多点温度测量系统毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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2013.5.15设计总结
2013.5.16总体检查
三、下达任务时间:
2013年5月11日(由于我提交的实习报告初稿与专业知识不相关,最终与老师达成协议做课题设计)
四、指导老师签名:
五、系主任签名:
西安航空学院2013届毕业设计任务书
引言
64点温度测量系统针对室温环境下的温度监控,如大型机组的轴温,大型变压器油温,化学反应过程,环境测试等。
在现代化的工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
例如:
在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
采用AT89C51单片机来对温度进行控制,不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。
第一章绪论
1.1课题背景
在人类的生活环境中,温度扮演着极其重要的角色。
无论你生活在哪里,从事什么工作,无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来,工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业,可以说几乎%80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
1.温度对于工业如此重要,由此推进了温度传感器的发展。
传感器主要大体经过了三个发展阶段:
模拟集成温度传感器。
该传感器是采用硅半导体集成工艺制成,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
此种传感器具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器,典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等;
模拟集成温度控制器。
模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器,典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。
某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序,这与智能温度传感器有某些相似之处。
但它自成系统,工作时并不受微处理器的控制,这是二者的主要区别;
智能温度传感器。
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU);
并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平。
2.温度传感器的发展趋势。
进入21世纪后,温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
3.传感器在温度测控系统中的应用。
目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。
对于单点温测仪表,主要采用传统的模拟集成温度传感器,其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高,测量范围大,而得到了普遍的应用。
此种产品测温范围大都在-200℃~800℃之间,分辨率12位,最小分辨温度在0.001至0.01之间。
自带LED显示模块,显示4位到16位不等。
有的仪表还具有存储功能,可存储几百到几千组数据。
该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。
多点温度测量仪表,相对与单点的测量精度有一定的差距,虽然实现了多路温度的测控,但价格昂贵。
1.2传统的温度传感器
在工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
其中,温度控制也越来越重要。
在工业生产的很多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而大大提高产品的质量和数量。
因此,单片机对温度的控制问题是工业生产中经常会遇到的控制问题。
在传统的温度测控系统设计中,往往采用模拟技术进行设计,这样就不可避免地遇到诸如传感器外围电路复杂及抗干扰能力差等问题,而其中任何一环节处理不当,就会造成整个系统性能的下降。
采用数字温度传感器与单片机组成的温度检测系统进行温度检测、数值显示和数据存储,体积减小,精度提高,抗干扰能力强,并可组网进行多点协测,还可以实现实时控制等技术,在现代工业生产中应用越来越广泛。
传统的温度测控系统设计往往是热电阻、ADC转换器和控制器的搭配,再要加上人机互动操作设备这样就会增加系统的成本和系统软件设计的负担,传统的温度测控系统软件设计不仅要控制温度采集、ADC的转换、数据的处理、显示和按键功能。
制温度采集、ADC的转换、显示和按键功能相对简单一些,但是ADC采集的数据不是现成的温度数据还要控制器处理器对数据进行处理,热电阻是反映温度和电压的关系,常用的有正温度和负温度电阻,而且大多数不是正比例而是指数型,这样的数据处理函数可想而知有多复杂,还要考虑电压在传输时的损耗。
温度的测量和控制在储粮仓库、智能楼宇空调控制及其他的工农业生产和科学研究中应用广泛。
传统的温度检测是使用诸如热电偶、热电阻、半导体之类的模拟传感器,经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理,获取表示温度值的数字信号,再交由微处理器或DSP处理。
因为检测环境复杂,测量点多,信号传输距离远及各种干扰的影响,使得传统测量系统的稳定性和可靠性下降。
近年来随着单片机的发展和传感器技术的革新,温度检测领域也完成了从模拟信号到数字信号的转变。
DS18B20温度传感器的广泛应用更是推动了这一领域的发展。
另外液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点在各类仪表和显示系统中得到越来越多的应用,现在也是单片机应用设计中最常用的信息显示模块。
综合以上产品的发展特点,希望温度检测系统在未来的发展中有更广阔的应用空间并且具有更好的现场测量优越性。
第二章方案设计
2.1传感器部分
在多点测温系统中,传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换,而为了获得较高的测温精度,就必须采用措施解决由长线传输,多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。
采用数字温度芯片DS18B20测量温度,输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,此元件线形较好。
在0—100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输,由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量,轻松的组建传感器网络。
采用温度芯片DS18B20测量温度,可以体现系统芯片化这个趋势。
部分功能电路的集成,使总体电路更简洁,搭建电路和焊接电路时更快。
而且,集成块的使用,有效地避免外界的干扰,提高测量电路的精确度。
所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。
2.2主控制器部分
AT89C51八位单片机实现。
单片机软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。
而且体积小,硬件实现简单,安装方便。
既可以单独对多DS18B20控制工作,还可以与PC机通信.运用主从分布式思想,由一台上位机(PC微型计算机),下位机(单片机)多点温度数据采集,组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。
另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用,编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。
2.3系统设计
基于DS18B20多点温度测量系统以AT89C51为中心器件,用C语言进行程序设计。
系统主要由传感器电路、液晶显示电路、键盘电路、报警电路、通信模块电路组成。
DS18B20是智能温度传感器,它的输入/输出采用数字量,以单总线技术,接收主机发送的命令,根据DS18B20内部的协议进行相应的处理,将转换的温度以串口发送给主机,主机按照通信协议用一个I/O口模拟DS18B20的时序,发送命令(初始化命令、ROM命令、功能命令)给DS18B20,并读取温度值,在内部进行相应的数值处理,用图形液晶模块显现各点温度。
在系统启动之时,可以通过4×
4键盘设置各点温度的上限值,当某点温度超过设置值时,报警器开始报警,从而实现了对各点温度的实时监控。
每个DS18B20有自己的序列号,因此系统在一根总线上挂接了4个DS18B20,通过CRC校验,对各个DS18B20的ROM进行寻址,地址符合的DS18B20才做出响应,接收主机的命令,向主机发送转换的温度。
采用这种DS18B20寻址技术,使系统硬件电路更加简单。
第三章硬件设计
3.1温度传感器
1.DS18B20的简介
DSl8820是美国一家半导体公司推出的一种单线智能数字温度传感器。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过编程实现9~12位的数字值读数方式,可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量;
从DSl8820读出信息或写入DSl8820信息仅需要1根口线(单线接口)来读写。
2.DS18B20的性能特点
单线数字化智能集成温度的传感器,其特点是:
(1)DSI8B20可将被测温度直接转换成计算机能识别的数字信号输出,温度值不需要经电桥电路先获取电压模拟量,再经信号放大和A/D转换成数字信号,解决了传统温度传感器存在的因参数不一致性,在更换传感器时会因放大器零漂而必须对电路进行重新调试的问题,使用方便.
(2)DS18B20能提供9到12位温度读数,精度高,且其信息传输只需1根信号线,与计算机接口十分简便,读写及温度变换的功率来自于数据线而不需额外的电源.
(3)每一个DS18B20都有一个惟一的序列号,这就允许多个DS18B20连接到同一总线上.尤其适合于多点温度检测系统.
(4)负压特性:
当电源极性接反时,DS18B20虽然不能正常工作,但不会因发热而烧毁正是由于具有以上特点,DS18B20在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面与传统各种温度传感器相比,有无可比拟的优越性,因而广泛应用于过程控制、环境控制、建筑物、机器设备中的温度检测。
其外形和管脚如下图:
3.DS18B20与单片机的典型接口设计
DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。
DS18B20有三只引脚,GND(电源地),DQ(数字信号输入/输出端),VDD(外接供电电源输入端)。
DSl8B20与单片机的硬件连接有两种方法:
一是VDD接外部电源,GND接地,I/0(DQ)与单片机的I/0线相连;
二是用寄生电源供电,此时,VDD和GND接地,I/0(DQ)接单片机I/0。
无论是哪种供电方式,I/0口线都要接4.7kQ左右的上拉电阻。
连接方式如下图:
4.DS18B20的内部结构
它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式RAM),用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC)发生器等七部分。
64位光刻ROM的排列是:
开始8位是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码。
光刻R0M的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这可实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
暂存存储器包含了8个连续字节,前2个字节是测得的温度信息,第1个字节的内容是温度的低8位,第2个字节是温度的高8位。
第3个和第4个字节是TH、TL的易失性拷贝,第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝,这3个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第6、7、8个字节用于内部计算。
第9个字节是冗余检验字节
9字节的暂存器单元
DS18B20内部结构
5.DS18B20测温
DS18B20的测温范围为-55℃到+125℃,在-10℃到+85℃范围内,精度为±
0.5℃。
这里使用了四个DS18B20温度传感器,与单片机连接方式如下:
3.2单片机系统设计
单片机系统主要包括复位电路、时钟电路、串口、I/O接口。
1.复位电路:
单片机都涉及到复位电路,在系统运行时可能随时都会出现“死机”或者“程序走飞”现象,复位电路让系统还原到初始状态,保证系统能够重新运行。
2.时钟电路:
AT89C51单片机的时钟信号通常用内部振荡和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAX2外接晶体振荡器,就够成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
晶振通常选用6MHZ、12MHZ或24MHZ。
内部振荡器方式如下。
如图3.7,电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用,电容值一般为5-30PF。
内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定。
外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内,这种方式适于用于用来使单片机的时钟与外部信号保持一致。
3.串口:
串行通信是CPU与外界交换的一种基本方式。
单片机运用于数据采集或工业控制时,往往作为前端机安装在工作现场,远离主机,现场数据采用串行通信方式主机并进行处理,以降低通信成本,提高通信可靠性。
51系列单片机自身有全双工的异步通信接口,通过软件编程,它可以作为通用异步接受和发送器使用,也可作为同步移位寄存器。
4.I/O接口:
计算机对外设进行数据操作时,外设的数据是不能直接连到CPU的数据线上的,必须经过接口。
这是由于CPU的数据线是外设或存储器和CPU进行数据传输的唯一公共通道,为了使数据线的使用对象不产生使用总线的冲突,以及协调快速的CPU和慢速的外设,CPU和外设之间必须有接口电路,接口起着缓冲、锁存数据、地址译码、信息格式转换、传递状态、发布命令等功能,I/O接口有并行接口、串行接口、定时/计数器、A/D、D/A等,根据外设的不同情况的应用要求,选择不同的接口。
单片机的I/0口一般是双向的.既可以做输入.也可以做输出。
单片机设计
3.3显示电路设计
要将传感器的温度信号和键盘输入的控制信号都显示出来,利用单片机AT89C51传输控制信号。
要用到MAXIM公司生产的MAX7219串行LED驱动显示器,此显示器具有接口简单.占用资源少、控制灵活方便、LED级联扩展便利的优点。
MAX7219是串行输出共阴极显示驱动芯片,每片可驱动8个LED,具有级联功能可控制更多的LED。
MAX7219为24引脚芯片,除与LED显示相连的线外,与微控制器只需3根连线相接:
芯片端管脚分别为CLK、DIN、LOAD,其中CLK为时钟输入端,DIN为数据输入端,LOAD为锁存信号。
MAX7219的工作时序为:
时钟的上升沿MAX7219把DIN引脚数据移入内部移位寄存器,在时钟下降沿MAX7219把数据移向DOUT端,而LOAD的上升沿则锁存最后移入的16位串行数据。
对MAX7219的控制操作很方便,其片内具有8个位寄存器和6个控制寄存器.位寄存器对应LED的具体内容,控制寄存器决定LED的工作方式。
控制寄存器分别为:
不工作方式寄存器、译码方式寄存器、亮度控制寄存器、扫描个数寄存器、关闭寄存器、显示测试寄存器。
寄存器的操作格式为2字节的串行数据,第一个字节为寄存器地址,第二个字节为控制命令或待显示数据。
寄存器的地址分配及功能如下所示:
不工作寄存器(0x00):
用于MAX7219级联控制。
位寄存器(0x01-0x08):
8位LED待显示内容。
译码方式寄存器(0x0g):
决定译码方式,分B码和不译码两种。
亮度控制寄存器(0x0A):
LED段电流控制。
扫描个数寄存器(0x0B):
决定显示多少个LED。
关闭寄存器(0x0C):
决定正常工作方式或关闭LED显示。
显示测试寄存器(0x0D):
决定正常工作方式或显示测试。
MAX7219是在脉冲控制下工作的,因此其抗干扰就更为重要。
一般在其电源和地之间接一十几伏的电容。
另外,当MAX72l9和其他串行芯片共用I/O引脚时,最好在其外边加一上拉电阻。
P1口内部有上拉电阻,如不在其外部接上拉电阻,有时出现驱动能力不足的现象。
这里采用了六个LED数码管,具体连接如下图:
3.4键盘电路设计
键盘是电子设备常见的输入装置,作为人们与电子设备交流的重要途径,一旦出错,将影响到电子设备的整体使用,所以键盘电路虽然简单,但键盘的稳定性、可靠性,应引起足够的重视。
键盘是计算机系统中不可缺少的输入设备。
单片机的键盘电路主要有矩阵扫描和单键电路两种,其中以使用Ⅳ+Ⅳ条l/0线实现Ⅳ×
Ⅳ的矩阵扫描式键盘电路最为常用,4×
4的矩阵扫描式键盘如图所示。
当按键少时可接成线性键盘;
当按键较多时,可以将键盘接成矩阵形式,这种形式节省口线。
矩阵键盘按键的状态同样需要变成数字量1和0。
开关的一端通过电阻接VCC,开关另一段的接地是通过程序输出数字0实现的。
矩阵键盘每个按键都有它的行值和列值,行值和列值的组合就是这个按键的编码。
矩阵行线和列线分别通过两个并行接口和CPU通信,其中,一个输出扫描码,使按键逐行动态接地,另一个并行口输入按键状态。
由行扫描值和列回馈信号共同形成键编码。
键盘一般采用行列扫描方式来设计。
行列扫描是指:
把键盘按键排列成n行×
m列的n×
m行列点阵,使用软件或硬件的方法对其行、列分别进行扫描,从而判断是否有键按下,并获得扫描码。
当无键按下时,行线与列线断开,所有列线均为高电平。
当有一个键按下时,则与此键对应的行线与列线接通。
如此行线为低电平,则此列线也为低电平。
为确定是否有键按下,CPU先通过并行输出口使所有的行线为低电平,然后通过并行输入口读入列信号,若为全“1”,则没有键按下,若有一个为“0”,则表示有一个键已按下。
若有一个为“0”,则表示有一个键已按下。
为消去按下时的抖动现象,程序延迟20ms后再判断具体是哪一个键按下先将第一行置为低电平,然后读入列信号,若有一个为“0”,则按下的键在此行;
若为全“1”,则按下的键不在此行,再将下一行置为低电平,并测试列信号。
如果在最后一行也为低电平时仍未找到按下的键,则认为刚才有键按下的情况为误动作。
对找到的键,进行分析并处理。
当按键时间较为短促时,系统判断不到有键按下。
经测试,按键在按下或释放时,通常伴随着几ms到十几ms的触点抖动,然后才能稳定下来。
在触点抖动期间检测按键的通断状态,会导致一次按键或释放被错误地认为是多次操作。
所以,当检测到有键按下或释放时,应通过软件延时20ms左右,避开触点抖动的影响。
去抖时间既不能太短也不能太长:
如果时间太短,无法起到去抖作用;
如果时间太长,超过了键按下的持续时间,则会判不到按键。
软件去抖时间不宜太短也不宜太长,定为20ms。
本设计使用行列扫描方式,其电路原理图如下图所示。
这里使用行列扫描方式,在单片机的P1口上连接上4*4的键盘,单片机扫描键盘,如果有键按下,单片机会根据键码执行相应的程序,使整个系统的功能更加完善。
3.5报警电路设计
为了实现多点温度检测报警系统,本课题采用AT89C51单片机作为主控制器,采用扫描的方式对多点DS18B20温度传感器获取对应该位置的温度值,经处理后通过串口可以立即发送到上位机,如温度不在设定的范围内,给出报警信号。
报警系统连接单片机,电路设计见单片机系统图。
3.6通信模块设计
在设计硬件接口电路时,应充分考虑到电路的电气特性、逻辑电平以及驱动能力的匹配问题,若匹配得不好,将会导致通信失败。
采用MAX232作为PC机与单片机的串行通信接口芯片。
硬件连接时,可从MAX232中的2路发送器和接收器中任选一路,只要注意发送与接收的引脚对应关系即可。
接口电路如图所示。
硬件设计总的原理图如下:
第四章软件设计
统进行软件设计时,先要对课题硬件有一个熟练的掌握,知道系统的组成,数据的传输,信号是如何被控制的,以及信号的显示。
然后进行软件设计时,先搞清楚各个部分的子程序及他们的流程图,然后进行C语言编程,最后将它们系统的编程。
系统软件设计主要包括系统程序和流程图,根据整个系统的要求,完成温度的测量与控制必须经过以下几个步骤:
单片机接受传感器的温度信号,并通过驱动显示出来,单片机扫描键盘,接受控制信号,并将温度显示出来,若温度不在范围内则发出报警。
4.1系统主程序流程图
4.2传感器程序设计
DSl8b20编程简介:
每一片单总线芯片内部都有一个全球惟一的64位编码,在多路测温时就是通过匹配每个芯片的ROM编码(ID),来搜寻该路的温度。
DS18b20有9个可擦写的内部寄存器,称为便笺式RAM。
所有的串行通讯,读写每一个bit位数据都必须严格遵守器件的时序逻辑来编程,同时还必须遵守总线命令序列,对单总线的DS18b20芯片来说,访问每个器件都要遵守下列命令序列:
首先是初始化;
其次执行ROM命令;
最后就是执行功能命令(R0M命令和功能命令后面以表格形式给出)。
①DS18B20的复位时序
unsignedcharow_reset(void)
{unsignedcharpresence;
DQ=0;
//将DQ线拉低
delay(36);
//保持
DQ=1;
//DQ返回高电平
delay(5);
//等待存在脉冲
presence=DQ;
//获得存在信号
delay(30);
//等待时间隙结束
return(presence);
//返回存在信号,0=器件存在,1=无器件
}
②DS18B20的读时序
DS18B20的读时序分读0时序和读1时序两个过程。
读时序是主机先把单总线拉低,在之后的l5
s内必须释放单总线,以便将数据传输到单总线上。
DS18B20完成一个读时序至少需要60
s。
unsignedcharread_bit(void)
{unsignedchari;
DQ=0;
//将DQ拉低开始读时间隙
_nop_();
DQ=1;
//thenreturnhigh
for(i=0;
i<
3;
i++);
//延时15μs
return(DQ);
//返回DQ线上的电平值
unsignedcharread_byte(void)
{
unsignedchari;
unsignedcharvalue=0;
i<
8;
i
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