基于单片机的温度巡检装置设计方案

1 基于单片机的温度巡检装置设计方案 第 1 章 概述 温度巡检仪发展背景 随着现代科学技术的发展，在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、 流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。尤其在冶金工业、化工生产、电力 工程、造纸行业、机械制造和食品加工领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理 炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测与控制。但在实际生产过程中，温度的测量环 境恶劣，常伴有巨大的撞击力或高温气体的高速流动，测量技术难度非常大。由于 许多工业产品对温度范围要求非常严格，因为对温度的控制好坏直接会 影响到产品 质量的高低。因此，在工农业生产中，对温度不仅要不断地测量，而且还要进行控 制。特别是遇到温度超过预设值时，系统会进行报警。 在温度巡检仪没有普及运用之前，温度计测温被人们运用在大多数温度测量场 合。由于其本身的结构和功能所限，它只能对一些要求精度不高的地方进行较粗略 检测，然而需要严格控温的场合则没有办法检测，最终影响到了生产效率及效率。 所以，温度计在工业上的应用必将由温度巡检仪替代。 但是，就目前市场上看，销售的大都是单路测量的温度检测仪器，其存在温度 信息传递不及时、精度不够等缺点，不利于 工业控制者根据温度变化及时做出决定。 在这样的市场需求背景下，采用一种效率和自动化水平更高、更新的测量手段，是 温度测控系统的发展趋势。 温度巡检装置工作原理 八路温度巡检仪首先要进行数据采集就是将一般的物理量通过传感器转换成模拟量，在经过 A/细来说就是能监测并采集多路的温度信号，通过温度传感器将温度转换成电压信号输出电压，A/而得到与温度信号具有一定关系的数字量，单片机采集这些数字信号，进行一定的信号调理、软件算法、以 及标度变换，从而得到一定量的温度值，再将这一温度值通过显示的方式显示出来，然后通过按键或定时的控制实现巡检，就得到了一个八路温度巡检仪的系统。 2 本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。 目的是对工业生产的温度传感与温度控制进行模拟实验，学习单片机用于工业生产的温度传感与温度控制技术的方法。 本毕业设计介绍了温度计的测量和控制之间的关系：检测是控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无 从实现控制的精度要求。不仅如此，检测还涉及国计民生各个部门，可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。目前的温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围 、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。 计要求与任务 计要求： 检测 8 个点的温度，温度范围： 50 120； 采用 环显示检测的 8 路温度值； 通过按键自由设定温度报警们限值，当温度超过门限值时，系统发出声、光报警； 实现与上位机串行通信。 计任务： 温度测量原理及温度 传感器选型； 温度巡检装置硬件设计、仿真； 温度巡检装置软件设计及调试。 3 第 2 章 系统设计方案 统组成及工作原理 统组成 在系统方案设计中，主要以选择测温电路的方案为主，测温电路的方案选择可以直接的影响到测得温度值的准确性和要求达到的精度问题，测温电路要求能把环境温度通过传感器把温度信号转换为我们所需要的电压信号或电流信号，把得到相应的电信号送入 A/过 A/通过单片机的控制和程序的处理最后得到准确的温度值，实现温度的检测。所以在测温电路中我们进行了 认真的分析和最后方案的确定。如下框图所示： 作原理 八路温度巡检仪首先要进行数据采集就是将一般的物理量通过传感器转换成模拟量，在经过 A/D 转换电路转换为数字量供给 行处理。详细来说就是能监测并采集多路的温度信号，通过温度传感器将温度转换成电压信号输出电压， A/D 转换芯片将模拟量转换成数字量，从而得到与温度信号具有一定关系的数字量，单片机采集这些数字信号，进行一定的信号调理、软件算法、以及标度变换，从而得到一定量的温度值，再将这一温度值通过显示的方式显示出来，然后通过按键或定时的控制 实现巡检，就得到了一个八路温度巡检仪的系统。 案的选择 根据设计内容，提出三种设计方案： 方案一： 采用 片机作为系统控制核心， 其片内自带 8小的 写进去的 件大小最大能达到 20右。信号采集 4 电路选择的是八 个含有 电桥电路， 可以采集八个点的温度值； 而选择的 数转换元 件内含差放电路，所以采集到的模拟信号可以直接输送给 行处理。对于 八个点传输过来的模拟信号，要通过八选一数据选择器进行选择，即每个模拟信号 对应一个通道，此八选一数据选择器选用 显示单元中，选择五位数 码管分别显示通道号、正负号、温度值；而在控制单元中，需要通过按键控制单通 道温度查询和显示的过程。整个系统中，单片机晶振选用 12时钟 线要接到单片机的 ，以便产生 2时钟。单片机的 为数码管的段 码， 为位选。 A/D 数据输入端，采用串行通信方式 0 进行数据的读入。 方案二：单片机依然选用 为系 统控制核心，而 片机也 是 可 以选 用的 。信 号采 集 电路 是选 用八 个并 接 于单 线总 线的 数字 温 度传 感 器 行八个点的温度采集，它可以不通过放大整形和模数转换电路而直接接 在单片机上。显示单元中选用液晶显示器 制单元与方案一中相同。 方案三：单片机选用 号采集电路与方案一中相同。但在此方案中， 信号放大电路选用 算放大器，使输出电压上限可以达到电源电压，而下 限可以达到 0V。 同时， 加入滤波电容对影响信号采集的空气中的高频信号进行过滤。 模数转换电路选用 片，对模拟信号进行处理。控制单元与方案一相同。 对比观察上述三种方案，方案一中铂热电阻（ 度传感器具有精度高， 测温范围广，一般可测 650，在工业测温上应用广泛，而且可以通过引线 将铂电阻置于需要测量温度的环境中，满足不同点不同温度测量的需求。同时， 决了对采集到的模拟信号进行放大和数字处理， 而不需要另外增加信号放 大滤波电路。 方案二中，所用到的数字温度传感器性能较强， 价格上比 宜很多。而且 电路搭构简单易行，节约了许多外围电路空间。 示功能强大，但没有数 码管显示快捷方便。 方案三比方案一在信号放大和模数转换两个单元中有所不同，其电路设计比方 案一繁琐。 综合考虑，最终选择方案一。方案二有其优势所在，但在工业测温中，方案一 应用面更宽广，经济价值更高，比方案二有更广泛的市场需求和更好的发展前景。 5 第 3 章 系统的硬件设计 件总体设计 系统单元电路的设计分为以下 5 个部分 : 1、温度传感模块； 2、单片机控制模块； 3、 示模块； 4、二极管及蜂鸣器报警模块； 5、 输模块 度传感模块 温度传感模块主要的器件就是数字温度传感器，它对被控温度进行采样，传输给控制器。根据设计要求（温度测量范围 50 120），所以 本课题设计采用的是数字温度传感器 字温度传感器 术性能描述 1. 独特的单线接口方式， 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 双向通讯。 2 测温范围 55 125 ，固有测温分辨率 。 3 支持多点组网功能，多个 以并联在唯一的三线上，最多只能并联 8 个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温 4 工作电源 : 35V/ 在使用中不需要任何外围元件 6 测量结果以 912 位数字量方式串行传送 的内部结构如图 3要包括：寄生电源、温度传感器、 64位激光 单总线接口、存放中间数据的高速暂存器 于存储用户设定温度上下限值的 储与控制逻辑、 8位循环冗余校验码 (生器等七部分。 6 图 3部结构框图 通信协议 数字式温度传感器和模拟传感器最大的区别，是将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。因此掌握 有的 保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲；写“ 0”、写“ 1”时隙；读“ 0”、和读“ 1”时隙。与 通过操作时隙完成单总线上的数据传输。发送所有的命令和数据时，都是字节的低位在前，高位在后。每个通信周期起始于微控制器发出的复位脉冲，其后紧跟 写时隙期间，主机向 在读时隙期间，主机读入来自 每一个时隙总线只能传输 一位数据。 当主机将单总线 空闲状态 )拉为逻辑低时，即启动一个写时隙。所有的写时隙必须在 20p 在每个循环之间至少需要 1写 0时隙期间，微控制器在整个时隙中将总线拉低；而写 1时隙期间，微控制器将总线拉低，然后在时隙起始后 15p 片机控制模块 单片机控制模块的核心是 片， 单片机 执行器模块输出高、低电平实现温度控制，并且，可以把传感器的采样温度值显示在数码管上 。 片 简介 单片机是一种集成在 电路 芯片，是采用 超大规模集成电路 技术把具有数据处理能力的中央处理器 机存储器 只读存储器 种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器 等功能（可能还包括显示驱动电路、 脉宽调制 电路、 模拟 7 多路转换器、 A/D 转换器 等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的 计算机系统。 今后单片机的发展趋势，将是进一步向多功能、高性能 、 低电压、低功耗、低价格、存储容量扩大和增强 I/低电压，高性能 称单片机。单片机的 可擦除只读存储器可以反复擦除 1000次。 在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。 该器件采用 工业标准的 于将多功能 8位 种灵活性高且价廉的方案。 0个引脚， 与 容 ， 4进行 1000写 /擦循环 ， 数据 可 保留 10年 ， 全静态工作 频率 0 三级程序存储器锁定 ， 128 32个双向输入 可编程 I/两个 16位定时器 /计数 ， 5个中断源 ，以及 可编程串行通道 ， 低功耗的闲置和掉电模式 ， 片内振荡器和时钟电路 。 另外， 降至 0态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模式下， 许 时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， 荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 其接线图如 3 3所示： 8 图 3接线图 口通信模块 由于单片机输出的电压为 0 5V 的直流电压， 读取的电压为 +15V，所以 与单片机之间的通信需要电平转换。本设计采用 片的和单片机串行通信接口电路。 与单片机之间可以由 接 口相连，在 用它可以实现异步串行通信。该适配器的核心元件是可编程的 250芯片，它使 片机本身具有一个全双工的串行口，因此只要配以电平转换的驱动电路、隔离电路就可组成一个简单可行的通信接口。同样， 和单片机之间的通信也分为双机通信和多机通信。 和单片机最简单的连接是零调制三线经济型。这是进行全双工通信所必须的最少线路。因为 片机输入、输出电平为 平，而 配置的是 准接口，二者的电气规范不同，所以要加电平转换电路。常用的有 图 3出了采用 片的 和单片机串行通信接口电路 ,与 相连采用 9 芯标准插座。 9 1 2 3 4i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 4- M a y - 20 0 5 S he e t o f F i l e : G : P R O T E L 图 C H A N G Y U A N B D r a w n B y:162738495D R S 23 2D B 9R 1 I I I I O U O U O U O U +1C 1 +4C 2 X 2 32 C P E ( 1 6) 1 u 1 u 1 u 1 u 1 u 3串行通信接口电路 232用最多的一种异步通信总线标准，它是美国电子工业协会（ 1962年公布的， 1969年最后一次修订而成。其中 232是标准的标识号， 232s）规定为 19200， 9600， 4800，2400， 600， 300， 150， 110， 75， 50。 232232是在 此，不能和 用时必须加上适当的接口电路，否则将使 一点使用时要特别注意。 在本系统中， 232用三线连接法，这是一种简单的 232需 2、 3交叉连接线以及信号地线。 本系统使用的 232是 9针的接口，它所使用的是标准的 以它是与电平转换芯片相接的。 片是美信公司专门为电脑的 准串口设计的接口电路 ,使用 +5v 单电源供电。 它的内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。由 1、 2、 3、 4、 5、 6 脚和 4 只电容构成。功能是产生 +12v 和 个电源，提供给 口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（ 12 脚（ 11 脚（ 14 脚（ 第一数据通道。 8 脚（ 9 脚（ 10 脚（ 7 脚（ 第二数 10 据通道。（本设计用的是第二数据通道） 112出。电脑的 头有两个 道，而我们用来作写频器就只需一个通道就行啦。所以一通道的 11、 12、 13、 14 脚就全空脚啦。我们只用了第二通道的 4 只脚。 第三部分就是供电： 15 脚 16 脚 +5v）。其实美信公司生产的用于口的芯片有好多好多。有各种各样的封装，有只有一个通道的，也有多通道的，有底耗电的，也有耐 15压的。其中 用 +3v 电源、+护、而且省去了电荷泵的 4 只电容。 码管显示模块 数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。例如：共阳极数码管在应用时应将公共极 5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。数码管要正常显示，就要用 驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。动态显示驱动是利用人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，但动态显示能够节省大量的 I/且功耗更低。因此，本系统采用了数码管动态显示。 11 第 4 章 主程序的软件结构 本系统软件的主程序主要是不断地进行 温度读取，温度处理，温度显示，温度比较，采用遥控器来实现报警温度的设置，测量点的实时温度显示。主程序设计采用模块化设计方法，主要模块由系统初始化，计数器初始化模块，遥控器模块，温度读取模块，显示模块，掉电保护模块，温度处理模块及温度报警模块组成。 系统初始化模块主要是对系统的初始化，实现 18初始化，定时器初始化。 计数器初始化模块对定时器 初始化， 要用于蜂鸣器报警，要用于遥控器的扫描程序。 遥控器扫描模块是通过扫描输出判断是哪一个键按下，该模块主要完成报警温度设置，温度选择显示 。 温度读取模块主要由 18行温度测量和温度转换。 温度显示模块主要显示实时温度和设置温度显示。 温度比较模块主要是实时温度和设置温度的比较，实现报警。 程序结构图 12 开 始T 0 、 T 1 初 始化按 键 按 下选 择 显 示 键 按 下设 置 报 警 键 按 下设 置 报 警 温度显 示 设 置 报警 温 度保 存 设 置 温度设 置 完 成切 换 传 感 器温 度 显 示指 示 灯 亮 读 取 温 度数 据 处 理温 度 显 示温 度 比 较高 于 或 低 于 设 定 温 度报 警 二 极 管 亮 且蜂 鸣 器 响程序流程图 程序清单： 13 # /八路通道地址端口 /用关键字宏定义，其效率高 32; P=; /*内存单元定义 */ /节省内存单元 0=0 /0码译码数组 =0 /4 位列扫描控制字0=0 /8 个通道 据内存单元 =0 =0 /4 个显 示单元和 1 个数据存储单元 /*延时 1数 */ /减运算以节省代码存储空间 t) i,j; i=t;i0;j=120;j0; /*对八位数据进行倒序处理函数 */ i, /取要转换数据最底位 i=0;i=1; /数据的第二位移到最底位 ( /*向 一个字节