毕业设计论文温度巡检仪Word文档格式.docx
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ABSTRACT
Thedesignofthecyclingmulti-pointtemperaturedetectionsystemusescomputersandmicrocontrollersasPCsandlowercomputersrespectively,togetherwithcommunicationsbetweenthem.
Thissystemadoptsseverallowercomputerstoacquirethetemperature,distributingindifferentpositions,andsolvestheproblemofdistributionanddifferentpointsinthemeasurementoftemperaturethroughcomputercommunicationsnetwork,monitoringandmanagementofthetemperaturecanalsobereached.
Thecyclingmulti-pointtemperaturedetectionsystemconsistsofPCs,lowercomputersandcommunications,andmanagestheentiresystembysoftware,realizingthefunctionsjustasacquisition,dataprocessing,real-timedisplay,report,printofmulti-pointtemperatureandsoon.ThecoreoflowercomputersisAT89C52MCU.ThesoftwareintheinstrumentadoptsSmallRTOS51.Thispartimplementsthecyclingdetectionofmulti-pointtemperature,includingthefunctionsofconversion,setting,display,alarmandcommunications.ThecommunicationsbasesonModbusprotocol,makinguseofserialportmode,andthenputsinterconnectionandmanagementofnetworkintoeffect.
KEYWORDStemperaturedetection;
Highprecision;
SmallRTOS51;
SerialPort;
Modbus
目录
中文摘要………………………………………………………………………….I
英文摘要II
1前言1
2系统设计1
2.1系统要求1
2.2温度传感器及其测温原理1
2.1.1分立式式温度传感器1
2.1.2模拟集成温度传感器2
2.1.3集成数字化温度传感器2
2.1.4系统分析和测温传感器的选择2
2.2系统方案的确定3
3多点温度巡回检测系统的硬件设计4
3.1系统结构与各功能模块4
3.2AD5906
3．2．1AD590的性能特点与工作原理6
3．2．2AD590的应用7
3.3数据采集及处理模块7
3.3.1AT89C52简介8
3.3.2通道选择的实现8
3.3.3模数转换的实现9
3.4显示报警及操作模块9
3.4.1液晶显示9
3.4.2报警模块10
3.4.3按键模块10
3.5数据通讯模块10
4多点温度巡回检测系统的软件设计11
4.1下位机软件程序设计11
4.1.1下位机程序开发方法简介11
4.1.2SmallRTOS5l简介11
4.1.3下位机程序设计的实现12
4.1.4串口通讯及协议13
4.2上位机温度控制软件设计14
5系统测试与分析17
5.1通道选择调试17
5.2温度测量17
5.3上位机与下位机通讯调试17
6系统的抗干扰措施18
6.1下位机的抗干扰措施18
6.2数据通讯校验18
7系统的进一步发展方向19
8参考文献19
9附录20
10致谢23
1前言
温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。
在工农业生产和科学研究中，诸如航空抗天、电力、化工、制药、石油、食品工程等领域，温度作为最普遍、最重要的操作参数之一。
例如在许多电子仪器设备中，其要在一定的温度范围内运行，否则轻则不能正常工作，重则烧坏设备；
在石油冶炼、化工生产、生物制药领域，它们是利用化学反应来生产产品，其中温度是作为重要的反应条件；
如果没有一个合适的温度，粮仓内的粮食就会发霉，酒类的品质就无法保障，许多食品将无法保存。
由此可见，温度的检测及其控制对生产和研究非常重要。
在工农业生产和科学研究的许多场合，特别是在大规模的工农业生产中，需要对多点且分布于不同位置温度的进行检测，温度的多点巡回检测已成为一个必不可少的环节。
目前，市场上有许多温度巡回检测仪，其设计精度一般都已满足现在测量的要求，然而其支持的测温点数量有限，对温度的数据也缺少必要的管理。
用一个系统来管理控制大规模温度检测显得十分重要
2系统设计
2.1系统要求
1.支持16点AD590温度传感器（或热电阻）；
2.温度能够提供0.1度分辨率；
3.检测范围-50℃～100℃；
4.检测绝对精度保证0.5度以上；
5.支持RS485通讯，支持MODBUS协议，上位机可以进行设定及读操作。
2.2温度传感器及其测温原理
传感器属于信息技术的前沿尖端产品，启重要作用就如同人体的五官。
温度传感器在工农业生产、科学研究和生活领域获得了广泛的应用，启数量居各种传感器之首。
目前国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向发展。
温度传感器大致经历了三个发展阶段：
传统的分立式温度传感器；
模拟集成温度传感器（亦称单片集成温度传感器）；
智能集成温度传感器（亦称数字温度传感器）。
2.1.1分立式式温度传感器
传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器，均属于分立式温度传感器，传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件。
此类传感器通常要配温度变送器，以获得标示准的模拟量（电压或电流）输出信号。
使用时还需配上二次仪表，才能完成温度测量及控制功能。
分立式温度传感器根据敏感材料不同又可分成热电阻式和热敏电阻式，是利用一些材料的电阻随温度变化的性质，通过测量敏感材料的电阻来确定被测的温度。
热电阻式一般用金属材料制成，如铂、铜、镍等。
热敏电阻是以半导体材料制成的陶瓷器件，如锰、镍、钴等金属的氧化物与其它化合物按不同配比烧结而成。
分立式温度传感器的主要缺点是外围电路比较复杂、测量精度较低．分辨力不高、需进行温度校准（例如非线性校准、温度补偿、传感器标定等），另外它们的体积较大、使用也不够方便，因此，分立式温度传感器将逐渐被淘汰。
2.1.2模拟集成温度传感器
集成传地器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC它属于最简单的一种集成温度传感器，模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗．适合远距离测温、控温．不需要进行非线性校准，外围电路简单，它是目前在国内外应用最为普遍的种集成传感器。
典型产品有AD590、AD592、TMP17、LMl35等。
2.1.3集成数字化温度传感器
温度检测的传统方法是使用模拟传感器，那么一个温度量要经过感温元件、测量电路、放大电路、模数转换电路之后才能得到相应的数字量。
这样设计者须考虑的线路环节较多．相应测温装置中元器件数量降不下来，随之影响产品的可靠性和体积微缩化。
而且模拟信号在长距离传输过程中，如何抗电磁干扰是一个难以解决的问题。
对于多点温度检测的场合，各被测点到测试装置之间引线距离往往不同。
还有各敏感元件参数的不一致性都是造成误差的原因。
把被测温度这一非模拟量转换成数字量．将其处理过程的多个环节集成在单片IC器件内部，是解决传统温度检测方法弊病的理想途径。
与模拟传感器相比．由于采取高集成度设计，使数字式传感器在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点．但受半导体器件本身限制。
数字式传感器还存在一些不够理想的地方。
比如实际应用时需加修正值，剩温范围不宽，一般为，-50~+150℃。
虽然存在一些不足，但是充分利用微处理技术发展数字化、集成化和自动化的温度传感器仍是温度传感器的发展方向之一
2.1.4系统分析和测温传感器的选择
温度是许多监控系统中的一个重要参数，比如在粮食存储过程中，为了保证粮食的存储品质，必须实时检测储存粮食的温度。
过去粮食温度的检测是靠人工手测进行，不但测试速度慢、测试精度低，而且人员劳动强度非常大。
由于粮库大部分是由数个容积较大的平仓、筒仓等组成．这些粮仓都高约二十米、直径达十米以上，对它的温度检测除了要求解决被测参数技术问题外（如精度，可靠性等），从系统结构而言，就是解决多点和分布的问题。
多点和分布也同样是其它测控系统所面临的问题。
像无人职守的机站会分布在很大的范围内，各机站与监控中心的距离很远，数据必须通过远程传输进行交换。
多点温度巡回检测系统正是针对上述问题而研制的。
系统分析：
1．温度测量范围
在粮仓、楼宇、机站等场合．测量温度范围一般为周围环境温度的变化范围。
温传感器的测温范围在50℃～+150℃之间，就可以满足测量需要。
2．多点温度数据采集
多点测温过程中主要有两个问题：
一个是各个测温点的编码问题．另一个是各个测温点温度数据的采集、处理问题。
测温点的选择通常是通过各路开关的导通和关断来实现的。
测温点温度数据的采集，处理过程会随着测温传感器的不同而不同。
选用分立元件作为传感器，如热电阻,热电偶,其电路相对复杂，再则是对多路温度进行检测，其电路就会更加复杂；
而选用模拟的温度传感器AD590，就会精简大量的硬件设计,且达到了精度0.5度的要求,用此方案结构清晰,选择测温范围是55℃～+125℃，完全符合系统的要求。
3．测温点分布
针对测温点分布范围较广这个特点，系统由下位机和上位机构成一个分布式的测量系统。
每一台下位机采集和处理多点的温度信息，然后通过远程通信模块把温度信息传到上位机。
根据测温点的分布情况，可以灵活的决定下位机数量的多少。
由于信息传输的距离较远．在传输过程中可能会遇到各种各样的干扰，远程传输的可靠性就是一个必须要解决的问题。
在这个系统中是可通过频移键控的调制解调器，把数字信号调制成不同频率的模拟信号来进行传输。
而且通过调制解调器也有利于系统进行扩展和无线通信。
4．集中监视和管理
计算机测最控制系统的优势之一就是集中监控和管理。
系统中由上位机的测温管理软件统一管理卜位机．对测温点参数进行设置、巡回检测各测温点温度、显示当前温度、对超限温度报警显示、可以查询温度报表和历史曲线。
其运行环境为MicrosoftWindows2000/XP。
有良好的人机界面、通用性好、操作方便。
2.2系统方案的确定
根据对系统需求的分析，系统主要分为四个部分：
分别是测温点、数据采集处理模块、远程通信模块和测温管理软件，见图2.1所示。
图2.1系统框架
其中测温点有AD590作为传感器，它把温度信号转换为模拟信号；
温度采集处理模块主要由单片机AT89C52构成，完成对数据的读取、处理及传输，此温度采集处理模块最多可处理16路温度值。
通讯模块是通信模块分下位机通信接口和上位机通信接口两部分。
下位机利用AT89C52单片机的串行口传输和接收数据．数据从单片机的串行口出来以后经过电平转换接口（485转换为232接口）到达上位机的RS-232串行口。
测温管理软件运行在上位机上，对整个的测温过程进行管理，包括系统参数设置、巡回检测各个测温点温度并实时显示温度信息和报警信息，以及温度报表的管理等等。
3多点温度巡回检测系统的硬件设计
3.1系统结构与各功能模块
多点温度巡回检测系统硬件结构，如图3-1所示。
系统是由一台中央计算机（上位机）和数台由单片机构成的测温模块（下位机）组成二级主从分布式微机测量系统。
上位机是系统的核心，在它的统一管理和协调指挥下，系统合理有序的工作。
它的主要功能为：
1、实时显示模块：
对下位机的数据及运行状态实时监控。
2、数据管理模块：
数据管理包括数据保存和对数据操作，可以实现查询，插入，删除等功能。
图3-1多点温度巡回检测系统的硬件结构框图
3、打印输出模块：
可以输出报表等数据。
4、通讯模块：
与下位机通讯，搜集数据及命令操作。
下位机主要由AT89C52单片机构成，完成温度的采集、处理和传输。
下位机的数量和一个下位机测量多少个温度点，都可以进行灵活的设定。
系统最大可挂247个下位机，下位机最多可巡检16个温度值。
下位机的硬件框图如图3-2所示
下位机要实现的功能为：
1、温度采集：
温度采集是系统的第一个步骤，把温度信号转化为电信号，以便对温度进行测量，计算。
2、通道选择：
通道选择是系统的重要环节，可以完成巡回检测及定点检测。
3、模数转化：
由于温度采集所得到的信号是模拟信号，需要把它转化为数字信号，给单片机处理。
4、显示和键盘：
显示即提供操作界面，又是状态提示；
键盘提供输入设定。
5、通讯：
与上位机通讯，提供数据，且接受上位机指令控制。
上位机和下位机之间的通讯是通过电平转化电路实现，因为计算机的串行口电平与单片机的接收和输出电平是不同的，需要转换，即232接口与485接
图3-2下位机硬件结构
口的转换。
3.2AD590
AD590是由美国哈里斯（Harris）公司、模拟器件（ADI）等生产的恒流源式模拟集成温度传感器。
它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测量误差小、动态阻抗高、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。
3．2．1AD590的性能特点与工作原理
AD590属于采用激光修正的精密集成温度传感器。
该产品有3种封装形式：
TO-52封装、陶瓷封装（测温范围是－55～＋150℃）、TO-92封装（测温范围是0～＋70℃）。
AD590系列产品的外形及符号如图4所示。
这类器件的外形与小
功率晶体管相仿，共有3个管脚：
1脚为正极，2脚为负极，3脚接管壳。
使用时将3脚接地，可起到屏蔽作用。
本设计使用的AD590为TO－52，其测温范围
是－55～＋150℃，最大非线性误差为±
0.5℃。
图3-3AD590外形与符号图3-425℃时电流与温度关系
AD590的电流－温度（I-T）特性曲线如图5所示，热力学温度值与摄氏温
度值换算关系为：
（1）
3．2．2AD590的应用
本设计在温度巡回检测中对AD590进行应用，其硬件图如图3-5所示。
图3-5AD590温度采集
AD590是恒流源式模拟集成温度传感器，要使其正常工作，其两端压差需在4V－30V范围内，右图中VCC电压在11V左右。
为了使有效的控制给不同AD590送电，采用两级控制。
只有当8550的基极为低电平时，8550就导通，给AD590供电，由于VCC的电压为11V左右，因此加2803，在低电平时2803阻断，让8550基极高阻关断给AD590供电，当
高电平时给2803导通，8550导通，AD590就获得工作电压。
图3-5中R17为精密电阻，误差为0.1％，温度信号转换为电压信号的公式为：
（2）
如图3-5中Port7为
输出端。
3.3数据采集及处理模块
系统中下位机要完成温度的采集、转化及数据的处理。
以单片机为核心，控制温度选择通道模块把经传感器转换得到的模拟信号提供给A/D转换器，再经过A/D转换器把模拟信号转化为数字信号供单片机处理。
系统所使用的单片机是ATMEL公司的AT89C52单片机。
3.3.1AT89C52简介
AT89C52单片机是一种带8K字节闪速可编程可擦除存储器的低电压、高性能COMS8位微控制器。
它与MCS－51系列单片机兼容，有256个字节的RAM，4个I/O端口共32线，3个16位定时/计数器，全双工串口通道，5个两级中断源结构。
使用AT89C52是一个高性能而有廉价的选择。
图3-6为AT89C52管脚图。
3.3.2通道选择的实现
系统的采集在AD590把温度信号转化为电信图3-6AT89C52管脚
号后，就要把各路电信号送给A/D转换器，由于是要把16路信号逐个送入。
本设计是在只用一个A/D转换器的情况下，通过单片机对通道的选择，采用巡回检测的方式，把各个温度值给A/D转换器处理转换，最后给单片机计算与处理，这个过程的硬件设计如图3-7所示。
图3-7通道选择电路图3-8TPIC6B595时序图
本设计通道选择电路主要应用了移位寄存器TPIC6B595。
TPIC6B595是一种单片、高电压、中等电流的功率8位移位寄存器，是专为用户相对高的负载功率的系统设计的。
该器件包括一个内部的输出电压箝位电路以防止电感瞬变电压。
该器件包括一个8位的串入、并出移位寄存器，它的输出反馈一个8位D型寄存器。
数据分别在移位寄存器时钟（SRCK）和寄存器时钟（RCK）的上升沿传输到移位寄存器和存储寄存器。
当移位寄存器清零端（SRCLK）为高时，存储寄存器传输数据到缓冲器。
当SRCLK为低时，输入端的移位寄存器被清零。
当输出使能（G）保持为高时，在输出缓冲器中所有的数据保持低电平并且所有的漏极输出时关断的。
当输出使能（G）为低时，从存储寄存器到输出缓冲器的数据时透明的。
当输出缓冲器中的数据为低电平时，DNOS晶体管的输出端是关断的。
当数据为高时，DNOS晶体管的输出端具有吸入电流的能力。
串口输出断（SEROUT）允许将移位寄存器与其它器件的数据级联系起来传送。
其时序图入图3-8所示。
由于下位机要实现对16路温度值的采集，本设计通道选择电路主要应用了TPIC6B595的移位功能，并且应用串联使用功能，主要目的是为了节省单片机IO口，使系统资源充分的利用。
具体的原理为：
如图3-8所示，选择通道的指令在P1.1、P1.2、P1.3、P1.4及P2.4按照上述时序控制下，由P1.0以串行输入，指令为16位数据，由于一个TPIC6B595只有8个输出，需两个TPIC6B595级联，U2的串行输出作为U1的串行输入，以此达到控制16路温度的巡回检测。
3.3.3模数转换的实现
A/D转换电路主要是由AD7705完成的。
AD7705是应用与低频测量的2/3通道的模拟前端。
该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出。
利用∑-△转换技术实现了16位无丢失代码性能。
选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。
片内数字滤波器处理调制器的输出信号。
通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。
如图3-10所示，SCLK为串行时钟，施密特逻辑输入。
CS片选，低电平图3-10AD转换电路
有效的逻辑输入。
DRDY为逻辑输出。
DOUT为串行数据输出端。
DIN为串行数据输入端。
在单片机根据控制字对AD7705进行操作。
3.4显示报警及操作模块
显示报警及操作模块一般作为系统的人机界面，是系统功能的集中体现。
3.4.1液晶显示
显示部分有两种选择，用数码管（LED）或液晶（LCD），用数码管作为显示温度的设备其有成本低的优点，然而其电路接线复杂，显示温度点的数目有限；
本设计为了让温度尽可能多的在同一界面显示，减少接线的复杂度，采用液晶显示测量温度。
本设计采用的液晶为ST7920是台湾矽创电子公司生产的中文图形控制芯片，它是一种内置128×
64-12汉字图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉
字及图形。
可显示32个汉字，一行8个，或者显示64个字符。
其可以由两种方式控制，串行控制和并行控制，本设计为了节省单片机I/O口，采用了串行
控制显示。
P2.0接CS，P2.1接SCLK，P2.2接SID，其控制时序如图3-11所
图3-11串行模式时序
示。
3.4.2报警模块
报警部分要实现的功能为在有任何一处的温度值超出设定温度值范围时就要及时报警，做出报警动作。
对与报警部分硬件电路的设计较为简单，一是蜂鸣报警，二是显示提示，在LCD上显示。
3.4.3按键模块
系统的操作模块即为按键的设计，根据系统功能的要求，主要用于温度值的设定和校准。
需要由4个按键要实现以下功能：
第一个按键是功能切换，第二个按键是向上调节，第三个按键是实现向下调节，第四个按键是确认键。
3.5数据通讯模块
下位机上通讯部分的硬件电路设计为图3-12所示。
图3-12下位机通讯接口电路
如图3-12所示，通讯接口电路主要应用了SN65LBC184芯片。
SN65LBC184是SN5176行业标准范围内的差分数据线收发器，它带有内置高能量瞬变噪声保护装置。
这种设计特点显著提高了抵抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性，这种可靠性超过了多数现有器件。
采用这类电路可提供可靠的低成本的直连（不带绝缘变压器）数据线接口，不需要任何外部元件。
应用原理为：
P0.5控制SN65LBC184的读写使能，在其控制下单片机的RXD、TXD通过SN65LBC184，在通过485/232接口与计算机实现通信。
如图3-12，在与SN65LBC184
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