溫度測量控制系統(tǒng)課程設計經典

1、 目 錄1.課題內容2.系統(tǒng)方案論證與選擇3.單元電路設計 3.1 溫度傳感器與 放大模塊 3.2 A/D轉換3.3 單片機 331時鐘顯示 33.2復位電路4、報警電路5、顯示電路 6.結束語7.參考文獻8鳴謝9附錄1.課題內容 【題目】溫度測量控制系統(tǒng)【摘要】隨著現代信息技術的飛速發(fā)展，溫度測量控制系統(tǒng)在工業(yè)、農業(yè)及人們的日常生活中扮演了一個越來越重要的角色。因此，對溫度采集控制系統(tǒng)的設計與研究就具有十分重要的意義。隨著信息領域各種技術的發(fā)展，在數據采集方面的技術也取得了長足的進步，采集數據的信息化是目前社會發(fā)展的主流方向。各種工業(yè)領域都用到了數據采集，在石油勘探、地震數據采集等領域已經得

2、到廣泛應用。隨著測控技術的迅猛發(fā)展，以嵌入式計算機為核心的數據采集系統(tǒng)已經在測控領域中占到了統(tǒng)治地位。數據采集系統(tǒng)是將現場的各種參數如溫度、壓力、頻率等進行采集后送微機進行處理和分析，達到檢測和控制的目的。現代化生產對溫度采集的精度、實時性和采集效率等都有很高的要求，而且有很多測溫現場環(huán)境惡劣，對操作人員現場采集十分不利，這就需要一種能夠自動采集、處理和傳送數據的測溫儀器。同時，為了方便安裝和維護，這類儀器需要具備長期自動穩(wěn)定工作的能力。因此，開發(fā)低功耗的溫度采集系統(tǒng)，對這些應用領域的溫度數據進行測量是非常必要的。在科研實驗、大棚蔬菜種植、各種動物養(yǎng)殖及衛(wèi)生醫(yī)療等場合經常要用到溫度采集系統(tǒng)；以

3、及火災自動報警控制系統(tǒng)、電話室溫采集系統(tǒng)等都有相關的應用?！娟P鍵詞】傳感器、放大器、A/D轉換、單片機、報警器輸出顯示【技術要求】 1.設計一個獨立的兩路的溫度測量控制系統(tǒng)。2.溫度控制在38°C39°C之間，測量精度±01°C。3.要求顯示測量的溫度信號。4.超溫報警。2.系統(tǒng)方案論證與選擇本測量控制系統(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。在本設計中采用硬件控制，硬件控制一般選擇單片機或DSP芯片來實現。由于DSP芯片是以數字信號來處理大量信息的器件，主要應用于數字信號處理領域，非常適合高密度，重復運算及大數據容量的信號處理。現

4、在已經廣泛用于通信、便捷式計算機和便捷式儀表、雷達、圖象、航空、家用電器、醫(yī)療設備等領域，常見的手機、數字電視和數碼相機都離不開DSP。在此控制系統(tǒng)中不需要大量的數據運算，只需要一般的控制，因此，選擇用單片機來實現控制。單片機是集成了CPU、ROM、RAM、和I/O的微型計算機。它有很強的接口性能，非常適合于工業(yè)控制。它與通用不同，它是以工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口等特點出發(fā)，向著增強控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便地構成計算機系統(tǒng)界面接口的方向發(fā)展。系統(tǒng)總方案：3.單元電路設計3.1溫度傳感和放大模塊溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。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多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數變化的有：膨脹、電阻、電容、電動勢、磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等。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結的結電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結的結電壓在溫度每升高1時，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來做PN結溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時間常數為0.22秒，靈敏度高。測溫范圍為-50+150。同型號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數字溫度計是DALLAS公司生產的1Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，線路簡單，十分方便。 DS18B20產品具有以下特點：（1） 只要求一個端口即可實現通信。（2） 在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號。（3） 實際應用中不需要外部任何元器件即可實現測溫。（4） 測量溫度范圍在55到125之間。（5） 數字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。（6） 內部有溫度上、下限告警設置。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。由于它采用內部補償，所以輸出可以從

7、0開始。在上述電壓范圍以內，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有散熱的問題。這么小的電流也使得該芯片在某些應用中特別適合，比如在電池供電的場合中，輸出可以由第三個引腳取出，根本無需校準。 LM35溫度傳感器線性度好，電路簡單?？紤]到各種傳感器的特點、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,可測溫度099.即V=0.01T，運算放大器LM358

8、放大5倍電壓,即V=0.05T.經0809通道0轉化為數字量,因為轉換公式: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,所以轉換公式是t=125X/32,X為數字量.其采集溫度及放大溫度電路圖如下：3.2 AD轉換電路A/D轉換器的功能是在規(guī)定時間內把模擬信號在時刻t的幅度值（電壓值）轉換為一個相應的數字量。由于A/D轉換器輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)的，輸出的數字信號是離散的。所以只能在一系列選定的瞬間進行A/D轉換，這樣既要求對輸入的模擬信號先進行采樣，然后再把這些采樣值轉換為二進制數字進行

9、輸出。因此，一般的A/D轉換過程需要經過采樣、保持、量化和編碼這四個步驟來完成。采樣就是把一個在時間上連續(xù)的信號變換為在時間上的離散的信號。因為每次把采樣得到的電壓值轉換為二進制數字都需要經過一段的時間T，所以在時間T中要保持采樣值的不變，及要求利用保持電路對采樣值經行儲存。數字信號不僅在時間上是離散的，而且在幅度上也是離散的。為了將電壓信號轉換為數字信號，在A/D轉換過程中，還必須將采樣后獲得的輸出電壓按照某種近似方式規(guī)劃到與之相應的離散電平上。這一過程成為數值量化。量化后的數值經過編碼后就可得到相應的數字信號。AD轉換電路采用ADC0809，是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機

10、兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。 ADC0809的內部邏輯結構如圖2-2所示由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。 引腳結構如圖2-3 所示。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量送入轉換器

11、進行轉換。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 處理模塊是整個設計方案的核心，它控制了溫度的采集、處理與顯示、溫度上下限值的設定。單片機采用89C51。AT89系列單片機對于一般用戶來說，有下列明顯的優(yōu)點：內部含有Flash存儲器，在系統(tǒng)開發(fā)過程中很容易修改程序，可以大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間。與MCS-51系列單片機引腳兼容，可以直接進行代換。AT89系列并不對80C31的簡單繼承，功能進一步增強，在我國這種單片機受到廣泛青睞。33.1時鐘顯示單片機內部的振蕩電路是一個高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機內部雖

12、然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。單片機的時鐘產生方式有兩種。 內部時鐘方式。 外部時鐘方式。33.2復位電路單片機的復位是靠外部電路實現的。單片機工作后，只要在它的RST引線上加載高電平，單片機就能夠有效地復位。單片機通常采用上電自動復位和按鍵復位兩種方式。 圖2 單片機的2種復位電路單片機仿真引腳圖：4.報警電路 音頻電路我們要求的溫度在一定的范圍內為安全溫度，我們設置的溫度界限范圍為 3839，當測量值在正常范圍內時，程序控制P2.3輸出低電平，音頻信號不發(fā)聲，當達到一定的上界或者下界時，報警電路開始工作，P2.3同時為高電平，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、可知道被測量器件工作是否正常。 其電路圖如下：5.顯示電路 在單片機應用系統(tǒng)中，如果需要顯示的內容只有數碼和某些字母，使用LED數碼管是一種較好的選擇。LED數碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。 LED數碼管是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數碼型顯示器件。圖8為0.5英尺LED數碼管的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管分別對應ag筆段構成“”字形另一只發(fā)光二極管Dp作為小數點。因此這種LED顯示器稱為七段數碼管或八段數碼管。 圖11 LED數碼管 當LED數碼管與單片機相連時，一般將LED數碼管的各筆段引腳a、b、g、Dp按某一順序接到MCS51型單片機某一個并行I/O口D0、

14、D1、D7，當該I/O口輸出某一特定數據時，就能使LED數碼管顯示出某個字符。LED數碼管編碼方式有多種，按小數點計否可分為七段碼和八段碼；按共陰共陽可分為共陰字段碼和共陽字段碼，不計小數點的共陰字段碼與共陽字段碼互為反碼；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為共陰極和共陽極LED數碼管幾種八段編碼表。共陰順序小數點暗共陰逆序小數點暗共陽順序小數點亮共陽順序小數點暗Dp g f e d c b a16進制a b c d e f g Dp16進制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 共陰極和共陽極LED數碼管幾種八段編碼顯示電路仿真圖： 圖12 顯示電路6.結束語這次課程設計我選擇了溫度測量與控制這一題目，感到這個題目綜合性強，應用廣，對設計者的要求也較高，因此，碰到的難度也較大，但本著求知與實踐應用的精神，我最終將這個題目的大概框架整理出來，其中有許多不盡人意之處及不理想的地方還很多，這也是我今后學習的方向和動力。本次設計

17、中，我主要負責數字顯示與溫度范圍控制模塊中的譯碼顯示、聲光報警與溫度控制執(zhí)行模塊，顯示電路是這次設計中花力氣最大的環(huán)節(jié)，它首先需要將模擬量轉化為數字量，再將其變?yōu)?421BCD碼，這一過程實現有很多方法，如利用單片機等，然后就可以用數碼管顯示了?？刂齐娐返膶崿F方法也有很多種，設計中也擬定了兩種方法，他們之間的優(yōu)劣也有表述，關鍵是我從中了解了相關控制的多種方法，為今后設計控制電路做足準備。在這次的設計模塊中我們還引入了溫度控制執(zhí)行模塊，完善了整個模塊的功能。最后，通過這次課程設計讓我獲益良多。另外，本次設計這個題目和我“挑戰(zhàn)杯”所選的題目有很大的相似之處，很多環(huán)節(jié)都可以用單片機實現，我們在“挑戰(zhàn)

18、杯”中選用單片機來完成設計功能，而這次的課程設計讓我從另一個方向完成了這個設計，對我的思路有了很大的拓展。從中我認識到了各課程學習的重要與應用之處，為今后學習指明方向，也大大的提高的系統(tǒng)學習電子技術的興趣。同時，在設計中我嘗試使用了Multisim 10.0軟件，發(fā)現了這個軟件的強大，做了很多測試以及仿真，在仿真過程中不斷修改和完善電路，雖然這個過程經歷的時間很長，而且也有很多困難，但是強化了對已學知識的理解，較為熟練的學會了該軟件的應用，為我今后設計及學習和電路設計提供了有效的工具。這次的課程設計讓我明白了動手實踐的重要性，加深了我對理論知識的理解，并且提高了我的綜合能力，收獲很大。7.參考文獻1劉暢生等.傳感器簡明手冊及應用電路-溫度傳感器.西安電子科技大學出版社.2006.2王振紅等.綜合電子設計與實踐.清華大學出版