺公共端連接，SEGSEGG SEGD分別與每個LEDt段動和小數(shù)點驅動端相連。電路圖如圖7所示。2）鍵盤功能介紹采用獨立式按鍵設計，如圖上圖所示。由于只有四個按鍵，因此按鍵接口電路的設計比較簡單，單片機P1.4P1.7端口設定為輸入狀態(tài)，平時通過電阻上 拉到Vcc，按鍵按下時，對應的端口的電平被拉到低電平。這樣就可以通過查詢 P1的高4位來判斷有門有按鍵按下按鍵各接一根輸入線，一根輸入線的按鍵工作 狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。通過讀I/O 口

32、，判斷各I/O 口的電平狀態(tài)， 即可識別出按下的按鍵。4個按鍵定如下：A、P14S1功能鍵，按此鍵則開始鍵盤控制。B、P1.5:S2加，按此鍵則溫度設定加1度。C、P1.6:S3減，按此鍵則溫度設定減1度。D P1.7:S4發(fā)送，按此鍵將傳感器的溫度傳送到上位機5e4737DS0DPY A a Aa b c d e f g dpDp y Amber-CA.RSTVCC(RXD)P3.0P1.7(TXD)P3.1P1.6XTAL2P1.5XTAL1P1.4(INT0)P3.2P1.3(INT1 )P3.3P1.2(T0)P3.4P1.1(AIN1 )(T1)P3.5P1.0(AIN0)GNDP3

33、.7U134568139121 011AT89 C2 051站5a10DS7DPY a a A g +5V1r55.1 Kabc f deeg dpR55.1 KR55.1 KR55.1 KDpy Amber-CA20S41918S317S216.S115U214+5V)IGOD G1 1 DIG2 DIG3 DIG4 DIG5DIG6DIG7112132r6730582 4.1DINV+LOADCLKISETDIG0SEG ADIG1SEG BDIGIDIG2SEG BSEG CDIG3SEG DDIG4SEG EDIG5SEG FDIG6SEG GDIG7DOUTSEG DPGNDGNDM

34、AX7 219 CNGR1圖7 MAX7219與單片機和LED及鍵盤的接口電路1 814 a16 b20 c23 d21 e15 f17 g22 DP* 9.5 K4、驅動控制電路 (1)熱電制冷介紹熱電制冷原理：半導體熱電偶由N型半導體和P型半導體組成。當電流的極性如圖8 所示時，電子從電源負極出發(fā)，經(jīng)連接片、P型半導體、連接片、N型半導體，最后回到電源正極。N型材料有多余的電子，有負溫差電勢。P型材料電子不足，有溫差電勢；當電子從P型穿過結點至N型時，其能量必然增加，而且增加的能量相當 于結點所消耗的能量。這一點可用溫差降低來證明。相反，當電子從N型流至P型材料時，結點的溫度就會升高。直接

35、接觸的熱電偶電路在實際的引用中不可用， 所以用圖8的連接方式來代替，實驗證明，在溫差電路中引入銅連接片和導線，不 會改變電路的特性。簡單地說當一塊 N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結成 電偶對時，在這個電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收能量，成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量， 成為熱端。吸收和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數(shù)來決定P圖8半導體制冷原理圖驅動控制電路光耦合雙向可控硅驅動器是一種單片機輸出與雙向可控硅之間較理想的接口器件，它由入和輸出兩部分組成，輸入部分為砷化傢發(fā)光二極管，該二極管在5m/V 15

36、mA正向電流作用下發(fā)出足夠強度的紅外光，觸發(fā)輸出部分。連接電路如圖 9所 示。輸出部分為硅光敏雙向可控硅，在紅外線作用下可雙向導通。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種“電-光-電”轉換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一殼體內，彼此間用透明 絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入部分，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源 為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等。在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大 小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產(chǎn)生了光電流，由受光 器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了“電-光-電”轉換。在光電耦合器的內部，由

37、于發(fā) 光管和受光器之間的耦合電容很小，使用共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出 電流的影響很小，因而共模抑制比很高。在發(fā)光二極管上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極 管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號，其輸出電 流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作在開關狀態(tài)，傳輸脈沖 信號。在傳輸脈沖信號是，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延時，不同結構 的光電耦合器輸入、輸出延時時間相差很大+5VR10R910kU9Opto TRIAC360R11330制冷系統(tǒng)R123.9kV1220VQ1J-C110.11uFV1220V圖9加熱降溫驅動控制電路5、

38、看門狗和上位機通信電路 (1)串口通信功能實現(xiàn)在實際的工作中，計算機的 CPU與外部設備之間常常要進行信息交換，一臺 計算機與其他計算機之間也往往要交換信息，所有這些信息交換均可稱為通信。 串行通信是指：數(shù)據(jù)是一位一位按順序傳送的通信方式。它的突出優(yōu)點是只需一對傳輸線 （利用電話線就可以作為傳輸線 ） ，這樣就大大降低了成本，特別適用與遠 距離通信 ; 其缺點是傳送速度低。MAX232與單片機接口電路設計圖10為MAX23與單片機接口電路；通過它可以把單片機和計算機連接起來， 實現(xiàn)遠程通訊功能。（3） 看門狗與電源監(jiān)控芯片介紹 由于工業(yè)現(xiàn)場對控制系統(tǒng)可能造成很強的干擾，為保證控制器在任何干擾條

39、件下 都能正常工作，就必須對單片機的運行進行監(jiān)控，避免死機、程序跑飛或進入死 循環(huán)。采用看門狗電路則可以大大提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力態(tài)。本系統(tǒng)選用MAX813L該芯片能夠監(jiān)控電源電壓、電池故障和微控制器的工作狀態(tài)。MAX813引腳功能如下：1）MR（1腳）:手動復位輸入，低電平有效。2）PRI（4腳）、PFO（5卻）:分別為電源故障輸入和電源故障輸出。3）WDI（6腳）、WDO（腳）：分別為看門狗輸入和看門狗輸出。4）RESET（7腳）:復位輸出。MAX813I芯片主要特點：1）復位輸出：系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時，第 7 腳產(chǎn)生復位脈沖，復位 脈沖寬度的典型值為200ms高電平有效，復

40、位門限值為 4.65V。2）看門狗電路輸出：如果在1.6s內沒有觸發(fā)該電路，則第8腳輸出一個低電平信號。3）手動復位輸入：低電平有效，即第 1腳輸入一個低電平，則地 7腳產(chǎn)生復位輸出。4）第4腳輸入電壓為1.25V時，第5腳輸出一個低電平信號。MAX813L與單片機的連接MAX813的典型應用電路如圖10所示，在軟件設計中，P3.7不斷的輸出脈沖信 號。如果因某種原因進入死循環(huán)，則P3.7無脈沖輸出，于是1.6s后在MAX813的第 8腳輸出低電平。該低電平加到1腳，使MAX813產(chǎn)生復位輸出，使單片機有效復位， 擺脫死循環(huán)。另外，當電源電壓低于限制值 4.65V時，MAX813也會產(chǎn)生復位輸

41、出， 使單片機處于復位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，知道電壓電壓恢復正常，以有效防止 因電源電壓較低使單片機產(chǎn)生錯誤的動作。U4VCC59o483RXD02TXD601+5VJ10OPC DB9C40.01 615TXD14RXD13V+V-GNDT1OUTT2OUTR1INR2INMAX232C1 +C1-C2+C2-T1INT2INR1OUTR20UT6、電源電路J2 12V1C5+ 10uF5+C610uFVCCPF1MrWDIWDoPF0GNDRESETU6241685RESET3MAX813L圖10 MAX23與單片機接口電路5RSTVCC(RXD)P3.0P1.7(TXD)P3.1P1.6

42、XTAL2P1.5XTAL1P1.4(iNT0)P3.2P1.3(INT1)P3.3P1.2仃0)P3.4 P1.1(AIN1)仃 1)P3.5 P1.0(AIN0)GNDP3.7U11219184171615148139121011AT89C205111 TXD TXD1012 RXD RXD 3+5V201 2圖11電源電路電源電路雖然簡單，但需要功能可靠，要有 CBEfe容和高品質的ELN/電容做退藕，設計所用的電源都是直流電源 +5V,所用采用三端集成穩(wěn)壓器7805,可以方 便的實現(xiàn)此功能，電路如圖11所示7、PID控制算法(1) PID的數(shù)學模型PID控制是一種比較成熟的控制理論，它

43、通過比例、積分、微分三部分的合理 組合可以用比較簡單的方法獲得令人滿意的控制效果。PID的數(shù)學模型如圖12表示：圖12 PID數(shù)學模型給定值R(t)與實際值丫(t)構成控制誤差：E( t)=R (t)-Y( t)式2-1PID控制器根據(jù)E(t)將誤差的比例(P)、積分(I)、和微分(D)通過線性組合構 成控制量，對受控對象進行控制，其控制規(guī)律如式2所示：U(t)=K Pe(t)+ - t E(t)dt Td式 2-2T0dtU(t)控制器輸出函數(shù);E(t)控制器誤差函數(shù)；匕一一比例系數(shù);Ti積分時間常數(shù);Td微分時間常數(shù)。一個最簡單的控制器可以只有比例部分，它能夠產(chǎn)生與輸入信號成比例的輸 出信

44、號，所以誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝著減小誤 差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù) 心 比例控制的缺點是不能在設置 點和反饋點之間產(chǎn)生零誤差(靜差)，為了產(chǎn)生有限的輸出信號，必須保持這種靜 差。加大K可以減小靜差，但是K過大會導致動態(tài)性能變壞，甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不 穩(wěn)定。為了消除這種靜差，可以引入積分控制環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)能對誤差進行記憶并 積分，即使只存在很小的偏差，也可以將其積分后作用于操作部分，有利于消除 靜差。但是積分作用具有滯后特性，它總是滯后于偏差的存在，這樣會使系統(tǒng)易 于振蕩，結果往往超調，使被控變量波動很大。積分控制常用于補償高精度的控 制系統(tǒng)。微分控制能

45、對誤差進行微分，敏感出誤差的變化趨勢，將預期的動作作用于 操作部分，增大微分控制作用可以加快系統(tǒng)的響應，使超調量減小，增加系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。缺點是微分控制對干擾同樣敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分控 制可用于補償快速變化的控制系統(tǒng)。(2) PID控制規(guī)律的離散化為了用計算機實現(xiàn)PID控制，必須將式表示PID控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散 形式，才能通過編程實現(xiàn)。若設溫度采樣周期為T,第n次采樣得到的輸入偏差為en, 輸出為U。微分用差分代替de=9電1式2-3dtTtn積分用求和代替.e(t)dt八ekT式2-4k=0這樣PID控制器控制算法的離散形式改寫為Un 二 Kpq , QTd “式2-

46、5Ti k=oT這種算法的缺點是，由于是全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，計算時要對E(n)進行累加，所以計算機工作量大。而且，因為計算機輸出的U(n)對應的是執(zhí)行機構的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(n)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合， 可能造成重大的生產(chǎn)事故，因此產(chǎn)生了增量式 PID控制的控制算法。所謂增量式PID控制算法是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 U(n)。當執(zhí) 行機構需要的是控制量的增量時，可由式導出提供增量的 PID控制算法。根據(jù)遞推 規(guī)律得：n 4U(n- 1) = KPe(n-1) e(j) Kde(n

47、 - 1)-e(n-2)式2-6j=0用式2-5減去式2-6可得:式2-7T 人Un -Un二 Kpe(n) -e(n -1) -en-2enenTiT改寫成：Un =UnJ KpE( n) -E(n -1) KE( n) KE( n) -2E( n -1) E(n -2)=U( n1) PP P FD式 2-8事實證明，對于PID這樣簡單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)和民用對象， 并以其很高的性價比在市場中占主導地分反映了 PID控制，但在工業(yè)控制過程中經(jīng) 常會碰到大滯位，充后、時變的、非線性的復雜系統(tǒng)，其中有的是非線性系統(tǒng)；有的帶有延時和隨機干擾；有的無法獲得較準確的數(shù)學模型或者模型非常粗

48、燥。對于 以上這些系統(tǒng)，如果采用常規(guī)的 PID控制器，貝U難以整定PID參數(shù)，因此比較難以 達到預期的控制效果。同時，在實際生產(chǎn)現(xiàn)場，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困 擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行工礦的適用性很差。三、軟件設計1、溫度傳感器DS18B20莫塊軟件設計DS18B20上電后處于空閑狀態(tài)，需要控制器發(fā)能完成溫度轉換。DS18B2的單線 通訊功能是分時完成的，具有嚴格的時序要求，而AT89C205單片機并不支持單線傳輸，必須采用軟件的方法來模擬單線的協(xié)議時序。DS18B2的操作必須嚴格按照協(xié)議進行。工作協(xié)議流程為：主機發(fā)復位脈沖初始化DS18B20 DS18B2發(fā)

49、響應脈沖f主機發(fā)R0操作指令f主機發(fā)存儲器操作指令f數(shù)據(jù)傳輸。對DS18B2操作時，首先要將它復位。復位時，D戯被拉為低電平，時間為480 960us;接著將數(shù)據(jù)線拉為高電平，時間為 1560us;最后DS18B2發(fā)出60240us 的低電平作為應答信號，這時主機才能進行讀寫操作。進行寫操作時，將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號。從DQ線的下降沿起計時，在15us到60us這段時間內對數(shù)據(jù)線進行檢測，如數(shù)據(jù)線為高電平 則寫1;若為低電平，則寫0,完成了一個寫周期。在開始另一個寫周期前，必須 有1us以上的高電平恢復期。每個寫周期必須要進行寫操作時，將數(shù)據(jù)線從高電平 拉至低電平，產(chǎn)生寫起

50、始信號。從 D戯的下降沿起計時，在15us到60us這段時間 內對數(shù)據(jù)線進行檢測，如數(shù)據(jù)線為高電平則寫1;若為低電平，則寫0,完成了一個寫周期。在開始另一個寫周期前，必須有1us以上的高電平恢復期。每個寫周期必須要有60us以上的持續(xù)期讀操作時，主機將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平 1us以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電 平，從而產(chǎn)生讀起始信號。從主機將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平起15us至60us，主機讀取數(shù)據(jù)。每個讀周期最短的持續(xù)期為 60us，周期之間必須有1us以上的高電 平恢復期。溫度轉換讀取溫度數(shù)值程序流程如圖13所示圖13溫度轉換讀取溫度數(shù)值程序流程2、顯示程序設計MAX721 上電時，譯碼方式

51、、亮度調節(jié)、掃描位數(shù)、待機開關和顯示檢測5個控制寄存器全部清零。對于 MAX7219串行數(shù)據(jù)以16位數(shù)據(jù)包的形式從DIN腳串 行輸入，在CLK勺每一個上升沿一位一位的送入芯片內部16位移位寄存器，而不管 LOA腳的狀態(tài)如何。LOA腳必須在第16個上升沿出現(xiàn)的同時或之后，但在下一個 CLKt升沿之前變?yōu)楦唠娖?，否則移入的數(shù)據(jù)將丟失。3、鍵盤程序設計在按鍵的軟件設計時考慮了按鍵去抖動技術問題。因為按鍵的無操作抖動很 可能影響單片機對按鍵的判斷，因此必須考慮去抖動問題。鍵盤的程序流程圖如4、PID控制程序設計由式2-8可以改寫成：P(K)=P(K-1)+K pE(K)-E(K-1)+K i2 E(K

52、)+KdE(K)-2E(K-1)+E(K-2)=P(K-1)+P p+P+PD式 3-1根據(jù)式3-1編程，相應的程序框圖如圖15所示:圖15 PID算法程序流程圖5、主程序流程圖及程序設計(1)系統(tǒng)主程序流程圖如圖16所示。有了各個功能塊的軟件實現(xiàn)方法，軟件的總體設計就變得簡單了，軟件設計 中一個重要的思想就是采用模塊化設計，把一個大的任務分解成若干個小任務， 分別編制實現(xiàn)這些小任務的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可 以實現(xiàn)這個大任務了。這種思路對于可重復使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因為不 僅程序結構清晰，而節(jié)約程序存儲空間。程序開始初始化數(shù)據(jù)調顯示程序中斷設置調比較程序初始化 D

53、B18B20初始化 MAX7219獲取溫度數(shù)值Yir調PID算法 Outflag=1NNOutflag=-1Y啟動制冷啟動制冷1調PID算法i是否與設定值相等NY圖16主程序流程圖(2)主程序設計# nclude“ AT89C051.h #i nclude vintrin s.h sbit TSOR=P1A7; / 溫度測試端sbit DIN=P1A2; /MAX7219 串行數(shù)據(jù)輸入sbit LOAD=P1A1； /MAX7219 裝載數(shù)據(jù)輸入sbit LCK=P1A0； /MAX7219 時鐘輸入sbit SCL=P3A2; /AT24C32 信號線sbit SDA=P3A3; / AT2

54、4C32 數(shù)據(jù)線sbit OUT0=P3A4; /控制制冷光耦sbit OUT1=P3A5; / 控制加熱光耦sbit weidog=P3A7; / 看門狗*#define uchar unsigned chau;#define uint unsigned uint;uchar temp1,temp2; / 溫度的整數(shù)和小數(shù)void Delay15(); / void Delay60(); / void Delay100ms(); / void Write0TS(); / void Write1TS(); / void ReadTS(); / void ResetTS(); / void Wr

55、iteBTS(); / void ReadBTS(); /延時 15us延時 60us延時 100ms寫DS18B2數(shù)據(jù)位0寫DS18B2數(shù)據(jù)位1讀DS18B2數(shù)據(jù)位 復位 DS18B20寫1字節(jié)讀1字節(jié)uchar setb,sets,setg,setx;/預設定溫度的百、十、個位和小數(shù)位uchar xianb,xians,xiang,xianx;/顯示溫度的百、十、個位和小數(shù)位uchar add_1,add_10;/uchar count; /T0中斷計數(shù)uchar pid; /PID數(shù)值bit outflag;/升溫降溫標志位bit alert;/*函數(shù)聲明*/ void Init Int

56、erupt ();/*鍵盤掃描*/ uchar key ();/* MAX7219子程序*/void send(uchar add, dat) /* 溫度傳感器子程序void InitTS(); /初始化 DS18B20void GetTempTS(); /讀取測得的溫度/*比較程序*/Void compare();/*主程序void main()uchar i,j;uchar aa;/ PID 值sp=0x50;TSOR=1;/ 1 wire 總線釋放Delay(500);/ 延時 500msInitInterupt();/ 初始化中斷設置 setb=Ox00;sets=Ox02;setg=

57、Ox03setx=Ox05; / 預設值 23.5 Ccount=0;P1=0xff;InitTS();/ 初始化 DS18B20send(Ox0c;Ox01);/ send(Ox0b;Ox07);/ send(Ox0a;Oxf5);/ send(Ox09;Oxff);/ while(1) GetTempTS();/i=temp1;if(i=0xianb=i/100;設定停機方式掃描7位亮度等級譯碼方式讀取測得的溫度i=100)j=i%100;xians=j/10;xiang=j%10 | 0x80;xinx=temp2;send(0x01;xianb);/ send(0x02;xians);/ send(0x03;xiang);/send(0x04;xianx);/顯示測得的溫度send(0x05;setb);/send(0x06;sets);/Send(0x07;setg);/send(0x08;setx);/顯示預設定的溫度else alert=1;警告void key(); /調按鍵掃描void compare(); /調比較程序if(outflag=1) pid=_a_func(); /調PID算法for(i=0;i1;i+;else if(outflag=-1) pid=_a_func();for(i=0;i1;