毕业设计说明书基于C8051F130的工厂实时检测系统设计.docx
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毕业设计说明书基于C8051F130的工厂实时检测系统设计
2012届毕业生
毕业设计说明书
题目:
基于C8051F130的工厂实时检测系统设计
院系名称:
电气工程学院专业班级:
自动化F0805
学生姓名:
学号:
指导教师:
杨建军教师职称:
高级实验师
2012年05月11日
目次
1概述
课题研究的目的
目前,咱们已经了解和学习了许多相关科目知识,如单片机及其应用,传感器与检测电路,A/D转换电路,D/A转换电路,放大电路设计,和微型运算机原理及接口技术等,已经具有对参数的数据收集、放大、数据通信,对单片机进行编程并修改命令,还熟悉单片机指令及微型运算机控制电路的应用设计等能力,并具有必然的实践创新能力。
通过对微控制器,检测电路,压力传感器电路、温度检测电路和串行通信电路的整合,组成一个靠得住性高、稳固性好的检测系统电路,使其能够实现对液位、温度、电流、电压、功率的有效检测,而且在LCD上显示出测得的数据。
本设计是以C8051F130单片机为核心,通过对生产进程中的电流、电压、压力、温度的测量,取得的参数通过通信模块将数据传送到微处置器,最后通过微处置器对检测参数和设定参数的对比处置,实现对生产进程的实时检测和管理。
1.2课题研究的意义
的用途超级广,只要生活在现代城市中,咱们肯定离不开单片机。
以前,咱们的先辈要想开发一个简单的产品,他们需要用到很多的分离器件才能完成,如此不仅麻烦,而且不高,现在只需要用到一枚几块钱的单片机就可以轻松完成。
单片机具有极高的智能性,咱们只需要编写出不同的程序就可以够完成不同的控制工作。
在工业控制领域中单片机已成为普遍采用的智能化控制工具,其已经深深地渗入到咱们的日常生活当中——小到玩具、行业,大到车载、舰船、飞机、探测机械人等电子系统[20],在计量测试、工业、机械电子、金融电子、商用电子、、、军事和等领域中都可见到单片机的身影。
以单片机为核心,与其他设备组成的各类测量、监视、控制等系统在工业生产中扮演着不可或缺的角色,所以以单片机为核心的控制系统在工业领域里具有很高的研究价值和研究意义。
本课题来源于工厂生产,此刻工厂中的产品大部份来源于人工劳作,咱们国家目前就是劳动密集型国家。
手工生产效率低下,对环境中的温度和湿度的控制上不够精准,不能达到生产的理想环境和预想效果,咱们这次研究的目的就是为了实现对环境的自动检测和控制,以实现工厂自动化生产,增进社会的自动化进程。
1.3课题设计任务
本课题是基于C8051F130的工业实时检测系统的设计。
按照以上分析、导师的指导和本的人各方面条件,来完成通过各类变送器(传感器)将电压、电流、功率、水的液位和蒸气温度度等参数转换成统一的电流或电压信号通过A/D转换后变成数据量送入单片机处置。
通过该系统对生产进程的管理,能够使生产进程达到完美的境界,无需人为的去做每一项检测工作,而且处置起来也方便快捷。
这里充分利用了单片机作为智能器件的作用,是生产管理智能化、简单化。
2课题方案设计
课题设计线路
工厂的实时检测系统是能够检测生产进程中的各类参数,如电压、电流、液位、温度等,而且具有显示功能的仪器,能够通过系统设定值与收集的数据值的对比进行直接控制,在第一时刻作出合理的调整。
本系统中是由测温电路对水的温度进行测量,然后把水的温度数值传送给微控制器,当水的温度达到必然数值后,控制器就会命令加热模块开始对水加热。
起初,咱们能够在设定的一段时刻内,对水进行加热并使其达到设定好的温度值后,并使其稳固在该温度一段时刻。
测液位电路对水的液位进行实时测量,并传送给微控制器,做到实时控制液位的转变。
该系统通过两个通信模块实现数据传输,由上位机设定好温度参数后,通过通信模块传给远处的微控制器,微控制器依照上位机设定好的温度数值来控制加热模块对水进行加热,同时微控制器把蒸汽的温度和水位高度通过通信模块传给上位机软件。
显示模块把系统的温度值、高度值等各项数据实时显示在液晶屏幕上。
温度控制采用PID算法,成立一个比例-积分-微分的数学模型,控制TCA785移相触发器通过控制BAT-20对水进行加热。
利用RS-485实现单片机与上位机的通信,在0℃到100℃范围内可随意设定温度值来控制水温。
3方案的实现
整体方案设计
基于C8051F130的工业实时检测系统主要由以下几部份组成:
C8051F130为核心的微处置器系统、测温模块、加热模块、液位模块、显示模块、通信模块和上位机软件。
系统组成原理如图所示。
图系统组成原理图
控制器电路设计
本设计中采用C8051F130作为控制器件。
显示器选用点阵式液晶模块RA8835。
时钟设计采用的是AT45DB081的时钟,在电路中咱们采用P0口的、、别离作为时钟器件的串行时钟线、数据线、复位线[16],将VCC连接到备份电源,如此就可以够在掉电的情形下依旧能够保留时刻信息,这种记录方式方便于对长时刻的持续测试系统结果的分析和对查找异样数据出现的原因有着重要意义[16]。
数据收集单元设计
数据收集单元收集水的液位、温度和系统的电流、电压和功率。
a.液位的收集采用WDK505压力传感器来收集水的液位信号。
该传感器具有性能稳固、体积小、重量轻、性能价钱比高等特点,能够在正负压力测量中取得普遍应用。
传感器信号经电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号。
该芯片完全内置于不锈钢外壳,具有密封牢固,靠得住性好,精度高的特点。
b.温度的收集采用三个电阻和PT100一路组成测量电路,当PT100的电阻值和其中一个的电阻值不一致时,测量电路输出一个毫伏级的压差信号,经LM324运算放大后,接入微控制器[16],同时进行A/D转换。
PTl00传感器为热敏电阻传感器,与温度成正比关系。
铂热电阻的线性关系较好,在0℃到100℃之间转变时,最大非线性误差小于℃。
铂热电阻阻值与温度有以下关系:
式中,A=;B=;C=-其阻值表达式可近似简化为:
()
当温度转变1℃时,铂电阻PTl00的阻值转变近似为Ω。
PT100测温接口电路如图所示。
图PT100测温接口电路
c.电流与电压的收集在系统上串联上毫伏电流表、毫伏电压表,将数据送到微控制器,通过液晶显示器显示出收集到的数值。
d.功率的收集功率与电流、电压的关系为:
P=UI(
将采集的电流、电压数值送给微处置器,计算后取得的数值通过显示器显示出功率值。
单片机系统部份
3.4.1单片机C8051F130的介绍
C8051F130是Cygnl公司推出的高性能高运算速度产品,其执行指令速度最快可达100MIPS,该单片机具有8448(8K+256)字节片内RAM和128K字节的FLASH存储器,拥有64个输入输出端口,能够完全知足本设计的控制需求。
该单片机具有高速CIP-51微控制器内核,而且与51单片机完全兼容,与MCS-51指令集完全兼容。
将C8051F130应用于工厂实时检测系统,可加速处置速度,充分利用其片上的功能模块达到更好的控制效果,并可简化硬件电路,提高系统靠得住性[17]。
C8051F130原理图如图。
图C8051F130原理图
3.4.2单片机外围电路介绍
外围电路主要配合控制器完成实时检测系统参数测量,主要由存储电路、RS-485通信、USB通信、TCA785移相调压控制电路等组成。
a.数据存储电路的设计需要测量水的温度、液位、系统功率等参数。
选取AT45DB081作为大容量存储器,容量可达8MB,把系统在相当长一段时刻内收集到的数据存储在其中。
电路中将C8051F130的、和引脚通过交叉开关配置为SPI的CLK、MOSI和MISO信号线,别离与AT45DB081的时钟、串行输出和串行输入管脚相连[18]。
将、和别离与AT45DB081的片选、复位和忙闲管脚相连[16]。
存储器接口电路如图所示。
图存储器接口电路
b.RS-485通信电路设计在测试电路中,控制系统发送执行命令,由相对应接收模块接收命令并执行该命令。
RS-485通信距离能够有几十米到几千米远,而RS-232通信接口一般都在二十米之内有效,因此采用RS-485来实现多机通信,RS-485标准接口为差分驱动结构[16],上位机与控制器的输出信号标准不一致,须完成信号的转换。
而它则是通过传输线驱动器MAX485把逻辑信号转化为电位差信号,进而完成信号的传递,这种通信方式提高了信号的抗共模干扰能力。
c.USB通信接口电路设计系统中PDIUSBD12与C8051F130之间的连接采用地址数据总线复用的方式,ALE作为地址锁存信号,A0接高电平,C8051F130的地址总线和数据总线直接和PDIUSBD12的数据总线相连。
USB接口电路如图所示。
图USB接口电路
在工厂检测系统所处的环境中,会有很多电线、仪器仪表等电气元件能发出电磁辐射,影响检测的有效性。
由于PDIUSBD12本身的静电放电保护能力有限,为有效避免静电放电时损害后面的元器件,故本系统中在D-、D+和地线之间并联一个瞬变电压抑制器。
其SN75240接口电路如图所示。
当A,B或C,D两头刹时有高能量冲击时,它能把两头的阻抗值以极高的速度由高阻态变成低阻态,保护后面的电器元件不因瞬态高压而损坏。
图SN75240接口电路
d.TCA785控制模块TCA785模块采用移相触发来实现。
触发器TCA785可使受控器件在0V到220V之间实现无级改变。
可控硅的输出持续可调,那是由于在每一个正或负的周期中都有维持通、断的部份,能应用到多种性质的负载。
本系统为加热模块设置了控制开关,PC机可控制开关的闭合,用LED显示开关状态。
图为控制原理图。
图控制原理图
温度控制
PID是工业生产中最常常利用的一种控制方式,PID适用于需要进行高精度测量控制的系统,可按照被控对象自动演算出最佳PID控制参数。
PID的工作基理是:
由于外界各类扰动量不断产生,不断影响着控制对象,为使被控制对象维持在恒定值范围,在很小的波动范围内转变,控制作用就必然不能停止。
若扰动量使得被控制对象转变专门大,那么检测模块就会将转变值收集后经传感器送至PID控制器的输入端,并与给定值对比由此取得一个误差值,PID控制器依照此误差值,以给定的参数控制规律发出控制命令,去改变调节器的转变,从而使被控对象值发生转变,并趋向于给定参数,从而达到控制目的。
PID控制原理如图所示。
图PID控制原理
PID控制规律能够描述为:
()
本设计利用的是位置式PID算法,将温度传感器收集到的数值信号作为当前输入,然后与给定值进作差得出一个误差,再对误差进行PID运算输出结果,最后控制时钟进而控制加热模块。
温度调节系统中PID参考数据:
T:
P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s
RA8835液晶控制芯片
3.8.1RA8835介绍
RA8835是RAiOTech所生产的LCD控制芯片,文字及图形能够在屏幕上混合显示,RA8835能在LCD屏幕上显示出文字和图像,LCD能显示层状文字和图像,能展示出多方位多角度的文字和图像的混合效果,在缓冲存储器上能存储文字、字符、图像数据。
RA8835液晶屏控制芯片与EPSON的S1D13305芯片完全兼容,稳固度取得了增强,且有制程新、耗电低的优势,可大大降低本钱。
RA8835拥有壮大的输入输出端口缓冲器,RA8835接口部份所属的引脚如表所示。
表RA8835引脚功能
D0~DB
MCU数据总线,三个输入输出插口。
将一个8位或16位微控制器总线练到这些数据线上
CS
低电平时RA8835能输入,通常连到RA8835系列内存的输出设备
RD/E
8080接口被选中,这个信号作为读闪光灯,RA8835输出缓冲区为可用;M6800接口被选中,这个信号充当时钟信号,时钟在高电平时,为数据读取或写入
WR
8080接口被选中,此为写操作,M6800接口被选中,则为读/写控制信号。
高电平时读数据,低电平时RA8835写入数据
A0
8080接口时,为0时写数据和读状态标识;为1时,读数据和写指令操作
RES
RA8835重启时,低电平时可以输入,为增强稳定性,在供电压降低时确保不被触发
SEL1、SEL2
SEL1连接VDD或VSS防止噪音,若SEL1出现噪音,用最靠近的电容解耦到地面
3.8.2LCD驱动信号
为给LCD矩阵提供有效的低电平驱动,RA8835能够直接控制X-和Y-驱动程序。
引脚功能如下:
XD0~XD3:
驱动程序数据输出;
XSCL:
门闩时钟;
XECL:
串联电路触发时钟;
LP:
门闩脉冲;WF:
交流传动输出;
YSCL:
YD门闩时钟;
YD:
Y脉冲数据输出;
YDIS:
省电模式信号输出。
3.8.3LCD显示原理及接口电路
RA8835驱动LCD显示原理如图所示。
图RA8835驱动LCD显示原理结构
图为LCD接口电路。
图LCD接口电路
系统软件设计
进行软件设计的时候,要按照RA8835的内置寄放器来设计相应的驱动程序。
RA8835的核心部份由振荡器、功能逻辑电路、显示RA管理电路、字符库管理电路和驱动时序的时序发生器等几部份组成[19]。
RA8835能快速的对由MCU发来的指令代码进行解析,并将对应数据存入相应的寄放器内,同时触发相应的逻辑功能电路。
RA8825的显示RAM区是专用于文本方式显示的,其有64KB空间。
访问该区的每一个数据都被解释为字符代码。
RA8835可依据该字符代码肯定字符所在位置,然后将相应的字模传送到显示模块,并在LCD上显示出该字符的8x8点阵块,即文本显示RAM区的一个字节对应液晶屏上的8x8点阵[19]。
3.9.1系统流程图
整个流程分为压力检测流程、温度检测流程、LCD显示流程别离对应图、图、图。
主控制器初始化完成数据清零,和其他端口配置,刚开始一段时刻先进行加热到设定值,并显示出数值;数据收集处置则是传感器开始执行实时检测,并与设定值比较。
一切数据显示均在LCD上实现。
图压力检测流程图温度检测流程
图LCD显示流程
4结束语
工厂实时检测系统是工业上利用比较多的一种检测技术,本文就是针对工厂生产环境或设备中一些敏感数据的检测所进行的探讨。
由本设计还能够引申出对其他信号的收集与检测,做到监测与控制作用。
由于传感器和其它器件本身并非理想线性,程序中对实测数据进行了线性补偿。
另外,系统容易受到电磁干扰,用屏蔽电缆把传感器与控制器连接起来,减小信号受扰度。
结论
在预备设计的三个多月里,我查找了有关资料和相关数据,终于把系统设计的框架整理出来了,然后按照每一个框架结构进行解读分析,对每一份资料或文献进行深切的学习和探索,了解了单片机的进展历程和和主要长处,尤其是单片机的作用。
在本设计中采用的是C8051F130单片机,此单片机具有多数单片机的特性,其含CIP-51微控制器内核的特性让其在众多单片机系列中脱颖而出。
对于工厂实时监测系统设计而言,功能特性或电路在片内几乎内置的都有,所以省了很多外部电路设计。
现在,实时监测系统设计论文终于完成,在整个设计进程中,出现过很多的难题,比如硬件的选择,面对那么多具有同种功能却有许多不同型号的元件,选择就成了其中一个难题,通过认真比较,花费了时刻,终于选出我感觉适合的元件清单。
还有就是原理图的设计,驱动原理和液晶显示原理和利用C8051F130单片机完成整个监测及显示功能,让我意识到只是对单片机基础知识的学习是不够的,还需要切实的去做,去实践,如此才能真正做到理解,才会运用,做到预想的结果。
总的来讲,碰到的问题很多,可是都在指导老师和同窗们的帮忙下解决了,在不断的学习及实践中我体会到:
做设计是一个不断学习、不断加深熟悉、不断取得提高的进程,从最初做开题报告时对实时监测系统的熟悉是比较模糊的,到最后对整个设计有了深刻的熟悉,我意识到实践对于学习的重要性。
通过完成我的毕业设计,我体会到“书到历时方恨少”的意境,只有具有了知识,才能比较轻松的完成课题,还有对待未解决的问题,要细细审查,了解了关键的地方,处置起来就轻松多了。
致谢
大学四年的学习,我不但收获了知识,还收获了成熟。
四年的念书生活,陪伴我渡过的是我的敬爱的老师和亲爱的同窗们、朋友们。
在我学习上碰到困难或是生活上碰到无法自己解决的问题时都是靠老师和同窗们的帮忙才解决的,在此我要谢谢他们。
在做毕业设计进程中,我都查过大量资料,还多次请教老师和同窗,使我对自动化方面有了更深的熟悉,在专业方面有了更进一步的了解和学习。
我在实践方面取得了长足的提升,对单片机应用方面有了更深的体会,尤其是动手能力取得的提高是最大的。
在此,我要对给过我帮忙的所有指导老师和同窗表示深深的感激。
课题的成功完成,少不了老师的不耐其烦的指导和同窗热心的帮忙,你们对我的帮忙我铭刻在心。
,我不仅同意了新观念,还树立了宏伟的目标。
从我接到任务通知书的那天起,杨老师就开始指导我早做预备,为的就是能有多点时刻看资料,把课题顺利完成,此刻设计的完成是与您的悉心指导分不开的。
最后一次感激我的指导老师,没有您的指导,我很难顺利完成任务。
参考文献
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附录A:
系统总图:
附录B:
RA8835驱动显示程序:
//RA8835写指令
voidRA8835_write_command(unsignedcharcommandcode)
{clr_CS1();
DDRC=0xff;//C口转为输出口
PORTC=commandcode;
set_CD;
set_RD;
clr_WR();
set_WR();
set_CS1();
}
//RA8835写数据
voidRA8835_write_data(unsignedchardata)
{clr_CS1();
DDRC=0xff;//C口转为输出口
PORTC=data;
clr_CD;
set_RD;
clr_WR();
set_WR();
set_CS1();
}
voidRA8835_clr()
{unsignedinti=32768;
RA8835_write_command(0x4c);//光标右移
RA8835_write_command(0x46);//设置光标地址为00
RA8835_write_data(0x00);
RA8835_write_data(0x00);
RA8835_write_command(0x42);//持续写数据命令
while(i--){
RA8835_write_data(0x00);
}
}//液晶显示屏初始化子程序
voidLCDinit(void)
{unsignedinti;
clr_reset;//LCD复位
delay
(2);
set_reset;
wait;
delay
(1);
RA8835_write_command(0x40);//初始化指令=====
RA8835_write_data(0x30);//无边界,单屏,8X8点阵,内部字符发生器
RA8835_write_data(0x87);//固定交流驱动波形,字符间距最宽
RA8835_write_data(0x07);//字符高及行间距选择
RA8835_write_data(0x27);//一行显示39个字符
RA8835_write_data(0x42);//工作频率时刻常数
RA8835_write_data(0xf0);//LCD行数240行
RA8835_write_data(0x28);//LCD一行所占的显示缓冲区字节数低位RA8835_write_data(0x00);
RA8835_write_command(0x44);//设定显示区RAM首地址和字节数============
RA8835_write_data(0x00);//首地址0
RA8835_write_data(0x00);
RA8835_write_data(0xf0);//240行----第一显示区
RA8835_write_data(0x00);
RA8835_write_data(0x40);
RA8835_write_data(0xf0);//240行---第二显示区
RA8835_write_data(0x00);
RA8835_write_data(0x00);
RA8835_write_data(0x00);
RA8835_write_data(0x00);
RA8835_write_command(0x5a);//显示画面水平位移量
RA8835_write_data(0x00);
RA8835_write_command(0x5b);//显示区属性及合成方式
RA8835_write_data(0x0d)
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