监测系统综合课程设计.docx
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监测系统综合课程设计
前言
检测涉及到国计民生各个部门,可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。
科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。
现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等,在很大程度上决定了科学技术的发展水平。
同时,科学技术的发展达到的水平越高,又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。
目前市场上出现了很多传感器,很多精度高的传感器已经出现,而且精度越来越高。
数字温度计未来将会更精确、更人性化,为我们做出更多贡献。
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。
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。
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。
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0.001~0.01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。
针对目前市场的现状,本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机测温系统,亦可以通过一定程度的完善进行多路控制,本次主要针对单路的实时检测与控制。
本课题以87C51单片机和数据采集系统为核心,能对温度进行实时巡检。
第一章:
绪论
1.1设计的要求与初始条件
(1)能够电子显示实际测得的温度值;
(2)当温度不在上下限范围内时会报警,并能根据需要设定报警上下限。
(3)本系统能够检测温度范围0℃~88℃,精度为1度。
根据实际需要,检测点数是可以扩展的。
1.2设计方案的选择
1.2.1设计方案一
采用模拟分立元件,如电容、电感或晶体管等非线形元件,实现多点温度的测量及显示,该方案设计电路简单易懂,操作简单,且价格便宜,但采用分立元件分散性大,不便于集成数字化,而且测量误差大。
1.2.2设计方案二
采用PC机作为主控机,单片机构成信号采集单元。
通过温度传感器采集温度信号,经信号放大器放大后,送到A/D转换芯片,经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理,通过通信线路将信息上行到PC机,在PC机上我们可对温度信号进行任何分析、处理。
其模块框图如图1所示。
图1方案2模块框图
采用该方案技术已经成熟,而且通过将温度信息上传到PC机,利用PC机强大的数据处理能力和相应的辅助软件,可以多角度、多需求的分析处理温度数据,但这在工业上大多不是必须的。
而且目前PC的机价格的原因,制造出这样的系统,不会得到普遍的应用。
所以我不准备采用此种方案。
1.2.3设计方案三
本方案以AT89C51单片机系统为核心,对多点的温度进行实时控制巡检。
各检测单元(从机)能独立完成各自功能,根据主控机的指令对温度进行实时或定时采集,测量结果不仅能在本地储存、显示,而且可以利用单片机串行口,通过RS-485总线及通信协议将将采集的数据传送到主控机,进行进一步的分析、存档、处理。
主控机负责控制指令发送,控制各个从机进行温度采集,收集测量数据,并对测量结果(包括历史数据)进行整理、显示和打印。
主控机与各从机之间能够相互联系、相互协调,从而达到了系统整体统一和谐的控制效果。
该方案主控机和从机完全由单片机实现,采用该方案完全可满足工业上大部分需求,而且相对与第二种方案价格更加容易让人接受。
图2中,从机部分实现的功能几乎和主机是对等的,但会接受主机发送过来的命令的指示。
图2方案3模块框图
该方案采用热电阻PT100做为温度传感器、AD620作为信号放大器MAX187作为A/D转换部件,对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。
1.2.4设计方案四
本方案是本次选用的方案,主要是基于初始条件的要求较低和对于所学知识
基础性的运用,采用热敏电偶作为温度的传感器,采用基于串口的数据采集器,通过87C51对输入的信号进行检测和控制,再通过数码管显示。
在超出测量范围的部分亦可增加相关的硬件设施报警,而且可以根据不同的要求进行灵活的程序改变以达到所能满足的性能
图3方案4模块框图
第二章:
硬件部分的设计与介绍
2.1单片机87C51
2.1.1芯片特点
87C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本型产品,它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的体系结构和指令系统。
。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,是80C51BH的EPROM版本,电改写光擦除的片内4kBEPROM。
2.1.2组成
87C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
快速脉冲编程,如编写4kB片内ROM仅需12秒。
2.1.3工作
此外,87C51还可工作于低功耗模式,可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下,保存RAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功能。
87C51有PDIP和PLCC两种封装形式。
2.1.487C51的存储器组织结构
图487C51存储器组织结构
64K字节的程序存储器(ROM)空间中,有4K字节地址区对于片内ROM和片外ROM是公用的,这4K字节地址是0000H~FFFH。
而1000H~FFFFH地址区为外部ROM专用。
CPU的控制器专门提供一个控制信号EA用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区:
当EA接高电平时,单片机从片内ROM的4K字节存储器区取指令,而当指令地址超过0FFFH后,就自动的转向片外ROM取指令。
当EA接低电平时,CPU只从片外ROM取指令
2.1.5单片机外接电路
(1)时钟产生电路和复位电路
片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路,CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。
片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率,一般多在1.2MHz~12MHz之间选取。
C1、C2是反馈电容,其值在5pF~30pF之间选取,典型值为30pF。
本电路选用的电容为30pF,晶振频率为12MHz。
这样就确定了单片机的4个周期分别是:
振荡周期=1/12
;
机器周期(SM)=
;
指令周期=
。
图5时钟产生电路
XTAL1和XTAL2:
片内振荡电路输入线,这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。
在石英晶体的两个管脚加交变电场时,它将会产生一定频率的机械变形,而这种机械振动又会产生交变电场,上述物理现象称为压电效应。
一般情况下,无论是机械振动的振幅,还是交变电场的振幅都非常小。
但是,当交变电场的频率为某一特定值时,振幅骤然增大,产生共振,称之为压电振荡。
这一特定频率就是石英晶体的固有频率,也称谐振频率。
即用来连接8051片内OSC的定时反馈回路,如上图所示。
石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波,以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。
图6为单片机复位电路。
单片机在开机时都需要复位,以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
单片机的复位后是靠外部电路实现的,在时钟电路工作后,只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲(2个机器周期)以上的高电平,单片机便可实现初始化状态复位。
MCS-51单片机的RST引脚是复位信号的输入端。
例如:
若MCS-51单片机时钟频率为12MHz,则复位脉冲宽度至少应该为2μs。
图6复位电路
(2)声光报警电路
温度检测系统多有声光报警功能,当检测温度超过上下限时,进行声光提示。
本系统在从机和主机部分均设计了报警电路。
各从机的报警上下限由主机预置,从机实时监测的过程中,一旦发现检测温度值连续超出阈值范围,便启动自身报警电路,同时向主控机发送报警信号。
报警电路原理如下所示:
图7声光报警电路
(3)数据存储和时钟电路
主控机主要负责控制从机,包括设置从机信息和收集从机检测信号,然后将收集到的数据进行存储、分析、显示,并能根据用户设置的报警阈值进行声光报警。
这部分的硬件电路设计除了键盘、液晶等常规外设外,增加了一片24C04用来保存温度数据,另外,增加了一片日历时钟芯片PCF8563。
24C04是基于I2C总线的串行E2PROM,存储容量512个字节,它占用单片机资源很少,仅占用了两根I/O线,数据一旦写入可保存100年,避免了普通RAM掉电保护的麻烦,非常适合于各类仪器仪表和控制装置的参数保存。
主控机每个整点收集一次数据,并将数据保存到E2PROM。
每个温度数据占用2个字节,这样,我们设计共保存24组历史数据,占用192个字节。
当存满24组数据后,整点再次接收数据时,将最早保存的数据删除,其他数据依次前移为新数据空出位置。
PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片,它提供一个可编程时钟输出,一个中断输出和掉电检测器,所有的地址和数据通过I2C总线串行传递。
这两部分电路设计原理图如下:
图8数据存储和时钟芯片电路
2.2电源设计
工作原理:
图9中为T1电源变压器,它的作用是将交流电网电压V1变为整流电路要求的交流电压
,四只整流二极管D1~D4接成电桥的形式,故有桥式整流电路之称。
先计算文件参数:
二极管D1、D3和D2、D4两两轮流导通的,所以流经每个二极管的平均电流为
ID=
IC=0.45
。
二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图1中看出。
在
正半周时D1、D3导通,D2、D4截止。
此时D2、D2所承受的最大反向电压均为的
最大值。
即
=
同理,在
的负半周,D
、D
也承受到同样大小的反向电压。
图9+12V电源示意图
桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电压较低,同时因为电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载,电源变压器得到了充分的利用,效率较高。
因此,这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。
滤波电路:
我们采用电容滤波电路。
因为本设计为小功率电源,初始时电容器两端初始电压为零,接入交流电源后,当
为正半周时,通过D1、D3向电容器C充电;当
为负半周时,通过D2、D4向电容器C充电。
充电时间常数为
。
包括变压器副绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。
由于
一般很少,电容器很快就达到了交流电压的
的最大值
。
由于电容器无放电回路,故输出电压保持在
,输出为一个恒定的直流。
电容滤波电路的特点:
1.二极管的导电角
,流过二极管的瞬时电流很大,电流的有效值和平均值的关系与波形有关。
在平均值相同的情况下,波形越尖,有效值越大,在纯电阻负载时,变压器副边电流的有效值
而有电容滤波时
2.负载平均电压
升高,纹波(交流成分)渐少,且RC越大,电容放电速率越慢,则负载电压中的纹波成分越小,负载平均电压越高。
为了得到平滑的负载电压,一般取
τd=RLC≥(3~5)T/2(2-1)
其中T为电源交流电压的周期。
3.负载直流电压随负载直流电流增加二减少。
随
的变化关系称为输出特性或者外特性。
C值一定,当RL=∞,即空载时
当C=0,即无电容时
4.在整流电路的内组不太大(几欧)和放电时间常数满足式(2-1)的关系时,电容滤波电路的负载电压
和
的关系约为
总之,电容滤波电路简单,负载直流电压VL较高,纹波也较小,它的缺点是输出特性较差,故适用于负载电压较高,负载变动不大的场合。
+5V电源电路如图所示。
图105V电源示意图
2.3温度传感器的选择
现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。
当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。
测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
2.3.1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:
量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。
2.3.2灵敏度的选择
通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。
因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。
但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。
因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽员减少从外界引入的串扰信号
2.3.3频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有—定延迟,希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
2.3.4线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。
以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。
传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。
在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。
当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便。
2.3.5稳定性
传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。
影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。
因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。
2.3.6精度
精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。
传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。
这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
综合以上因素,如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。
对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器。
自制传感器的性能应满足使用要求。
2.3.7本次的选择
本次采用热电阻,材料为铂丝.本设计要检测温度范围0℃~400℃,可选用的常用温度传感器有集成温度传感器、热电偶、热电阻等。
集成温度传感器(如AD590、DS1820等)使用方便,信号易于调理,但它们的测温范围普遍窄,一般在200℃以下,不能满足要求。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一,其优点是测量精度高、测量范围广,常用的热电偶从-50℃至+1600℃均可连续测量。
但需采用电路或软件设计等修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响,使用不便。
热电阻也是最常用的一种温度传感器。
它的主要特点是测量精度高,性能稳定,使用方便,测量范围为-200℃~600℃,完全满足要求,考虑到铂电阻的测量精确度是最高的,所以我们最终选择铂电阻PT100作为传感器。
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
所以通常将其放在电桥桥臂上,温度变化时,热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器AD620的输入端,经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片,从而把热电阻的阻值转换成数字量。
电路原理图如图11所示。
图11热电阻测温电路原理图
对信号放大,我们使用了低价格、高精度的仪器放大器AD620,它运用方便,可以通过外接电阻方便的进行各种增益(1-1000)的调整。
其增益计算公式为:
温度值计算过程:
由于A/D检测到的模拟电压值
计算可到的RT值,然后利用如下公式求出温度值:
其中
,
实际测量中,为提高测量精度,我们分两挡进行测量,当温度处于0℃~210℃时,继电器J2所在桥臂电阻为R32,继电器J1选择AD620的反馈电阻R5,温度处于195℃~400℃时,控制继电器J2将电阻R31串接上,并相应控制继电器J1选择R6作为AD620的反馈电阻,在切换桥臂电阻时同步改变放大倍数,从而达到自动改变量程、提高测量精度的目的。
2.4模数转化单元
2.4.112位串行A/D转换器MAX187
MAX187是美信公司推出的12位A/D转换芯片,内部含有采样/保持电路,单5V操作电源,转换速度为8.5μs,具有片上4.096V参考电压,模拟量输入范围为0~VBEF。
三线串行接口,兼容SPI,QSPI,MicroWire总线。
(1)MAX187的引脚功能说明
MAX187有8脚DIP封装和16脚SO封装2种,图12给出DIP封装的引脚排列。
表1是引脚功能说明。
图12MAX187引脚图
(2)MAX187操作时序
用采样/保持电路和逐位比较寄存器将输入的模拟信号转换为12位的数字信号,其采样/保持电路不需要外接电容。
MAX187有2种操作模式:
正常模式和休眠模式,将SHDN置为低电平进入休眠模式,这时的电流消耗降到10μA以下。
SHDN置为高电平或悬空进入正常操作模式。
引脚
名称
功能
1
Vcc
+5V电源
2
AIN
模拟量输入,范围0-Vref
3
SHDN
操作模式选择,低电平休眠模式
4
REF
参考电压
5
GND
地
6
DOUT
数据输出
7
CS
片选端
8
SCLK
时钟,最高为5MHz
表1MAX187引脚功能表
使用内参考时,在电源开启后,经过20ms后参考引脚的4.7μF电容充电完成,可进行正常的转换操作。
A/D转换的工作过程是:
当CS为低电平时,在下降沿MAX187的T/H电路进入保持状态,并开始转换,8.5μs后DOUT输出为高电平作为转换完成标志。
这时可在SCLK端输入一串脉冲将结果从DOUT端移出,读入单片机中处理。
数据读取完成后将CS置为高电平。
要注意的是:
在CS置为低电平启动A/D转换后,检测到DOUT有效(或者延时8.5μs以上),才能发SCLK移位脉冲读数据,SCLK至少为13个。
发完脉冲后应将CS置为高电平。
2.5数据采集部分
2.5.1多路模拟开关CD4051/CC4051
CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关,有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入,具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5~20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。
例如,若VDD=+5V,VSS=0,VEE=-13.5V,则0~5V的数字信号可控制-13.5~4.5V的模拟信号。
这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗,与控制信号的逻辑状态无关。
当INH输入端=“1”时,所有的通道截止。
三位二进制号选通8通道中的一通道,可连接该输入端至输出。
CD4051引脚功能说明
引脚号
符号
功能
124512131415
IN/OUT
输入/输出端
91011
ABC
地址端
3
OUT/IN
公共输出/输入端
6
INH
禁止端
7
VEE
模拟信号接地端
8
Vss
数字信号接地端
16
VDD
电源+
2.5.2锁存器74LS373
373为三态输出的八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值如下:
当三态允许控制端OE为低电平时,O0~O7为正常逻辑状态,可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时,O0~O7呈高阻态,即不驱动总线,也不为总线的负载,但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时,O随数据D而变。
当LE为低电平时,O被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用,使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引脚功能:
(1)D0~D7数据输入端
(2)OE三态允许控制端(低电平有效)
(3)LE锁存允许端(4)O0~O7输出端
2.5.3RS232
RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。
在TxD和RxD上:
逻辑1(MARK)=-3V~-15V;逻辑0(SPACE)=+3~+15V;在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上:
信号有效(接通,ON状态,正电压)=+3V~+15V 信号无效(断开,OFF状态,负电压)=-3V~-15V。
2.5.4模拟量的采集与处理
数据采集与处理是把实际过程的模拟量、开关量以及其它信息量通过相关的方式送入计算机,再由计算机进行存储和进一步处理(如计算、显示、控制等)。
其中,模拟量采集与处理最为重要,它的算法复杂。
模拟量采集算法模块特指将模拟量转换成数字量并送入计算机,模拟量处理算法模块是指将这些数字量存储并进行计算处理的过程,而其它模块可完成一些辅助任务,例如
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