基于PT100智能溫度測(cè)量?jī)x表的軟件電路設(shè)計(jì)

目錄前言1第1章智能溫度測(cè)量?jī)x表方案設(shè)計(jì)與論證3第2章智能溫度測(cè)量?jī)x表的硬件設(shè)計(jì)5第3章軟件設(shè)計(jì)9第4章溫度控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試16第5章設(shè)計(jì)體會(huì)與小結(jié)17參考文獻(xiàn)18附錄19前言本課程設(shè)計(jì)是一個(gè)應(yīng)用比較廣泛的溫控系統(tǒng)，知識(shí)的綜合性比較強(qiáng)，但實(shí)際上不難，主要有四局部?jī)?nèi)容組成，第一章，論述其功能，通過(guò)方案的比較，確定最終方案，第二章簡(jiǎn)單的對(duì)硬件局部進(jìn)行闡述，第三章重點(diǎn)的論述軟件實(shí)現(xiàn)其功能局部，第四章對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行調(diào)試，第五章總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì)。此溫控系統(tǒng)是基于AT89C51單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制的，采用PT100溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)儀用放大器將溫度信號(hào)放大，然后再送入A/D轉(zhuǎn)化器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，當(dāng)所采集到的溫度值大于設(shè)定的閥值時(shí)，可在PC上進(jìn)行告警提示，并通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)收到指令后控制蜂鳴器發(fā)音。同時(shí)可以使用外界鍵盤(pán)隨時(shí)修改溫度設(shè)定值，到達(dá)不同的需求。表達(dá)出了系統(tǒng)的智能性。第1章智能溫度測(cè)量?jī)x表方案設(shè)計(jì)與論證1.1功能與要求功能：溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)控制，將采集到的實(shí)時(shí)溫度值在數(shù)碼管上顯示，同時(shí)將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口線傳送到上位PC機(jī)；上位機(jī)在屏幕上顯示溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)假設(shè)溫度超過(guò)設(shè)定值，在顯示屏上進(jìn)行報(bào)警提示，并通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)收到指令后控制蜂鳴器發(fā)音。還可以使用外界鍵盤(pán)隨時(shí)修改溫度設(shè)定值，到達(dá)不同的需求。要求：1、測(cè)溫范圍100—300。C；2、能夠進(jìn)行調(diào)零；3、可以利用外界鍵盤(pán)隨時(shí)修改溫度設(shè)定值；4、可以進(jìn)行報(bào)警提示。1.2方案論證與比較方案一：采用DS1820數(shù)字傳感器采集溫度數(shù)據(jù)。單片機(jī)的接口信號(hào)是數(shù)字電信號(hào)，要想用單片機(jī)獲取溫度這類非電信號(hào)的信息，必須使用溫度傳感器。溫度傳感器的作用是將溫度信息轉(zhuǎn)換為電流或電壓輸出，如果轉(zhuǎn)換后的電流或電壓輸出是模擬信號(hào)，還必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以滿足單片機(jī)接口的需要。因此采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器可以使得電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。方案二：采用Pt100鉑熱電阻溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，Ptl00鉑電阻具有抗震性能好、測(cè)溫范圍廣、測(cè)量精度高、機(jī)械強(qiáng)度高、耐壓性能好等特點(diǎn),且電阻率較大。實(shí)際測(cè)量中有良好的重復(fù)性。PT100溫度傳感器0℃時(shí)電阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω/℃方案比較：由于PT100是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件,在-50℃~600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無(wú)可比較的優(yōu)勢(shì),包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。DS18B20雖為數(shù)字溫度傳感器，具有可編程、A/D轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)但是它的測(cè)溫范圍為－55℃～＋1.3方案確實(shí)定經(jīng)過(guò)兩種方案的比較，最終選定PT100作為溫度傳感器。由于Pt100電阻值小，靈敏度高，所以引線的阻值不能忽略不計(jì)，采用三線式接法可消除引線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差,故采用PT100三線制接法做溫度采集電路。第2章智能溫度測(cè)量?jī)x表的硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示上位機(jī)溫度傳感器上位機(jī)溫度傳感器數(shù)碼管蜂鳴器單片機(jī)鍵盤(pán)儀用放大調(diào)零A/D轉(zhuǎn)換其工作過(guò)程為：溫度傳感器采集溫度信號(hào)，然后送入儀用放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)調(diào)零電路減小誤差，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)可以將溫度值在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示，同時(shí)可以將采集到的溫度值與上位機(jī)軟件設(shè)定值進(jìn)行比較，假設(shè)超過(guò)設(shè)定值，可以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，用外界鍵盤(pán)也可以修改溫度設(shè)定值，表達(dá)其智能功能。2.2溫度采集與放大電路的設(shè)計(jì)采用PT100三線制接法作為溫度采集局部，放大器電路，選用儀表放大器AD626差分放大器。電路如圖2所示圖2.溫度采集與放大電路圖2.3A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)將模擬電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換之后將其變成數(shù)字信號(hào)再輸入到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，采用AD0809做為A/D轉(zhuǎn)換器，電路圖如圖3所示：圖3.A/D轉(zhuǎn)換電路2.4單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要使單片機(jī)工作起來(lái)，主要是給單片機(jī)增加上電復(fù)位電路和外接一個(gè)晶振。電路如圖4所示：圖4.單片機(jī)最小系統(tǒng)2.5人機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)它主要由四位一體數(shù)碼顯示管、4*4矩陣鍵盤(pán)和CH451芯片構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度顯示與溫度設(shè)定功能。在該人機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)中，CH451為該模塊電路的核心器件，功能相對(duì)完善。CH451不僅能有效的將采集到的溫度值通過(guò)數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；并且還能控制矩陣鍵盤(pán)，讀取通過(guò)按鍵獲得的溫度設(shè)定值，一方面可將設(shè)定值直接顯示，另一方面還能傳輸給單片機(jī)。人機(jī)接口電路如圖5所示：圖5.人機(jī)接口電路圖第3章軟件設(shè)計(jì)3.1主流程圖的設(shè)計(jì)3.1.1上位機(jī)程序流程圖的設(shè)計(jì)上位機(jī)程序主要完成與下位機(jī)的串口通信，顯示并存儲(chǔ)下位機(jī)傳送來(lái)的溫度數(shù)據(jù)，并將下位機(jī)送來(lái)的溫度數(shù)據(jù)與已經(jīng)設(shè)置好的溫度值進(jìn)行比較，假設(shè)大于設(shè)定值，在上位機(jī)屏幕上顯示告警提示，同時(shí)向下位機(jī)發(fā)送控制命令，下位機(jī)收到控制命令后，控制蜂鳴器發(fā)音進(jìn)行警示。其具體的工作過(guò)程為：開(kāi)始初始化，單片機(jī)通過(guò)串口向上位機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有收到，那么繼續(xù)等待。如果PC機(jī)收到該數(shù)據(jù)可以將該溫度顯示在PC機(jī)顯示屏上，同時(shí)將收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，然后讀取設(shè)定的溫度值，必將設(shè)定值與存入的溫度值進(jìn)行比較，如果大于設(shè)定值，那么PC機(jī)通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送報(bào)警指令，使得報(bào)警電路的蜂鳴器響起，如果小于設(shè)定值，那么PC機(jī)繼續(xù)接收單片機(jī)發(fā)送來(lái)的溫度數(shù)據(jù)。上位機(jī)程序流程圖如圖6所示：圖6.上位機(jī)程序流程圖、下位機(jī)主程序流程圖的設(shè)計(jì)下位機(jī)主要完成從溫度傳感器上采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)在LED數(shù)碼管上顯示，同時(shí)將采集的溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，并根據(jù)上位機(jī)的命令驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。其工作過(guò)程為:上電之后，首先對(duì)CH451進(jìn)行初始化，然后在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前讀的實(shí)時(shí)溫度值，然后開(kāi)中斷，再判斷按鍵標(biāo)志位是否為1，如果為1，進(jìn)入溫度設(shè)定值子程序，如果為0，那么進(jìn)入實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定溫度值比較子程序，如果大于設(shè)定值，那么單片機(jī)控制繼電器動(dòng)作，使其斷開(kāi)，并且進(jìn)入報(bào)警電路子程序，如果小于設(shè)定值，那么繼續(xù)對(duì)溫度進(jìn)行采集。下位機(jī)主程序流程圖如圖7所示：圖7.下位機(jī)主程序流程圖3.2A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖的設(shè)計(jì)采集到的溫度數(shù)據(jù)是模擬信號(hào)，而單片機(jī)接口所需要的是數(shù)字信號(hào)，因此需要借助A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。次A/D轉(zhuǎn)換電路使用的是AD0809轉(zhuǎn)換器。子程序流程圖如圖8所示：圖8.A/D轉(zhuǎn)換電路流程圖3．3數(shù)據(jù)通信子程序的設(shè)計(jì)串口發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖的設(shè)計(jì)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送主要是完成每隔2s向上位機(jī)傳送一次采集到的溫度數(shù)據(jù)，采用和數(shù)據(jù)采集模塊同一個(gè)定時(shí)器T1。發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖9所示：圖9.串口發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖串口發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖的設(shè)計(jì)串口數(shù)據(jù)的接收主要完成接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令，因上位機(jī)每2s從下位機(jī)讀取溫度值進(jìn)行判斷，假設(shè)高于其設(shè)定值，那么向下位機(jī)發(fā)送控制命令，因此下位機(jī)從上位機(jī)讀取控制命令也最多2s一次。下位機(jī)單片機(jī)讀串口數(shù)據(jù)程序流程圖如圖10所示：圖10.串口接收數(shù)據(jù)程序流程圖3.4鍵盤(pán)/顯示子程序流程圖的設(shè)計(jì)從硬件電路可知，P1.0—P1.6主要用來(lái)控制數(shù)碼管的7個(gè)管腳，輸出字形碼；數(shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)顯示方式，因此顯示程序采用中斷方式。中斷是通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0產(chǎn)生的，即每隔50ms刷新顯示一次，中斷效勞程序的流程圖如圖11所示:圖11.數(shù)碼管顯示溫度值中斷效勞程序流程圖3.5蜂鳴器報(bào)警子程序流程圖的設(shè)計(jì)該模塊主要完成當(dāng)Alarm標(biāo)志為1時(shí)，將P1.7管腳驅(qū)動(dòng)為高電平，使蜂鳴器發(fā)音，起到報(bào)警作用；每隔50ms刷新驅(qū)動(dòng)一次，和數(shù)碼管顯示模塊使用同一個(gè)中斷T0。其程序流程圖如圖12所示：圖12.報(bào)警電路程序流程圖第4章溫度控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試4.1硬件調(diào)試.安裝首先按電路圖焊接好電路，在上電之前，用萬(wàn)用表檢查線路是否焊接正常，檢測(cè)是否存在虛焊或短路的點(diǎn)，然后將芯片插到相應(yīng)的管腳上，將單片機(jī)最小系統(tǒng)與焊接的電路用杜邦線連接好，再將數(shù)據(jù)線插到電路的PC機(jī)上。.調(diào)試調(diào)試主要是用萬(wàn)用表檢查線路是否連接是否正確，是否存在短路與虛焊的點(diǎn)。要是這些故障都能夠排除在外，再將芯片插到相應(yīng)的管腳上，硬件調(diào)試完畢。4.2軟件調(diào)試可以先使用仿真器進(jìn)行程序調(diào)試，通過(guò)查看存放器的狀態(tài)變化及端口輸出的情況，以確認(rèn)程序設(shè)計(jì)與預(yù)期結(jié)果一致。在程序調(diào)試、編譯和鏈接成功后，通過(guò)燒錄軟件將程序燒錄到單片機(jī)中，隨后將單片機(jī)插入電路板，給電路板加電運(yùn)行，觀察結(jié)果。4.3系統(tǒng)整體調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)軟硬件調(diào)試成功并正常加載程序運(yùn)行后即可按流程來(lái)調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中需觀察到數(shù)碼管上顯示正確的溫度值，以及可以用鍵盤(pán)修改設(shè)定的溫度閥值，同時(shí)繼電器能夠根據(jù)不同的溫度閥值進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。在調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)題，第一個(gè)：數(shù)碼管的f段一直處于高電平狀態(tài)，導(dǎo)致顯示的。C這個(gè)字符錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)對(duì)硬件電路的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有個(gè)連接數(shù)碼管的電阻被短接了，故障得以排除，數(shù)碼管的溫度顯示正常，第二個(gè)：當(dāng)修改溫度的設(shè)定值后，繼電器不發(fā)生動(dòng)作，經(jīng)過(guò)對(duì)硬件電路的檢查，發(fā)現(xiàn)繼電器二腳沒(méi)有連接8550的集電極，故障得以排除，最終電路處于正常的工作狀態(tài)，一切功能都能夠?qū)崿F(xiàn)，系統(tǒng)的整體調(diào)試完畢。第5章設(shè)計(jì)體會(huì)與小結(jié)在老師精心的教導(dǎo)及引導(dǎo)之下，我們終于完成了約2周的課程設(shè)計(jì)，雖然其中困難重重，疑惑很多，但是在老師和同學(xué)的幫助下還是完成了任務(wù)，雖然不是很完美，但是由于知識(shí)有限，能力不及，有很多缺陷。在這次課程設(shè)計(jì)中，我們用了許多以前學(xué)的專業(yè)知識(shí)，這次課程設(shè)計(jì)讓我們把理論聯(lián)系到實(shí)際中去了，以前很多模糊的知識(shí)在實(shí)踐中也變的清晰了，這是課程設(shè)計(jì)的一大收獲。在設(shè)計(jì)程序中，整個(gè)程序不可能一次就設(shè)計(jì)好，經(jīng)過(guò)屢次修改和查證資料，經(jīng)過(guò)分析遇見(jiàn)的問(wèn)題，從中學(xué)到的知識(shí)讓我們受益終身。發(fā)現(xiàn)提出分析解決問(wèn)題的能力也提高了，這些經(jīng)驗(yàn)為我們以后的學(xué)習(xí)工作和生活都很有用處。課程設(shè)計(jì)的過(guò)程就是一個(gè)理論到實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程，和伙伴的合作，探討，探索，發(fā)現(xiàn)，以及自身的動(dòng)腦和努力，都是以后工作中需要的，通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)作品的制作讓我對(duì)單片機(jī)的理論有了更加深入的了解，同時(shí)在具體的制作過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在書(shū)本上的知識(shí)與實(shí)際的應(yīng)用存在著不小的差距，書(shū)本上的知識(shí)很多都是理想化后的結(jié)論，忽略了很多實(shí)際的因素，或者涉及的不全面，可在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)這些是不能被忽略的，我們不得不考慮這方的問(wèn)題，這讓我們無(wú)法根據(jù)書(shū)上的理論就輕易得到預(yù)想中的結(jié)果，有時(shí)結(jié)果甚至很差異很大。通過(guò)這次實(shí)踐使我更深刻的體會(huì)到了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，我們?cè)诮窈蟮膶W(xué)習(xí)工作中會(huì)更加的注重實(shí)際。參考文獻(xiàn)【1】華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編，康華光主編.電子技術(shù)根底〔數(shù)字局部〕.第五版.北京：高等教育出版社，2006【2】李群芳等.單片微型計(jì)算機(jī).北京：電子工業(yè)出版社，2007【3】李志全等.智能儀表設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000【4】趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998【5】孫傳友等.測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005附錄Pt100熱電阻分度表

溫度

℃0123456789電阻值〔Ω〕0

10

20

30

40100.00

103.90

107.79

111.67

115.54100.39

104.29

108.18

112.06

115.93100.78

104.68

108.57

112.45

116.31101.17

105.07

108.96

112.83

116.70101.56

105.46

109.35

113.22

117.08101.95

105.85

109.73

113.61

117.47102.34

106.24

110.12

114.00

117.86102.73

106.63

110.51

114.38

118.24103.12

107.02

110.90

114.77

118.63103.51

107.40

111.29

115.15

119.0150

60

70

80

90119.40

123.24

127.08

130.90

134.71119.78

123.63

127.46

131.28

135.09120.17

124.01

127.84

131.66

135.47120.55

124.39

128.22

132.04

135.85120.94

124.78

128.61

132.42

136.23121.32

125.16

128.99

132.80

136.61121.71

125.54

129.37

133.18

136.99122.09

125.93

129.75

133.57

137.37122.47

126.31

130.13

133.95

137.75122.86

126.69

130.52

134.33

138.13100

110

120

130

140138.51

142.29

146.07

149.83

153.58138.88

142.67

146.44

150.21

153.96139.26

143.05

146.82

150.58

154.33139.64

143.43

147.20

150.96

154.71140.02

143.80

147.57

151.33

155.08140.40

144.18

147.95

151.71

155.46140.78

144.56

148.33

152.08

155.83141.16

144.94

148.70

152.46

156.20141.54

145.31

149.08

152.83

156.58141.91

145.69

149.46

153.21

156.95150

160

170

180

190157.33

161.05

164.77

168.48

172.17157.70

161.43

165.14

168.85

172.54158.07

161.80

165.51

169.22

172.91158.45

162.17

165.89

169.59

173.28158.82

162.54

166.26

169.96

173.65159.19

162.91

166.63

170.33

174.02159.56

163.29

167.00

170.70

174.38159.94

163.66

167.37

171.07

174.75160.31

164.03

167.74

171.43

175.12160.68

164.40

168.11

171.80

175.49200

210

220

230

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