多路温度检测系统的设计毕业设计论文Word下载.docx
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通过该毕业设计使我对微型计算机控制系统有一个全面的了解、掌握常规控制算法的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硬的设计方法,进一步锻炼同我在微型计算机应用方面的实际工作能力。
本次设计才用的PT100温度传感器在当前生活中应用普遍。
而且在此次设计中此设计所采用的I2C总线技术是一种串行通讯技术具有使用硬件少,效率高等特点。
因此本设计方便在工业中大量使用。
1.3本文主要研究的内容
熟悉本科阶段所学课程,如《单片机原理与应用》、《检测技术》、《智能仪表》等。
设计出合适的检测系统,包括户机的硬件和软件设计。
设计系统应能检测到多个用户以及多条支路的温度,满足工作人员的要求,提高自动化程度。
写出设计任务书。
2硬件电路的设计
2.1系统设计的框架
图2.1系统设计框架
本设计为两路温度巡回监测系统。
温度通过PT100温度传感器把物理温度量转化为电阻。
PT100温度传感器和PT100温度变送器相连通过,通过温度变送器输出0-5V的电压。
PT100温度变送器和A/D转换模块PCF8951相连,通过PC8951输出数字量传入STC89C52单片机进行数据的处理。
通过LCD显示器来显示实时温度。
通过LED灯来显示温度值是否正常。
通过键盘来完成温度路数的选择和参照温度的设定工作。
2.2单片机的选型
本课题设计的温度控制系统主控制芯片选型为STC89C52单片机,下面对此单片机做些介绍。
2.2.1STC89C52单片机的简介
目前,51系列单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用,因此我们可以在许多单片机应用领域中,配接各种类型的语音接口,构成具有合成语音输出能力的综合应用系统,以增强人机对话的功能。
STC89C52单片机是深圳宏晶科技有限公司生产的一种单片机,在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。
每一个单片机包括:
一个8位的微型处理器CPU;
一个512字节的片内数据存储器RAM;
4K片内程序存储器;
四个8位并行的I/O接口P0-P3,每个接口既可以输入,也可以输出;
两个定时器/记数器;
五个中断源的中断控制系统;
一个全双工UART的串行I/O口;
片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率是12MHZ。
以上各个部分通过内部总线相连接。
2.2.2STC89C52单片机时序
STC89C52单片机的一个机器周期由6个状态(s1—s6)组成,每个状态又持续2个震荡周期,分为P1和P2两个节拍。
这样,一个机器周期由12个振荡周期组成。
若采用12MHz的晶体振荡器,则每个机器周期为1us,每个状态周期为1/6us;
在一数情况下,算术和逻辑操作发生在N期间,而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。
对于单周期指令,当指令操作码读人指令寄存器时,使从S1P2开始执行指令。
如果是双字节指令,则在同一机器周期的s4读人第二字节。
若为单字节指令,则在51期间仍进行读,但所读入的字节操作码被忽略,且程序计数据也不加1。
在加结束时完成指令操作。
多数STC89C52指令周期为1—2个机器周期,只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令,它们需4个机器周期。
对于双字节单机器指令,通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节,但Movx指令例外,Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令,在执行Movx指令期间,外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。
2.2.3STC89C52单片机引脚介绍
图2.2STC89C52单片机引脚图
STC89C52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚,2个外接晶振的引脚,4个控制或与其它电源复用的引脚,以及32条输入输出I/O引脚。
下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。
电源引脚Vcc和Vss
Vcc(40脚):
接+5V电源正端。
Vss(20脚):
接+5V电源地端。
外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚):
接外部石英晶体的一端。
在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚接地;
对于CHOMS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2(18脚):
接外部晶体的另一端。
在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。
对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。
控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。
1)RST/VPD(9脚):
RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机振荡器工作时,该引脚上出现持续两个机器周期的高电平,就可实现复位操作,使单片机复位到初始状态。
当VCC发生故障,降低到低电平规定值或掉电时,该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电,以保证RAM中的数据不丢失。
2)ALE/P(30脚):
当访问外部存储器时,ALE(允许地址锁存信号)以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低位。
3)PSEN(29脚):
片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。
当从外部程序存储器读取指令或常数期间,每个机器周期PESN两次有效,以通过数据总线口读回指令或常数。
当访问外部数据存储器期间,PESN信号将不出现。
4)EA/Vpp(31脚):
EA为访问外部程序储器控制信号,低电平有效。
当EA端保持高电平时,单片机访问片内程序存储器4KB(MS—52子系列为8KB)。
若超出该范围时,自动转去执行外部程序存储器的程序。
当EA端保持低电平时,无论片内有无程序存储器,均只访问外部程序存储器。
对于片内含有EPROM的单片机,在EPROM编程期间,该引脚用于接21V的编程电源Vpp。
输入/输出(I/O)引脚P0口、P1口、P2口及P3口
1)P0口(39脚~22脚):
P0.0~P0.7统称为P0口。
当不接外部存储器与不扩展I/O接口时,它可作为准双向8位输入/输出接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O口时,P0口为地址/数据分时复用口。
它分时提供8位双向数据总线。
对于片内含有EPROM的单片机,当EPROM编程时,从P0口输入指令字节,而当检验程序时,则输出指令字节。
2)P1口(1脚~8脚):
P1.0~P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。
对于MCS—52子系列单片机,P1.0和P1.1还有第2功能:
P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2;
P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。
对于EPROM编程和进行程序校验时,P0口接收输入的低8位地址。
3)P2口(21脚~28脚):
P2.0~P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时,P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。
对于EPROM编程和进行程序校验时,P2口接收输入的8位地址。
4)P3口(10脚~17脚):
P3.0~P3.7统称为P3口。
它为双功能口,可以作为一般的准双向I/O接口,也可以将每1位用于第2功能,而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。
P3口的第2功能见下表
表2.1STC89C52P3引脚表
引脚
第2功能
P3.0
RXD(串行口输入端)
P3.1
TXD(串行口输出端)
P3.2
INT0(外部中断0请求输入端,低电平有效)
P3.3
INT1(外部中断1请求输入端,低电平有效)
P3.4
T0(定时器/计数器0计数脉冲端)
P3.5
T1(定时器/计数器1计数脉冲端)
P3.6
WR(外部数据存储器写选通信号输出端,低电平有效)
P3.7
RD(外部数据存储器读选通信号输出端,低电平有效)
综上所述,MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点:
a.单片机功能多,引脚数少,因而许多引脚具有第2功能;
b.单片机对外呈3总线形式,由P2、P0口组成16位地址总线;
由P0口分时复用作为数据总线。
[1][7][8][9][10]
2.3PCF8591AD转化模块
PCF8591AD/DA芯片介绍
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程,允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件,而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。
PCF8591主要性能指标:
单电源供电
PCF8591的操作电压范围2.5V-6V
低待机电流
通过I2C总线串行输入/输出
PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址
PCF8591的采样率由I2C总线速率决定
4个模拟输入可编程为单端型或差分输入
自动增量频道选择
PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD
PCF8591内置跟踪保持电路
8-bit逐次逼近A/D转换器
通过1路模拟输出实现DAC增益
模块功能描述
1)模块芯片采用PCF8591
2)模块支持外部4路电压输入采集(电压输入范围0-5v)
3)模块集成光敏电阻,可以通过AD采集环境光强精确数值
4)模块集成热敏电阻,可以通过AD采集环境温度精确数值
5)模块集成1路0-5V电压输入采集(通过蓝色电位器调节输入电压)
6)模块带电源指示灯(对模块供电后指示灯会亮)
7)模块带DA输出指示灯,当模块DA输出接口电压达到一定值,会点亮板上DA输出指示灯,电压越大,指示灯亮度越明显
8)模块PCB尺寸:
9)标准双面板,板厚1.6mm,布局美观大方,四周设有通孔,孔径为:
3mm,方便固定
模块接口说明
本模块左边和右边分别外扩2路排针接口,分别说明如下:
左边AOUT芯片DA输出接口
AINO芯片模拟输入接口0
AIN1芯片模拟输入接口1
AIN2芯片模拟输入接口2
AIN3芯片模拟输入接口3
右边SCLI2C时钟接口接单片机IO口
SDAI2C数字接口接单片机IO口
GND模块地外接地
VCC电源接口外接3.3v-5v
模块红色短路帽使用说明
模块共有3个红色短路帽,分别作用如下:
P4接上P4短路帽,选择热敏电阻接入电路
P5接上P5短路帽,选择光敏电阻接入电路
P6接上P6短路帽,选择0-5V可调电压接入电路
图2.3PCF8591AD原理图
2.4PT100温度变送器
铂电阻温度变送器直接安装于Pt100铂电阻接线盒内(与不同结构形式的铂电阻构成热电阻一体化温度变送器)将热电阻Pt100的电阻信号转化为电压在0-5V间输出。
适用范围:
可以接收热电阻或各类热电偶输入,可直接安装于温度传感器接线盒内,并标出标准电压电流信号,广泛用于电力、冶金、化工、食品、医药、环保等行业的控制领域。
功能特点:
1)变送器信号电源同为两根普通导线,节省了热电偶专用补偿导线,降低了线路干扰带来的误差。
2)体积小巧、安装方便。
3)精度好,抗干扰,稳定性好,免维护。
4)外部可直接调整零点和满度。
5)电流信号输出,传输距离远,缩短了仪表与传感器的距离,降低线路干扰带来的误差。
连接方法:
如图2.4所示PT100温度变送器为PT100温度传感器配套的温度转换工具。
它将PT100温度传感器的电阻值转化为0-5V的电压值其中上面左为24V电源的负极和信号地极。
上面右为24V电源的正极。
下面左为PT100电阻正。
下中为PT100电阻负。
下右为0-5V电压输出正。
图2.4PT100温度变送器
变送器技术指标
1)输入信号:
Pt100铂电阻信号输入
2)供电电压:
10-30VDC
3)负载电阻:
0-500Ω
4)输出信号:
0-5V电压
5)热电阻温度变送器精度:
0.2%FS
6)温度稳定性:
零点漂移标准0.05%FS/℃量程漂移标准0.002%FS/℃
7)回路保护:
带反向连接保护(防止电源正负极)
8)温度变送器功耗:
0.5W
9)温度变送器重量:
约35克
10)热电阻温度变送器外形尺寸:
外径Ф42mm,高度H23mm,安装孔距33mm,安装孔Ф5.5m
2.5PT100温度传感器
PT100是铂热电阻,它的阻值会随着温度的变化而改变。
PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
2.5.1设计原理
它的工业原理:
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。
但他们之间的关系并不是简单的正比的关系,而更应该趋近于一条抛物线。
铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式:
℃
(2.1)
0<
t<
850℃
(2.2)
为t℃时的电阻值,
为0℃时的阻值。
公式中的A,B,系数为实验测定。
这里给出标准的
系数:
℃;
℃。
2.5.2应用范围
医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备,应用范围非常之广泛。
2.5.3分度表
表2.2PT100温度传感器分度表
温度值(摄氏度)
电阻值(欧姆)
-50
80.31
-40
84.27
-30
88.22
-20
92.16
-10
96.09
100.00
10
103.90
20
107.79
30
111.67
40
115.54
50
119.40
60
123.24
70
127.08
80
130.90
90
134.71
100
138.51
110
142.29
120
146.07
130
149.83
140
153.58
150
157.33
160
161.05
170
164.77
180
168.48
190
172.17
图2.5PT100温度传感器的RT近似线
2.5.4PT100温度传感器三根芯线的接法:
PT100铂电阻传感器有三条引线,可用A、B、C(或黑、红、黄)来代表三根线,三根线之间有如下规律:
A与B或C之间的阻值常温下在110欧左右,B与C之间为0欧,B与C在内部是直通的,原则上B与C没什么区别。
仪表上接传感器的固定端子有三个。
A线接在仪表上接传感器的一个固定的端子。
B和C接在仪表上的另外两个固定端子,B和C线的位置可以互换,但都得接上。
如果中间接有加长线,三条导线的规格和长度要相同。
热电阻的3线和4线接法是采用2线、3线、4线,主要由使(选)用的二次仪表来决定。
一般显示仪表提供三线接法,PT100一端出一颗线,另一端出两颗线,都接仪表,仪表内部通过桥抵消导线电阻。
一般PLC为四线,每端出两颗线,两颗接PLC输出恒流源,PLC通过另两颗测量PT100上的电压,也是为了抵消导线电阻,四线精确度最高,三线也可以,两线最低,具体用法要考虑精度要求和成本PT100温度传感器。
产品特征
1)不锈钢套管封装,经久耐用
2)活动螺丝固定,使用方便
3)按照国际IEC751国际标准制造,即插即用
4)多种探头尺寸可选、适应面广
5)高精度、高稳定、高灵敏
6)外形小巧,经济实用
图2.6PT100的实物图
特性指标:
测温范围:
-200-400℃
探头长度:
5cm/10cm/15cm
探头直径:
Φ5mm
电阻变化:
0.3851Ω/℃
安装方式:
活动螺丝固定
螺丝规格:
M8*1.0
引线长度:
一般2米,可订制长度(专用引线)
引线接法:
三线式
接线方式:
接线叉
传感器件:
PT(铂)
套管材质:
不锈钢
PT100温度传感器采用三线式接法的原因:
PT100温度传感器0℃时电阻值为100Ω,电阻变化率为0.3851Ω/℃。
由于其电阻值小,灵敏度高,所以引线的阻值不能忽略不计,采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差,原理如下:
PT100引出的三根导线截面积和长度均相同(即r1=r2=r3),测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥,铂电阻(Rpt100)作为电桥的一个桥臂电阻,将导线一根(r1)接到电桥的电源端,其余两根(r2、r3)分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻,电桥处于平衡状态,引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响。
[2~6]
尺寸图:
接线图:
图2.7PT100温度传感器的接线图
2.6LCD1602显示器
液晶显示器各种图形的显示原理
1)线段的显示:
点阵图形式液晶由M
N个显示单元组成,假设LCD显示屏有64行,每行有128列,每8列对应1字节的8位,即每行由16字节,共16
8=128个点组成,屏上64
16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应,每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗
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