基于PT100智能溫度測量儀表的軟件電路設(shè)計

目錄前言1第1章智能溫度測量儀表方案設(shè)計與論證3第2章智能溫度測量儀表的硬件設(shè)計5第3章軟件設(shè)計9第4章溫度控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試16第5章設(shè)計體會與小結(jié)17參考文獻(xiàn)18附錄19前言本課程設(shè)計是一個應(yīng)用比較廣泛的溫控系統(tǒng)，知識的綜合性比較強，但實際上不難，主要有四局部內(nèi)容組成，第一章，論述其功能，通過方案的比較，確定最終方案，第二章簡單的對硬件局部進(jìn)行闡述，第三章重點的論述軟件實現(xiàn)其功能局部，第四章對實際電路進(jìn)行調(diào)試，第五章總結(jié)此次課程設(shè)計的心得體會。此溫控系統(tǒng)是基于AT89C51單片機對溫度進(jìn)行控制的，采用PT100溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，通過儀用放大器將溫度信號放大，然后再送入A/D轉(zhuǎn)化器，將模擬信號轉(zhuǎn)變成便于單片機處理的數(shù)字信號，當(dāng)所采集到的溫度值大于設(shè)定的閥值時，可在PC上進(jìn)行告警提示，并通過串口向單片機發(fā)送指令，單片機收到指令后控制蜂鳴器發(fā)音。同時可以使用外界鍵盤隨時修改溫度設(shè)定值，到達(dá)不同的需求。表達(dá)出了系統(tǒng)的智能性。第1章智能溫度測量儀表方案設(shè)計與論證1.1功能與要求功能：溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，通過單片機控制，將采集到的實時溫度值在數(shù)碼管上顯示，同時將溫度數(shù)據(jù)通過串口線傳送到上位PC機；上位機在屏幕上顯示溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)假設(shè)溫度超過設(shè)定值，在顯示屏上進(jìn)行報警提示，并通過串口向單片機發(fā)送指令，單片機收到指令后控制蜂鳴器發(fā)音。還可以使用外界鍵盤隨時修改溫度設(shè)定值，到達(dá)不同的需求。要求：1、測溫范圍100—300。C；2、能夠進(jìn)行調(diào)零；3、可以利用外界鍵盤隨時修改溫度設(shè)定值；4、可以進(jìn)行報警提示。1.2方案論證與比較方案一：采用DS1820數(shù)字傳感器采集溫度數(shù)據(jù)。單片機的接口信號是數(shù)字電信號，要想用單片機獲取溫度這類非電信號的信息，必須使用溫度傳感器。溫度傳感器的作用是將溫度信息轉(zhuǎn)換為電流或電壓輸出，如果轉(zhuǎn)換后的電流或電壓輸出是模擬信號，還必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以滿足單片機接口的需要。因此采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器可以使得電路結(jié)構(gòu)更加簡單。方案二：采用Pt100鉑熱電阻溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，Ptl00鉑電阻具有抗震性能好、測溫范圍廣、測量精度高、機械強度高、耐壓性能好等特點,且電阻率較大。實際測量中有良好的重復(fù)性。PT100溫度傳感器0℃時電阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω/℃方案比較：由于PT100是一種廣泛應(yīng)用的測溫元件,在-50℃~600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比較的優(yōu)勢,包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點。DS18B20雖為數(shù)字溫度傳感器，具有可編程、A/D轉(zhuǎn)換等優(yōu)點但是它的測溫范圍為－55℃～＋1.3方案確實定經(jīng)過兩種方案的比較，最終選定PT100作為溫度傳感器。由于Pt100電阻值小，靈敏度高，所以引線的阻值不能忽略不計，采用三線式接法可消除引線線路電阻帶來的測量誤差,故采用PT100三線制接法做溫度采集電路。第2章智能溫度測量儀表的硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示上位機溫度傳感器上位機溫度傳感器數(shù)碼管蜂鳴器單片機鍵盤儀用放大調(diào)零A/D轉(zhuǎn)換其工作過程為：溫度傳感器采集溫度信號，然后送入儀用放大電路對信號進(jìn)行放大，再經(jīng)過調(diào)零電路減小誤差，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)變成便于單片機處理的數(shù)字信號，同時可以將溫度值在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示，同時可以將采集到的溫度值與上位機軟件設(shè)定值進(jìn)行比較，假設(shè)超過設(shè)定值，可以驅(qū)動蜂鳴器報警，用外界鍵盤也可以修改溫度設(shè)定值，表達(dá)其智能功能。2.2溫度采集與放大電路的設(shè)計采用PT100三線制接法作為溫度采集局部，放大器電路，選用儀表放大器AD626差分放大器。電路如圖2所示圖2.溫度采集與放大電路圖2.3A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計將模擬電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后將其變成數(shù)字信號再輸入到單片機內(nèi)進(jìn)行處理，采用AD0809做為A/D轉(zhuǎn)換器，電路圖如圖3所示：圖3.A/D轉(zhuǎn)換電路2.4單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計要使單片機工作起來，主要是給單片機增加上電復(fù)位電路和外接一個晶振。電路如圖4所示：圖4.單片機最小系統(tǒng)2.5人機接口電路的設(shè)計它主要由四位一體數(shù)碼顯示管、4*4矩陣鍵盤和CH451芯片構(gòu)成，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度顯示與溫度設(shè)定功能。在該人機接口電路的設(shè)計中，CH451為該模塊電路的核心器件，功能相對完善。CH451不僅能有效的將采集到的溫度值通過數(shù)碼管進(jìn)行實時顯示；并且還能控制矩陣鍵盤，讀取通過按鍵獲得的溫度設(shè)定值，一方面可將設(shè)定值直接顯示，另一方面還能傳輸給單片機。人機接口電路如圖5所示：圖5.人機接口電路圖第3章軟件設(shè)計3.1主流程圖的設(shè)計3.1.1上位機程序流程圖的設(shè)計上位機程序主要完成與下位機的串口通信，顯示并存儲下位機傳送來的溫度數(shù)據(jù)，并將下位機送來的溫度數(shù)據(jù)與已經(jīng)設(shè)置好的溫度值進(jìn)行比較，假設(shè)大于設(shè)定值，在上位機屏幕上顯示告警提示，同時向下位機發(fā)送控制命令，下位機收到控制命令后，控制蜂鳴器發(fā)音進(jìn)行警示。其具體的工作過程為：開始初始化，單片機通過串口向上位機發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，如果沒有收到，那么繼續(xù)等待。如果PC機收到該數(shù)據(jù)可以將該溫度顯示在PC機顯示屏上，同時將收到的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，然后讀取設(shè)定的溫度值，必將設(shè)定值與存入的溫度值進(jìn)行比較，如果大于設(shè)定值，那么PC機通過串口向單片機發(fā)送報警指令，使得報警電路的蜂鳴器響起，如果小于設(shè)定值，那么PC機繼續(xù)接收單片機發(fā)送來的溫度數(shù)據(jù)。上位機程序流程圖如圖6所示：圖6.上位機程序流程圖、下位機主程序流程圖的設(shè)計下位機主要完成從溫度傳感器上采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)在LED數(shù)碼管上顯示，同時將采集的溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機，并根據(jù)上位機的命令驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警報。其工作過程為:上電之后，首先對CH451進(jìn)行初始化，然后在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前讀的實時溫度值，然后開中斷，再判斷按鍵標(biāo)志位是否為1，如果為1，進(jìn)入溫度設(shè)定值子程序，如果為0，那么進(jìn)入實時溫度與設(shè)定溫度值比較子程序，如果大于設(shè)定值，那么單片機控制繼電器動作，使其斷開，并且進(jìn)入報警電路子程序，如果小于設(shè)定值，那么繼續(xù)對溫度進(jìn)行采集。下位機主程序流程圖如圖7所示：圖7.下位機主程序流程圖3.2A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖的設(shè)計采集到的溫度數(shù)據(jù)是模擬信號，而單片機接口所需要的是數(shù)字信號，因此需要借助A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成便于單片機處理的數(shù)字信號。次A/D轉(zhuǎn)換電路使用的是AD0809轉(zhuǎn)換器。子程序流程圖如圖8所示：圖8.A/D轉(zhuǎn)換電路流程圖3．3數(shù)據(jù)通信子程序的設(shè)計串口發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖的設(shè)計串口數(shù)據(jù)的發(fā)送主要是完成每隔2s向上位機傳送一次采集到的溫度數(shù)據(jù)，采用和數(shù)據(jù)采集模塊同一個定時器T1。發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖9所示：圖9.串口發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖串口發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖的設(shè)計串口數(shù)據(jù)的接收主要完成接收上位機發(fā)來的控制命令，因上位機每2s從下位機讀取溫度值進(jìn)行判斷，假設(shè)高于其設(shè)定值，那么向下位機發(fā)送控制命令，因此下位機從上位機讀取控制命令也最多2s一次。下位機單片機讀串口數(shù)據(jù)程序流程圖如圖10所示：圖10.串口接收數(shù)據(jù)程序流程圖3.4鍵盤/顯示子程序流程圖的設(shè)計從硬件電路可知，P1.0—P1.6主要用來控制數(shù)碼管的7個管腳，輸出字形碼；數(shù)碼管顯示采用動態(tài)顯示方式，因此顯示程序采用中斷方式。中斷是通過單片機內(nèi)部的定時器T0產(chǎn)生的，即每隔50ms刷新顯示一次，中斷效勞程序的流程圖如圖11所示:圖11.數(shù)碼管顯示溫度值中斷效勞程序流程圖3.5蜂鳴器報警子程序流程圖的設(shè)計該模塊主要完成當(dāng)Alarm標(biāo)志為1時，將P1.7管腳驅(qū)動為高電平，使蜂鳴器發(fā)音，起到報警作用；每隔50ms刷新驅(qū)動一次，和數(shù)碼管顯示模塊使用同一個中斷T0。其程序流程圖如圖12所示：圖12.報警電路程序流程圖第4章溫度控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試4.1硬件調(diào)試.安裝首先按電路圖焊接好電路，在上電之前，用萬用表檢查線路是否焊接正常，檢測是否存在虛焊或短路的點，然后將芯片插到相應(yīng)的管腳上，將單片機最小系統(tǒng)與焊接的電路用杜邦線連接好，再將數(shù)據(jù)線插到電路的PC機上。.調(diào)試調(diào)試主要是用萬用表檢查線路是否連接是否正確，是否存在短路與虛焊的點。要是這些故障都能夠排除在外，再將芯片插到相應(yīng)的管腳上，硬件調(diào)試完畢。4.2軟件調(diào)試可以先使用仿真器進(jìn)行程序調(diào)試，通過查看存放器的狀態(tài)變化及端口輸出的情況，以確認(rèn)程序設(shè)計與預(yù)期結(jié)果一致。在程序調(diào)試、編譯和鏈接成功后，通過燒錄軟件將程序燒錄到單片機中，隨后將單片機插入電路板，給電路板加電運行，觀察結(jié)果。4.3系統(tǒng)整體調(diào)試整個系統(tǒng)在經(jīng)過軟硬件調(diào)試成功并正常加載程序運行后即可按流程來調(diào)試。調(diào)試過程中需觀察到數(shù)碼管上顯示正確的溫度值，以及可以用鍵盤修改設(shè)定的溫度閥值，同時繼電器能夠根據(jù)不同的溫度閥值進(jìn)行相應(yīng)的動作。在調(diào)試過程中，出現(xiàn)了兩個問題，第一個：數(shù)碼管的f段一直處于高電平狀態(tài)，導(dǎo)致顯示的。C這個字符錯誤，經(jīng)過對硬件電路的檢測，發(fā)現(xiàn)有個連接數(shù)碼管的電阻被短接了，故障得以排除，數(shù)碼管的溫度顯示正常，第二個：當(dāng)修改溫度的設(shè)定值后，繼電器不發(fā)生動作，經(jīng)過對硬件電路的檢查，發(fā)現(xiàn)繼電器二腳沒有連接8550的集電極，故障得以排除，最終電路處于正常的工作狀態(tài)，一切功能都能夠?qū)崿F(xiàn)，系統(tǒng)的整體調(diào)試完畢。第5章設(shè)計體會與小結(jié)在老師精心的教導(dǎo)及引導(dǎo)之下，我們終于完成了約2周的課程設(shè)計，雖然其中困難重重，疑惑很多，但是在老師和同學(xué)的幫助下還是完成了任務(wù)，雖然不是很完美，但是由于知識有限，能力不及，有很多缺陷。在這次課程設(shè)計中，我們用了許多以前學(xué)的專業(yè)知識，這次課程設(shè)計讓我們把理論聯(lián)系到實際中去了，以前很多模糊的知識在實踐中也變的清晰了，這是課程設(shè)計的一大收獲。在設(shè)計程序中，整個程序不可能一次就設(shè)計好，經(jīng)過屢次修改和查證資料，經(jīng)過分析遇見的問題，從中學(xué)到的知識讓我們受益終身。發(fā)現(xiàn)提出分析解決問題的能力也提高了，這些經(jīng)驗為我們以后的學(xué)習(xí)工作和生活都很有用處。課程設(shè)計的過程就是一個理論到實際應(yīng)用的過程，和伙伴的合作，探討，探索，發(fā)現(xiàn)，以及自身的動腦和努力，都是以后工作中需要的，通過這次的課程設(shè)計作品的制作讓我對單片機的理論有了更加深入的了解，同時在具體的制作過程中我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在書本上的知識與實際的應(yīng)用存在著不小的差距，書本上的知識很多都是理想化后的結(jié)論，忽略了很多實際的因素，或者涉及的不全面，可在實際的應(yīng)用時這些是不能被忽略的，我們不得不考慮這方的問題，這讓我們無法根據(jù)書上的理論就輕易得到預(yù)想中的結(jié)果，有時結(jié)果甚至很差異很大。通過這次實踐使我更深刻的體會到了理論聯(lián)系實際的重要性，我們在今后的學(xué)習(xí)工作中會更加的注重實際。參考文獻(xiàn)【1】華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編，康華光主編.電子技術(shù)根底〔數(shù)字局部〕.第五版.北京：高等教育出版社，2006【2】李群芳等.單片微型計算機.北京：電子工業(yè)出版社，2007【3】李志全等.智能儀表設(shè)計原理及其應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，2000【4】趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，1998【5】孫傳友等.測控系統(tǒng)原理與設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005附錄Pt100熱電阻分度表

溫度

℃0123456789電阻值〔Ω〕0

10

20

30

40100.00

103.90

107.79

111.67

115.54100.39

104.29

108.18

112.06

115.93100.78

104.68

108.57

112.45

116.31101.17

105.07

108.96

112.83

116.70101.56

105.46

109.35

113.22

117.08101.95

105.85

109.73

113.61

117.47102.34

106.24

110.12

114.00

117.86102.73

106.63

110.51

114.38

118.24103.12

107.02

110.90

114.77

118.63103.51

107.40

111.29

115.15

119.0150

60

70

80

90119.40

123.24

127.08

130.90

134.71119.78

123.63

127.46

131.28

135.09120.17

124.01

127.84

131.66

135.47120.55

124.39

128.22

132.04

135.85120.94

124.78

128.61

132.42

136.23121.32

125.16

128.99

132.80

136.61121.71

125.54

129.37

133.18

136.99122.09

125.93

129.75

133.57

137.37122.47

126.31

130.13

133.95

137.75122.86

126.69

130.52

134.33

138.13100

110

120

130

140138.51

142.29

146.07

149.83

153.58138.88

142.67

146.44

150.21

153.96139.26

143.05

146.82

150.58

154.33139.64

143.43

147.20

150.96

154.71140.02

143.80

147.57

151.33

155.08140.40

144.18

147.95

151.71

155.46140.78

144.56

148.33

152.08

155.83141.16

144.94

148.70

152.46

156.20141.54

145.31

149.08

152.83

156.58141.91

145.69

149.46

153.21

156.95150

160

170

180

190157.33

161.05

164.77

168.48

172.17157.70

161.43

165.14

168.85

172.54158.07

161.80

165.51

169.22

172.91158.45

162.17

165.89

169.59

173.28158.82

162.54

166.26

169.96

173.65159.19

162.91

166.63

170.33

174.02159.56

163.29

167.00

170.70

174.38159.94

163.66

167.37

171.07

174.75160.31

164.03

167.74

171.43

175.12160.68

164.40

168.11

171.80

175.49200

210

220

230

240175.86

179.53

183.19

186.84

190.47176.22

179.89

183.55

187.20

190.84176.59

180.26

183.92

187.56

191.20176.96

180.63

184.28

187.93

191.56177.33

180.99

184.65

188.29

191.92177.69

181.36

185.01

188.66

192.29178.06

181.72

185.38

189.02

192.65178.43

182.09

185.74

189.38

193.01178.79

182.46

186.11

189.75

193.37179.16

182.82

186.47

190.11

193.742