毕业设计单片机温度巡检仪设计.docx

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毕业设计单片机温度巡检仪设计

单片机温度巡检仪设计

目录

摘要·····································································································1

第一章概述···························································································2

1.1温度概况······················································································2

1.2课题的提出···················································································2

1.3本文的主要研究内容·······································································3

第二章系统的总体设计···········································································4

2.1系统的总体设计思想········································································4

2.2方案论证与选择··············································································4

2.3系统设计技术的关键·······································································6

第三章系统的硬件设计···········································································7

3.1系统的整体结构设计·······································································7

3.2温度巡检仪的硬件构成····································································7

第四章计算与软件实现··········································································16

4.1热电阻的线性化处理······································································16

4.2信号放大及滤波电路······································································18

4.3热电偶的冷端补偿········································································19

4.4整体程序····················································································20

第五章总结··························································································26

谢辞···································································································27

参考文献·······························································································28

单片机温度巡检仪设计

摘要：

本课题针对温度检测仪表的技术要求，设计了一种16路温度检测仪。

该仪表可以检测多个测试点的温度，由于采用了热电阻的三线制接法和热电偶的冷端补偿并结合单片机的应用，所以该装置不仅具有精度高、功耗低的优点，还可以及时显示和选择显示，操作使用方便。

在硬件上我们采用热电阻和热电偶结合使用的方式，通过三线制接法和热电偶的冷端补偿，并经过滤波和放大处理，在经过多路的选择之后进入A/D转换器，经过单片机处理并在LED上显示。

在软件上，用C语言对单片机编程以实现对各测试点温度值的检测和集中管理，并且通过编程以极少量的按键实现了对仪表的方便操作。

关键词：

智能温度巡检；滤波放大；多路开关；单片机；数码显示

Abstract：

Thisprogramisaskedaccordingtothetechnologyoftemperaturemeasuringinstrument,havedesignedakindof16Roadtemperatureinstrumentation.Thisappearancemaythetemperatureofdetectionmanytestpoints,sincehavingadoptedthe3lineapplicationsofthermalresistancethatmakethecoldendcompensationthatreceiveslawandthermocoupleandcombineCPU,so,thisinstallationnotonlyhastheadvantagewithhighprecisionandlowpowercomsumption,canintimestillshowandselecttoshowthatoperatinguseisconvenient.Thewayonhardwarethatweusewiththermalresistanceandthermocouplecombination,through3linesystems,thelawofreceivingandthecoldendofthermocouplearecompensated,enduretostrainwaveandenlargehandling,enterafterpassingtheoptionofmultichannelA/DConverter,processsingleflatmachinehandlingandwhenLEDShow.UseonsoftwareCThecpuprogrammingoflanguagepairmanageswithconcentrationandthedetectionofrealizingtoeachtestalittletemperaturevalue,andhasrealizedtheconvenientoperationforappearancethroughprogrammingwithveryfewbuttons.

Keywords：

Intelligenttemperaturecircuitinspect;Strainwaveenlarges;Multichannelswitch;

1概述

1.1温度概况

温度是一个很重要的物理参数，自然界中任何物理。

化学过程都紧密地与温度相联系。

在工业生产过程中，温度检测和控制都直接和安全生产、产品质量生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各个领域中都受到普遍重视。

温度检测仪表作为温度计量工具，因此也得到广泛应用。

随着科学技术的发展，这类仪表的发展也日新月异。

特别是随着计算机技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已经广泛应用于工业控制领域，形成了智能化的测量控制仪器，从而引起了仪器仪表结构的根本性变革。

1.1.1温度检测仪表的现状

传统的机械式检测仪表在工矿企业之中已经有上百年的历史了。

一般均具有指示温度的功能。

由于测温原理的不同，不同的仪表在记录、远传等方面的性能差别很大。

例如热电阻温度计，他的测温范围是－200℃~650℃,测量准确，可用于低温或温差测量，能够指示报警、远传、控制变送，但维护工作量大而且不能记录；光学温度计测量范围是300℃～3200℃，携带使用方便，价格便宜，但是他只能目测，也就是说必须熟练才能测准，而且不能远传、控制变送等。

近年来由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制仪表已经取得了极大的进步。

我国的单片机开发应用始于80年代，在这20年中单片机应用纵向发展，技术日益成熟。

以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，可以轻易的将计算机技术与测量技术结合在一起。

智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理已经功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。

目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机使之成为智能仪表的。

从技术的背景来说，硬件集成电路的不断发展和创新也是一个很重要的因素。

各种集成电路芯片都在朝超大规模、全CMOS化的方向发展，从而使用户具有了更大的选范围，这类仪器能够解决许多传统仪器不能或不易解决的问题，同时还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，降低仪表的成本以及加快新产品的开发速度。

智能化控制仪表的整个工作过程都是在软件的控制下自动完成的。

装在仪表内部的EPROM中的监控程序由许多程序模块组成，每易各模块完成一种特定的功能，例如实现算法、接受并分析键盘输入命令等。

编制完善的监控程序的某些模块，能够取代某些硬件电路的功能。

这就为设计者扩展或改变仪表集体功能提供了方便。

智能控制仪表在引入单片机之后，已经降低了对某些硬件电路的要求，但是测试电路仍然占有很重要的位置，尤其是直接获取被测信号额传感器部分仍应给予充分的重视，有时提高整台仪器性能的关键仍然是在于测试电路尤其是传感器额改进。

现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。

传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。

由许多的国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。

与国内已经出现的各种各样的智能化测量控制仪表相比，国际上更是品种繁多。

国内的开发规模也相对较小，开发费用相对较高，与国际相比还存在很大的差距。

1.2课题的提出

测量是运用专门的工具，根据物理、化学、生物等原理，通过试验和计算找到被测量的量值。

测量的目的就是尽可能准确的及时收集被测对象的状态信息，以便对生产过程进行正确的控制。

测量是人类人士和改造世界的一种不可缺少和替代的手段。

历史事实也已证明：

科学的进步，生产的发展和进步是相互依赖、相互促进的。

测量技术是一个国家的科学技术的水平的反应。

科学和技术的发展是与测量水平并行进步，相互匹配的。

事实上，可以说，评价一个国家的科技动态，最简单快速的办法就是评价这个国家的测量技术以及测量数据是如何被利用的。

在暖通空调专业中，供暖、空调、制冷效果检验；建筑热工特性的测量；新型建筑材料的特性检验；建筑节能的研究；空暖热网，通风、空调系统、燃气配管网、给排水网等系统的运行和特性研究中，都需要对温度、压力等参数进行测量。

这些领域的测量具有本身独特的特点，例如在供暖网的系统中，它存在如下特点：

（1）作用半径大，测点分散。

对于一个城市的集中供暖网的系统，它的覆盖面广，系统大，。

这样测量供暖网不通点的运行参数时，测点就相当分散。

（2）管网运行参数需要分时记录。

要对管网的运行进行分析研究，管网的分时运行参数的测量和记录非常重要。

一般要求在管网运行的期间，按一定的顺序检测和记录运行参数。

此外还有节能建筑的效果检验，它需要对节能建筑和非节能建筑的功耗进行比较，这同样需要对建筑物内的房间进行分时的测量和记录。

但它也存在如同供暖效果检验的一些困难。

另外一些别的专业的科学试验中，温度也是非常重要的一个测量参数。

综上所述，由于温度的测量存在上述的问题，就需要由一种方便使用的测量仪表，能进行时时的检测，能进行数据的记录，长期自动运行不需要人为的干预。

在这种情况下，本文设计了一种方便使用的数码显示温度数据采集器（以下简称温度数据采集器）分别采用Pt100铂电阻和热电偶作为温度传感器来采集数据。

并运用三线制接法和冷端补偿的方法用来分别消除热电阻和热电偶的测量误差。

本温度数据采集器在设计时，为了满足实时检测的要求，采用16路传感器轮流检测，从而实现温度巡检的实时数据采集。

微处理器采用稳压电源进行供电，这样可以省去电池供电所带来的如工作时间有限电压不稳定以及电压的下降而影响整个系统的工作精度和稳定性的问题。

1.3本文的主要研究内容

本课题的主要任务是研制一种智能的温度数据采集器，由4路传感器实现不同地点的温度数据的采集，并通过一定的处理之后进入单片机进行数据温度的采集储存和显示。

主要解决以下内容：

1．对4处不同的测试点巡回检测其温度，进行集中管理，集中控制。

2．在测量范围内可以正常显示。

3．采用少量键盘来控制，可以进行位置温度的显示选择。

4．系统要有较强的抗干扰性能。

5．有较高的分辨率，极好的可维护性。

2系统的总体设计

在本章的设计中将进行系统的总体方案设计，以便在后续章节中选择合适的单片机及外围芯片，完成具体的硬件电路设计。

总体设计应考虑以下几点：

1.从整体到局部的设计

2.经济性要求

3.可靠性要求

4.操作和维护的要求

2.1系统的总体设计思想

不同的控制对象和不同的要求，应该有不同的设计思想。

本系统实际上是一个专用的单片机系统。

仪表内部除单片机以外的其他部分均可以看作是单片机的外设部分。

在本系统中CPU在温度采集和处理时，主要是对温度值进行巡回检测、数据计算、数据统计和整理。

从这一点出发，可以作出总体设计思路图2－1：

图2－1总体设计思想图

温度经多采样、转换后以数字形式进入CPU利用CPU具有运算、逻辑判断能力、速度快等特点，在它内部可以对这些输入数据进行必要的集中、加工和处理，在温度参数的测量和记录中则代替大量的常规显示和记录仪表，对整个环境温度进行集中监视。

2.2方案论证与选择

设计方案的不同将直接决定仪表硬件的繁简程度，从而确定软件的不同编写思路。

16路温度巡检仪应对各种的温度进行检测，所以它是一个实时检测系统。

在设计时应考虑以下几个方面:

1。

应保证前向的温度传感电路的精确度、灵敏度、电路结构的合理性；

2。

这个系统要具备一定的抗干扰能力，应在硬件和软件上引入各种抗干扰的措施，以增强它的稳定性和准确性；

3。

系统的可靠性和技术的可实行性。

根据以上要求，硬件电路有以下几个方案可供选择。

2.2.1温度采样和测试部分

第一种方案：

使用在温度测控领域有广泛应用的二端式半导体集成温度传感器AD590、LM35等，将采集到的电流信号经多路A/D转换器送入单片机，由单片机控制数据的采集和转换。

以A/D590为例，它的测温范围是－55～＋150℃，工作电压是＋4～＋30V。

由于AD590是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控制，远距离信号传递时，可以采用一般的双绞线来完成；其电阻较大，因此不需要精密电源对其供电，长导线上的压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路。

第二种方案：

选用先进的数字式温度传感器，将采集到的数字式信号直接送入单片机进行处理。

随着传感器技术的反展，已经出现可先进的数字式温度传感器。

这种方案中的温度传感器兼有测温和A/D转换的功能，输出值是数字信号，所以不必使用A/D转换器和相关的接口芯片，能够直接进入单片机进行数字信号处理。

硬件电路非常简洁，有较好的线性关系和较强的抗干扰能力。

同上方案相比有明显的优势和广泛的开发前景。

但是测温范围较小，一般在－50～＋150℃之间。

第三种方案：

各测试点的温度值经过测温元件热电偶、热电阻等，被转化为电信号，这样得到的多路采样信号经滤波器、放大器、多路开关及A/D转换电路，由单片机控制通道A/D转换，实时对电压信号进行采样和A/D转换。

这种方案是单片机处理非电量信号的典型方法，它的优点是测温范围广，选用合适的测温元件可以检测－300℃～3000℃的温度.

由于本课题的温度巡检仪主要是面向较高温度。

所以前面两种方案由于测温范围的限制，我们将采用第三种方案，而且第三种方案是比较成熟的技术，在实现上也比较容易。

2.2.2．显示器

单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED（LightEmittingDiode）;液晶显示器，简称LCD（LiquidCrystalDisplay）,和CRT显示器。

LED的发光频率和颜色取决于制造的材料，一般常用红色，偶尔也用黄色或绿色。

发光二极管LED是智能化测量控制仪表中简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其他信息。

它的优点是耗电省，配置灵活，接口方便，价格低，寿命长，对电流电压的要求不高及容易实现多路等，因而在智能化测量控制仪表中获得了广泛的应用。

LCD是一种被动显示器，它本身并不发光，只是调节光的亮度。

目前常用的LCD是根据液晶的扭曲－向列效应原理制成的，可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。

对于采用电池供电的便携式智能化测控仪表，考虑到低功耗的要求，常常需要采用液晶显示器，它体积小，重量轻，功耗极低，因此在仪器仪表中的应用十分广泛。

但是必须借助外来光显示。

CRT显示器可以进行图形显示，但是接口较复杂，成本也较高。

在16路温度巡检仪中只需要显示5位数字形式的温度和路数，可以不必使用价格较高的CRT；四位LED的工作电流位240mA左右，由于使用交流电源供电，足以提供LED显示器所需要的功率，对于LED而言，仅有五位，体积也很小，这样比较LED和LCD的诸多特点，本系统选择LED显示器。

2.2.3键盘

键盘是一组按键的组合，它的主要作用是控制系统的工作状态以及向系统中输入数据和命令，有编码式键盘和非编码式键盘两类。

编码式键盘除了按键之外，还包括了产生键码的硬件电路、去抖动电路和多键、窜键保护电路。

每按下一个键，能自动产生这个键的键码，与此同时，产生一个脉冲信号，通知CPU接收。

这种键盘使用方便，接口程序简单，但是需要较多的硬件电路，价格较贵，一般的单片机应用系统较少使用。

非编码式键盘仅由排成行、列矩阵形式的按键组成，按键的作用只是简单的实现接点的接通或断开，键的去抖动、键的编码的形成和键识别等均由软件来完成。

由于它经济实用，在单片机应用系统中广泛采用。

经过以上对比，可以采用非编码式键盘。

2.3系统设计的技术关键

根据以上所述的总体设计思想，设计中需解决的技术关键性问题是：

第一，这种巡检仪的检测点有十几个，所以在传感器的选择和使用上，要求尽量的消除误差，并尽量使使用方便。

第二，为保证本系统高可靠性的运行，仪器本身要具备很强的抗干扰能力，为此应在硬件及软件设计上引入各种抗干扰措施。

特别是系统中传感器采集的数据的放大和滤波处理就显得尤为重要。

第三，由于硬件电路上没有线性化及冷端补偿措施，那么软件势必功能很强大，在软件设计时也应寻找尽可能简单完善的思路，保证程序易于修改、调试。

3系统的硬件设计

3.1系统的整体结构

根据上一章所选的总体方案确定的思路，下面将进行具体的系统硬件电路的设计。

系统的整体结构框图见图3－1。

图3－1系统整体结构框图

温度传感器主要用来进行温度信号的采集，并经过滤波和放大电路以后，送入多路开关，经过A/D转化器之后变成数字信号进入单片机，并在单片机内完成对热电阻信号的温度线性化。

数字式温度传感器AD590主要是采集每个测试热电偶所对应的环境温度，并在其内部将采集到的温度值转换成数字信号送入单片机，用来进行对热电偶进行冷端温度补偿。

键盘在本系统种是操作员控制巡检仪的唯一途径，是安装调试的必备手段，当希望更改当前的显示路数时，就可以通过键盘来选择

稳压电源为单片机、温度传感器、放大滤波器、多路开关、A/D转换器等提供直流电压。

3.2温度巡检仪的硬件构成

3.2.1选择单片机

目前国内市场上可供选择的单片机的类型有很多种，以MCS－51、MCS-96为主流系列。

其中MCS-51系列性能价格高，开发用的仿真机研究较早并日趋完善，生产厂家较多，支持芯片种类繁多，适合不同应用场合的新机种不端涌现，使得MCS-51系列单片机在国内成为开发中小型嵌入式系统的首选。

在我国，最受欢迎的8位机要Philips公司的80C51及其系列产品，因其具有体积小、功能全和价格低等一系列优点。

所以在本设计中我选择了8751，具体来说，它有如下一些优点：

1最适于控制用的8位CPU；

2强化的布尔（单位逻辑）能力；

332位可按位寻址的双向I/O线；

4128个字节的片内数据存储器RAM;

5两个16位的递增定时/计数器；

6全双工的通用异步接收/发送器；

7两个优先级别的五源中断结构；

8片内时钟振荡器；

94K字节片内程序存储器；

1064字节程序存储器地址空间；

1164K字节数据存储器地址空间；

12有片内的EPROM。

3.2.2温度传感器及接口电路

3.2.2.1热电阻。

利用电阻随温度变化的特性制成的传感器，它主要用于对温度和与电阻有关的参量进行技能型检测。

按热电阻的性质分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常称为热电阻，后者称为热敏电阻。

热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部分组成的。

其中，电阻体是热电阻的最主要部分。

A．铂电阻

铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。

这是因为铂在氧化性介质中，特别是在高温下其物理、化学性质都非常稳定。

在1927年就把铂电阻作为复现温标的基准器，当前仍是作为精密温度计的一种主要传感器。

制作测温电阻的材料铂，当其纯度≥99.999%时是最佳的材料，它有以下的优点：

①纯度越高，电阻—温度特性越稳定；②纯度越高，电阻的温度系数越高。

目前，国内主要生产的两种型号的铂电阻R。

＝（46±0。

046）欧和R。

＝（100±0.10）欧，使用的范围是-200℃～＋650℃。

当温度t＝0℃～650℃时，铂电阻的电阻Rt与温度t的关系接近于线性并有

Rt=R0（1＋At+B

）3-1

当温度t=-200℃～0℃时，有

Rt=R。

[1+At+B

+C（t-100℃）

]3-2

这里，A＝3.96847×

/℃B=-5.847×

/

;C=-4.22×

/

当温度为0℃以上且较低时，可近似的表示为

Rt=R。

（1＋at）3-3

式中温度系数a=3.9×

/℃

用铂电阻测温的基本误差为

－200℃～0℃时，

△t=±（0.3℃+6×

t）3