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智能温度巡检仪毕业设计论文
毕业设计[论文]
题目：
智能型温度巡检仪
（软件部分）
摘要
在实际生产和生活等各个领域中，温度是环境因素不可或缺的一部分，对温度进行及时精确的控制和检测显得尤为重要。
随着国民经济的发展，人们需要对各种加热炉，热处理炉，生化温室中温度进行监测。
采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。
本文是基于智能温度巡检仪的硬件部分所做的软件程序，它与硬件部分相结合实现温度的实时测量与控制。
硬件部分是以铂电阻PT100作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机STC89C52进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集，再通过单片机把采集到的信号送到LCD1602中进行显示，通过按键调节温度上、下限。
软件部分在此主要对硬件电路各部分功能的程序进行模块化，并对电阻——温度进行标度变换，对采集的温度数据滤波，实现温度的实时测量与控制。
关键词：
单片机STC89C52，温度传感器PT100，模数转换器ADC0809，液晶显示器1602
Abstract
Temperatureisanessentialofenvironmentalfactorsinouractualproduction，livingandmanyotherfields.It’sparticularlyimportanttocontrolanddetectthetemperaturepromptlyandexactly.Withthedevelopmentofthenationaleconomy,peopleneedtoallinthefurnace,heattreatmentfurnace,chemicalandbiologicalmonitoringofthetemperatureofthegreenhouseandcontrol.Single-chipcomputertocontrolnotonlyhascontroloftheirconvenience,simplicityandflexibilityadvantages,butalsosubstantialincreaseintemperaturewaschargedwithtechnicalindicators,whichcangreatlyimprovethequalityandquantityofproducts.
Thisisthesoftwareprogrambasedonthehardwarepartofthesmarttemperaturedataloggingdevices,withthehardwarepartofthecombinationofreal-timetemperaturemeasurementandcontrol.ThehardwarepartisbasedontheplatinumresistancePT100temperaturesensor,themethodofconstantcurrenttemperature,bymicrocontrollerSTC89C52control,amplifier,A/Dconvertertemperaturesignalacquisition,collectedbythemicrocontrollersignalsenttotheLCD1602tobedisplayedonthebuttontoadjustthetemperature,thelowerlimit.Thesoftwarepartmodular,theprogramforsomeofthefeaturesofthehardwarecircuitandtheresistance-temperaturescaleconversionofthecollectedtemperaturedatafiltering,real-timetemperaturemeasurementandcontrol.
Keywords:
STC89C52,temperaturesensorPT100,AnalogADC0809,LCD1602
前言
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。
温度检测类仪表作为温度计量工具，也因此得到广泛应用。
随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的要求越来越高，在很多场合，诸如电机、锅炉、饮料、食品、中频热处理行业的水路温度保护，变电所各电节点的温度检测等，要求温度巡检仪能自动巡检，以达到无人看守，温度自动巡检的目的。
智能温度巡检仪首先要进行数据采集就是将一般的物理量通过传感器转换成模拟量，在经过A/D转换电路转换为数字量供给CPU进行处理。
详细来说就是能监测并采集多路的温度信号，通过温度传感器将温度转换成电压信号输出电压，A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，从而得到与温度信号具有一定关系的数字量，单片机采集这些数字信号，进行一定的信号调理、软件算法、以及标度变换，从而得到一定量的温度值，再将这一温度值通过显示的方式显示出来，然后通过按键或定时的控制实现巡检，就得到了一个4路温度巡检仪的系统。
本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度测量显示系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、生产温度监控系统等等。
本毕业设计主要任务是完成环境温度检测并显示温度。
设计后的系统具有操作方便，控制灵活移植性强等优点。
本设计系统包括温度传感器，信号放大电路，A/D转换模块，数据处理，温度显示模块，控制模块六个部分。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是进行温度测量与显示。
1概述
1.1温度检测仪表的现状
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。
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，它的测温范围是－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，但是它只能目测，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年中单片机应用飞速发展，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，每一个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的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的改进。
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。
这样测量供暖网不同点的运行参数时，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，能进行实时的检测，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液晶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铂电阻作为温度传感器来采集数据。
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4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）系统要有较强的抗干扰性能。
（4）有较高的分辨率，极好的可维护性。
2系统的总体设计
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系统的总结构框图
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。
4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）；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是一种液晶显示器件，显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出各种字符，能显示多位字符。
它的体积小，重量轻，功耗极低，因此在仪器仪表中的应用十分广泛。
CRT显示器可以进行图形显示，但是接口较复杂，成本也较高。
本设计至少需要显示7位，需要4个单片机口，采用动态显示需要占用大量的单片机机时，可能导致其它信息的丢失和显示闪烁等问题。
为了避免上述的问题可采用LCD显示，不仅增加了显示位数，还能避免因位数的增加使显示闪烁的问题。
本系统的设计采用液晶显示，并采用显示芯片LCD1602显示芯片。
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：
（1）这种巡检仪的检测点有多个，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。
（2）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。
（3）由于硬件电路上没有线性化，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，下面将进行系统硬件电路的设计。
本设计系统主要包括温度信号采集单元，单片机数据处理单元，温度显示单元。
其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、放大电路、A/D转换电路。
系统的总结构框图见图3.1。
图3.1系统的总结构框图
测温的模拟电路是把当前PT100热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号后送给A/D转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片机STC89C52，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到LCD显示器进行显示。
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，当希望更改报警温度上下限时，就可以通过键盘来改变。
3.2温度巡检仪的主要硬件
3.2.1温度传感器PT100
铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等，被广泛用于中温（-200℃～650℃）范围的温度测量中。
PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。
由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。
校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将PT100电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。
PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。
PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
它的工作原理：
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。
表3.1PT100热电阻分度表
温度
℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
电阻值（Ω）
0
10
20
30
40
100.00
103.90
107.79
111.67
115.54
100.39
104.29
108.1
112.06
115.93
100.78
104.68
108.57
112.45
111.31
101.17
105.07
108.96
112.83
116.70
101.56
105.46
109.5
113.22
117.08
101.95
105.85
109.73
113.61
117.47
102.34
106.24
110.12
114.00
117.86
102.73
106.63
110.51
114.38
118.24
103.12
107.02
110.90
114.77
118.63
103.51
107.40
111.29
115.15
119.01
50
60
70
80
90
119.40
123.24
127.08
130.90
134.71
119.78
123.63
127.46
131.28
135.09
120.17
124.01
127.84
131.66
135.47
120.55
124.39
128.22
132.04
135.85
120.94
124.78
128.61
132.42
136.23
121.32
125.16
128.99
132.80
136.61
121.71
125.54
129.37
133.18
136.99
122.09
125.93
129.75
133.57
137.37
122.47
126.31
130.13
133.95
137.75
122.86
126.69
130.52
134.33
138.13
100
110
120
130
140
138.51
142.29
146.07
149.83
153.58
138.88
142.67
146.44
150.21
153.96
139.26
143.05
146.82
150.58
154.33
139.64
143.43
147.20
150.96
154.71
140.02
143.80
147.57
151.33
155.08
140.40
144.18
147.95
151.71
155.46
140.78
144.56
148.33
152.08
155.83
141.16
144.94
148.70
152.46
156.20
141.54
145.31
149.08
152.83
156.58
141.91
145.69
149.46
153.21
156.95
3.2.2A/D转换器ADC0809
实现A/D转换的基本方法有几十种，常用的有计数法、逐次逼近法、双斜积分法和并行转换法。
由于逐次逼近式A/D转换具有速度快，分辨率高的优点，而且采用这种方法的ADC芯片成本较低，因此在计算机数据采集系统中获得了广泛的应用。
本设计中采用的就是逐次逼近式的ADC0809。
1）主要技术指标和特性
（1）分辨率：
8位。
（2）总的不可调误差：
ADC0808为±1/2LSB，ADC0809为±1LSB。
（3）转换时间：
取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。
（4）单一电源：
+5V。
（5）模拟输入电压范围：
单极性0～5V；双极性±5V，±10V（需外加一定电路）。
（6）具有可控三态输出缓存器。
（7
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