基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)

1、基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)摘要 :本文是以 MCS-51單片機系統(tǒng)為基礎(chǔ)的,通過熱電阻的阻值隨溫度的變化 而得到的模擬信號進行采集,連接多路模擬開關(guān)實現(xiàn)多路模擬信號的采集,并通過 A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換, 把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號按照順序分別送入單片機或把 指定的那路信號送入單片機,通過單片機進行控制操作。本文通過單片機報警系統(tǒng)來實 現(xiàn)熱電阻傳感器測量的溫度范圍 -50-100攝氏度,若超出這個溫度范圍則報警。以單片 機為核心完成溫度檢測、 數(shù)據(jù)處理 . 顯示及上下限報警功能。 本系統(tǒng)設計簡單, 性能穩(wěn)定, 能夠通過單片機靈活編程進行各種功能的設定和修改。關(guān)鍵詞 :A/D轉(zhuǎn)換器 ;

2、熱電阻 ; 單片機Abstract: It is based on MCS-51 one-chip computer system for this text to design, is it gather to go on through thermal resistance changer to analog signal that thermal resistance receive with change of temperature, join many way analog switch realize many way collection of analog signal ,

3、is it count through A/D converter to analog signal mould change to go on, Send digital signal received to change according to order into one-chip computer or designated those distance signal send into the one-chip computer separately, carry on control operation through one-chip computer. This text r

4、ealizes 200700 degrees Centigrade of temperature ranges that the thermal resistance sensor measure at the same time through the warning system of the one-chip computer, if beyond the scope of this temperature to report to the police. Regard one-chip computer as the core and finish temperature and pa

5、trol examining , data processing. Show and the warning function of upper and lower limits.Key words: A/D converter; thermal resistance changer; an one-chip computer目 錄1 引言 . 12 硬件部分設計 . 22.6 系統(tǒng)的電源設計 . 71 引言溫度是一個非常重要的物理量,因為它直接影響燃燒、化學反應、烘烤、煅燒、蒸 餾、結(jié)晶、空氣流動以及溫度漂移等物理和化學過程。溫度控制失誤就可能引起生產(chǎn)安 全、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量以及生活安全等

6、一系列問題。因此對溫度的檢測的意義就越來 越大。 溫度采集控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、 科學研究和人們的生活領(lǐng)域中, 得到了廣泛應用。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中,很多時候都需要對溫度進行嚴格的監(jiān)控,以使得生產(chǎn)能夠順利的進 行,產(chǎn)品的質(zhì)量才能夠得到充分的保證。使用自動溫度控制系統(tǒng)可以對生產(chǎn)環(huán)境的溫度 進行自動控制,保證生產(chǎn)的自動化、智能化能夠順利、安全進行,從而提高企業(yè)的生產(chǎn) 效率。本文是基于單片機的多路溫度采集控制系統(tǒng)設計, 其利用單片機作為系統(tǒng)的主要控 制器,通過溫度傳感器檢測環(huán)境溫度信號,再經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后,將數(shù)字信號,送入到單片 機中進行數(shù)據(jù)處理,經(jīng)過一定的控制算法后,通過單片機的輸出 I/O口,來控制

7、繼電器 的閉合,達到弱電控制強電的目的,從而實現(xiàn)對了對環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)。 本人的主要工 作是運用單片機作為主控制單元及數(shù)據(jù)處理單元,控制四個開關(guān)管的接通與閉合,從而 實現(xiàn)輸出電壓的變化,并通過在輸出端串接一段康銅絲對輸出電流進行實時檢測,并輸 出充退磁信號,以實現(xiàn)遠程控制。2 硬件部分設計2.1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu) 圖 1 系統(tǒng)總體框圖如圖 1所示本系統(tǒng)以 AT80C51單片機為基礎(chǔ),通過溫度采樣電路對環(huán)境溫度采樣, 然后將采樣后的模擬信號送入 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入單片機, 采樣后的溫度 信息通過單片機控制顯示電路進行輸出, 實時顯示, 同時當環(huán)境溫度超過系統(tǒng)允許值時, 報警電路工作,

8、進行報警。 2.2溫度采樣輸入電路(1 AD590是電流型溫度傳感器,通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。其 電路外形如圖 2所示,它采用金屬殼 3 腳封裝,其中 1腳為電源正端 V +; 2腳為電流 輸出端 I 0; 3腳為管殼,一般不用。集成溫度傳感器的電路符號如圖 3所示。 圖 2 AD590的外形 圖 3 AD590的電路符號AD590的主特性參數(shù)如下:工作電壓:430V ; 工作溫度:-55+150;保存溫度:-65+175;正向電壓:+44V ;反向電壓:-20V ;靈敏度:1A/K 。(2溫度采樣電路如圖 4,在設計測溫電路時,首先應將電流轉(zhuǎn)換成電壓。由 于 AD590為電流輸

9、出元件,它的溫度每升高 1K ,電流就增加 1A。當 AD590的電流 通過一個 10k的電阻時, 這個電阻上的壓降為 10mV , 即轉(zhuǎn)換成 10mV /K 。 圖 4所示 是一個電流/電壓和絕對/攝氏溫標的轉(zhuǎn)換電路,其中運算放大器 U1A 被接成電壓跟 隨器形式,以增加信號的輸入阻抗。而運放 U1B 的作用是把絕對溫標轉(zhuǎn)換成攝氏溫標, 給 A2的同相輸入端輸入一個恒定的電壓 (如 1. 235V , 然后將此電壓放大到 2. 73V 。 這樣, A1與 A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標。 U1C 是一個減法器將 A1與 A2相減后輸出。圖 4 溫度采樣輸入電路ADC0809是帶有

10、8位 A/D轉(zhuǎn)換器、 8個模擬量輸入通道,有通道地址譯碼鎖存器, 輸出帶三態(tài)地址鎖存器。啟動信號為脈沖啟動方式,最大可調(diào)誤差為 1LS 。 ADC0809內(nèi)部設有時鐘電路,故 CLK 時鐘需要由外部輸入,clkf 允許范圍為 500Khz-1MHz ,典 型值為 640KHz 。引腳結(jié)構(gòu):ADC0809采用雙列直插式封裝,共有 28條引腳。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖 5所示。 IN0-IN7: 8條模擬量通道。 ADC 0809對輸入模擬量要求:信號單極性 , 電壓范圍是 0-5v ,若信號太小,必須進行放大;輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變,如若模 262728123451612IC 3ADC 0

11、808擬量變化太快,則需在輸入前增加采樣保持電路。圖 5 ADC0809引腳圖地址輸入和控制線:4條。 ALE 為地址鎖存允許輸入線 , 高電平有效。當 ALE 現(xiàn)為 高電平時,地止鎖存與譯碼器將 ADDA 、 ADDB 和 ADDC 三條地址輸入線,用于選通 IN0IN7上的一路模擬量輸入。數(shù)字量輸出及控制線:11條。 START 為轉(zhuǎn)換啟動信號。當 START 上跳沿時,所有內(nèi)部寄存器清零;下跳沿時,開始進行 A/D轉(zhuǎn)換;在轉(zhuǎn)換期間, START 應保持低電平。 EOC 位轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當 EOC 為高電平時,表明轉(zhuǎn)換結(jié)束;否則,表明正在進行 A/D轉(zhuǎn)換。 OE 為輸出允許信號,用于控制三

12、態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 OE=1,輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù); OE=0,輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 D7-D0為數(shù)字數(shù)出線。電源線及其他:5條。 CLOCK 為時鐘輸入信號線。因 ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電 路,所需時鐘信號必須有外界提供,通常使用頻率為 500KHz 的時鐘信號。 Vcc 為 +5V電源線。 GND 為地線。 Vref(+和 Vref(-為參考電壓輸入,參考電壓用來與輸入的模擬 信號進行比較,作為逐次逼近的基準。本系統(tǒng)中 ADC0809通過單片機程序選擇多路輸入中的一路模擬信號,并將將采樣 的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機。2.3 鍵盤控制的設計鍵盤按結(jié)構(gòu)的不同

13、可分為獨立式按鍵和行列式鍵盤兩類,每類按譯碼方式的不同又 分為編碼式和非編碼式兩種。本設計采用獨立式按鍵方式,如圖 6所示,主要通過 4個 鍵, S1、 S2、 S3、 S4來實現(xiàn)指定顯示某一電路,當 S1斷開時,為巡回檢測電路,當 S1閉合時,指定顯示電路的通道數(shù)與 S2、 S3、 S4的關(guān)系見下表 1。 表 1 S鍵對應的通道數(shù)S4 S3 S2對應通道數(shù)0 0 0 #0 0 0 1 #1 0 1 0 #2 0 1 1 #3 1 0 0 #4 1 0 1 #5 1 1 0 #6 111#7“ 1 ”表示鍵閉合, “ 0”表示鍵斷開。2.4 顯示系統(tǒng)的設計顯示系統(tǒng)是單片機控制系統(tǒng)的重要組成部分

14、,主要用于顯示各種參數(shù)的值,以便使本文采用 YH310401K 三位一體數(shù)碼管,如圖 7所示,采用 12腳雙列直插式封裝, a-g 、 dp 為段引腳, SEG1-3為位引腳, 采用共陽結(jié)構(gòu)。 本文中的顯示精度為一位小數(shù)點。4356 圖 7 SR410561K數(shù)碼管外形及電路符號LED 的顯示有靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。 在靜態(tài)顯示方式下, N 塊顯示器件都 處于選通狀態(tài);每一塊顯示器件的段選線和一個 8位的并行口相連,只要控制顯示位的 段選碼,就可顯示出相應的字幅。由于顯示器件由不同的 I/O控制,所以靜態(tài)顯示方式 中的每一位都可以獨立顯示,在同一時刻每一位顯示的字符可以各不相同。LED

15、動態(tài)顯示就是將所有顯示位的段選線并聯(lián)在一起,有一個 8位 I/O口控制,而 位選線則有其他的 I/O口控制,通過程序控制,不斷循環(huán)輸出相應的段選碼和位選碼, 由于人的視覺暫留效應,就可以獲得視覺穩(wěn)定的顯示狀態(tài)。本設計選用的是串行口動態(tài)掃描顯示,其電路圖如 8所示。 74LS164為串行輸入 /8位并行輸出的移位寄存器。由于單片機輸出的電流驅(qū)動能力較小,為此,使用了未級驅(qū) 動三極管作為地址驅(qū)動。 圖 8 串行動態(tài) LED 掃描電路2.5 報警系統(tǒng)的設計 圖 9 報警系統(tǒng)的電路圖 報警系統(tǒng)的電路圖如圖 9所示。報警是單片機控制系統(tǒng)的一項重要功能,主要用于 保證設備正常運行和安全等。在工作過程中控制

16、系統(tǒng)實時檢測環(huán)境溫度,當超出允許范 圍時,控制系統(tǒng)便會發(fā)出報警信號,引起操作者的注意以便采取相應的處理措施。 2.6 系統(tǒng)的電源設計穩(wěn)壓電源是單片機測控系統(tǒng)的重要組成部分,它不僅為測控系統(tǒng)提供多路電源電 壓,還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標和抗干擾性能。近年來,傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源正逐步 被高效率的開關(guān)電源所取代。 特別是單片開關(guān)電源的迅速推廣應用, 為設計新型、 高效、 節(jié)能電源創(chuàng)造了良好的條件。線性集成穩(wěn)壓器分固定式輸出、 可調(diào)式輸出兩種類型, 本文中選用 78L05和 78L09, 其電路圖如圖 10所示。此系統(tǒng)中除了提供主系統(tǒng)電源外,還需要提供 +9V電源。 T1220V30u F3 系統(tǒng)軟件

17、設計3.1 溫度檢測程序設計溫度檢測程序主要由以下幾個方面構(gòu)成:(1 采樣周期 T 的確定:如果對控制系統(tǒng)的速度要求不高,且計算機的工作任務 較少,采樣周期可通過軟件程序?qū)崿F(xiàn);否則應通過擴展時鐘芯片實現(xiàn)。(2采樣開關(guān)通道號的控制:控制采樣開關(guān)選擇要監(jiān)測數(shù)據(jù)的通道。(3 A/D轉(zhuǎn)換:實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。圖 11 主程序程序流程圖主程序流程圖如圖 11所示,其功能為:設置定時器 0、外部中斷 0、和外部中斷 1的中斷程序入口; 設置定時器 0的工作方式為 1; 定時時間為 100ms ; 設置計數(shù)單元 (30H 初值。初始化程序完成后啟動定時器,等待中斷。此程序等待中斷處為死循環(huán),當中斷 程

18、序完成后,裝入定時器初始值,繼續(xù)等待中斷,如此一直重復下去,直到關(guān)閉主電源 為止。定時器 0中斷功能:實現(xiàn) 8秒定時, 通過檢測計數(shù)單元的數(shù)據(jù)判斷定時事件是否到 8秒, 8秒時間到,觸發(fā)外部中斷 0,執(zhí)行數(shù)據(jù)采樣程序。定時器中斷程序流程框圖 12所示。圖 12 定時器中斷程序流程圖數(shù)據(jù)采樣程序功能:溫度檢測通道, 控制存放數(shù)據(jù)的地址和采樣次數(shù)。 數(shù)據(jù)檢測的 方式是先對 8個通道各采樣一次,然后再采集第二次共采集五次。采樣程序采用中 斷方式。在設置通道初值、通道數(shù)、采樣次數(shù)和存放數(shù)據(jù)的開始地址后,啟動 A/D轉(zhuǎn)換, 隨后檢測標志位狀態(tài)。 標志位被清零, 標志著本通道的 A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束, 在修

19、改通道 號和數(shù)據(jù)存放地址后,對下一通道繼續(xù)檢測。當 8個通道的檢測工作完成后,判斷 5次 采樣是否全部完成,若沒完成,則對 8個通道繼續(xù)采樣,直至完成 5次采樣工作。數(shù)據(jù) 采樣程序流程框圖如 3-3所示。 圖 13 數(shù)據(jù)采樣程序流程圖A/D轉(zhuǎn)換完成中斷功能:將標志位清零, 讀取轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)并存放在 RAM 中。 A/D轉(zhuǎn)換完成中斷程序流程圖如圖 14所示。程序說明:程序?qū)崿F(xiàn) 5次采樣,每次檢測 8個通道。 圖 14 A/D 3.2 LED顯示程序設計動態(tài)顯示程序流程圖如圖 15所示。圖 15 動態(tài)顯示程序流程圖3.3 報警系統(tǒng)的程序設計報警處理程序一般都需要根據(jù)系統(tǒng)的要求編寫, 如有的報警

20、系統(tǒng)要求能夠發(fā)出聲光 報警信號、記錄報警時間參數(shù)或進行自動處理等。雖然不同的系統(tǒng)的報警處理程序是不 一樣的,但報警程序的設計基本思想是相同的。報警程序主要有以下幾個步驟組成: (1 采樣被測參數(shù)。 圖 16 報警程序流程框圖(2比較采樣值和給定的上下限。(3根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行相應的處理程序。報警程序的設計思想是預設允許的連續(xù) 異常的次數(shù)為 N , 將采樣值和預先設定的報警值進行比較, 如果發(fā)現(xiàn)采樣值超過報警值, 則判斷上一次采樣值是否正常。如果正常,則重置允許的連續(xù)不正常的次數(shù) N ,并設置 本次采樣不正常標志, 然后繼續(xù)采樣。 如果上一次采樣值不正常, 則判斷是否連續(xù) N 次 采樣異常,不是則

21、設置本次采樣不正常標識以及計算允許的連續(xù)異常次數(shù),然后繼續(xù)采 樣;否則發(fā)出執(zhí)行報警處理程序。設上限報警值存放在 Amax 單元,下限報警值存放在 Amin 單元, 采樣值存放在 SAMP 單元, 允許的連續(xù)異常次數(shù)存放在 NUM 單元。 FLAG 為上次采樣異常標志位, FLAG=0,上次采樣正常; FLAG=1,上次采樣異常。報警程序流 程框圖 16所示。 總結(jié)本文以 MCS-51單片機系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過熱電阻 AD590的阻值隨溫度的變化而得 到的模擬信號進行采集,連接 ADC0809實現(xiàn)多路模擬信號的采集,并通過 A/D轉(zhuǎn)換器 對模擬信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換,把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號送入單片機 , 通

22、過單片機進行控制操 作。本文測量的溫度范圍為零下 40到 120攝氏度,若超出這個溫度范圍則報警。以單 片機為核心完成溫度檢測、 數(shù)據(jù)處理 . 顯示及上下限報警功能。 本系統(tǒng)設計簡單, 性能穩(wěn) 定,能夠通過單片機靈活編程進行各種功能的設定和修改。參考文獻:1 余錫存 , 曹國華 . 單片機原理與實用技術(shù) M. 西安 : 西安電子科技大學出版社 , 2007.9.2 王為青 , 程國剛 . 單片機 Keil Cx51應用開發(fā)技術(shù) M. 北京 : 人民郵電出版社 , 2006.12:223-226. 3 陳學平 . protel2004快速上手 M. 北京 : 人民郵電出版社 , 2005.9.4

23、 康華光 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)摸擬部分 M. 北京 : 高等教育出版社 , 2006.1.5 康華光 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分 M. 北京 : 高等教育出版社 , 2006.1.6 郁有文等 . 傳感器原理及工程應用 M. 西安 : 西安電子科技大學出版社 , 2008.7:215-238.附錄 1:程序清單初始化程序清單:ORG 0000HAJMP STARTORG 0003HAJMP SAMPLEORG 0013HAJMP EOCSTART :MOV TMOD, #01H MOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HMOV 30H, #00HSETB IT0SETR IT1SETB

24、EX0SETB ET0SETB EASETB TR0HERE :AJMP HERE定時器中斷程序程序清單:TIME0:CLR EAINC 30HMOV A, 30HXRL A, #50HJZ S_8AJMP RECOUNS_8:SETB P3.2NOPCLR P3.2NOPRECOUN :MOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HSETB EARET1數(shù)據(jù)采樣程序程序清單:SAMPLE :SETB 00HMOV DPTR, #0F00HMOV R6, #08HMOV R7, #05HMOV R0, #40HTRANS :MOVX DPTR,AWAIT :JB 00H,WAITSET

25、B 00HINC DPTRINC R0INC R0INC R0INC R0INC R0DINZ R6,#TRAN_SMOV DPTR,#0F00HINC R0DJNZ R7,TRAN_SRETIA/D轉(zhuǎn)換完成中斷程序程序清單:EOC 中斷處理程序 EOC :MOVX A,DPTRMOV R0,ACLR 00HRETI串行顯示的程序清單:ORG0100HMOV SCON,#00 H MAIN:MOV R3,#OOH LOOP:MOV R4,#0E8H DELAY:ACALL DISPLAY DJNZ R4,DELAYINC R3CJNE R3,#0AH,LOOPAJMP MAINDISPLAY:

26、CLR P3.2CLR P3.3ACALL DISPACALL DELAY1SETB P3.2ACALL DISPACALL DELAY1SETB P3.3CLR P3.2ACALL DISPACALL DELAY1SETB P3.2SETB P3.3ACALL DISPACALL DELAY1DISP:MOV A, R3MOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV BUFF, AWAIT:JNB TI,WAITCLR TIRETDELAY1:MOV R6,#10HLOOP1:MOV R7,#38HLOOP2:DJNZ R7,LOOP2DJNZ R6,LOOP1RETTABL

27、E:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H, DB 92H,82H, 0F8H,80H,90H END報警程序清單:MOV NUM,#03H CHECK: CLR CMOV A,AmaxSUBB A,SAMPJC ABNORMAL MOV A,AminSUBB A,SAMPJNC ABNORMAL AJMP RETU ABNORMAL: JB FLAG ,ABNOR-L MOV NUB,#03H SETB FLAGAJMP RETUABNOR-L: MOV A,NUMJZ ALARM DEC NUMSERB FLAGAJMP RETU ALARM1: RETU: RETNAND2

28、 IC 3 IC 2 10 6 9 ref(+ ref(- IN-7 ADD-C ADD-B ADD-A IN-6 IN-5 EOC IN-4 IN-3 IN-2 IN-1 IN-0 28 27 26 1 2 3 OUT5 OUT4 OUT3 OUT2 OUT1 OUT0 4 OUT6 5 OUT7 16 C LOCK START ENAB LE ALE 22 IC 1 +5V 12 Q5 LED Q5 R 22 1 11 OE LE 74LS 373 VCC 7 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 23 24 25 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 1 2 3 4 5 6 7 8 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 39 38 37 36 35 34 33 32 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 3 4 7 8 13 14 17 18 2 5 6 9 12 15 16 19 附錄 2：電路原理圖 4K7 PNP 13 12 INT1 INT0 +5V C 4 15 14 T1 T0 NOT 20P 31 EA/VP