智能数字显示仪表
【摘要】智能仪表是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器。它的出现，极大的扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、低功耗等优势，迅速的在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的使用。 智能电子系统，其单片机硬件部分都是相似的，一般是由如下硬件电路组成：单片机最小系统（单片机、电源、晶振、复位、编程调试接口等）。开关量 2 、输入与输出电路。 模数与数模转换电路。 通信接口（UART （SCI ） SPI 、 C 、 I （SMBus ）CAN 、USB 、TCP/IP、ZigBee 等）。显示电路（LED 数码管、LCD 等）。控制电路（继电器、晶闸管等功率输出电路）。而软件部分就是使单片机中运行的程序（算法），程序通过单片机与单片机的引脚指挥各个硬件电路部分，进而控制各种各样的对象，实现对象控制的自动化与智能化。单片机技术的落脚点就是实现电子系统智能化，换句话说，就是开发控制各种对象的智能电子产品。本课程设计以工业控制中使用的温度监测智能仪表为例，介绍单片机在电子系统智能化方面的应用。
1、设计目的和原理
设计题目：实现智能数字显示仪表。 要求 8 位数码管显示 位显示测量值， 位显示设定值） （4 4 ， 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 E 型（镍铬-铜镍）热电偶，测温范围为 0℃~700℃。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） 。
设计目的：单片机综合练习是一项综合
性的专业实践，目的是让学生在所学知识的基础上，结 合工程实际，加以消化和巩固，培养学生的综合运用知识的能力、动手实际的能力和工 程实践能力，为以后的工作实践打好良好的基础。
设计原理：由热电偶送来的电信号一方面通过 AD 转换成数字信号供单片机处理后进行数字显 示，另一方面传输到调节器比较运算，输出一个需要的控制信号与给定匹配。
2、硬件设计
本设计采用 STC89C51 单片机实现智能测温仪表。由题目可知，该测温仪表 需要如下电路模块：（1）单片机电路（包括单片机
原理框图
最小系统、ADC 、数码显示、按键、LED 灯、 电源等）。（2）E 型（镍铬-铜镍）热电偶信号调理电路（3）加热功率驱动电路。
智能仪表单片机电路由 STC89Ｃ51 单片机电路、按钮、数码管、LED 显示、 串行。
控制板面图：
通讯口、电源、ADC 、DAC 、E2PROM 、热电偶、功率输出等电路组成
上排数码管显示设定值，下排数码管显示测量值。第一个按钮选择功能设置，第二个数码管选择，第三个数值加，第四个数值
减。四个LED 显示灯显示系统的各个运行状
态
基本电路模块：总框图
单片机最小系统：
STC89C51 单片机最小系统包含51单片机、晶振电路、复位电路、电源电路。 单片机可采用11.0592MHz 或12MHz 的晶振， 外置电
蜂鸣器电：
源可以采用市售开关电源12V 直流，稳压模块采用7805芯片，采用单片机上电复位的方式，还有上电指示灯。
NPN 型三极管驱动蜂鸣器产生报警提示，单片机 P1.6 口控制
串行存储 串行存储器电 ：
串行存储器芯片 24C02 用于保存设定值。该芯片具有 I2C 接口，连接单片机 P0.0
数码管电 ：
与 P0.1 引脚，采用软件方法模拟 I2C 接口。
具有两排各四个数码管显示，采用四位一体数码管，分别显示测量值和设定 值，数码管由 2 块 74HC595 串入并出锁存器
按键电 ：
驱动，因此只需要 3 个单片机引脚， 采用动态扫描数码管驱动法。
根据需要接按键于单片机相关引脚上，低电平有效。可用作功能选择按钮、 数值
LED 电 ：
加一按钮、数值减一按钮等。
LED 显示灯用于显示报警、动作等，直接连接到单片机相关引脚，低电平有效。
ADC 电 ：
由于 51 单片机内部没有AD 资源，因此扩展了10位ADC 芯片 TLC1549， TLC1549
DAC 电 ：
与单片机的 P1.0、 P1.1、 P1.2 引脚连接，连接器 J1用于模拟信号的输入。
同样， 系统扩展了 DAC 芯片 TLC5615,该芯片采用+5V 模拟电压分压作为参考 电压，DAC 输出范围可达 0.25~4.75V，单片机
通讯电 ：
采用 3 个引脚与该芯片连接，软件 模拟芯片时序，将数据输出到 TLC5615.
使用 MAX232 组成电平变换电路，可以实现在系统编程（ISP ）或实现单片 机与 PC
热电调电：
机之间的通讯。P3.0 与 P3.1 连接有交叉 开关，可以实现端口复用。
E 型热电偶信号调理电路如上图所示。
镍铬—铜镍热电偶 压簧固定式热电偶，铜镍热电偶、工业用装配式热电偶作为测量温度的传铜镍热电偶 感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可
分度表：
以直接测量各种 生产过程中从0℃～1800℃范围内的液体、 蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
该电路利用1N4148的负温度系数实现热电偶冷端补偿。为保证 0℃时输出 电压为 0V ，电路中采用了负电源。第一个运放组成的电路实现冷端温度补偿，其中 RP0 调节电路零点，由于二极管在反馈通路中，运放输出电压随温度升高而上升， 温度系数为
0℃~700℃对应线性输出 0~1.9V。
电加热器电 ：
2mV/℃, 经过 R5 与 R6 分压后的温度系数为 0.017mV/℃, 正好与 R13 热电偶温度系数近似。第二个运放用于信号方法， 发达倍数约为 160。74HC14 组成的多谐振荡器、二极管和电容构成负电源电路，该电路向 LM258 提供负电源。
单片机引脚为低电平时，在交流220V 电压移相时，MOC3022 触发双向晶闸管接通
控制器方案：
1000W 电加热电源。
比例控制(P)是一种控制算法， 其输出量 out 与温度偏差 e=SV-PV 成比例关系， 写成数学公式是：
out= kp * e+out0
式中，e 是测量温度值 PV 与设定温度值 SV 之间的偏差，Kp 是比例系数。out 是 输出
量。out0 是对应 e=0 时的控制量，可由人工确定，通常取输出控制量的 1/2。
3、 软件设计及注释
软件流程图： 描述了软件算法的执行过程。判断。下图只是列出执行的整体框架：
有开始、有结束，有条件分支选择，有正常
智能数字显示仪表
【摘要】智能仪表是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器。它的出现，极大的扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、低功耗等优势，迅速的在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的使用。 智能电子系统，其单片机硬件部分都是相似的，一般是由如下硬件电路组成：单片机最小系统（单片机、电源、晶振、复位、编程调试接口等）。开关量 2 、输入与输出电路。 模数与数模转换电路。 通信接口（UART （SCI ） SPI 、 C 、 I （SMBus ）CAN 、USB 、TCP/IP、ZigBee 等）。显示电路（LED 数码管、LCD 等）。控制电路（继电器、晶闸管等功率输出电路）。而软件部分就是使单片机中运行的程序（算法），程序通过单片机与单片机的引脚指挥各个硬件电路部分，进而控制各种各样的对象，实现对象控制的自动化与智能化。单片机技术的落脚点就是实现电子系统智能化，换句话说，就是开发控制各种对象的智能电子产品。本课程设计以工业控制中使用的温度监测智能仪表为例，介绍单片机在电子系统智能化方面的应用。
1、设计目的和原理
设计题目：实现智能数字显示仪表。 要求 8 位数码管显示 位显示测量值， 位显示设定值） （4 4 ， 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 E 型（镍铬-铜镍）热电偶，测温范围为 0℃~700℃。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） 。
设计目的：单片机综合练习是一项综合
性的专业实践，目的是让学生在所学知识的基础上，结 合工程实际，加以消化和巩固，培养学生的综合运用知识的能力、动手实际的能力和工 程实践能力，为以后的工作实践打好良好的基础。
设计原理：由热电偶送来的电信号一方面通过 AD 转换成数字信号供单片机处理后进行数字显 示，另一方面传输到调节器比较运算，输出一个需要的控制信号与给定匹配。
2、硬件设计
本设计采用 STC89C51 单片机实现智能测温仪表。由题目可知，该测温仪表 需要如下电路模块：（1）单片机电路（包括单片机
原理框图
最小系统、ADC 、数码显示、按键、LED 灯、 电源等）。（2）E 型（镍铬-铜镍）热电偶信号调理电路（3）加热功率驱动电路。
智能仪表单片机电路由 STC89Ｃ51 单片机电路、按钮、数码管、LED 显示、 串行。
控制板面图：
通讯口、电源、ADC 、DAC 、E2PROM 、热电偶、功率输出等电路组成
上排数码管显示设定值，下排数码管显示测量值。第一个按钮选择功能设置，第二个数码管选择，第三个数值加，第四个数值
减。四个LED 显示灯显示系统的各个运行状
态
基本电路模块：总框图
单片机最小系统：
STC89C51 单片机最小系统包含51单片机、晶振电路、复位电路、电源电路。 单片机可采用11.0592MHz 或12MHz 的晶振， 外置电
蜂鸣器电：
源可以采用市售开关电源12V 直流，稳压模块采用7805芯片，采用单片机上电复位的方式，还有上电指示灯。
NPN 型三极管驱动蜂鸣器产生报警提示，单片机 P1.6 口控制
串行存储 串行存储器电 ：
串行存储器芯片 24C02 用于保存设定值。该芯片具有 I2C 接口，连接单片机 P0.0
数码管电 ：
与 P0.1 引脚，采用软件方法模拟 I2C 接口。
具有两排各四个数码管显示，采用四位一体数码管，分别显示测量值和设定 值，数码管由 2 块 74HC595 串入并出锁存器
按键电 ：
驱动，因此只需要 3 个单片机引脚， 采用动态扫描数码管驱动法。
根据需要接按键于单片机相关引脚上，低电平有效。可用作功能选择按钮、 数值
LED 电 ：
加一按钮、数值减一按钮等。
LED 显示灯用于显示报警、动作等，直接连接到单片机相关引脚，低电平有效。
ADC 电 ：
由于 51 单片机内部没有AD 资源，因此扩展了10位ADC 芯片 TLC1549， TLC1549
DAC 电 ：
与单片机的 P1.0、 P1.1、 P1.2 引脚连接，连接器 J1用于模拟信号的输入。
同样， 系统扩展了 DAC 芯片 TLC5615,该芯片采用+5V 模拟电压分压作为参考 电压，DAC 输出范围可达 0.25~4.75V，单片机
通讯电 ：
采用 3 个引脚与该芯片连接，软件 模拟芯片时序，将数据输出到 TLC5615.
使用 MAX232 组成电平变换电路，可以实现在系统编程（ISP ）或实现单片 机与 PC
热电调电：
机之间的通讯。P3.0 与 P3.1 连接有交叉 开关，可以实现端口复用。
E 型热电偶信号调理电路如上图所示。
镍铬—铜镍热电偶 压簧固定式热电偶，铜镍热电偶、工业用装配式热电偶作为测量温度的传铜镍热电偶 感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可
分度表：
以直接测量各种 生产过程中从0℃～1800℃范围内的液体、 蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
该电路利用1N4148的负温度系数实现热电偶冷端补偿。为保证 0℃时输出 电压为 0V ，电路中采用了负电源。第一个运放组成的电路实现冷端温度补偿，其中 RP0 调节电路零点，由于二极管在反馈通路中，运放输出电压随温度升高而上升， 温度系数为
0℃~700℃对应线性输出 0~1.9V。
电加热器电 ：
2mV/℃, 经过 R5 与 R6 分压后的温度系数为 0.017mV/℃, 正好与 R13 热电偶温度系数近似。第二个运放用于信号方法， 发达倍数约为 160。74HC14 组成的多谐振荡器、二极管和电容构成负电源电路，该电路向 LM258 提供负电源。
单片机引脚为低电平时，在交流220V 电压移相时，MOC3022 触发双向晶闸管接通
控制器方案：
1000W 电加热电源。
比例控制(P)是一种控制算法， 其输出量 out 与温度偏差 e=SV-PV 成比例关系， 写成数学公式是：
out= kp * e+out0
式中，e 是测量温度值 PV 与设定温度值 SV 之间的偏差，Kp 是比例系数。out 是 输出
量。out0 是对应 e=0 时的控制量，可由人工确定，通常取输出控制量的 1/2。
3、 软件设计及注释
软件流程图： 描述了软件算法的执行过程。判断。下图只是列出执行的整体框架：
有开始、有结束，有条件分支选择，有正常