基于單片機的溫度巡檢裝置設(shè)計方案

1 基于單片機的溫度巡檢裝置設(shè)計方案 第 1 章 概述 溫度巡檢儀發(fā)展背景 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、 流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。尤其在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力 工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理 爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測與控制。但在實際生產(chǎn)過程中，溫度的測量環(huán) 境惡劣，常伴有巨大的撞擊力或高溫氣體的高速流動，測量技術(shù)難度非常大。由于 許多工業(yè)產(chǎn)品對溫度范圍要求非常嚴格，因為對溫度的控制好壞直接會 影響到產(chǎn)品 質(zhì)量的高低。因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對溫度不僅要不斷地測量，而且還要進行控 制。特別是遇到溫度超過預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)會進行報警。 在溫度巡檢儀沒有普及運用之前，溫度計測溫被人們運用在大多數(shù)溫度測量場 合。由于其本身的結(jié)構(gòu)和功能所限，它只能對一些要求精度不高的地方進行較粗略 檢測，然而需要嚴格控溫的場合則沒有辦法檢測，最終影響到了生產(chǎn)效率及效率。 所以，溫度計在工業(yè)上的應(yīng)用必將由溫度巡檢儀替代。 但是，就目前市場上看，銷售的大都是單路測量的溫度檢測儀器，其存在溫度 信息傳遞不及時、精度不夠等缺點，不利于 工業(yè)控制者根據(jù)溫度變化及時做出決定。 在這樣的市場需求背景下，采用一種效率和自動化水平更高、更新的測量手段，是 溫度測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 溫度巡檢裝置工作原理 八路溫度巡檢儀首先要進行數(shù)據(jù)采集就是將一般的物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換成模擬量，在經(jīng)過 A/細來說就是能監(jiān)測并采集多路的溫度信號，通過溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出電壓，A/而得到與溫度信號具有一定關(guān)系的數(shù)字量，單片機采集這些數(shù)字信號，進行一定的信號調(diào)理、軟件算法、以 及標度變換，從而得到一定量的溫度值，再將這一溫度值通過顯示的方式顯示出來，然后通過按鍵或定時的控制實現(xiàn)巡檢，就得到了一個八路溫度巡檢儀的系統(tǒng)。 2 本設(shè)計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用。 目的是對工業(yè)生產(chǎn)的溫度傳感與溫度控制進行模擬實驗，學(xué)習單片機用于工業(yè)生產(chǎn)的溫度傳感與溫度控制技術(shù)的方法。 本畢業(yè)設(shè)計介紹了溫度計的測量和控制之間的關(guān)系：檢測是控制的基礎(chǔ)和前提，而檢測的精度必須高于控制的精確度，否則無 從實現(xiàn)控制的精度要求。不僅如此，檢測還涉及國計民生各個部門，可以說在所以科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域無時不在進行檢測?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展和檢測技術(shù)的發(fā)展是密切相關(guān)的?，F(xiàn)代化的檢測手段能達到的精度、靈敏度及測量范圍等，在很大程度上決定了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。同時，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展達到的水平越高，又為檢測技術(shù)、傳感器技術(shù)提供了新的前提手段。目前溫度計的發(fā)展很快，從原始的玻璃管溫度計發(fā)展到了現(xiàn)在的熱電阻溫度計、熱電偶溫度計、數(shù)字溫度計、電子溫度計等等。目前的溫度計中傳感器是它的重要組成部分，它的精度靈敏度基本決定了溫度計的精度、測量范圍 、控制范圍和用途等。傳感器應(yīng)用極其廣泛，目前已經(jīng)研制出多種新型傳感器。但是，作為應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計人員需要根據(jù)系統(tǒng)要求選用適宜的傳感器，并與自己設(shè)計的系統(tǒng)連接起來，從而構(gòu)成性能優(yōu)良的監(jiān)控系統(tǒng)。 計要求與任務(wù) 計要求： 檢測 8 個點的溫度，溫度范圍： 50 120； 采用 環(huán)顯示檢測的 8 路溫度值； 通過按鍵自由設(shè)定溫度報警們限值，當溫度超過門限值時，系統(tǒng)發(fā)出聲、光報警； 實現(xiàn)與上位機串行通信。 計任務(wù)： 溫度測量原理及溫度 傳感器選型； 溫度巡檢裝置硬件設(shè)計、仿真； 溫度巡檢裝置軟件設(shè)計及調(diào)試。 3 第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計方案 統(tǒng)組成及工作原理 統(tǒng)組成 在系統(tǒng)方案設(shè)計中，主要以選擇測溫電路的方案為主，測溫電路的方案選擇可以直接的影響到測得溫度值的準確性和要求達到的精度問題，測溫電路要求能把環(huán)境溫度通過傳感器把溫度信號轉(zhuǎn)換為我們所需要的電壓信號或電流信號，把得到相應(yīng)的電信號送入 A/過 A/通過單片機的控制和程序的處理最后得到準確的溫度值，實現(xiàn)溫度的檢測。所以在測溫電路中我們進行了 認真的分析和最后方案的確定。如下框圖所示： 作原理 八路溫度巡檢儀首先要進行數(shù)據(jù)采集就是將一般的物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換成模擬量，在經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供給 行處理。詳細來說就是能監(jiān)測并采集多路的溫度信號，通過溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出電壓， A/D 轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，從而得到與溫度信號具有一定關(guān)系的數(shù)字量，單片機采集這些數(shù)字信號，進行一定的信號調(diào)理、軟件算法、以及標度變換，從而得到一定量的溫度值，再將這一溫度值通過顯示的方式顯示出來，然后通過按鍵或定時的控制 實現(xiàn)巡檢，就得到了一個八路溫度巡檢儀的系統(tǒng)。 案的選擇 根據(jù)設(shè)計內(nèi)容，提出三種設(shè)計方案： 方案一： 采用 片機作為系統(tǒng)控制核心， 其片內(nèi)自帶 8小的 寫進去的 件大小最大能達到 20右。信號采集 4 電路選擇的是八 個含有 電橋電路， 可以采集八個點的溫度值； 而選擇的 數(shù)轉(zhuǎn)換元 件內(nèi)含差放電路，所以采集到的模擬信號可以直接輸送給 行處理。對于 八個點傳輸過來的模擬信號，要通過八選一數(shù)據(jù)選擇器進行選擇，即每個模擬信號 對應(yīng)一個通道，此八選一數(shù)據(jù)選擇器選用 顯示單元中，選擇五位數(shù) 碼管分別顯示通道號、正負號、溫度值；而在控制單元中，需要通過按鍵控制單通 道溫度查詢和顯示的過程。整個系統(tǒng)中，單片機晶振選用 12時鐘 線要接到單片機的 ，以便產(chǎn)生 2時鐘。單片機的 為數(shù)碼管的段 碼， 為位選。 A/D 數(shù)據(jù)輸入端，采用串行通信方式 0 進行數(shù)據(jù)的讀入。 方案二：單片機依然選用 為系 統(tǒng)控制核心，而 片機也 是 可 以選 用的 。信 號采 集 電路 是選 用八 個并 接 于單 線總 線的 數(shù)字 溫 度傳 感 器 行八個點的溫度采集，它可以不通過放大整形和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路而直接接 在單片機上。顯示單元中選用液晶顯示器 制單元與方案一中相同。 方案三：單片機選用 號采集電路與方案一中相同。但在此方案中， 信號放大電路選用 算放大器，使輸出電壓上限可以達到電源電壓，而下 限可以達到 0V。 同時， 加入濾波電容對影響信號采集的空氣中的高頻信號進行過濾。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用 片，對模擬信號進行處理?？刂茊卧c方案一相同。 對比觀察上述三種方案，方案一中鉑熱電阻（ 度傳感器具有精度高， 測溫范圍廣，一般可測 650，在工業(yè)測溫上應(yīng)用廣泛，而且可以通過引線 將鉑電阻置于需要測量溫度的環(huán)境中，滿足不同點不同溫度測量的需求。同時， 決了對采集到的模擬信號進行放大和數(shù)字處理， 而不需要另外增加信號放 大濾波電路。 方案二中，所用到的數(shù)字溫度傳感器性能較強， 價格上比 宜很多。而且 電路搭構(gòu)簡單易行，節(jié)約了許多外圍電路空間。 示功能強大，但沒有數(shù) 碼管顯示快捷方便。 方案三比方案一在信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩個單元中有所不同，其電路設(shè)計比方 案一繁瑣。 綜合考慮，最終選擇方案一。方案二有其優(yōu)勢所在，但在工業(yè)測溫中，方案一 應(yīng)用面更寬廣，經(jīng)濟價值更高，比方案二有更廣泛的市場需求和更好的發(fā)展前景。 5 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 件總體設(shè)計 系統(tǒng)單元電路的設(shè)計分為以下 5 個部分 : 1、溫度傳感模塊； 2、單片機控制模塊； 3、 示模塊； 4、二極管及蜂鳴器報警模塊； 5、 輸模塊 度傳感模塊 溫度傳感模塊主要的器件就是數(shù)字溫度傳感器，它對被控溫度進行采樣，傳輸給控制器。根據(jù)設(shè)計要求（溫度測量范圍 50 120），所以 本課題設(shè)計采用的是數(shù)字溫度傳感器 字溫度傳感器 術(shù)性能描述 1. 獨特的單線接口方式， 與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 雙向通訊。 2 測溫范圍 55 125 ，固有測溫分辨率 。 3 支持多點組網(wǎng)功能，多個 以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8 個，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實現(xiàn)多點測溫 4 工作電源 : 35V/ 在使用中不需要任何外圍元件 6 測量結(jié)果以 912 位數(shù)字量方式串行傳送 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3要包括：寄生電源、溫度傳感器、 64位激光 單總線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器 于存儲用戶設(shè)定溫度上下限值的 儲與控制邏輯、 8位循環(huán)冗余校驗碼 (生器等七部分。 6 圖 3部結(jié)構(gòu)框圖 通信協(xié)議 數(shù)字式溫度傳感器和模擬傳感器最大的區(qū)別，是將溫度信號直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后通過串行通信的方式輸出。因此掌握 有的 保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖；寫“ 0”、寫“ 1”時隙；讀“ 0”、和讀“ 1”時隙。與 通過操作時隙完成單總線上的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)時，都是字節(jié)的低位在前，高位在后。每個通信周期起始于微控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖，其后緊跟 寫時隙期間，主機向 在讀時隙期間，主機讀入來自 每一個時隙總線只能傳輸 一位數(shù)據(jù)。 當主機將單總線 空閑狀態(tài) )拉為邏輯低時，即啟動一個寫時隙。所有的寫時隙必須在 20p 在每個循環(huán)之間至少需要 1寫 0時隙期間，微控制器在整個時隙中將總線拉低；而寫 1時隙期間，微控制器將總線拉低，然后在時隙起始后 15p 片機控制模塊 單片機控制模塊的核心是 片， 單片機 執(zhí)行器模塊輸出高、低電平實現(xiàn)溫度控制，并且，可以把傳感器的采樣溫度值顯示在數(shù)碼管上 。 片 簡介 單片機是一種集成在 電路 芯片，是采用 超大規(guī)模集成電路 技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 機存儲器 只讀存儲器 種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器 等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、 脈寬調(diào)制 電路、 模擬 7 多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器 等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的 計算機系統(tǒng)。 今后單片機的發(fā)展趨勢，將是進一步向多功能、高性能 、 低電壓、低功耗、低價格、存儲容量擴大和增強 I/低電壓，高性能 稱單片機。單片機的 可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000次。 在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進行程序的修改，這就大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。同時，在系統(tǒng)工作過程中，能有效地保存一些數(shù)據(jù)信息，即使外界電源損壞也不影響信息的保存。 該器件采用 工業(yè)標準的 于將多功能 8位 種靈活性高且價廉的方案。 0個引腳， 與 容 ， 4進行 1000寫 /擦循環(huán) ， 數(shù)據(jù) 可 保留 10年 ， 全靜態(tài)工作 頻率 0 三級程序存儲器鎖定 ， 128 32個雙向輸入 可編程 I/兩個 16位定時器 /計數(shù) ， 5個中斷源 ，以及 可編程串行通道 ， 低功耗的閑置和掉電模式 ， 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 。 另外， 降至 0態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， 許 時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， 蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 其接線圖如 3 3所示： 8 圖 3接線圖 口通信模塊 由于單片機輸出的電壓為 0 5V 的直流電壓， 讀取的電壓為 +15V，所以 與單片機之間的通信需要電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用 片的和單片機串行通信接口電路。 與單片機之間可以由 接 口相連，在 用它可以實現(xiàn)異步串行通信。該適配器的核心元件是可編程的 250芯片，它使 片機本身具有一個全雙工的串行口，因此只要配以電平轉(zhuǎn)換的驅(qū)動電路、隔離電路就可組成一個簡單可行的通信接口。同樣， 和單片機之間的通信也分為雙機通信和多機通信。 和單片機最簡單的連接是零調(diào)制三線經(jīng)濟型。這是進行全雙工通信所必須的最少線路。因為 片機輸入、輸出電平為 平，而 配置的是 準接口，二者的電氣規(guī)范不同，所以要加電平轉(zhuǎn)換電路。常用的有 圖 3出了采用 片的 和單片機串行通信接口電路 ,與 相連采用 9 芯標準插座。 9 1 2 3 4i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 4- M a y - 20 0 5 S he e t o f F i l e : G : P R O T E L 圖 C H A N G Y U A N B D r a w n B y:162738495D R S 23 2D B 9R 1 I I I I O U O U O U O U +1C 1 +4C 2 X 2 32 C P E ( 1 6) 1 u 1 u 1 u 1 u 1 u 3串行通信接口電路 232用最多的一種異步通信總線標準，它是美國電子工業(yè)協(xié)會（ 1962年公布的， 1969年最后一次修訂而成。其中 232是標準的標識號， 232s）規(guī)定為 19200， 9600， 4800，2400， 600， 300， 150， 110， 75， 50。 232232是在 此，不能和 用時必須加上適當?shù)慕涌陔娐?，否則將使 一點使用時要特別注意。 在本系統(tǒng)中， 232用三線連接法，這是一種簡單的 232需 2、 3交叉連接線以及信號地線。 本系統(tǒng)使用的 232是 9針的接口，它所使用的是標準的 以它是與電平轉(zhuǎn)換芯片相接的。 片是美信公司專門為電腦的 準串口設(shè)計的接口電路 ,使用 +5v 單電源供電。 它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分： 第一部分是電荷泵電路。由 1、 2、 3、 4、 5、 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生 +12v 和 個電源，提供給 口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14 腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。 其中 13 腳（ 12 腳（ 11 腳（ 14 腳（ 第一數(shù)據(jù)通道。 8 腳（ 9 腳（ 10 腳（ 7 腳（ 第二數(shù) 10 據(jù)通道。（本設(shè)計用的是第二數(shù)據(jù)通道） 112出。電腦的 頭有兩個 道，而我們用來作寫頻器就只需一個通道就行啦。所以一通道的 11、 12、 13、 14 腳就全空腳啦。我們只用了第二通道的 4 只腳。 第三部分就是供電： 15 腳 16 腳 +5v）。其實美信公司生產(chǎn)的用于口的芯片有好多好多。有各種各樣的封裝，有只有一個通道的，也有多通道的，有底耗電的，也有耐 15壓的。其中 用 +3v 電源、+護、而且省去了電荷泵的 4 只電容。 碼管顯示模塊 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。例如：共陽極數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。數(shù)碼管要正常顯示，就要用 驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。動態(tài)顯示驅(qū)動是利用人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，但動態(tài)顯示能夠節(jié)省大量的 I/且功耗更低。因此，本系統(tǒng)采用了數(shù)碼管動態(tài)顯示。 11 第 4 章 主程序的軟件結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)軟件的主程序主要是不斷地進行 溫度讀取，溫度處理，溫度顯示，溫度比較，采用遙控器來實現(xiàn)報警溫度的設(shè)置，測量點的實時溫度顯示。主程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，主要模塊由系統(tǒng)初始化，計數(shù)器初始化模塊，遙控器模塊，溫度讀取模塊，顯示模塊，掉電保護模塊，溫度處理模塊及溫度報警模塊組成。 系統(tǒng)初始化模塊主要是對系統(tǒng)的初始化，實現(xiàn) 18初始化，定時器初始化。 計數(shù)器初始化模塊對定時器 初始化， 要用于蜂鳴器報警，要用于遙控器的掃描程序。 遙控器掃描模塊是通過掃描輸出判斷是哪一個鍵按下，該模塊主要完成報警溫度設(shè)置，溫度選擇顯示 。 溫度讀取模塊主要由 18行溫度測量和溫度轉(zhuǎn)換。 溫度顯示模塊主要顯示實時溫度和設(shè)置溫度顯示。 溫度比較模塊主要是實時溫度和設(shè)置溫度的比較，實現(xiàn)報警。 程序結(jié)構(gòu)圖 12 開 始T 0 、 T 1 初 始化按 鍵 按 下選 擇 顯 示 鍵 按 下設(shè) 置 報 警 鍵 按 下設(shè) 置 報 警 溫度顯 示 設(shè) 置 報警 溫 度保 存 設(shè) 置 溫度設(shè) 置 完 成切 換 傳 感 器溫 度 顯 示指 示 燈 亮 讀 取 溫 度數(shù) 據(jù) 處 理溫 度 顯 示溫 度 比 較高 于 或 低 于 設(shè) 定 溫 度報 警 二 極 管 亮 且蜂 鳴 器 響程序流程圖 程序清單： 13 # /八路通道地址端口 /用關(guān)鍵字宏定義，其效率高 32; P=; /*內(nèi)存單元定義 */ /節(jié)省內(nèi)存單元 0=0 /0碼譯碼數(shù)組 =0 /4 位列掃描控制字0=0 /8 個通道 據(jù)內(nèi)存單元 =0 =0 /4 個顯 示單元和 1 個數(shù)據(jù)存儲單元 /*延時 1數(shù) */ /減運算以節(jié)省代碼存儲空間 t) i,j; i=t;i0;j=120;j0; /*對八位數(shù)據(jù)進行倒序處理函數(shù) */ i, /取要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最底位 i=0;i=1; /數(shù)據(jù)的第二位移到最底位 ( /*向 一個字節(jié)