计算机控制技术课程设计-数字液压计的设计.doc

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1、 计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 成绩评定表成绩评定表 设计课题设计课题 ： 数字液压计的设计数字液压计的设计 学院名称学院名称 ： 专业班级专业班级 ： 学生姓名学生姓名 ： 学学 号号 ： 指导教师指导教师 ： 设计地点设计地点 ： 设计时间设计时间 ： 2011.6.272011.7.2 指导教师意见： 成绩: 签名： 2011 年 7 月 日 计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 成绩评定表成绩评定表 设计课题设计课题 ： 数字液压计的设计数字液压计的设计 学院名称学院名称 ： 专业班级专业班级 ： 学生姓名学生姓名 ： 学学 号号 ： 指导教师指

2、导教师 ： 设计地点设计地点 ： 设计时间设计时间 ： 2011.6.272011.7.2 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名学生姓名专业班级专业班级学号学号 题题 目目数字气压计设计 课题性质课题性质工程设计课题来源课题来源自拟课题 指导教师指导教师 主要内容主要内容 通过气压传感器 MPX4115 获得与大气压相对应的模拟电压值,并 经过电压/频率(V/F)转换模块转换为数字脉冲,通过单片机接收该脉 冲信号，得到单位时间内获得的脉冲数，依据电压与频率的线性关 系式计算出所对应的实际气压值，最后在单片机的控制下由 LCD 显 示电路显示出实际气压值。 任务要

3、求任务要求 第 1 天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。 第 2 天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论 证，画出方框图，并简述工作原理。 第 3-4 天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图， 元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。 第 5 天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理 流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于 5000 字。 主要参主要参 考资料考资料 1 赵建领51 单片机开发与应用技术详解北京：电子工业出版社， 2009 2 熊静琪计算机控制技术北京：电子工业出版社，2003 3 高金源计算机控制技术北

4、京：北京航空航天大学出版社， 2001 4 张晋格计算机控制原理与应用北京：电子工业出版社，1995 审查意见审查意见 系（教研室）主任签字：系（教研室）主任签字： 年年 月月 日日 I 目录目录 引言引言1 1 1.1 课题背景 1 1.2 系统功能 1 2 2 总体设计总体设计方方案案 1 1 2.1 设计整体思想 1 2.2 系统组成框图及工作原理 2 2.21 系统组成框图2 2.22 工作原理：2 2.3 方案设计 3 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3 3 3.1 系统设备选型 3 3.11 芯片 78L05 3 3.12 气压传感器 MPX4115 4 3.13 LM331 转

5、换芯片4 3.14AT89C52 单片机.4 3.15 显示5 3.2 部分系统硬件电路设计 5 3.21 电源模块的原理图5 3.22 气压传感器原理图 .5 3.23 V/F 转换电路原理图6 3.24 显示电路6 4 4 软件设计软件设计 7 7 4.1 单片机实现数字气压计的程序流程 7 4.2 静态显示子程序流程图 8 5 5 总结总结9 9 附录附录1010 系统总原理图系统总原理图1010 参参 考考 文文 献献1111 0 引言引言 1.1 课题背景课题背景 气压计是利用压敏元件将待测气压直接变换为容易检测、传输的电流或电 压信号，然后再经过后续电路处理并进行实时显示的一种设备

6、。其中的核心元 件 就是气压传感器，它在监视压力大小、控制压力变化以及物理参量的测量等 方面起着重要作用。运用于气压计的气压传感器基本都是依靠不同高度时的气 压变化来获 取气压值的。 气象学研究表明，在垂直方向上气压随高度增加而降低。例如在低层，每 上升气压便降低；在的高空，高度每增加 ，气压便会降低；而当高度进一步增加时，即到 的高空之后，高度每增加，气压便会降低；同 样，若空气中有下降 气流时，气压会增加；若空气中有上升气流时，作用于空 气柱底部的气压就会减小。一般把作用于单位面积上空气柱的重量称为大气压 力。 1.2 系统功能系统功能 该方法通过气压传感器获得与大气压相对应的模拟电压值，

7、并经过 VF 变 换输入到单片机进行处理，从而实时显示相应的气压值。用本文所述的方法制 成的气压计携带方便，操作简单，精确度高，完全符合设计要求。 2 总体设计方案总体设计方案 2.1 设计整体思想设计整体思想 基于 MPX4115 的数字气压计包括软硬件的设计与调试。软件部分通过对 C 语言的学习和对单片机知识的了解，根据系统的特点编写出单片机程序。硬件 1 部分分为四大块，包括大气压的非电信号数据的采集、转换、处理以及显示。 通过对设计的了解，选择适合的器件，画出原理图。 2.2 系统组成框图及工作原理系统组成框图及工作原理 2.212.21 系统组成框图系统组成框图 气压计硬件部分由四部

8、分构成，它们分别是：信息采集模块，数据转换模 块， 信息处理模块和数据显示模块。图 2.1 为系统总框图。 气 压 传 感 器 单 片 机 V/F 传 感 器 LED 显 示 电 源 模 块 图 2.21 系统总框图 2 2.222.22 工作原理工作原理 气压传感器将被测气压转换为电压信号；用转换器则可把气压传感 器输出的电压信号转换成具有一定 频率的脉冲信号；以便用单片机接收该脉冲 信号，并根据单位时间内得到的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出 所对应的气压值，最后在单片机控制下由 显示出来。 本气压计能够在气压传感器的线性范围内准确测量相应气压值。需要说明 的是，其测量值是绝对气压

9、值。本文研究的气压计的技术指标如下： 测量范围：； 测量精度：()； 显示精度：，由个段显示实现； 工作温度范围：； 电源电压：15V 2.32.3 方案设计方案设计 被测气压经过传感器转换成电压输出，根据芯片资料，算出输出电压与大 气压的关系：VOUT=5*（0.01P-0.09） 输出电压经过 V/F 转换电路转变为对应电压 fo 的脉冲序列 FO。根据 Vin 和 FO 的对应关系可得：P=(fo/5k+0.09)/0.01=(20fo/k+9) 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3.13.1 系统设备选型系统设备选型 3.113.11 芯片芯片 78L0578L05 因为三端固定集成稳

10、压电路的使用方便，电子制作中经常采用。在实际应 用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不 用） 。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能 输出 1.5A 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最 3 大输出电流为 N 个 1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同 一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的 余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。 3.123.12 气压传感器气压传感器 MPX4115MPX4115 气压传感器在气压计中占据核心位置。设计时可根据

11、测量精度、测量范围、 温度补偿、测量绝对气压值等几个性能指标来选取气压传感器。由于该气压计 显示的是绝对气压值，因而需要选取测量绝对气压值的气压传感器。同时为了 简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求该气压传感器应带有温度补偿。为 此，选用的气压传感器来测量绝对气压值。 该传感器的温度补偿范围为；压力范围为 ；输出电压信号（）范围为 ；测量精度为，同时在 时具有良好的线性，具体输出关系如下： ( ) 式中，是工作电压, 是大气压值，为输出电压。 3.133.13 LM331LM331 转换芯片转换芯片 LM331 是性能价格比比较高的集成芯片。它是当前最简单的一种高精度 V/F 转换器、A/D

12、 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。 3.14AT89C523.14AT89C52 单片机单片机 AT89C52 单片机最为核心的部分是中央处理器 CPU，它由运算器和控制逻辑 构成，其中包括若干特殊功能寄存器。AT89C52 是一款低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM ），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易 失性存储技术生产， 兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器 4 （CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 A

13、T89C52 单片机可为您提供许多高性价 比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。本设计中选用 AT89C52 单片机来 实现 3.153.15 显示显示 系统选用 LED 对所处理的结果进行显示 3.23.2 部分系统硬件电路设计部分系统硬件电路设计 3.213.21 电源模块的原理图电源模块的原理图 电路中的电源部分如图 3.21 所示。其中，3 脚是电源模块输入端接外部 +15V 电源。1 脚为电源模块输出端，输出+5V。 图 3.21 3.223.22 气压传感器原理图气压传感器原理图 数据采集模块由气压传感器 MPX4115 构成，采集的是大气压值。连接原理 图如图 3.22 +5V

14、 VIN 100.0 3 4 5 621 M1 MPX4115 R5 51k C7 50pF C1 1nF +15V +5V VI 3 VO 1 GND 2 U4 78L05 C4 10uFC5 0.01uF 5 图 3.22 3.233.23 V/FV/F 转换电路原理图转换电路原理图 LM331 构成的 V/F 转换器的电路。其中图中的 7 号引脚 Vin 是数据转换模 块的数据输入端，接到上一个数据采集模块的输出端。而 3 号引脚 F0 是数据转 换模块的输出端。原理图如图 3.22 图 3.22 3.243.24 显示电路显示电路 本设计采用四位七段数码显示管，实行静态显示。共使用 2

15、 片 74hs373 寄 存器。U2 进行段选，U3 用于位选。作为 LED 的上拉电阻。电路图 3.24. FO +5V +5V XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/

16、INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C52 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK-8 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11

17、 U2 74LS373 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 U3 74LS373 FO +5V +15v VIN CMIN 7 THR 6 R-C 5 IOUT 1 REFI 2 FOUT 3 GND 4 VCC 8 U2 LM331 R4 10k R222K R312K RL 100K CL1uF RIN100k CT 0.01uF CIN 0.1uF RT 6.8k 6 图 3.24 4 4 软件设计软件设计 4.14.1 单片机

18、实现数字气压计的程序流程单片机实现数字气压计的程序流程 为定时器，基本的定时时基为。为计数器，运用内部中 断可保证定时满 后就读取此时计数器的值，以计算气压值。 具体流程图如图 4.1 所示。 7 开始 设置定时器0 设置计时器1 While（1） 50ms定时中断 ETO=0；timecount+ Flag=1？TR1；Flag=0； 计算器压值 调用显示函数 TR=0;TR1=1 图 4.1 4.24.2 静态显示子程序流程图静态显示子程序流程图 当调用显示子程序时，在显示函数里，将气压值先按位进行分离并保存到 数组，然后送段码和相应位选就可以显示出相应的气压值了。如图 4.2 8 静态显

19、示子程序 显示缓冲区首地址 指向最左边的一位 取出要显示的数据 求要显示数据的现实码 送段选到74LS373（u2） 送位选码到74LS373（u3） 延时1ms 返回 图 4.2 9 5 5 总结总结 一周的课程设计终于结束了，虽然很忙碌、很疲劳，但是收获很大。这次 我用单片机 AT89C51 作为控制器，来设计数字气压计。每天的努力，唤来了我 对课程设计的重新的认识，对 51 单片机和控制系统的深刻理解，实现了真正实 践的目的。在理论学习的过程中，我只是简单地学到了一些理论知识，但是在 实际的设计过程中才发现理论与实际的巨大差别。在课堂上，掌握的仅仅是专 业基础课的理论，如何去锻炼我们的实

20、践的一面？如何把我们所学到的专业基 础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的设计就为我们提供了良好的实践平 台。在做本次设计的过程中，我感触最深的当数查阅大量的资料了。为了让我 的设计更加完善，更加符合标准，一次次翻阅书籍是十分必要的，同时也是必 不可少的。在学习理论知识的同时也要参加实践活动，把课本上的知识运动到 社会实践当中去，也是我们学习专业理论知识的最终目的。 但对于我来说，收获最大的算是方法和能力，分析和解决问题的能力。在 整个课程设计的过程中，我发现在经验方面还是有点缺乏，理论的知识不足， 有些东西与实际脱节。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我的帮 助还是很大的，它需要我们

21、将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自 身的不足，以待改进！ 本次设计的数字气压计能够实时的现实测量值，精度高，耗能低，工作可 靠。不足之处为测量的温度范围过窄，不能用于温度过高的场合。 10 附录附录 系统总原理图系统总原理图 把各个模块连接起来，构成气压计系统原理图，如图附 1 FO +5V +15v +5V +5V FO +5V +15V +5V VIN +5V CMIN 7 THR 6 R-C 5 IOUT 1 REFI 2 FOUT 3 GND 4 VCC 8 U2 LM331 100.0 3 4 5 621 M1 MPX4115 R4 10k R222K R312K RL 1

22、00K CL1uF RIN100k CT 0.01uF CIN 0.1uF RT 6.8k R5 51k C7 50pF C1 1nF XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.

23、2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C52 X1 CRYSTAL C1 22pF C2 22pF 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK-8 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17

24、 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 U2 74LS373 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 U3 74LS373 C3 10uF R1 10k VI 3 VO 1 GND 2 U4 78L05 C4 10uF C5 0.01uF 图附 1 11 参参 考考 文文 献献 1 何立民单片机初级教程M北京：北京航天航空大学出版社，2004 2 赵建领51 单片机开发与应用技术详解M北京：电子工业出版社,2009 3 高金源计算机控制技术M北京：北京航空航天大学出版社，2001 4 张晋格计算机控制原理与应用M北京：电子工业出版社，1995 5 张俊谟单片机的发展与应用J电子制作，2007，(8)：2324 6 黄一夫微型计算机控制技术M北京：机械工业出版社，1998 7 熊静琪计算机控制技术M北京：电子工业出版社，2003