基于单片机的八路数字温度巡检仪设计最新Word格式文档下载.docx
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随着现代科学技术的发展,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。
尤其在冶金工业、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与控制。
但在实际生产过程中,温度的测量环境恶劣,常伴有巨大的撞击力或高温气体的高速流动,测量技术难度非常大。
由于许多工业产品对温度范围要求非常严格,因为对温度的控制好坏直接会影响到产品质量的高低。
因此,在工农业生产中,对温度不仅要不断地测量,而且还要进行控制。
特别是遇到温度超过预设值时,系统会进行报警。
在温度巡检仪没有普及运用之前,温度计测温被人们运用在大多数温度测量场合。
由于其本身的结构和功能所限,它只能对一些要求精度不高的地方进行较粗略检测,然而需要严格控温的场合则没有办法检测,最终影响到了生产效率及效率。
所以,温度计在工业上的应用必将由温度巡检仪替代。
但是,就目前市场上看,销售的大都是单路测量的温度检测仪器,其存在温度信息传递不及时、精度不够等缺点,不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。
在这样的市场需求背景下,采用一种效率和自动化水平更高、更新的测量手段,是温度测控系统的发展趋势。
1.2课题研究意义
在工业生产过程中,温度检测和控制直接联系着安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标。
温度检测类仪表作为温度计量工具,也因此得到广泛的应用。
随着生产力的发展,生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的高要求,人们开始关注具有温度自动巡检功能的多路温度巡检仪。
多路温度巡检仪的出现和发展顺应了时代和工业的发展趋势,推动了经济技术指标的革新。
它是由温度传感元件、转换元件、显示元件和控制元件构成。
其测温原理是:
多个传感器的输出电参数跟随温度的变化而变化,输出并变换成统一规格的电信号,由多路数据选择器选通,以采样、量化、编码和必要的辅助运算方法将模拟量转换成数字量。
再经数字电路或微处理器及外围电路处理后,在显示元件上输出对应的温度值。
重复上述过程,可以实现轮流周期性地采集被测信号并显示。
当然,根据实际需求,也可以进行单通道温度的查询与显示。
1.3课题研究内容
A.分析八路数字温度巡检技术的应用现况及发展前景。
首行缩进?
B.根据课题设计内容和要求确定系统总体设计方案。
C.根据系统总体设计方案设计系统硬件电路,确定所采用的单片机、温度采集与转换等元器件的型号。
D.根据课题内容和系统硬件电路设计软件,使用C语言编写程序,使程序能够实现基本要求。
E.使用Protel99SE软件完成系统硬件电路原理图、系统硬件电路PCB图绘制。
2系统方案设计
2.1系统设计要求
该系统应满足以下要求:
A.实现工业现场温度测量:
温度测量范围从-25℃变化到110℃,精度保持在±
1℃;
B.现场温度显示:
轮询显示8通道温度,可以查询单通道温度并显示;
C.显示:
能够显示通道号、正负号、温度值。
2.2方案设计与选择
2.2.1总体流程图
设计的总体流程图如下图2-1:
图2-1总体流程图
图下面的要段前断后0.5你都自己改下吧
2.2.2方案选择
根据设计内容,提出三种设计方案:
A.方案一:
采用STC89C52单片机作为系统控制核心,其片内自带8kB大小的FlashROM,烧写进去的HEX文件大小最大能达到20KB左右。
信号采集电路选择的是八个含有Pt100的电桥电路,可以采集八个点的温度值;
而选择的TM7705模数转换元件内含差放电路,所以采集到的模拟信号可以直接输送给TM7705进行处理。
对于八个点传输过来的模拟信号,要通过八选一数据选择器进行选择,即每个模拟信号对应一个通道,此八选一数据选择器选用HCF4051BE。
在显示单元中,选择五位数码管分别显示通道号、正负号、温度值;
而在控制单元中,需要通过按键控制单通道温度查询和显示的过程。
整个系统中,单片机晶振选用12MHz,TM7705的时钟线要接到单片机的ALE端,以便产生2MHz的时钟。
单片机的P0口为数码管的段码,P2口为位选。
P3.0为A/D数据输入端,采用串行通信方式0进行数据的读入。
B.方案二:
单片机依然选用STC89C52作为系统控制核心,而AT89S52单片机也是可以选用的。
信号采集电路是选用八个并接于单线总线的数字温度传感器DS18B20进行八个点的温度采集,它可以不通过放大整形和模数转换电路而直接接在单片机上。
显示单元中选用液晶显示器LCD1602;
控制单元与方案一中相同。
C.方案三:
单片机选用STC89C52,信号采集电路与方案一中相同。
但在此方案中,信号放大电路选用rail-to-rail运算放大器,使输出电压上限可以达到电源电压,而下限可以达到0V。
同时,加入滤波电容对影响信号采集的空气中的高频信号进行过滤。
模数转换电路选用ADC0809芯片,对模拟信号进行处理。
控制单元与方案一相同。
对比观察上述三种方案,方案一中铂热电阻(Pt100)温度传感器具有精度高,测温范围广,一般可测-200℃~650℃,在工业测温上应用广泛,而且可以通过引线将铂电阻置于需要测量温度的环境中,满足不同点不同温度测量的需求。
同时,TM7705解决了对采集到的模拟信号进行放大和数字处理,而不需要另外增加信号放大滤波电路。
方案二中,所用到的数字温度传感器性能较强,价格上比Pt100便宜很多。
而且电路搭构简单易行,节约了许多外围电路空间。
LCD1602显示功能强大,但没有数码管显示快捷方便。
方案三比方案一在信号放大和模数转换两个单元中有所不同,其电路设计比方案一繁琐。
综合考虑,最终选择方案一。
方案二有其优势所在,但在工业测温中,方案一应用面更宽广,经济价值更高,比方案二有更广泛的市场需求和更好的发展前景。
2.3软硬件设计开发环境选择
2.3.1硬件设计环境选择
Protel99SE是由澳大利亚ProtelTechnology公司基于Windows平台开发的EDA设计软件,采用设计库管理模式,可以进行联网设计,具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能,是一个32位的设计软件,可以完成电路原理图设计,印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作。
它能够实现从电学概念设计到输出物理生产数据,以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。
最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件,以便用户顺利过渡到新的EDA平台。
Protel99SE有六个主要功能模块,分别为AdvancedSchematic99SE、AdvancedPCB99SE、AdvancedRoute99SE、AdvancedIntegrity99SE、AdvancedSIM99SE和AdvancedPLD99SE。
A.AdvancedSchematic99SE(原理图设计系统)
该模块主要运用于电路原理图设计、原理图元件设计和各种原理图报表生成等。
B.AdvancedPCB99SE(印刷电路板设计系统)
该模块提供了一个功能强大和交互友好的PCB设计环境,主要用于PCB设计、元件封装设计、报表形成及PCB输出等。
C.AdvancedRoute99SE(自动布线系统)
该模块是一个集成的无网格自动布线系统,布线效率高。
D.AdvancedIntegrity99SE(PCB信号完整性分析)
该模块提供精确的板级物理信号分析,可以检查出串扰、过冲、下冲、延时和阻抗等问题,并能自动给出具体解决方案。
E.AdvancedSIM99SE(电路仿真系统)
该模块是一个基于最新Spice3.5标准的仿真器,为用户的设计前端提供了完整、直观的解决方案。
F.AdvancedPLD99SE(可编程逻辑器件设计系统)
该模块是一个集成的PLD开发环境,可使用原理图或CUPL硬件描述语言作为设计前端,能提供工业标准JEDEC输出。
它的原理图和PCB图设计运行窗口界面如下图2-2、2-3:
原理图编辑窗口
图2-2原理图设计运行窗口界面
图2-3PCB图设计运行窗口界面
2.3.2软件开发环境选择
KeilC51软件是目前最流行开发8051系列单片机的软件工具。
KeilC51提供了包括C语言编译器、宏观编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境uVisionIDE将这些部分组合在一起。
由KeilC51进行软件程序编写,方便快捷。
其运行窗口如下图2-4:
图2-4uVision3IDE运行窗口界面
uVision3IDE是基于Windows的开发平台,包含一个高效的编辑器、一个项目管理器和一个MAKE工具。
uVision3IDE支持所有的KeilC51工具,包括C语言编辑器、宏汇编器、连接/定位器、目标代码到HEX的转换器。
其主要特征如下:
A.集成开发环境
uVision3IDE包括一个工程管理器、一个功能丰富并有交互式错误提示的编辑器、选项设置、生成工具及在线帮助。
可以使用uVision3IDE创建源文件,并组成应用工程加以管理。
uVision3IDE可以自动完成编译、汇编和链接程序的操作,使用户可以只专注于开发工作的效果。
B.C51编辑器和A51汇编器首行缩进不对
由uVision3IDE创建的源文件,可以被C51编辑器或A51汇编器处理,生成可以重定位的object文件,KeilC51编辑器遵照ANSIC语言标准,支持C语言的所有准特性。
另外还增加了几个可以直接支持8051结构的特性。
KeilA5宏汇编支持8051及其派生系列的所有指令集。
C.LIB51库管理器
LIB51库管理器可以从由汇编器和编辑器创建的目标文件建立目标库。
这些库是按规定格式排列的目标模块,可以在以后被链接器所使用。
当链接器处理一个库时,仅仅使用了库中程序使用的目标模块而不是全部加以引用。
D.BL51链接器/定位器
BL51链接器使用从库中提取出来的目标模块和由编译器生成的目标模块,创建一个绝对地址目标模块。
绝对地址目标文件或模块包括不可重定位的代码和数据。
所有的代码和数据都被固定在具体的存储器单元中。
绝对地址目标文件可以用于:
A)编程EPROM或其他存储器设备;
B)uVision3IDE调试器对目标进行调试和模拟;
C)使用在线仿真器进行程序测试。
E.uVision3软件调试器
uVision3IDE软件调试器能十分理想地进行快速、可靠的程序调试。
调试器包括一个高速模拟器,可以使用它模拟整个8051系统,包括片上外围器件和外部硬件。
当从器件数据库选择器件时,这个器件的属性会被自动配置。
F.uVision3IDE硬件调试器
uVision3IDE调试器提供了几种在实际目标硬件上测试程序的方法。
安装MON51目标监控器到用户的目标系统,并通过Monitoe-51接口下载程序。
使用(这个事另起一段还是什么)高级GDI接口将uVision3IDE调试器同第三方仿真器系统相连接,通过uVision3IDE的人机交互环境完成仿真操作。
G.RTX51实时操作系统
RTX51实时操作系统是针对8051微控制器系列的一个多任务内核。
RTX51实时内核简化了需要对实时事件进行反应的复杂应用的系统设计、编程和调试。
这个内核完全集成在C51编译器中,使用非常简单。
任务描述表和操作系统的一致性由BL51链接器定位器自动进行控制。
3硬件电路设计
3.1系统各功能模块电路设计
根据选择的系统设计方案,确定了基于单片机的八路数字温度巡检仪设计的原理结构框图,此硬件系统主要由单片机最小系统模块、LED数码管输出模块、按键输入模块、八路铂热电阻桥温度采集模块、八选一通道选择模块、模数转换模块及电源模块组成。
此硬件系统原理结构框图如下图3-1所示。
图3-1硬件系统原理结构框图
3.1.1STC89C52单片机最小系统模块设计
STC89C52单片机最小系统模块如下图3-2所示。
图3-2STC89C52单片机最小系统模块
单片机最小系统又称为单片机最小应用系统,是由最少的元器件组成的可以工作运行的系统。
其一般包括单片机、晶振电路和复位电路。
A.单片机
本系统电路选用的是STC89C52单片机。
STC89C52是一种自带8KB字节的闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能的CMOS8位的微处理器。
它在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容。
它的引脚图如下图3-3所示。
图3-3STC89C52引脚图
STC89C52单片机有2根主电源引脚,2根外接晶振引脚,4根控制引脚,32根可编程输入/输出引脚,总共40根引脚。
每根引脚都具备指定的功能。
A)主电源引脚(2根)
VCC(Pin40):
电源输入,接+5V电源
GND(Pin20):
接地线
B)外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin19):
片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin20):
片内振荡电路的输出端
C)控制引脚(4根)
RST/VPP(Pin9):
复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30):
地址锁存允许信号
PSEN(Pin29):
外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31):
程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
D)可编程输入/输出引脚(32根)
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32根。
P0口(Pin39~Pin32):
8位双向I/O口线,名称为P0.0~P0.7。
P1口(Pin1~Pin8):
8位准双向I/O口线,名称为P1.0~P1.7。
P2口(Pin21~Pin28):
8位准双向I/O口线,名称为P2.0~P2.7。
P3口(Pin10~Pin17):
8位准双向I/O口线,名称为P3.0~P3.7。
在系统电路中,P0口、P2口用于对五位LED数码管的控制。
P1.0~P1.2控制八选一数据选择器的数据输出。
P3.0~P3.2控制TM7705的输入输出。
B.晶振电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
此系统电路选用内部方式产生时钟,在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件,内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率选择12MHz,电容值选择33pF,电容值的大小可对频率起微调的作用。
C.复位电路
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需按复位键重新启动。
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。
若使用颇率为6MHz的晶振,则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
这样,只要电源Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位,即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中,按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的;
而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。
此系统电路具备自动上电复位和按键手动电平复位两种复位方式。
3.1.2LED数码管输出模块设计
该系统采用动态扫描的方法进行通道、符号和温度显示。
在硬件设计中将所有位数码管的段选线并联在一起,由位选线控制是哪一位数码管有效。
选亮的数码管采用动态扫描显示。
因为动态显示的亮度比静态显示要差一些,所以在选择限流电阻时其值应略小于静态显示电路中的限流电阻。
动态显示电路与静态显示电路相比,优点是在温度值显示上有非常好的显示效果,缺点是在硬件电路上比较复杂,成本较高。
在该电路中选用的限流电阻阻值为330Ω。
限流电阻不可以去除,因为限流电阻能保证每一个段码的发光二极管能承受10mA-20mA最大电流,当在电源电压为5V时,如果不加限流电阻,则流过发光二极管的电流会有几百毫安,这样会轻而易举烧坏发光二极管。
再者,该系统选用的是共阳极数码管,这样在段码控制端口(P0口)为低电平时数码管导通点亮。
选用共阳极数码管的原因在于51单片机中,它的灌电流要大于其输出电流,所以要选用共阳极数码管,让P0口以灌电流的方式提供驱动电流,以提高驱动能力。
还需要注意地是,用端口是不能直接去驱动每个数码管的位选端口的,因为51单片机的每个端口只能提供20mA的电流,如果去驱动的话,会很快烧坏单片机的端口。
所以此系统中是通过五个PNP9012型三极管驱动每个数码管的位选端口。
动态LED数码管输出模块如下图3-4所示。
图3-4LED数码管输出模块
3.1.3按键输入模块设计
为了实现查询单通道温度并显示对应通道和温度,系统电路中需要增加按键输入模块。
其中,将按键S1接P3.3口,当S1不按下时,始终执行主程序中八通道温度自动巡检;
当S1按下后,进入到单通道查询子程序中,可以进行单通道的温度查询。
将S2接P3.4口,作为通道数增加的控制按钮。
理想中使用矩阵键盘进行单通道温度查询是最优选择,但基于单片机端口使用情况,本系统电路无法选用矩阵键盘。
为了实现-25℃~110℃的温度范围,当温度超过测温范围时应该给以提醒,所以在P3.5口增加发光二极管。
发光二极管串联330Ω的电阻,接在+5V电源端,通过灌电流驱动发光二极管闪动。
此模块中的按键S1、S2在引脚一侧加入10KΩ的上拉电阻,保证I/O读到的电平状态稳定。
其实不加上拉电阻也可以,S1、S2直接接地,在通过实验板验证程序时,S1、S2加上拉电阻和直接接地的控制效果是一样的。
但为了保证系统电
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