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1、智能仪表课程设计目录1、绪论21.1设计目的2 2、设计指标及任务32.1题目32.2仪表功能32.3主要技术指标33、硬件设计33.1、主板硬件33.1.1 主机模块的设计33.1.2键盘和显示器模块设计43.2、副板硬件设计63.2.1 DAC083263.2.2 基准电源63.2.3 ADC080963.2.4 D触发器73.2.5 或非门73.3、硬件调试及问题解决83.3.1调试步骤83.3.2 问题及解决方法84、数据误差分析95、总结9附录：10附录一：A/D输入数据及对应曲线10附录二：D/A输出数据及对应曲线10附录三：主板原理图11附录四：副板原理图11附录五：主板PCB图
2、12附录六：副板PCB图 12附件七：元器件清单131、绪论单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是20世纪七十年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口和终端系统与同一硅片的器件。20世纪八十年代以来单片机发展迅速各类新产品不断涌现出现许多新产品，出现了许多高性能新型机种现已成为工业控制和各控制领域的支柱产业之一。由于单片机功能强、体积小、可靠性好、价格便宜等独特优点因而受到人们的高度重视并取到了一系列的科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，并具有广阔的发展前景。单片机技术的应用是信息技术发展的一个
3、方面，它为人们的生产和生活带来了极大的方便。今天人们生活中的消费电子产品、生产中的智能仪表等不乏应用单片机技术的产品，作为21世纪新时代的大学生，我们不能停留在理论上，更要通过实践来掌握单片机的使用方法。随着智能仪表设计这门课程的深入学习，我们已经在理论上学习过了单片机的知识，而智能仪表色课程设计为了更好的掌握这门技术提供了平台。让我们将所学的基础理论知识和专业知识运用到具体的工程实践中去。以培养学生综合运用知识能力。实际动手能力和工程实践能力，为此后的毕业设计打下良好的基础，都为今后从事生产技术工作打下了必要的基础。此次课程设计要求完成通用智能仪表的硬件设计，软件设计和相关元器件的选择。掌握
4、计算机辅助设计技术。1.1、设计目的（1）熟练掌握AT89S52微处理器，HD7279芯片、X5045芯片以及A/D和D/A的原理及应用。（2）掌握动态LED显示及键盘设计原理，对智能仪器中最基本的输入输出设备具 有感性认识。（3）通过一个相当对完整的程序编程，能够将单片机知识和智能仪器的设计融会贯通，同时掌握对智能仪器的软硬件构成及硬件软化方法。（4）通过完成一个涉及MCS-51单片机多种资源应用并具有综合功能的最小系统目标板的设计与编程应用。2、设计指标及任务2.1、题目通用智能仪表设计2.2、仪表功能本次设计的通用智能仪表是由主板和副板组成，五个按键、八位数码管显示。可见对场8路信号05
5、VA/D采集处理，1路D/A输出。根据标准决定：安全值内，依次轮回显示8通道的当前测量值和设定值（实际只做1路信号05V）；安全值外，产生光提示报警（用发光二极管），并且轮回显示报警通道的设定值。另外系统无需每次开机重新设定标准值，同时具有看门狗定时器功能。2.3、主要技术（1）输入信号：05V 1路8路；（2）输出信号：05V或420mA 1路；（3）精度：0.5；（4）显示分辨率：0255；（5）供电：交流220V10，50Hz；（6）工作温度：055;3、硬件设计3.1、主板硬件主板有AT89S52、X5045、HD7279组成，是仪表的核心。3.1.1主机模块的设计主机模块由AT89S
6、52作为中央处理器，X5045串行PROM用来存储测量值报警上下限量程上下限，并且具有看门狗定时器功能。根据两芯片的引脚功能设计AT89C52与X5045接线方式如图2.1所示：图2.1 AT89S52与X5045接线图单片机与X5045引脚的连接和相关地址分配如下：（1） CS：片选端，低电平有效，与P1.0相连；（2）SI：串行数据输出端，与P1.1相连；（3）SCK：串行时钟输入端，与P1.2相连；（4）SO：串行数据输入端，与.P1.3相连。所需主要芯片：（1） AT89S52AT89S52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的F
7、lash只读程序存储器,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8051 指令系统及引脚。它集Flash 程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯中。（2） X5045：作为单片机系统电路的一个辅助芯片，它将上电复位、低电压检测、看门狗定时器和块锁保护的串行E2PROM功能集合一个芯片内；采用SPI串行外设接口方式。本次设计采用了其中的复位，看门狗定时器及存储功能。当系统出现故障时，在设定的时间内如果没有对X5045进行访问，则看门狗定时器以RESET信号作为输出响应，将单片机复位。3.1.2键盘和显示器模块设计键盘和显示器实现人机
8、交互，是智能仪表比较重要的一部分。本次设计的键盘和显示器由HD7279管理，实现五个按键的不同功能。前四位显示通道号，后四位显示测量值。电路如图3.1所示：图3.1 HD7279单片机与HD7279引脚的连接和相关的地址分配如下：（1） CS：片选端，低电平有效，与P1.4相连；（2） CLK ：串行时钟输入端，与P1.5相连（3） DATA：串行数据输入/输出端，与P1.6相连（4） KEY：按键有效信号端，与P1.7相连7279的CS，DATA，CLK，KEY口与单片机P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相连，当单片机访问7279时，CS为低电平，DATA为单片机和7279之间的数据传输
9、端，单片机通过KEY来判断是否有按键，无按键为高电平，有按键是为低电平并保持，直到按键松开。HD7279主要特点：HD7279为28引脚标准双列直插式封装（DIP），单一的+5V供电。与CPU间采用串行接口方式，仅占用4跟端口线；内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码；循环左移和循环右移指令；内部含有驱动器，无需外围元件可直接驱动LED；具有级联功能，可方便的实现多于8位显示或多于64键的键盘接口；具有自动消除抖动并识别按键键值的功能。图3.2HD7279与LED的接口电路HD7279应连接共阴式数码管。在使用键盘情况下，下拉电阻和键盘连接位选线DIG0-DIG7的电阻，应遵从一定的比
10、例关系，下拉电阻应大于位选电阻的5倍而小于其50倍，典型值为10倍。在不影响显示的情况下，下拉电阻应尽可能地取较小的值，这样可以提高键盘部分的抗干扰能力。HD7279需要一外接的RC振荡电路以供系统工作，外接振荡元件为典型值（R=1.5K,C=15pF）。振荡电路的元件应当尽量的靠近HD7279并使电路连线最短。3.2、副板硬件设计副板由AD0809、DA0832，D触发器74HC74、或非门74HC02、地址锁存器74HC373（实际没用）、二片基准电源LM336-5,0以及运算放大器LM324组成。用电位器输入05V电压信号A/D芯片0809。3.2.1 DAC0832和LM324(1)D
11、AC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。(2)运算放大器LM324用于输出0-5V模拟量信号，其同相端接地，反馈为负，当Vref接 -5V时输出的模拟量信号为0-+5V。 3.2.2基准电源 LM3326/LM336集成电路是精密的2.5V并联稳压器，其工作相当于一个低温度系数的、动态电阻为0.2的2.5V齐纳二极管，其中的调端（adj）可以使基准电压和温度系数得到微调。它的典型性能参数有：（1）低温度系数：6mV/9mV/18mV;（2）
12、工作电流范围宽：300uA-10mA;（3）动态电阻：0.2;（4）最大正向电流：10mA;（5）最大反向电流：15mA； 3.2.3ADC0809ADC0809多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连D触发器用于给AT89S51的ALE分频并将时钟输入给AD0809的CLK管脚。分频算式：fALE=12MHz/6=2MHz，一个D触发器分掉1/2，则经过两个D触发器
13、后的频率=2MHz/4=500Hz。3.2.3 D触发器电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。如果在CP 高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。主要起分频作用。3.2.3或非门或非门是数字逻辑电路中的基本元件，实现逻辑或非功能。有多个输入端，1个输出端，多输入或非门可由2输入或非门和反相器构成。只有当两个输入A和B为低电平（逻辑0）时输出为高电平（逻辑1）。也可以理解为任意输入为高电平（逻辑1），输出
14、为低电平（逻辑0）。3.3 硬件调试及问题解决3.3.1调试步骤（1） 根据原理图焊板完成后，将所用到的芯片插入相应的位置上面；（2）用万用表检测电路板没有短路。（3）将+12V和-12V电源接到副板的J3电源接口上；（4）将老师所给电源的0-5V电源连接到主板的J8电源接口上；（5）将电源插头接到220V交流电，观察数码管显示现象；（6）用平口螺丝刀调节滑动变阻器给入模拟量输入，并观察数码管显示；（7）其次用万用表检测运算放大器输出的电压值。3.3.2问题及解决方法问题1：万用表检测DA输出时调节变阻器后，数码管不显示对应数值问题分析：可能是DA芯片或焊接出现问题，也可能稳压芯片坏了解决方法
15、：检测DA芯片及焊接无误，将稳压芯片更换问题2：检测AD芯片输出时数码管显示不正确问题分析：AD芯片的ADD A,ADD B,ADD C脚未接地解决方法：将上述三脚接地4、数据误差分析1、 A/D输入与仪表数字量对应数据A/D输入量00.511.522.533.544.55仪表数字量03759781041281571802052312552、 仪表数字量与D/A输出对应数据仪表数字量050100150200250D/A输出量00.9811.9322.9393.8664.9233、 数据误差分析对数据与曲线图进行分析，采用端点连线拟合方法，来线性化以上两条曲线：对于附录一图：K1=（255-0）
16、/（5-0）=51则这条直线的拟合方程为 Y=51X通过将拟合直线和曲线比较得到，在输入为1.5V时，得残差最大，最大残差为3.1，即最大非线性误差为 L1=3.3/255*100%=1.29%对于附录二图：K2=（5.125-0）/（250-0）=0.02则这条直线的拟合方程为 Y=0.02X通过将拟合直线和曲线比较得到，在输出为5V时，得残差最大，最大残差为0.124，即最大非线性误差为L2=0.124/5.125*100%=2.42%误差分析：(1)所用的测量仪表不精确，造成测量误差。(2)计算过程中存在人为计算误差。5、总结在这次的课程设计中加深了对并行和串行接口通信的理解，掌握了对没
17、有接触过的芯片的学习和使用方法，通过实际应用掌握了它们的功能与实际接线要求。通过这次设计，了解了应用X5045芯片的看门狗定时器功能可以方便的解决以前因为程序跑飞或编程序时出错进入死循环的问题。利用E2PROM功能可以存储重要数据防止掉电丢失。了解了HD7279串行接口对键盘和显示器的管理方式。掌握了利用LM336设计稳定电压的方法；同时学会了A/D，D/A转换的基本原理和实现方法。基本掌握了对整体系统的硬件设计，学会了硬件电路的设计的方法，熟悉了硬件设计的要求和规则，进一步加强了实际设计能力。同时通过本次课程设计，进一步熟悉了Altium Designer绘图软件的使用，同时也强化了汇编语言
18、的使用，进一步规范了编程的模式，扩展了编程框架设计思想，提高了自己的独立设计软件的能力。通过智能仪表课程设计，进一步认识与了解了智能仪表的设计过程，在实践中，不断发现及解决问题，在理论掌握的基础上，结合实践细节理解所学的学科知识，并且培养实际操作的动手能力应变解决问题能力。附录：附录一：A/D输入数据及对应曲线A/D输入量00.511.522.533.544.55仪表数字量0375978104128157180205231255附录二：D/A输出数据及对应曲线仪表数字量050100150200250D/A输出量00.9811.9322.9393.8664.923附录三：主板原理图附录四：副板原
19、理图附录五：主板PCB图 附录六：副板PCB图 附件七：元器件清单CommentDescriptionDocumentFootprintLibRefModel:FootprintQuantityValueCapacitorH:MY主板.SchDocHDR1X2CapConnector; Header; 2 Position230pFCapacitorH:MY主板.SchDocRAD-0.3CapRadial Cap, Thru-Hole; 2 Leads; 0.3 in Pin Spacing115pF12MHZCrystal OscillatorH:MY主板.SchDocCRYXTAL1He
20、ader, 13-Pin, Dual rowH:MY主板.SchDocHDR2X13Header 13X2Connector; Header; 13x2 Position1Header 13X2Header, 13-Pin, Dual rowH:MY副板.SchDocHDR2X13Header 13X2Connector; Header; 13x2 Position1Header, 2-Pin, Dual rowH:MY主板.SchDocHDR2X2Header 2X2Connector; Header; 2x2 Position1Header 8Header, 8-PinH:MY副板.Sch
21、DocHDR1X8Header 81Header 2Header, 2-PinH:MY副板.SchDoc, H:MY副板.SchDoc, H:MY主板.SchDocHD2Header 23Header 4Header, 4-PinH:MY副板.SchDocHDR1X4Header 4Connector; Header; 4 Position17.62 mm Black Surface HER 7-Segment Display: CC, RH DPH:MY主板.SchDocLEDDIP-10/C15.24RHDDpy Red-CCLED, 7-Segment Display, 14.2 mm,
22、 RHD; 10 Leads; Row Space 15.24 mm; Pitch 2.54 mm8ResistorH:MY主板.SchDocAXIAL-0.4Res2Axial Device, Thru-Hole; 2 Leads; 0.4 in Pin Spacing151.5K, 10K, 10K, 10K, 10K, 10K, 100K, 200K, 200K, 200K, 200K, 200K, 200K, 200K, 4.7KRes2ResistorH:MY副板.SchDocAXIAL-0.4Res2Resistor; 2 Leads21K200*8ResistorH:MY主板.S
23、chDocAXIAL-0.4Res2Axial Device, Thru-Hole; 2 Leads; 0.4 in Pin Spacing1200KSwitchH:MY主板.SchDocSWPBSW-PB5ADC0809H:MY副板.SchDocDIP-28/X1.5ADC08091AT89S518-Bit Microcontroller with 4K ISP Flash ROMH:MY主板.SchDocDIP-40AT89S511DAC0832H:MY副板.SchDocDIP-20Component_11HD7279H:MY主板.SchDocDIP-28/X1.5HD7279174HC74新H:MY副板.SchDocDIP-1474HC74新1X5045H:MY主板.SchDocDIP-8/D10.3Component_1174HC02新H:MY副板.SchDocDIP-1474HC02新1LM324H:MY副板.SchDocDIP-14LM324DIP; 14 Leads; Row Spacing 7.62 mm; Pitch 2.54 mm1LM336Z5.05V Reference DiodeH:MY副板.SchDocLM336LM336Z5.02- 14 -