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文檔簡介
1、前言2第1章智能溫度測量儀表方案設計與論證31.1 功能與要求31.2 方案論證與比較31.3 方案的確定4第2章智能溫度測量儀表的硬件設計52.1 系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示52.2 溫度采集與放大電路的設計52.3 調零電路的設計62.4 A/D轉換電路的設計72.5 單片機最小系統(tǒng)92.6 人機接口電路的設計102.7 串口驅動電路的設計112.8 報警電路的設計12第3章軟件設計133.1 上位機軟件設計133.2 下位機軟件設計14第4章溫度控制系統(tǒng)的安裝與調試154.1 硬件調試154.1.1 安裝154.1.2 .調試154.2 軟件調試154.3 系統(tǒng)整體調試15第5章設計體會與小
2、結16參考文獻17附錄18、兒前言溫度測控在許多場合均有應用,是一個典型的工程以用題目,實現(xiàn)難度不大,但工作量大,涉及知識點多,是對學生軟硬件知識的一個鍛煉,也使學生對設計嵌入式應用系統(tǒng)的過程及方法有一個全面的了解。本課程設計是利用現(xiàn)有的環(huán)境,是基于AT89C51單片機對溫度進行控制的,采用PT100溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù),通過儀用放大器將溫度信號放大,然后再送入A/D轉化器,將模擬信號轉變成便于單片機處理的數(shù)字信號,當所采集到的溫度值大于設定的閥值時,可在顯示屏上進行告警提示,并通過串口向單片機發(fā)送指令,單片機收到指令后控制蜂鳴器發(fā)音。同時可以使用外界鍵盤隨時修改溫度設定值,達到不同的需求。
3、體現(xiàn)出了系統(tǒng)的智能性。第1章智能溫度測量儀表方案設計與論證1.1 功能與要求功能:下位機利用單片機對溫度傳感器采集到的溫度定時采樣,并在數(shù)碼管上顯示采集到的實時溫度值,同時將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過用口線傳送到上位PC機上;上位機能在屏幕上顯示溫度數(shù)據(jù),若溫度超過設定值,在顯示屏上進行告警提示,并通過串口向單片機發(fā)送指令,單片機收到指令后控制蜂鳴器發(fā)音。同時可以使用外界鍵盤隨時修改溫度設定值,達到不同的需求。要求:1、測溫范圍1299C;測溫精度:10c;2、能夠進行調零;3、可以利用外界鍵盤隨時修改溫度設定值;4、可以進行報警提示。1.2 方案論證與比較方案一:采用DS182吸字傳感器采集溫度數(shù)
4、據(jù),然后送入單片機進行數(shù)據(jù)處理。電路圖如圖1所示:圖1.溫度采集電路圖DS182彼字傳感器是一個3腳的芯片,1腳為接地,2腳為數(shù)據(jù)輸入輸出,3腳為可選的VCOfe源。通過一個單線接口發(fā)送或接收數(shù)據(jù),因此單片機與DS18B2心間僅需一條連線(加上地線)。作為溫度采集芯片,可直接將采集值進行處理得到數(shù)字量送入單片機數(shù)碼管顯示并通過串口送至上位機。采用此芯片做溫度采集,使得硬件電路結構簡單,同時也避免了使用多級電路出現(xiàn)前后級阻抗不匹配的問題,不但節(jié)約了硬件部分的成本,提高了采集數(shù)據(jù)的可靠度。方案二:采用Pt100鋁熱電阻溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù),Ptl00鋁電阻具有抗震性能好、測溫范圍廣、測量精度高、
5、機械強度高、耐壓性能好等特點,且電阻率較大,其電阻R,與溫度t的關系為正比例系數(shù)的單調函數(shù),實際測量中有良好的重復性。PT100溫度傳感器0c時電阻值為100Q,電阻變化率為0.3851Q/Co方案比較:由于PT100是一種廣泛應用的測溫元件,在-50C600c范圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢,包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點。DS18B20雖為數(shù)字溫度傳感器,具有可編程、A/D轉換等優(yōu)點但是它的測溫范圍為55c+125C,不滿足課題設計的要求,故最終選擇PT100溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)。1.3 方案的確定經過兩種方案的比較,最終選定PT100作為溫度傳感器。PT100溫度傳
6、感器0c時電阻值為100Q,電阻變化率為0.3851Q/C。由于其電阻值小,靈敏度高,所以引線的阻值不能忽略不計,采用三線式接法可消除引線線路電阻帶來的測量誤差。原理如下:PT100引出的三根導線截面積和長度均相同(即U=r2=r3),測量鋁電阻的電路一般是不平衡電橋,鋁電阻(Rpt100)作為電橋的一個橋臂電阻,將導線一根(r1)接到電橋的電源端,其余兩根(r2、r3)分別接到鋁電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上,這樣兩橋臂都引入了相同阻值的引線電阻,電橋處于平衡狀態(tài),引線線電阻的變化對測量結果沒有任何影響。當RI*()-R2x(Rsrt100+r2*r1)電帶平衡,U=0當RpdOO受溫費化
7、后,電橋不平面,LMJ第2章智能溫度測量儀表的硬件設計2.1 系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示圖2.系統(tǒng)硬件框圖其工作過程為:下位機的單片機定時采集溫度傳感器所感應到的被測對象的表面,并將采集的溫度數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上,同時通過串口傳送到上位機。上位機收到下位機傳送來的溫度數(shù)據(jù),在顯示屏上顯示,同時與上位機軟件設置的告警溫度閥值相比較,若高出,則在屏幕上進行告警提示,同時通過串口向下位機的單片機發(fā)送告警指令,單片機收到該指令后,控制蜂鳴器發(fā)音,進行告警提示。對于告警的閥值,可以使用外界鍵盤進行人為的設定。2.2 溫度采集與放大電路的設計采用PT100三線制接法作為溫度采集部分,放大器電路,選用儀表放大器A
8、D626差分放大器。因為我們測量的范圍為100300C,熱電阻橋電路出來的電壓為幾mV數(shù)據(jù)量比較小,采用儀表放大器可以比較精確的得到想要放大的倍數(shù),出現(xiàn)較小的誤差。為了滿足ADC真數(shù)轉換的電壓需要(05功,需要把小信號放大。AD626的設定放大倍數(shù)為100倍。如下圖即為AD626放大電路,Ui1和Ui2為橋電路輸出電壓,Vout1為放大后輸出電壓值。電路如圖3所示:2.3 調零電路的設計為了能在ADC采樣后得到的數(shù)字值是從零開始。需在放大電路后面加調零電路。采用INA2132差分大器。INA2132是一種經濟型、雙路、低功耗單位增益的差分電路,具有高精度光調電阻的運算放大器組成,因此可以提供高
9、精度的增益和較高的共模抑制比。如圖3,AD626放大電路單端輸出的Voutl電壓是05V之間。工作原理是當+IN的電壓值大于-IN則輸出端Voutl輸出為正,反之則輸出為負。Voutl是INA2132雙端輸入的正端,負端接一個滑動變阻器組成的電路。調節(jié)滑動電阻器阻值可以調節(jié)INA2132的-IN端的輸入值,達到調零電路的作用。調零電路如圖4所示圖4.調零電路圖在圖4中,用一個小電阻R5接在R1的回路中,此時R3與R5分壓產生的失調電壓加到R1的左端,進而由R1和R2再次分壓.因而失調電壓調整范圍由下式確定:失調電壓調整范圍=±VD(R5/R3)(R2/(Rl+R2)(±VD
10、=±15V)依據(jù)圖中的電阻值,其失調電壓調整范圍約為:±15mV2.4 A/D轉換電路的設計從Out2輸出信號是05V間的模擬電壓信號,需要經過A/D轉換之后將其變成數(shù)字信號再輸入到單片機內進行處理,單片機可對采集進來的溫度數(shù)據(jù)與所設定的閥值進行比較,然后再控制后面的執(zhí)行部件。將Out2輸出的信號輸入到ADC0809勺port端口,電路圖如圖5所示:圖5.A/D轉換電路圖2.5 單片機最小系統(tǒng)要使單片機工作起來,主要是給單片機增加上電復位電路和外接一個晶振。上電的瞬間,電流有一個突發(fā)的向上的尖峰脈沖,因此電流能通過C3電容到達AT89C51的復位端口RESET寸AT89C5
11、1進行復位。尖峰過后之后,電流平穩(wěn),電容C3阻止電流的通過,這樣可以防止對AT89C51反復進行復位。電阻R2是用于給C3放電的,并將一號管腳拉低,防止RESE嘲口上持續(xù)高電平。給AT89C51提供一定的時鐘頻率以后,AT89C51才能開始工作。如圖6,這個振蕩電路與AT89C51內部的時鐘振蕩器一起組成完整的時鐘頻率發(fā)生電路,XTAL1為AT89C51內部時鐘振蕩器的輸入端,XTAL2為AT89C51內部時鐘振蕩器的輸出端,XTAL為晶振,起到選擇振蕩頻率的作用,這里使用的時鐘頻率為12MHzC1、C2為振蕩補償電容,起到放寬起振頻率,讓時鐘容易起振的作用。電路如圖6所示:圖6.單片機最小系
12、統(tǒng)圖2.6 人機接口電路的設計它主要由四位一體數(shù)碼顯示管、4*4矩陣鍵盤和CH451芯片構成,用于實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度顯示與溫度設定功能。在該人機接口電路的設計中,CH451為該模塊電路的核心器件,功能相對完善。CH451不僅能有效的將采集到的溫度值通過數(shù)碼管進行實時顯示;并且還能控制矩陣鍵盤,讀取通過按鍵獲得的溫度設定值,一方面可將設定值直接顯示,另一方面還能傳輸給單片機;同時通過CH451芯片控制鍵盤輸入和數(shù)碼顯示,還可有效的節(jié)省單片機P口的使用,方便單片機的擴展設計。其設計的原理圖如圖7所示:圖7.人機接口電路圖該人機接口電路采用LG3641AHim位一體共陰極數(shù)碼管進行顯示,由于LG3641
13、AH為共陰極數(shù)碼管,A-H管腳上若輸出高電平,則相應段碼被點亮。為了避免單片機輸出的高電平電壓過高使數(shù)碼管燒壞,應分別在A-H管腳上接200電阻分壓。LG3641AHt段LED碼如下表1所示:表1.LG3641AH共陰極斷碼表r顯示丁得其陰極段碼顯示字符J1陰極段碼03FH56DH106H67DH25BH7O7H34FH87FH4166H196FH2.7 串口驅動電路的設計單片機AT89C51支持串口通信,它提供的是CMOSI平的串口數(shù)據(jù),但PC機進行串口通信時其COMD出來的信號是R*232協(xié)議的串口數(shù)據(jù)電平,同時由于串口數(shù)據(jù)傳輸距離較遠,需要加驅動電路,因此需要兩者之間加轉換芯片。電路如圖
14、8所示:圖8.串口驅動電路圖2.8報警電路的設計上位機把下位機傳送來的測量溫度值與預選設置的告警閥值進行比較,若大于,則通過用口向單片機發(fā)送告警指令,單片機收到告警指令后,使P1.7腳為高電平,驅動蜂鳴器發(fā)音,進行溫度告警,蜂鳴器驅動電路如圖9所示:圖9.報警電路圖第3章軟件設計3.1 上位機軟件設計上位機程序主要完成與下位機的串口通信,顯示并存儲下位機傳送來的溫度數(shù)據(jù),并將下位機送來的溫度數(shù)據(jù)與已經設置好的溫度值進行比較,若大于設定值,在上位機屏幕上顯示告警提示,同時向下位機發(fā)送控制命令,下位機收到控制命令后,控制蜂鳴器發(fā)音進行警示。上位機程序流程圖如圖10所示:3.2 下位機軟件設計下位機
15、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,同時將采集的溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機,并根據(jù)上位機的命令驅動蜂鳴器發(fā)出警報。下位機主程序流程圖如圖11所示:溫控系統(tǒng)開機后,首先對CH451進行初始化,然后自動采集實時溫度并在數(shù)碼管上顯示;矩陣鍵盤中的A鍵為設定溫度的功能鍵,若按下A鍵則可隨來時設定溫度;隨后單片機會不斷將實時溫度值與設定溫度值進行比較,若實時溫度值小于設定溫度值,則表示該溫控系統(tǒng)工作在正常的加熱狀態(tài),若溫度超過了設定值,則在顯示屏上進行告警提示,并通過用口向單片機發(fā)送指令,單片機收到指令后控制蜂鳴器發(fā)音,以表明設定的溫度值已達到。圖11.下位機主程序流程圖第4章溫
16、度控制系統(tǒng)的安裝與調試4.1 硬件調試4.1.1 安裝首先按電路圖焊接好電路,在上電之前,用萬用表檢查線路是否焊接正常,檢測是否存在虛焊或短路的點,然后將芯片插到相應的管腳上,將單片機最小系統(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機上。4.1.2 .調試調試主要是用萬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。要是這些故障都能夠排除在外,再將芯片插到相應的管腳上,硬件調試完畢。4.2 軟件調試按照主程序流程進行軟件的編寫,軟件編寫中的許多細節(jié)問題并不是在編寫程序的時候能夠檢查出來的,需要一步一步的調試,通過不斷的調試程序,加深了對匯編語言和硬件結構的理解??梢韵仁褂梅抡?/p>
17、器進行程序調試,通過查看寄存器的狀態(tài)變化及端口輸出的情況,以確認程序設計與預期結果一致。在程序調試、編譯和鏈接成功后,通過燒錄軟件將程序燒錄到單片機中,隨后將單片機插入電路板,給電路板加電運行,觀察結果。4.3 系統(tǒng)整體調試整個系統(tǒng)在經過軟硬件調試成功并正常加載程序運行后即可按流程來調試。調試過程中需觀察到數(shù)碼管上顯示正確的溫度值,以及可以用鍵盤修改設定的溫度閥值,同時繼電器能夠根據(jù)不同的溫度閥值進行相應的動作。在調試過程中,出現(xiàn)了兩個問題,第一個:數(shù)碼管的f段一直處于高電平狀態(tài),導致顯示的。C這個字符錯誤,經過對硬件電路的檢測,發(fā)現(xiàn)有個連接數(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
18、正常,第二個:當修改溫度的設定值后,繼電器不發(fā)生動作,經過對硬件電路的檢查,發(fā)現(xiàn)繼電器二腳沒有連接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),一切功能都能夠實現(xiàn),系統(tǒng)的整體調試完畢。第5章設計體會與小結剛確定用PT100做智能溫控系統(tǒng)課程設計任務時,自己真的是一頭霧水不知怎么下手,經過進圖書館、上網查資料自己了解到了許多,現(xiàn)在經過一個星期的努力自己的溫控系統(tǒng)已經基本成型。但由于自己水平的有限,此設計任務仍有許多不足之處。這次課程設計只是知識的綜合性比較強,但實際上并不是很難,主要的困難在于編寫軟件程序來實現(xiàn)硬件的諸多功能。這次課程設計讓我深入了解了單片機的一些強大功能,同時使我
19、認識到,設計一個復雜的系統(tǒng)時,首先要建立一個大的框架,然后將這個大框架分成一些小模塊進行分別設計,最后將這些模塊組裝起來進行調試,解決存在的問題,最終使得電路能夠正常工作。通過這次課程設計,讓我充分認識到自己的實踐經驗太欠缺,這是在以后的學習當中值得注意的,在焊接電路板的時候細節(jié)是非常重要的,一定要有序的去焊接電路,同時要養(yǎng)成一個好的習慣,在對硬件電路上電之前,一定要用萬用表檢查線路是否連接正常。通過此次設計,發(fā)現(xiàn)自己仍然還有許多不足之處,發(fā)現(xiàn)自己的知識是非常欠缺的,自己的動手能力也不強。自己清醒的認識到該怎么辦,自己應該好好的反省一下,該好好的投入學習中,多一點時間用在學習中,把所學知識都好
20、好的掌握,并很好的利用。在以后的學習和生活中,自己多找機會鍛煉一下,使自己的動手能力得以很大的提高。從而是自己各方面的能力得到很好的發(fā)展,為自己以后很好的工作打下堅實的基礎。總之,這次課程設計對于我們有很大的幫助,通過課程設計,我更加深入地理解了單片機的功能,以及引腳的作用,同時加深了對于主要芯片的應用的認識,同時在試驗室的環(huán)境里熟悉了匯編程序的編寫過程和運行過程,并提高了自己的動手能力。最后衷心的感謝老師的悉心指導。參考文獻1華中科技大學電子技術課程組編,康華光主編.電子技術基礎(數(shù)字部分).第五版.北京:高等教育出版社,20062李群芳等.單片微型計算機.北京:電子工業(yè)出版社,20073李
21、志全等.智能儀表設計原理及其應用.北京:國防工業(yè)出版社,20004趙茂泰.智能儀器原理及應用.北京:國防工業(yè)出版社,19985孫傳友等.測控系統(tǒng)原理與設計.北京:北京航空航天大學出版社,2005附錄Pt100熱電阻分度表糕度0123456789C電阻值(Q)0100.00100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.5110103.90104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.4020107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.
22、51110.90111.2930111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.00114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.70117.08117.47117.86118.24118.63119.0150119.40119.78120.17120.55120.94121.32121.71122.09122.47122.8660123.24123.63124.01124.39124.78125.16125.54125.93126.31126.6970127.08127.46127.84128.22128.61128.99
23、129.37129.75130.13130.5280130.90131.28131.66132.04132.42132.80133.18133.57133.95134.3390134.71135.09135.47135.85136.23136.61136.99137.37137.75138.13100138.51138.88139.26139.64140.02140.40140.78141.16141.54141.91110142.29142.67143.05143.43143.80144.18144.56144.94145.31145.69120146.07146.44146.82147.2
24、0147.57147.95148.33148.70149.08149.46130149.83150.21150.58150.96151.33151.71152.08152.46152.83153.21140153.58153.96154.33154.71155.08155.46155.83156.20156.58156.95150157.33157.70158.07158.45158.82159.19159.56159.94160.31160.68160161.05161.43161.80162.17162.54162.91163.29163.66164.03164.40170164.77165.14165.51165.89166.26166.63167.00167.37167.74168.11180168.48168.85169.22169.59169.96170.33170.70171.07171.43171.80190172.17172.54172.91173.28173.65174.02174.38174.75175.12175.49200175.86176.22176.59176.96177.33177.69178.06178.43178.79179.16210179.53179.89180.26180.63180.99181.36181.72182.0
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