多路温度检测系统的设计毕业设计论文.docx

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多路温度检测系统的设计毕业设计论文

多路温度检测系统的设计

摘要

随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度采集控制系统的设计与研究有十分重要的意义。

本次设计的目的在于学习基于51单片机的多路温度采集控制系统设计的基本流程。

本设计采用STC89C52单片机作为数据处理与控制单元，采用温度传感器PT100进行温度的采集把温度的物理量转化为电阻值。

然后通过PT100温度变送器把PT100温度传感器的电阻值转化为0-5V的电压值。

然后通过PCF8591AD转化模块把变换后的电压值转化为数字量。

最终传给单片机系统。

此设计有两个按键控制两路温度的显示切换。

从而达到多路监测的目的。

而且本次设计设有两个LED显示等分别表示正常温度和非正常温度两种形式。

正常温度转化为非正常温度的临界值可由键盘设定来达到实际工作的要求。

关键词:

单片机，温度传感器，温度变送器，AD转化模块，I2C总线

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofmoderninformationtechnology,temperaturemeasurementandcontrolsysteminindustry,agricultureandpeople'sdailylifeplaysanincreasinglyimportantroleinpeople'sdailylife,ithasagreatimpact,sothetemperatureofthecontrolsystemdesignandresearchareveryimportant.Thisdesignaimstostudybasedon51single-chiptemperatureacquisitionandcontrolsystemdesignofthebasicflow.ThisdesignadoptsSTC89C52chipasthedataprocessingandcontrolunit,withthetemperaturesensorPT100gatheringthetemperaturephysicalquantityintoaresistancevalue.ThenthroughthePT100temperaturetransmitterPT100temperaturesensorresistancevalueintoa0-5Vvoltagevalue.ThenthroughPCF8591ADconversionmoduletotransformthevoltagevalueisconvertedintodigitalquantity.Finallytothemicrocontrollersystem.Thisdesignhastwobuttonscontrolthetwotemperaturedisplaytoggletoachievethepurposeofmulti-channelmonitoring.AndthedesignofatwoLEDdisplayrespectivelyexpressedinnormaltemperatureandnormaltemperaturetwoforms.Normaltemperatureintoanormaltemperaturethresholdmaybythekeyboardsetuptoachievethedemandofpracticalwork.

Keywords:

singlechip,temperaturesensor,temperaturetransmitter,ADconversionmodule,Inter－IntegratedCircuit

1引言

1.1课题研究的背景

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。

本设计就是基于单片机STC89C52温度监测系统的设计。

温度监测系统应用的范围非常广，消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测都有用到。

温度监测系统首先要提到温度的采集。

温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。

由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温传感器就会相应产生。

本设计采用的PT100温度传感器以广泛用于医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备中具有使用寿命长，精度高，稳定性强等特点。

1.2课题研究的目的和意义

随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。

本文采用单片机STC89C52设计了温度实时测量及控制系统。

单片机STC89C52能够根据PT100温度传感器经处理后的温度信息在LCD1602上实时显示，并通过LED灯显示工作是否正常的状态。

而且可以通过键盘控制不同支路的显示。

从而达到实时监测多条支路的温度的目的。

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

（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

0

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