《檢測系統(tǒng)綜合設計》課程設計說明書單片機溫度進行實時巡檢

1、 前言檢測涉及到國計民生各個部門，可以說在所以科學技術領域無時不在進行檢測?？茖W技術的發(fā)展和檢測技術的發(fā)展是密切相關的。現代化的檢測手段能達到的精度、靈敏度及測量范圍等，在很大程度上決定了科學技術的發(fā)展水平。同時，科學技術的發(fā)展達到的水平越高，又為檢測技術、傳感器技術提供了新的前提手段。目前市場上出現了很多傳感器，很多精度高的傳感器已經出現，而且精度越來越高。數字溫度計未來將會更精確、更人性化，為我們做出更多貢獻。在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵

2、、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度對于工業(yè)如此重要，由此推進了溫度傳感器的發(fā)展。傳感器主要大體經過了三個發(fā)展階段：模擬集成溫度傳感器。該傳感器是采用硅半導體集成工藝制成，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。此種傳感器具有功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。它是目前在國內外應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產品有ad590、ad592、tmp17、lm135等；模擬集成溫度控制器。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關、可編程溫度控制器

3、，典型產品有l(wèi)m56、ad22105和max6509。某些增強型集成溫度控制器(例如tc652/653)中還包含了a/d轉換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別；智能溫度傳感器。能溫度傳感器(亦稱數字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ate)的結晶。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、a/d轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產品還帶多路選擇器、中央控制器(cpu)、隨機存取存儲器(ram)和只讀存儲器(rom)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數

4、據及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(mcu)；并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。目前市場主要存在單點和多點兩種溫度測量儀表。對于單點溫測儀表，主要采用傳統(tǒng)的模擬集成溫度傳感器，其中又以熱電阻、熱電偶等傳感器的測量精度高，測量范圍大，而得到了普遍的應用。此種產品測溫范圍大都在-200800之間，分辨率12位，最小分辨溫度在0.0010.01之間。自帶led顯示模塊，顯示4位到16位不等。有的儀表還具有存儲功能，可存儲幾百到幾千組數據。該類儀表可很好的滿足單個用戶單點測量的需要。多點溫度測量儀表，相對與單點的測量精度有一定的差距，雖然實現了多路

5、溫度的測控，但價格昂貴。針對目前市場的現狀，本課題提出了一種可滿足要求、可擴展的并且性價比高的單片機測溫系統(tǒng)，亦可以通過一定程度的完善進行多路控制，本次主要針對單路的實時檢測與控制。本課題以87c51單片機和數據采集系統(tǒng)為核心，能對溫度進行實時巡檢。 第一章：緒論1.1 設計的要求與初始條件（1）能夠電子顯示實際測得的溫度值；（2）當溫度不在上下限范圍內時會報警，并能根據需要設定報警上下限。（3）本系統(tǒng)能夠檢測溫度范圍088，精度為1度。根據實際需要，檢測點數是可以擴展的。1.2 設計方案的選擇1.2.1設計方案一采用模擬分立元件，如電容、電感或晶體管等非線形元件，實現多點溫度的測量及顯示，該

6、方案設計電路簡單易懂，操作簡單，且價格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數字化，而且測量誤差大。1.2.2 設計方案二采用pc機作為主控機，單片機構成信號采集單元。通過溫度傳感器采集溫度信號，經信號放大器放大后，送到a/d轉換芯片，經過含有單片機的檢測系統(tǒng)的進一步分析處理，通過通信線路將信息上行到pc機，在pc機上我們可對溫度信號進行任何分析、處理。其模塊框圖如圖1所示。單片機控制的檢測系統(tǒng)溫度傳感器a/d轉換器pc機控制的主控制器lcd顯示器變送器總線多路開關圖1 方案2模塊框圖采用該方案技術已經成熟，而且通過將溫度信息上傳到pc機，利用pc機強大的數據處理能力和相應的輔助軟件，可以多

7、角度、多需求的分析處理溫度數據，但這在工業(yè)上大多不是必須的。而且目前pc的機價格的原因，制造出這樣的系統(tǒng)，不會得到普遍的應用。所以我不準備采用此種方案。1.2.3 設計方案三本方案以at89c51單片機系統(tǒng)為核心，對多點的溫度進行實時控制巡檢。各檢測單元（從機）能獨立完成各自功能，根據主控機的指令對溫度進行實時或定時采集，測量結果不僅能在本地儲存、顯示，而且可以利用單片機串行口，通過rs-485總線及通信協(xié)議將將采集的數據傳送到主控機，進行進一步的分析、存檔、處理。主控機負責控制指令發(fā)送，控制各個從機進行溫度采集，收集測量數據，并對測量結果（包括歷史數據）進行整理、顯示和打印。主控機與各從機之

8、間能夠相互聯(lián)系、相互協(xié)調，從而達到了系統(tǒng)整體統(tǒng)一和諧的控制效果。該方案主控機和從機完全由單片機實現，采用該方案完全可滿足工業(yè)上大部分需求，而且相對與第二種方案價格更加容易讓人接受。圖2中，從機部分實現的功能幾乎和主機是對等的，但會接受主機發(fā)送過來的命令的指示。溫度測點1傳感器adcmculed聲光報警rs-485圖2 方案3模塊框圖該方案采用熱電阻pt100做為溫度傳感器、ad620作為信號放大器max187作為a/d轉換部件，對于溫度信號的采集具有大范圍、高精度的特點。1.2.4 設計方案四本方案是本次選用的方案，主要是基于初始條件的要求較低和對于所學知識濾波基礎性的運用，采用熱敏電偶作為溫

9、度的傳感器，采用基于串口的數據采集器，通過87c51對輸入的信號進行檢測和控制，再通過數碼管顯示。在超出測量范圍的部分亦可增加相關的硬件設施報警，而且可以根據不同的要求進行靈活的程序改變以達到所能滿足的性能數據緩沖與接口熱電偶a/d轉換器單片機87c51led顯示器放大器總線多路開關圖3 方案4模塊框圖第二章：硬件部分的設計與介紹2.1單片機87c512.1.1 芯片特點87c51是intel公司mcs-51系列單片機中基本型產品，它采用intel公司可靠的chmos工藝技術制造的高性能8位單片機，屬于標準的mcs-51的體系結構和指令系統(tǒng)。它結合了hmos的高速和高密度技術及chmos的低功

10、耗特征，是80c51bh的eprom版本，電改寫光擦除的片內4kb eprom。2.1.2 組成 87c51內置中央處理單元、128字節(jié)內部數據存儲器ram、32個雙向輸入/輸出(i/o)口、2個16位定時/計數器和5個兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩電路。快速脈沖編程，如編寫4kb片內rom僅需12秒。2.1.3工作此外，87c51還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結cpu而ram定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存ram數據，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內其它功能。87c51有pdip和plcc兩種封裝形式。2.1.4 87

11、c51的存儲器組織結構 圖4 87c51存儲器組織結構64k字節(jié)的程序存儲器（rom）空間中，有4k字節(jié)地址區(qū)對于片內rom和片外rom是公用的，這4k字節(jié)地址是0000hfffh。而1000hffffh地址區(qū)為外部rom專用。cpu的控制器專門提供一個控制信號ea用來區(qū)分內部rom和外部rom的公用地址區(qū)：當ea接高電平時，單片機從片內rom的4k字節(jié)存儲器區(qū)取指令，而當指令地址超過0fffh后，就自動的轉向片外rom取指令。當ea接低電平時，cpu只從片外rom取指令2.1.5單片機外接電路（1） 時鐘產生電路和復位電路片內電路與片外器件就構成一個時鐘產生電路，cpu的所有操作均在時鐘脈沖

12、同步下進行。片內振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2mhz12mhz之間選取。c1、c2是反饋電容，其值在5pf30pf之間選取，典型值為30pf。本電路選用的電容為30pf，晶振頻率為12mhz。這樣就確定了單片機的4個周期分別是：振蕩周期1/12；機器周期（sm）；指令周期。 圖5 時鐘產生電路 xtal1和xtal2：片內振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調電容。在石英晶體的兩個管腳加交變電場時，它將會產生一定頻率的機械變形，而這種機械振動又會產生交變電場，上述物理現象稱為壓電效應。一般情況下，無論是機械振動的振幅，還是交變電場的振幅都非常小。但是，當交變電場的頻

13、率為某一特定值時，振幅驟然增大，產生共振，稱之為壓電振蕩。這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率，也稱諧振頻率。即用來連接8051片內osc的定時反饋回路，如上圖所示。石英晶振起振后要能在xtal2線上輸出一個3v左右的正弦波，以便使mcs-51片內的osc電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。圖6為單片機復位電路。單片機在開機時都需要復位，以便中央處理器cpu以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機的復位后是靠外部電路實現的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的rst引腳上出現24個時鐘振蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便可實現初始化狀態(tài)復位。mcs-51單片機的r

14、st引腳是復位信號的輸入端。例如：若mcs-51單片機時鐘頻率為12mhz，則復位脈沖寬度至少應該為2s。圖6 復位電路（2） 聲光報警電路溫度檢測系統(tǒng)多有聲光報警功能，當檢測溫度超過上下限時，進行聲光提示。本系統(tǒng)在從機和主機部分均設計了報警電路。各從機的報警上下限由主機預置，從機實時監(jiān)測的過程中，一旦發(fā)現檢測溫度值連續(xù)超出閾值范圍，便啟動自身報警電路，同時向主控機發(fā)送報警信號。報警電路原理如下所示： 圖7 聲光報警電路（3） 數據存儲和時鐘電路主控機主要負責控制從機，包括設置從機信息和收集從機檢測信號，然后將收集到的數據進行存儲、分析、顯示，并能根據用戶設置的報警閾值進行聲光報警。這部分的硬

15、件電路設計除了鍵盤、液晶等常規(guī)外設外，增加了一片24c04用來保存溫度數據，另外，增加了一片日歷時鐘芯片pcf8563。24c04是基于i2c總線的串行e2prom，存儲容量512個字節(jié)，它占用單片機資源很少，僅占用了兩根i/o線，數據一旦寫入可保存100年，避免了普通ram掉電保護的麻煩，非常適合于各類儀器儀表和控制裝置的參數保存。主控機每個整點收集一次數據，并將數據保存到e2prom。每個溫度數據占用2個字節(jié)，這樣，我們設計共保存24組歷史數據，占用192個字節(jié)。當存滿24組數據后，整點再次接收數據時，將最早保存的數據刪除，其他數據依次前移為新數據空出位置。pcf8563是低功耗的cmos

16、實時時鐘/日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數據通過i2c總線串行傳遞。這兩部分電路設計原理圖如下：圖8 數據存儲和時鐘芯片電路2.2 電源設計工作原理：圖9中為t1電源變壓器，它的作用是將交流電網電壓v1變?yōu)檎麟娐芬蟮慕涣麟妷?，四只整流二極管d1 d4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。先計算文件參數：二極管d1、d3和d2、d4兩兩輪流導通的，所以流經每個二極管的平均電流為id=ic=0.45。二極管在截止時管子兩端承受的最大反向電壓可以從圖1中看出。在正半周時d1、d3導通，d2、d4截止。此時d2、d2所承受的最大反向電壓均為的最大值。即

17、=同理，在的負半周，d、d也承受到同樣大小的反向電壓。圖9 +12v電源示意圖橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高 ，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因為電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用。濾波電路：我們采用電容濾波電路。因為本設計為小功率電源,初始時電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當為正半周時，通過d1、d3向電容器c充電；當為負半周時，通過d2、d4向電容器c充電。充電時間常數為。包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管d的正向電阻。由于一般很少，電容器很快就達到了交流電壓的的最大

18、值。由于電容器無放電回路，故輸出電壓保持在，輸出為一個恒定的直流。電容濾波電路的特點：1. 二極管的導電角，流過二極管的瞬時電流很大，電流的有效值和平均值的關系與波形有關。在平均值相同的情況下，波形越尖，有效值越大，在純電阻負載時，變壓器副邊電流的有效值而有電容濾波時2. 負載平均電壓升高，紋波(交流成分)漸少，且rc越大，電容放電速率越慢，則負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取 d=rlc(35)t/2 （21）其中t為電源交流電壓的周期。3. 負載直流電壓隨負載直流電流增加二減少。隨的變化關系稱為輸出特性或者外特性。 c值一定，當rl=，即空載時當c=

19、0，即無電容時4. 在整流電路的內組不太大(幾歐)和放電時間常數滿足式（21）的 關系時，電容濾波電路的負載電壓和的關系約為總之，電容濾波電路簡單，負載直流電壓vl較高，紋波也較小，它的缺點是輸出特性較差，故適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。+5v電源電路如圖所示。 圖10 5v電源示意圖2.3 溫度傳感器的選擇現代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。2.3.1根據測量對象與

20、測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。2.3.2 靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感

21、器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的串擾信號2.3.3頻率響應特性傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。2.3.4 線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精

22、度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。2.3.5 穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調查，并根據具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環(huán)境的影響。2.3.6精度精度是傳感器的一個

23、重要的性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。綜合以上因素，如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。2.3.7本次的選擇本次采用熱電阻，材料為鉑絲.本設計要檢測溫度范圍0400，可選用的常用溫度傳

24、感器有集成溫度傳感器、熱電偶、熱電阻等。 集成溫度傳感器（如ad590、ds1820等）使用方便，信號易于調理，但它們的測溫范圍普遍窄，一般在200以下，不能滿足要求。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，其優(yōu)點是測量精度高、測量范圍廣，常用的熱電偶從-50至+1600均可連續(xù)測量。但需采用電路或軟件設計等修正方法來補償冷端溫度t00時對測溫的影響，使用不便。熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測量范圍為-200600，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測量精確度是最高的，所以我們最終選擇鉑電阻pt100作為傳感器。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度

25、的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。所以通常將其放在電橋橋臂上，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被送到儀器放大器ad620的輸入端，經過儀器放大器放大后的電壓輸出送給a/d轉換芯片，從而把熱電阻的阻值轉換成數字量。電路原理圖如圖11所示。 圖11熱電阻測溫電路原理圖對信號放大，我們使用了低價格、高精度的儀器放大器ad620，它運用方便，可以通過外接電阻方便的進行各種增益（1-1000）的調整。其增益計算公式為：溫度值計算過程：由于a/d檢測到的模擬電壓值計算可到的rt值，然后利用如下公式求出溫度值：其中 ，實際測量中，為提高測量精度，我們分兩擋進行測量，當溫度處于0210時，繼電器j2所在橋

26、臂電阻為r32，繼電器j1選擇ad620的反饋電阻r5，溫度處于195400時，控制繼電器j2將電阻r31串接上，并相應控制繼電器j1選擇r6作為ad620的反饋電阻，在切換橋臂電阻時同步改變放大倍數，從而達到自動改變量程、提高測量精度的目的。2.4模數轉化單元2.4.1 12位串行a/d轉換器max187 max187是美信公司推出的12位a/d轉換芯片，內部含有采樣/保持電路，單5v操作電源，轉換速度為8.5s，具有片上4.096 v參考電壓，模擬量輸入范圍為0vbef。三線串行接口，兼容spi，qspi，microwire總線。 （1）max187的引腳功能說明max187有8腳dip封

27、裝和16腳so封裝2種，圖12給出dip封裝的引腳排列。表1是引腳功能說明。 圖12 max187引腳圖（2）max187操作時序用采樣/保持電路和逐位比較寄存器將輸入的模擬信號轉換為12位的數字信號，其采樣/保持電路不需要外接電容。max187有2種操作模式：正常模式和休眠模式，將shdn置為低電平進入休眠模式，這時的電流消耗降到10a以下。shdn置為高電平或懸空進入正常操作模式。引腳名稱功能1vcc+5v電源2ain模擬量輸入，范圍0-vref3shdn操作模式選擇，低電平休眠模式4ref參考電壓5gnd地6dout數據輸出7cs片選端8sclk時鐘，最高為5mhz 表1 max187

28、引腳功能表使用內參考時，在電源開啟后，經過20 ms后參考引腳的4.7f電容充電完成，可進行正常的轉換操作。a/d轉換的工作過程是：當cs為低電平時，在下降沿max187的t/h電路進入保持狀態(tài)，并開始轉換，8.5s后dout輸出為高電平作為轉換完成標志。這時可在sclk端輸入一串脈沖將結果從dout端移出，讀入單片機中處理。數據讀取完成后將cs置為高電平。要注意的是：在cs置為低電平啟動a/d轉換后，檢測到dout有效（或者延時8.5s以上），才能發(fā)sclk移位脈沖讀數據，sclk至少為13個。發(fā)完脈沖后應將cs置為高電平。2.5 數據采集部分 2.5.1 多路模擬開關cd4051/cc40

29、51cd4051/cc4051是單8通道數字控制模擬電子開關，有三個二進控制輸入端a、b、c和inh輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520v的數字信號可控制峰值至20v的模擬信號。例如，若vdd+5v，vss0，vee-13.5v，則05v的數字信號可控制-13.54.5v的模擬信號。這些開關電路在整個vdd-vss和vdd-vee電源范圍內具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關。當inh輸入端“1”時，所有的通道截止。三位二進制號選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。 cd4051引腳功能說明引腳號符號功能1 2 4 5 12 13 14 15in/out輸入/

30、輸出端9 10 11a b c地址端3out/in公共輸出/輸入端6inh禁止端7vee模擬信號接地端8vss數字信號接地端16vdd電源+2.5.2 鎖存器74ls373373為三態(tài)輸出的八 d 透明鎖存器,共有 54/74s373 和 54/74ls373 兩種線路結構型式，其主要電器特性的典型值如下： 當三態(tài)允許控制端 oe 為低電平時，o0o7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當 oe 為高電平時，o0o7 呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。 當鎖存允許端 le 為高電平時，o 隨數據 d 而變。當 le 為低電平時，o 被鎖存在已建立的數

31、據電平。當 le 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mv。 引腳功能：（1）d0d7 數據輸入端 （2）oe 三態(tài)允許控制端（低電平有效） （3）le 鎖存允許端 （4）o0o7 輸出端 2.5.3 rs232 rs-232c 對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。 在txd和rxd上：邏輯1(mark)=-3v-15v ；邏輯0(space)=+3+15v ；在rts、cts、dsr、dtr和dcd等控制線上： 信號有效（接通，on狀態(tài)，正電壓）+3v+15v 信號無效（斷開，off狀態(tài)，負電壓)=-3v-15v 。2.5.4 模擬量的采集與處理 數

32、據采集與處理是把實際過程的模擬量、開關量以及其它信息量通過相關的方式送入計算機，再由計算機進行存儲和進一步處理（如計算、顯示、控制等）。其中，模擬量采集與處理最為重要，它的算法復雜。模擬量采集算法模塊特指將模擬量轉換成數字量并送入計算機，模擬量處理算法模塊是指將這些數字量存儲并進行計算處理的過程，而其它模塊可完成一些輔助任務，例如，開關量采集可采用簡單查詢方式得到，數據的顯示由顯示模塊完成等。一般的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)對數據的采集周期都有規(guī)定。例如：在熱網微機監(jiān)控系統(tǒng)中，有關章程就規(guī)定模擬量的采集周期應當小于2.1秒。設計時，外部輸入的模擬量信號首先由傳感器送入測控器，然后進行模擬量采集，在一次采樣間

33、隔時間t內，依次將各輸入量輪流接到a/d轉換器進行一次轉換。為了準確地反映被測信號，防止干擾，對每一路信號在20 ms內采集4次，即采樣間隔時間t=5ms，每次連續(xù)采集10個點，將這10個點去除最大、最小值之后求取平均作為本次的結果，4次采集完成后再將4次采集的值求平均得出此次采集的結果 在20ms的采集完成后，要將數據按照量程或計算公式轉換為有實際意義的數據，并根據報警限判斷數據是否有低于下限或超出上限的報警。2.6. 顯示模塊本次設計的顯示電路采用兩位共陽極led數碼管來顯示測量得到的溫度值，其型號為bs 12.7 r1，表示字符高度為12.7mm的紅色共陽極led數碼管，16/1動態(tài)掃描

34、時，平均電流為45ma，峰值電流為5060ma。led數碼管能在低電壓下工作，而且體積小、重量輕、使用壽命長，因此本次設計選用此數碼管作為顯示器件。一個led數碼管只能顯示一位字符，如果字符位數不止一位，可以用幾個數碼管組成，但是控制多位的顯示電路需要有字段控制和字位控制，字段控制是指控制所要顯示的字符是什么，控制電路應將字符的七段碼通過輸出口連接到led的ag引腳，是某些段點亮，某些段處于歇滅狀態(tài)。字位控制是指控制在多位顯示器中，那幾位發(fā)光或哪幾位不發(fā)光，字位控制則需要通過字位碼作用于led數碼管的公共引腳，是某一位或某幾位的數碼管可以發(fā)光。數碼管顯示電路分為動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。靜態(tài)顯示方式

35、是指每一個數碼管的字段控制是獨立的，每一個數碼管都需要配置一個8位輸出口來輸出該字位的七段碼。因此需要顯示多位時需要多個輸出口，通常片內并口不夠用，需要在片外擴展。動態(tài)顯示又稱為掃描顯示方式，也就是在某一時刻只能讓一個字位處于選通狀態(tài)，其他字位一律斷開，同時在字段線上發(fā)出該位要顯示的字段碼，這樣在某一時刻某一位數碼管就會被點亮，并顯示出相應的字符。下一時刻改變所顯示的字位和字段碼，點亮另一個數碼管，顯示另一個字符。然后一次掃描輪流點亮其他數碼管，只要掃描速度快，利用人眼的視覺殘留效應，會使人感覺幾位數碼管都在穩(wěn)定的顯示。本次設計采用數碼管動態(tài)顯示，圖中由單片機p1口串接74hc245驅動兩位共

36、陽極數碼管，上拉電阻排為10k。由p2.0和p2.1通過pnp型三極管q1、q2驅動其字位。三極管發(fā)射極接高電平，當p2.0或p2.1為低電平時使三極管導通選通數碼管的某一位。圖13 顯示電路2.7.傳感器輸出信號的調理 由于熱敏電阻輸出的信號通常需要經過一定的預處理才能進行有效的變換，這種對信號的前端預處理的過程稱為信號調理。本次調理電路比較粗糙，主要采用一個放大部分和濾波部分組成。如下圖所示，反相輸入的運放和一階低通濾波器構成。濾波器的參數：設計的截止頻率的為6khz，增益為2，元器件的參數如下：r1=4.3kr2=8.5k r3=5.4k低通濾波器圖14 信號調理電路第三章：軟件部分設計

37、3.1程序流程 主程序主要實現系統(tǒng)的初始化，顯示數據，設定從機相關信息及通信的處理。 系統(tǒng)的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、堆棧、中斷寄存器等），通信的初始化（串口的初始化，max485的初始化，通信緩沖區(qū)的初始化），液晶的初始化，輸出端口的初始化，采集、累計數據的初始化。 顯示數據包括數據轉換（主要實現將各類參數、測量數據、計算累計值等轉換成液晶顯示所需的數據類型）和顯示屏的刷新（包括刷新采集數據屏和根據按下的鍵更改顯示屏）。 通信的處理主要針對主空機與從機的信息交換與處理。 主程序流程圖如下： 圖15 總體流程圖程序主要由溫度信號采集程序和響應主機命令程序。對溫度信號的采集采用求均值

38、技術來提高精度，累計采樣160次，求均值并判斷是否超過規(guī)定的閾值。流程圖如下： 圖16 采樣溫度值主流程3.2 87c51源程序org 0ljmp main1org 0003hljmp zint0org 13hljmp zint1tmph: equ 28hflag1: equ 38hdatain: bit p3.7main1: setb it0setb easetb ex0setb it1setb ex1setb p3.6setb p3.2mov 74h,#0mov 75h,#0mov 76h,#0mov 77h,#0main: lcall get_temperlcall cvttmplcal

39、l disp1ajmp maininit_1820:setb datainnopclr datainmov r1,#3tsr1: mov r0,#107 ;保持642msdjnz r0,$djnz r1,tsr1setb datain ;釋放ds18b20總線nopnopnopmov r0,#25htsr2: jnb datain,tsr3djnz ro,tsr2clr flag1sjmp tsr2tsr3: setb flag1 ;標志位置1，證明ds18b20存在clr p1.7mov r0,#117tsr6: djnz r0,$tsr7: setb datainret ；延時254usg

40、et_temper:setb datainlcall init_1820jb flag1,tss2nopret ；ds18b20檢測程序tss2: mov a,#0cch ；跳過rom,使用存儲器lcall write_1820mov a,#44h ；對ram操作，開始溫度轉換lcall write_1820acall disp1lcall init_1820mov a,#0cchlcall write_1820mov a,#0behlcall write_1820lcall read_1820 ；讀暫存器中的溫度數值retwrite_1820:mov r2,#8clr cwr1: clr d

41、atainmov r3,#6djnz r3,$rrc amov datain,cmov r3,#23djnz r3,$setb datainnopdjnz r2,wr1setb datainretread_1820:mov r4,#2mov r1,#29hre00: mov r2,#8re01: clr csetb datainnopnopclr datainnopnopnopsetb datainmov r3,#9re10: djnz r3,re10mov c,datainmov r3,#23re20: djnz r3,re20rrc adjnz r2,re01mov r1,adec r1d

42、jnz r4,re00retcvttmp: mov a,tmphanl a,#80h ；判斷溫度正負，正不變，負則取反加1jz tmpc1clr cmov a,tmp1cpl aadd a,#1mov tmp1,amov a,tmphcpl aaddc a,#0mov tmph,amov 73h,#0bhsjmp tmpc11tmpc1: mov 73h,#0ahtmpc11: mov a,tmp1anl a,#0fhmov dptr,#tmptabmovc a,a+dptrmov 70h,amov a,tmp1anl a,#0fhswap aorl a,tmplb2bcd: mov b,#1

43、00div abjz b2bcd1mov 73h,a b2bcd: mov a,#10xch a,bdiv abmov 72h,amov 71h,btmpc12: nopdisbcd: mov a,73hanl a,#0fhcjne a,#1,disbcd0sjmp disbcd1disbcd0: mov a,72hanl a,#0fhjnz disbcd1mov a,73hmov 72h,amov 73h,#0ahdisbcd1: rettmptab: db 0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9disp1: mov r1,#70hmov r0,#74hmov r5,

44、#0feh ;顯示實際溫度play: mov p1,#0ffhmov a,r5mov p2,amov a,r1mov dptr,#tabmovc a,a+dptrmov p1,amov p1,amov a,r0movc a,a+dptrmov p0,amov a,r5jb acc.1,loop1jb p1.7clr p1.7clr p0.7 ;loop1： lcall dl1msinc r1inc r0mov a,r5jnb acc.3,endoutrl amov r5,amov a,73hcjne a,#1,dd2sjmp ledhdd2: mov a,72hcjne a,72h,ddhsj

45、mp dd1ddh: jne play1ledh: clr p3.6sjmp playplay1: setb p3.6sjmp playendout: mov p1,#0ffhmov p2,#0ffhrettab: db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99hdb 92h,82h,0f8h,80h,90h,0ffh,0bfhdl1ms： mov r6,#14hdl1: mov r7,#100djnz r7,$djnz r6,dl1retzint0: push ainc 75hmov a,75hcjne a,#10,zint01mov 75h,#0zint01: pop aretizin

46、tt1: push ainc 76hmov a,76hcjne a,#10,zint11mov 76h,#0zint11: pop areti 第四章：誤差分析與干擾4.1提高單片機系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段4.1.1. 接地這里的接地指接大地，也稱作保護地。為單片機系統(tǒng)提供良好的地線，對提高系統(tǒng)的抗干擾能力極為有益。特別是對有防雷擊要求的系統(tǒng)，良好的接地至關重要。上面提到的一系列抗干擾元件，意在將雷擊、浪涌式干擾以及快脈沖群干擾去除，而去除的方法都是將干擾引入大地，如果系統(tǒng)不接地，或雖有地線但接地電阻過大，則這些元件都不能發(fā)揮作用。為單片機供電的電源的地俗稱邏輯地，它們和大地的地的關系可以相通

47、、浮空、或接一電阻，要視應用場合而定。不能把地線隨便接在暖氣管子上。絕對不能把接地線與動力線的火線、零線中的零線混淆。4.1.2. 隔離與屏蔽典型的信號隔離是光電隔離。使用光電隔離器件將單片機的輸入輸出隔離開，一方面使干擾信號不得進入單片機系統(tǒng)，另一方面單片機系統(tǒng)本身的噪聲也不會以傳導的方式傳播出去。屏蔽則是用來隔離空間輻射的，對噪聲特別大的部件，如開關電源，用金屬盒罩起來，可減少噪聲源對單片機系統(tǒng)的干擾。對特別怕干擾的模擬電路，如高靈敏度的弱信號放大電路可屏蔽起來。而重要的是金屬屏蔽本身必須接真正的地。4.1.3. 濾波濾波指各類信號按頻率特性分類并控制它們的方向。常用的有各種低通濾波器、高

48、通濾波器、帶通濾波器。低通濾波器用在接入的交流電源線上，旨在讓50周的交流電順利通過，將其它高頻噪聲導入大地。低通濾波器的配置指標是插入損耗，選擇的低通濾波器插入損耗過低起不到抑制噪聲的作用，而過高的插入損耗會導致“漏電”，影響系統(tǒng)的人身安全性。高通、帶通濾波器則應根據系統(tǒng)中對信號的處理要求選擇使用。使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率的時鐘，時鐘產生器要盡量靠近用到該時鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接地，時鐘線要盡量短，且不要引得到處都是。時鐘線垂直于i/o線比平行于i/o線干擾小，時鐘線要遠離i/o線。每個集成電路要加一個去耦電容，要選高頻信號好的獨石電容式瓷片電容作去耦電容。去耦電容焊在印制電路板

49、上時，引腳要盡量短。需要時，電源線、地線上可加銅線繞制鐵氧用體而成的高頻扼流器件阻斷高頻噪聲的傳導。4.2 誤差分析本系統(tǒng)的誤差主要來自溫度采集電路和溫度信號傳輸電路。對于溫度采集電路，為了盡可能減小誤差，而對于外界溫度變化或者類似的干擾信號，低通濾波器起到了很好的消除作用，同時我們采用了過采樣和求均值技術。所謂過采樣技術是指以高于奈奎斯特頻率的采樣頻率進行采樣，也就是說當adc以高于系統(tǒng)所需采樣頻率fs的速率對信號采樣時，能增加有效位數。每增加一位分辨率，信號必須被以4倍的速率過采樣。同時對所抽取的信號求均值，可以有效的減少誤差。總結在本次課程設計中，系統(tǒng)地學習了傳感器信號、單片機集成開發(fā)環(huán)

50、境、rs-232串口通信技術以及應用程序編制、protel等方面的知識。本次設計可以說是軟硬結合，又以硬件為主。當今科技發(fā)展迅速，智能開發(fā)有著光明的前景。由于單片機經濟實用、開發(fā)簡便等特點依然在工業(yè)控制、家電等領域占據了廣泛的市場。希望能通過此次設計來提高自己軟件編制和硬件電路設計的能力。在我完成這次課程設計的過程中，當看到自己將專業(yè)知識用于解決實際的問題時，那份成就感和喜悅感是難以形容的。但是，在實際的編程以及調試程序過程中，我發(fā)現自己所應該學的太多太多。光靠自己在書本上所學過的這點知識是遠遠不夠的，真正地認識到了工作就是學習的道理。通過了這段時間的學習，了解檢測系統(tǒng)的設計步驟，掌握系統(tǒng)設計

51、方法，加深對理論知識的理解，能運用所學的傳感器原理智能儀器設計儀器儀表電路等專業(yè)知識設計測控系統(tǒng)各個單元，并組成系統(tǒng)。我們通過這個方案包括設計了一套電路原理和機械圖。做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內容有限，所以在這次課程設計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。總之，這次課程設計對我來說是一次比較全面的、富有創(chuàng)造性和探索性的鍛煉，完成了我選題時的心愿。相信在以后的生活學習中，一定會發(fā)揚這種艱苦樸素的作風，認真對待每一個問題，要徹徹底底的弄懂原理，然后再發(fā)揮自己的創(chuàng)造

52、性思維，做出漂亮完美的設計。最后，由于本人知識水平體系構建不完整，在書寫和設計的同時肯定會存在各種漏洞甚至錯誤，望老師見諒！參考資料1張國雄.測控電路.北京：機械工業(yè)出版社，2002. 2李剛.現代測控電路.北京：高等教育出版社，2004.3趙茂泰.智能儀器原理及應用.北京：電子工業(yè)出版社，1999.4季建華.智能儀器原理、設計及調試.上海：華東理工大學出版社，1995.5施文康.檢測技術.北京：機械工業(yè)出版社，2002.6陳守仁.自動檢測技術及儀表.北京：機械工業(yè)出版社，1998.7 forbes aird.mechanics guide to precision measuring too

53、ls. motorbooks international，june 1，1999.目錄前言1第一章：緒論31.1設計的要求與初始條件31.2設計方案的選擇3第二章：硬件部分的設計與介紹52.1單片機87c5152.2電源設計92.3溫度傳感器的選擇112.4模數轉化單元152.5數據采集部分162.6顯示模塊182.7傳感器輸出信號的調理20第三章：軟件部分設計203.1程序流程203.2單片機87c51源程序22第四章：誤差分析與干擾304.1提高單片機系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段304.2誤差分析31總結32參考資料33an automatic measuring system based on atmospherical measu