多路温度巡回测量系统lcwjiangke xueyulong1.docx
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多路温度巡回测量系统lcwjiangkexueyulong1
项目设计
题目：
四路温度巡回测量系统设计
系别：
电气与电子工程系
专业：
电子信息工程
姓名：
学号：
指导教师:
2011年5月7日
目录
第一章设计说明4
1.1四路温度巡回检测系统设计背景4
1.2国内外同类设计（或同类研究）的概况综述4
1.3八路温度巡回检测系统设计概述6
第二章温度检测单元—传感器的设计7
2.1方案选择一（AD590）的概述7
2.2方案选择二（热电偶）的概述7
2.3方案选择三（DS18B20）的概述8
第三章单片机的选择12
3.1AT89C52的应用分析12
3.2MSP430的应用分析14
片内资源丰富14
第四章通信方式的选择16
4.1无线通信的设计及优势16
第五章电源的选择25
5.1稳压芯片的功能简介25
5.2市电整流的设计及选用27
第六章键盘的设计30
6.1两按键设计的特点分析30
第七章报警装置的选择30
7.1（语音芯片）30
7.2（蜂鸣器和发光二极管组合）32
第八章显示器的选择33
8.1（数码管）33
8.2（lcd1602）33
第九章结论35
参考文献36
附录一上位机程序36
附录二终端程序45
附录三PCB图53
摘要
本系统是一个八路数据采集与无线传输的微机监控系统，该系统以单片机AT89C52为核心主要完成对四路温度模拟量的检测，对于超过检测设定值的温度进行声光报警。
检测仪的人机交互通过两个按键来实现，可以实现系统的整机复位和实时监测的通道数设定及相应的温度检测上下限的设定控制。
数据采集端使用数字温度传感器进行温度采集，将采集到的温度作为单片机输入的数字信号，并这些数字信号存储在一个存储器中，方便再次对巡检温度的查询。
上位机和下位机均采用单片机型号AT89C52，上位机和下位机之间通过串行端口进行数据无线传输下位机通过无线传输模块传到上位机将数据显示并输入到计算机（PC）。
数据显示部分使用LCD,完成每路温度检测值的循环显示，能提供手动循环检测。
单片机内的设定程序控制巡回检测时间及实现适时报警功能。
关键词：
AT89C52DS18B20LCD1602四路温度检测数字传感器
第一章设计说明
1.1四路温度巡回检测系统设计背景
温度的精确测量是工业生产领域的一个经典课题，在温度巡检系统中，特别是智能测试仪表中，测量变换电路起着非常重要作用。
设计测量变换电路时，我们是从分析传感器性能着手的，通过适当的补偿，综合出一个比较满足期望指标的测量变换电路来。
目前广泛使用的温度传感器有4类：
热电阻，热电偶，热敏电阻及集成电路温度传感器。
这里介绍的检测系统，采用的是热电阻原件测温热电偶具有精度高，性能稳定，互换性好，耐腐蚀及使用方便等一系列有点，一直是工业测控系统中广泛使用的一种比较好的测温原件，缺点是不能在高温环境下使用。
国外在温度巡检的研究、开发、生产和应用方面发展速度很快，主要表现在自动化技术中经典的传感器正被新材料，新原理，多功能，微结构所取代；与数字化技术，通讯技术的结合越来越密切，数字化技术的发展，使新型的传感器不仅具有信号提取，信息处理，双向通讯，两成切换，逻辑判断，步骤决策的功能，还具有自检验，自诊断，自校准，自补偿以及自适应和自计算等智能功能，更能适应各种现在测量和控制的需要。
我国近二十年来，传感器巡检的制造技术有了长足的进步，在设计、关键工艺、可靠性、产品开发等方面均有不同程度的突破和创新。
随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业，农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，在现代工业生产中温度的测量和控制是常见问题，生产过程中常常需要对温度进行检测和监控．采用单片机进行温度检测、数值显示和数据的存储，效率高，性能稳定，还可以实现实时控制等技术要求，在工业生产中应用越来越广泛。
多路温度测控系统是解决多点温度测量与控制问题不可缺少的设备。
现有的多路温度检测系统虽然可以满足绝大部分实际需要，但在一些要求提供高温度分辨率的场合常常不能准确地完成任务。
为此设计了采用AT89C52为核心的多路温度检测系统。
1.2国内外同类设计（或同类研究）的概况综述
温度控制是过程控制中的重要课题，各行业对高性能的温度控制仪需求日益增加。
国内的温度控制仪发展经历了3个阶段：
第一阶段为动圈式控温仪，主要缺点是控温精度差，其最小刻度为200℃，升温速度和加热时间都不能自动控制；第二阶段为数字式控温仪，显示精度有所提高，但控制精度低，反应迟钝，并需人工设定所控温度；第三阶段为智能型控温仪，带有专用程序，控制精度高，基本事实现升温、控温的自动化，减少了认为误差。
单片机技术已经渗透到人类生活的方方面面，在家用电器、通讯产品等电子设备中都可以见到单片机。
在工业生产中，也可处处见到单片机的身影。
MSP430微控制器MCU（MicroControllerUnit）是TI公司推出的一款具有丰富片上外围的强大功能的超低功耗16位混合信号处理器。
其功耗是一般单片机的1/5，特别适合于电池应用场合或手持设备。
同时该系列将大量的外围模块整合到片内，也特别适合于设计片上系统；该系列有丰富的不同型号的器件可以选择，给设计者带来很大的灵活性。
MSP430单片机的强大处理能力和其超低功耗的特点已经开始广泛应用。
使用MSP430单片机用于温度控制系统，充分利用单片机的优点，提高了测量温度的精度和控制的速度。
随着电子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用，FPGA已作为新的技术应用于工业及生活当中，对于温度控制器，当今其实现方法有很多，例如继电器、PLC、单片机、专用工控机等，而继电器需要散热措施，有输出漏电流，交直流不能通用，触点组数少，成本高；PLC主要应用于强电方面的工业控制，或者整条流水线的控制，相对于单片机的功耗要大，但比较稳定；单片机适合于实时工业控制，相对于微机价格较为低廉，可编程性和可扩展性强。
由于体积、成本、操作等方面的限制，采用FPGA作为控制器，以纯硬件实现控制，适应了温度场高可靠性的要求，另外，还使系统的器件数目减少，具有设计灵活、现场可编程、调试简单和体积小等特点。
TMP01型温度控制器是美国AD公司生产的一种低功耗可编程温度控制器，有8针双列直插和表贴两种封装方式，工作温度范围－55℃～＋85℃，4．5V～13．2V单电压工作。
该芯片能产生与温度成比例的直流电压信号，当被测温度高于或低于设置的温度触发点时，分别从两个输出端中的一个产生控制信号，温度点的设置可通过选取外部电阻来实现。
该控制器的温度控制精度可达±1℃，控制信号输出负载能力达20mA，能用于控制多种装置。
1.3八路温度巡回检测系统设计概述
本系统是由单片机、温度采集单元、按键、显示、数据传输和报警单元等模块组成。
其中电源模块采用电力电子器件所设计的稳压电源。
该系统以AT89C52核心，通过编程控制其他模块的工作，并在一定程度上受到其他模块的影响。
当单片机接收到用户通过按键发送的指令，控制温度采集单元进行某路温度的数据采集，温度采集单元采用DS18B20芯片主要完成对温度数据的采集，并将采集到的温度送入单片机进行处理。
单片机接收到温度信号后，对信号进行数据处理。
单片机控制各个模块的工作并协调无线通信向上位机发送数据信息，最终通过显示模块LCD1602显示检测到得温度数据。
本系统可实现对八路温度的检测和显示，可预设各路温度的上下限值，当温度超过或低于设定的某一数值，通过报警模块可自动报警。
本系统的性能指标：
（1）测温范围最大可达-55℃～+125℃
（2）在-10℃～+85℃时，精度可达±0.5℃，可实现高精度测温。
第二章温度检测单元—传感器的设计
2.1方案选择一（AD590）的概述
AD590是美国模拟器件公司生产的模拟电流式传感器，他能将所测得温度以电流的形式输出，具体特性如下：
1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：
mA/K式中：
—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V～30V。
电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
4、输出电阻为710MW。
5、精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。
从以上特点来看，选择AD590不失为一种好的方案。
但它是模拟温度传感器，所测温度要经过电流向电压的转化和电压放大电路，还要在单片机输入端之前加A/D转换模块，这给温度采集电路的设计增加了复杂的。
因此我们放弃使用此温度传感器，而选择简化电路的其他温度传感器。
2.2方案选择二（热电偶）的概述
热电偶是一种感温元件，是一种仪表。
它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应（Seebeckeffect）。
两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。
根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。
在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。
因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。
热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。
若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。
在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。
附：
热电偶冷端补偿计算方法：
从毫伏到温度：
测量冷端温度，换算为对应毫伏值，与热电偶的毫伏值相加，换算出温度。
从温度到毫伏：
测量出实际温度与冷端温度，分别换算为毫伏值，相减後得出毫伏值，即得温度。
主要特点如下：
◆装配简单，更换方便
◆压簧式感温元件，抗震性能好
◆测量范围大（－200℃～1300℃,特殊情况下－270℃～2800℃）
◆机械强度高，耐压性能好
◆耐高温可达2800度
热电偶的总体性能很好，但要求温差电动势足够大，也因为使用热电偶要进行A/D转换，故此设计不使用热电偶。
2.3方案选择三（DS18B20）的概述
DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5°C。
可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。
分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
DS18B20的性能是新一代产品中最好的！
适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。
继"一线总线"的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。
DS18B20使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
DS18B20支持"一线总线"接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。
DS1822的精度较差为±2°C。
现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小。
DS18B20的主要特性
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电
（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内
（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力
（9）负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
DS18B20工作原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20测温原理如图3所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
DS18B20内部结构图
DS18B20测温原理框图
DS18B20有4个主要的数据部件：
（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
下面是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FE6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
DS18B20温度值格式表
DS18B20温度数据表
（3）DS18B20温度传感器的存储器：
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
（4）配置寄存器：
该字节各位的意义如下：
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
配置寄存器结构
低五位一直都是"1"，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
温度分辨率设置表
鉴于DS18B20以上诸多优点，并且从简化测温电路方面考虑，我们选择DS18B20作为此设计的温度测量原件。
DS18B20的程序流图如下：
DS18B20程序流程图
第三章单片机的选择
3.1AT89C52的应用分析
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
兼容MCS51指令系统•8k可反复擦写（>1000次）FlashROM
•32个双向I/O口•256x8bit内部RAM
•3个16位可编程定时/计数器中断•时钟频率0-24MHz
•2个串行中断•可编程UART串行通道
•2个外部中断源•共6个中断源
•2个读写中断口线•3级加密位
•低功耗空闲和掉电模式•软件设置睡眠和唤醒功能
AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
单片机最小系统图
3.2MSP430的应用分析
MSP430单片机主要的特点：
处理能力强
MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
运算速度快
MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。
16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。
超低功耗
MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。
因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。
其次，独特的时钟系统设计。
在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：
基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。
可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。
由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。
并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。
在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。
在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。
片内资源丰富
MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。
它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器（BasicTimer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。
其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
另外，MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。
当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。
方便的开发环境
MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。
对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG
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