溫度測(cè)量控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)經(jīng)典

1、 目 錄1.課題內(nèi)容2.系統(tǒng)方案論證與選擇3.單元電路設(shè)計(jì) 3.1 溫度傳感器與 放大模塊 3.2 A/D轉(zhuǎn)換3.3 單片機(jī) 331時(shí)鐘顯示 33.2復(fù)位電路4、報(bào)警電路5、顯示電路 6.結(jié)束語(yǔ)7.參考文獻(xiàn)8鳴謝9附錄1.課題內(nèi)容 【題目】溫度測(cè)量控制系統(tǒng)【摘要】隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，溫度測(cè)量控制系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及人們的日常生活中扮演了一個(gè)越來(lái)越重要的角色。因此，對(duì)溫度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究就具有十分重要的意義。隨著信息領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集方面的技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，采集數(shù)據(jù)的信息化是目前社會(huì)發(fā)展的主流方向。各種工業(yè)領(lǐng)域都用到了數(shù)據(jù)采集，在石油勘探、地震數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域已經(jīng)得

2、到廣泛應(yīng)用。隨著測(cè)控技術(shù)的迅猛發(fā)展，以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在測(cè)控領(lǐng)域中占到了統(tǒng)治地位。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)如溫度、壓力、頻率等進(jìn)行采集后送微機(jī)進(jìn)行處理和分析，達(dá)到檢測(cè)和控制的目的?，F(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)溫度采集的精度、實(shí)時(shí)性和采集效率等都有很高的要求，而且有很多測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，對(duì)操作人員現(xiàn)場(chǎng)采集十分不利，這就需要一種能夠自動(dòng)采集、處理和傳送數(shù)據(jù)的測(cè)溫儀器。同時(shí)，為了方便安裝和維護(hù)，這類儀器需要具備長(zhǎng)期自動(dòng)穩(wěn)定工作的能力。因此，開(kāi)發(fā)低功耗的溫度采集系統(tǒng)，對(duì)這些應(yīng)用領(lǐng)域的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量是非常必要的。在科研實(shí)驗(yàn)、大棚蔬菜種植、各種動(dòng)物養(yǎng)殖及衛(wèi)生醫(yī)療等場(chǎng)合經(jīng)常要用到溫度采集系統(tǒng)；以

3、及火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)、電話室溫采集系統(tǒng)等都有相關(guān)的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、報(bào)警器輸出顯示【技術(shù)要求】 1.設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的兩路的溫度測(cè)量控制系統(tǒng)。2.溫度控制在38°C39°C之間，測(cè)量精度±01°C。3.要求顯示測(cè)量的溫度信號(hào)。4.超溫報(bào)警。2.系統(tǒng)方案論證與選擇本測(cè)量控制系統(tǒng)的核心部位在控制，控制的方式有多種，可以采用硬件或軟件控制。在本設(shè)計(jì)中采用硬件控制，硬件控制一般選擇單片機(jī)或DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于DSP芯片是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件，主要應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理?，F(xiàn)

4、在已經(jīng)廣泛用于通信、便捷式計(jì)算機(jī)和便捷式儀表、雷達(dá)、圖象、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，常見(jiàn)的手機(jī)、數(shù)字電視和數(shù)碼相機(jī)都離不開(kāi)DSP。在此控制系統(tǒng)中不需要大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，只需要一般的控制，因此，選擇用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。單片機(jī)是集成了CPU、ROM、RAM、和I/O的微型計(jì)算機(jī)。它有很強(qiáng)的接口性能，非常適合于工業(yè)控制。它與通用不同，它是以工業(yè)測(cè)控對(duì)象、環(huán)境、接口等特點(diǎn)出發(fā)，向著增強(qiáng)控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便地構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)界面接口的方向發(fā)展。系統(tǒng)總方案：3.單元電路設(shè)計(jì)3.1溫度傳感和放大模塊溫度傳感器是通過(guò)物體隨溫度變化而改變某種特性來(lái)間接測(cè)量的。不少材料、元件的特性都隨溫度

5、的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、電動(dòng)勢(shì)、磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等。方案一：采用二極管做溫度傳感器 晶體二極管或三極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高1時(shí)，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開(kāi)關(guān)二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來(lái)做PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時(shí)間常數(shù)為0.22秒，靈敏度高。測(cè)溫范圍為-50+150。同型號(hào)的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。方案二：用可編程

6、器件DS18B20做溫度傳感器 DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，線路簡(jiǎn)單，十分方便。 DS18B20產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：（1） 只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。（2） 在DS18B20中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。（3） 實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。（4） 測(cè)量溫度范圍在55到125之間。（5） 數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。（6） 內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。方案三：用LM35做溫度傳感器 LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從

7、0開(kāi)始。在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約50A），所以芯片自身幾乎沒(méi)有散熱的問(wèn)題。這么小的電流也使得該芯片在某些應(yīng)用中特別適合，比如在電池供電的場(chǎng)合中，輸出可以由第三個(gè)引腳取出，根本無(wú)需校準(zhǔn)。 LM35溫度傳感器線性度好，電路簡(jiǎn)單?？紤]到各種傳感器的特點(diǎn)、工作溫度以及精度，綜合考慮后決定采用方案三，選用高精度攝氏溫度傳感器LM35。如下2-1-2（a）、（b）所示。圖2-1-2（a）單電源模式圖2-1-2（b）雙電源模式單電源提供正溫度的測(cè)量，LM35溫度傳感器,輸出電壓00.99V,溫度每上升1,電壓上升10ms,可測(cè)溫度099.即V=0.01T，運(yùn)算放大器LM358

8、放大5倍電壓,即V=0.05T.經(jīng)0809通道0轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,因?yàn)檗D(zhuǎn)換公式:V/5=X/255,即0.05T/5=X/255,則T100X/256. 為了精確到0.1,使t=10*T=1000X/256=125X/32,所以轉(zhuǎn)換公式是t=125X/32,X為數(shù)字量.其采集溫度及放大溫度電路圖如下：3.2 AD轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器的功能是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)把模擬信號(hào)在時(shí)刻t的幅度值（電壓值）轉(zhuǎn)換為一個(gè)相應(yīng)的數(shù)字量。由于A/D轉(zhuǎn)換器輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，輸出的數(shù)字信號(hào)是離散的。所以只能在一系列選定的瞬間進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這樣既要求對(duì)輸入的模擬信號(hào)先進(jìn)行采樣，然后再把這些采樣值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行

9、輸出。因此，一般的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程需要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化和編碼這四個(gè)步驟來(lái)完成。采樣就是把一個(gè)在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變換為在時(shí)間上的離散的信號(hào)。因?yàn)槊看伟巡蓸拥玫降碾妷褐缔D(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字都需要經(jīng)過(guò)一段的時(shí)間T，所以在時(shí)間T中要保持采樣值的不變，及要求利用保持電路對(duì)采樣值經(jīng)行儲(chǔ)存。數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在幅度上也是離散的。為了將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，還必須將采樣后獲得的輸出電壓按照某種近似方式規(guī)劃到與之相應(yīng)的離散電平上。這一過(guò)程成為數(shù)值量化。量化后的數(shù)值經(jīng)過(guò)編碼后就可得到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809，是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開(kāi)關(guān)以及微處理機(jī)

10、兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖2-2所示由上圖可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 引腳結(jié)構(gòu)如圖2-3 所示。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量送入轉(zhuǎn)換器

11、進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。3.3單片機(jī) 處理模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)方案的核心，它控制了溫度的采集、處理與顯示、溫度上下限值的設(shè)定。單片機(jī)采用89C51。AT89系列單片機(jī)對(duì)于一般用戶來(lái)說(shuō)，有下列明顯的優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)部含有Flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中很容易修改程序，可以大大縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。與MCS-51系列單片機(jī)引腳兼容，可以直接進(jìn)行代換。AT89系列并不對(duì)80C31的簡(jiǎn)單繼承，功能進(jìn)一步增強(qiáng)，在我國(guó)這種單片機(jī)受到廣泛青睞。33.1時(shí)鐘顯示單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個(gè)高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機(jī)內(nèi)部雖

12、然有振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，外部還需附加電路。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種。 內(nèi)部時(shí)鐘方式。 外部時(shí)鐘方式。33.2復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)工作后，只要在它的RST引線上加載高電平，單片機(jī)就能夠有效地復(fù)位。單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。 圖2 單片機(jī)的2種復(fù)位電路單片機(jī)仿真引腳圖：4.報(bào)警電路 音頻電路我們要求的溫度在一定的范圍內(nèi)為安全溫度，我們?cè)O(shè)置的溫度界限范圍為 3839，當(dāng)測(cè)量值在正常范圍內(nèi)時(shí)，程序控制P2.3輸出低電平，音頻信號(hào)不發(fā)聲，當(dāng)達(dá)到一定的上界或者下界時(shí)，報(bào)警電路開(kāi)始工作，P2.3同時(shí)為高電平，音頻發(fā)音告警，操作人員觀察音頻發(fā)生器是否發(fā)音，就

13、可知道被測(cè)量器件工作是否正常。 其電路圖如下：5.顯示電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單易行。 LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。圖8為0.5英尺LED數(shù)碼管的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管分別對(duì)應(yīng)ag筆段構(gòu)成“”字形另一只發(fā)光二極管Dp作為小數(shù)點(diǎn)。因此這種LED顯示器稱為七段數(shù)碼管或八段數(shù)碼管。 圖11 LED數(shù)碼管 當(dāng)LED數(shù)碼管與單片機(jī)相連時(shí)，一般將LED數(shù)碼管的各筆段引腳a、b、g、Dp按某一順序接到MCS51型單片機(jī)某一個(gè)并行I/O口D0、

14、D1、D7，當(dāng)該I/O口輸出某一特定數(shù)據(jù)時(shí)，就能使LED數(shù)碼管顯示出某個(gè)字符。LED數(shù)碼管編碼方式有多種，按小數(shù)點(diǎn)計(jì)否可分為七段碼和八段碼；按共陰共陽(yáng)可分為共陰字段碼和共陽(yáng)字段碼，不計(jì)小數(shù)點(diǎn)的共陰字段碼與共陽(yáng)字段碼互為反碼；按a、b、g、Dp編碼順序是高位在前，還是低位在前，又可分為順序字段碼和逆序字段碼。甚至在某些特殊情況下將a、b、g、Dp順序打亂編碼。表2為共陰極和共陽(yáng)極LED數(shù)碼管幾種八段編碼表。共陰順序小數(shù)點(diǎn)暗共陰逆序小數(shù)點(diǎn)暗共陽(yáng)順序小數(shù)點(diǎn)亮共陽(yáng)順序小數(shù)點(diǎn)暗Dp g f e d c b a16進(jìn)制a b c d e f g Dp16進(jìn)制00 0 1 1 1 1 1 13FH1 1 1

15、 1 1 1 0 0FCH40HC0 H10 0 0 0 0 1 1 006H0 1 1 0 0 0 0 0 60H79HF9 H20 1 0 1 1 0 1 15BH1 1 0 1 1 0 1 0DAH24HA4 H30 1 0 0 1 1 1 14FH1 1 1 1 0 0 1 0F2H30HB0 H40 1 1 0 0 1 1 066H0 1 1 0 0 1 1 066H19 H99 H50 1 1 0 1 1 0 16DH1 0 1 1 0 1 1 0B6H12 H92 H60 1 1 1 1 1 0 17DH1 0 1 1 1 1 1 0BEH02 H82 H70 0 0 0 0 1

16、 1 107H1 1 1 0 0 0 0 0E0H78 HF8 H80 1 1 1 1 1 1 17FH1 1 1 1 1 1 1 0FEH00 H80 H90 1 1 0 1 1 1 16FH1 1 1 1 0 1 1 0F6H10 H90 H表2 共陰極和共陽(yáng)極LED數(shù)碼管幾種八段編碼顯示電路仿真圖： 圖12 顯示電路6.結(jié)束語(yǔ)這次課程設(shè)計(jì)我選擇了溫度測(cè)量與控制這一題目，感到這個(gè)題目綜合性強(qiáng)，應(yīng)用廣，對(duì)設(shè)計(jì)者的要求也較高，因此，碰到的難度也較大，但本著求知與實(shí)踐應(yīng)用的精神，我最終將這個(gè)題目的大概框架整理出來(lái)，其中有許多不盡人意之處及不理想的地方還很多，這也是我今后學(xué)習(xí)的方向和動(dòng)力。本次設(shè)計(jì)

17、中，我主要負(fù)責(zé)數(shù)字顯示與溫度范圍控制模塊中的譯碼顯示、聲光報(bào)警與溫度控制執(zhí)行模塊，顯示電路是這次設(shè)計(jì)中花力氣最大的環(huán)節(jié)，它首先需要將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再將其變?yōu)?421BCD碼，這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)有很多方法，如利用單片機(jī)等，然后就可以用數(shù)碼管顯示了。控制電路的實(shí)現(xiàn)方法也有很多種，設(shè)計(jì)中也擬定了兩種方法，他們之間的優(yōu)劣也有表述，關(guān)鍵是我從中了解了相關(guān)控制的多種方法，為今后設(shè)計(jì)控制電路做足準(zhǔn)備。在這次的設(shè)計(jì)模塊中我們還引入了溫度控制執(zhí)行模塊，完善了整個(gè)模塊的功能。最后，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)讓我獲益良多。另外，本次設(shè)計(jì)這個(gè)題目和我“挑戰(zhàn)杯”所選的題目有很大的相似之處，很多環(huán)節(jié)都可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，我們?cè)凇疤魬?zhàn)

18、杯”中選用單片機(jī)來(lái)完成設(shè)計(jì)功能，而這次的課程設(shè)計(jì)讓我從另一個(gè)方向完成了這個(gè)設(shè)計(jì)，對(duì)我的思路有了很大的拓展。從中我認(rèn)識(shí)到了各課程學(xué)習(xí)的重要與應(yīng)用之處，為今后學(xué)習(xí)指明方向，也大大的提高的系統(tǒng)學(xué)習(xí)電子技術(shù)的興趣。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中我嘗試使用了Multisim 10.0軟件，發(fā)現(xiàn)了這個(gè)軟件的強(qiáng)大，做了很多測(cè)試以及仿真，在仿真過(guò)程中不斷修改和完善電路，雖然這個(gè)過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間很長(zhǎng)，而且也有很多困難，但是強(qiáng)化了對(duì)已學(xué)知識(shí)的理解，較為熟練的學(xué)會(huì)了該軟件的應(yīng)用，為我今后設(shè)計(jì)及學(xué)習(xí)和電路設(shè)計(jì)提供了有效的工具。這次的課程設(shè)計(jì)讓我明白了動(dòng)手實(shí)踐的重要性，加深了我對(duì)理論知識(shí)的理解，并且提高了我的綜合能力，收獲很大。7.參考文獻(xiàn)1劉暢生等.傳感器簡(jiǎn)明手冊(cè)及應(yīng)用電路-溫度傳感器.西安電子科技大學(xué)出版社.2006.2王振紅等.綜合電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐.清華大學(xué)出版