课程设计-智能温度控制与显示系统.doc

智能温度采集和显示系统设计摘 要 随着社会的进步和工业技术的发展,人们越来越重视温度因素,许多产品 对温度范围要求严格,同时还有温度信息传递不及时,精度不够的缺点,不利于工业控制者根据温度 变化及时做出决定.本课题以 at89c51 单片机系统为核心,能对多点的温度进行实时巡检系统整体目标本系统的实现目标: 反应罐温度允许范围：101199。且已知：温度传感器的灵敏度均为10mv/1，并且温度为0时，传感器的输出电压为0v，工作电压为5v。1 测量反应罐温度：测量误差0.5，显示精度1。2 系统具有自动零点校正和自动增益校正功能，3 测得的温度用led显示出来4上下限报警温度可以改变5 如果温度低于下限或高于上限1，立即声光报警。1.系统硬件组成1.1 稳压电源的设计 电源变压器是将交流电网 220v 的电压变为所需要的电压值. 稳压电源一般由变压器,整流器和稳压器三大部分组成.变压器把市电交 流电压变为所需要的低压交流电.整流器把交流电变为直流电.经滤波后,稳 压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出.原理图如1.1图，图一，5v电源原理图2.2 温度信号的获取与放大2.2.1 温度传感器选用细则现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的,测量对 象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问 题.当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了. 测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理.灵敏度的选择 ：通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好.因为只有 灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理. 但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也 会被放大系统放大,影响测量精度.因此,要求传感器本身应具有较高的信噪 比,尽员减少从外界引入的串扰信号 线性范围： 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围.以理论上讲,在此范围 内,灵敏度保持定值.传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一 定的测量精度.在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是 否满足要求.但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相 对的.当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的 传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便.2.2.2 温度信号获取与放大电路本设计要检测温度范围 101199,可选用的常用温度传感器有集成温度 传感器,热电偶,热电阻等. 集成温度传感器(如 ad590,ds1820 等)使用方便,信号易于调理,我们选择铂电阻 pt100 作为传感器. 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行 温度测量的.所以通常将其放在电桥桥臂上,温度变化时,热电阻两端的电压 信号被送到仪器放大器 ad620 的输入端,经过仪器放大器放大后的电压输出送 给 a/d 转换芯片, 从而把热电阻的阻值转换成数字量. 电路原理图如图二对信号放大,我们使用了低价格,高精度的仪器放大器 ad620,它运用方 便,可以通过外接电阻方便的进行各种增益(1-1000)的调整.其增益计算公 式为:增益计算公式有ad检测到的模拟电压温度值2.3 模数转换单元 2.3.1 12位串行a/d转换器max187 max187 是美信公司推出的 12 位 a/d 转换芯片, 内部含有采样/保持电路, 单 5v 操作电源,转换速度为 8.5s,具有片上 4.096 v 参考电压,模拟量输入 范围为 0vbef.三线串行接口,兼容 spi,qspi,microwire 总线.2.3.2模数转换单元电路的设计 a/d 转换的好与坏直接关系到整个系统的精确度. 由于本系统测量的是温度信号,响应时间长,滞后大,不要求快速转换, 因此选用12位串行admax187.max187具有12位的分辨力,其基准电压 为4.096v,故最小分辨电压为 17 4.096 = 0.001v 212 能分辨的最小温度变化为 400 0.001v = 0.0976c 212 能达到设计的基本要求.电路原理图如图三，图三 模数转换电路2.4 通信模块设计2.4.1 rs-485接口简介在自动化领域,随着分布式控制系统的发展,迫切需要一种总线能适合远 距离的数字通信.在rs-422标准的基础上,eia研究出了一种支持多节点,远距 离和接收高灵敏度的rs-485总线标准.2.4.2 电路设计由于单片机串行口输出的是ttl电平,要想实现多机通讯,必须要将其转 换成常用的串行通信总线标准接口电平,如rs-232或rs-485.2.5 led 显示模块的设计 2.5.1 led 显示模块显示系统是单片机控制系统的重要组成部分,主要用于显示各种参数的值,以 便使现场工作人员能够及时掌握生产过程. 工业控制系统中常用的显示器件有 crt,led,lcd 等.crt 不仅可以进 行字符显示,而且可以进行画面显示,和计算机配合使用,可十分方便地实现 生产过程的管理和监视.但由于 crt 体积大,价格昂贵,所以只适用于大型微 机控制系统.在中小型的控制过程中,为了使工作人员能够在现场直接看到生 产情况和报警信号,经常选用 led 和 lcd 作为显示器件.led 和 lcd 都具有 体积小,功耗低,响应速度快,易于匹配,可靠性高和寿命高等优点.lcd 是 一种功耗极低的显示元件,在仪表和低功耗应用系统中的使用较多,而 led 成 本低廉,培植灵活,多用于单片机控制系统中,所以选用 led 显示. 2.5.2 led显示电路设计led 的显示份静态显示方式和动态显示方式 在静态显示方式下,n 块显示器件都处于选通状态;每一块显示器件的段 选线和一个 8 位的并行口相连,只要控制显示位的段选码,就可显示出相应的 字幅.由于显示器件由不同的 i/o 控制,所以静态显示方式中的每一位都可以 独立显示,在同一时刻每一位显示的字符可以各不相同. led 动态显示就是将所有显示位的段选线并联在一起,有一个 8 位 i/o 口 控制,而位选线则有其他的 i/o 口控制,通过程序控制,不断循环输出相应的 段选码和位选码,由于人的视觉暂留效应,就可以获得视觉稳定的显示状态. 本设计选用的是串行口动态扫描显示,其电路图如 4-2 所示. 29 图 4-2 串行动态 led 扫描电路 图 4-2 是电原理图, 采用 mcs-8051 单片机, 同时用廉价易得的 74ls164 和 74ls138 作为扩展芯片.74ls164 是一个 8 位串入并出的移位寄存器,其 此处的功能是将 c2051 串行通信口输出的串行数据译码并在其并口线上输出, 从而驱动 led 数码管.74ls138 是一个 3-8 译码器,它将单片机输出的地址信 号译码后动态驱动相应的 led.但 74ls138 电流驱动能力较小,为此,使用了 未级驱动三极管 2sa1015 作为地址驱动. 本设计选用的是串行口动态扫描显示,其电路图如 图四所示2.6单片机控制电路1 时钟产生产生和复位电路 片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路,cpu 的所有操作均在时钟 脉冲同步下进行.时钟产生电路 xtal1 和 xtal2 ，原理图如图五， 2. 声光报警电路 温度检测系统多有声光报警功能,当检测温度超过上下限时,进行声光 提示.本系统在从机和主机部分均设计了报警电路.各从机的报警上下限由主 机预置,从机实时监测的过程中,一旦发现检测温度值连续超出阈值范围,便 启动自身报警电路,同时向主控机发送报警信号.报警电路原理如下所示: 图六 声光报警电路3. 数据存储和时钟电路 主控机主要负责控制从机,包括设置从机信息和收集从机检测信号,然后 将收集到的数据进行存储,分析,显示,并能根据用户设置的报警阈值进行声 光报警.这部分的硬件电路设计除了键盘,液晶等常规外设外,增加了一片 24c04 用来保存温度数据,另外,增加了一片日历时钟芯片 pcf8563. 24c04 是基于 i2c 总线的串行 e2prom,存储容量 512 个字节,它占用单 片机资源很少,仅占用了两根 i/o 线,数据一旦写入可保存 100 年,避免了普 通 ram 掉电保护的麻烦,非常适合于各类仪器仪表和控制装置的参数保存. 主控机每个整点收集一次数据,并将数据保存到 e2prom.每个温度数据 占用 2 个字节,这样,我们设计共保存 24 组历史数据,占用 192 个字节.当存 37 满 24 组数据后,整点再次接收数据时,将最早保存的数据删除,其他数据依次 前移为新数据空出位置. pcf8563 是低功耗的 cmos 实时时钟/日历芯片, 它提供一个可编程时钟输 出,一个中断输出和掉电检测器,所有的地址和数据通过 i2c 总线串行传递. 这两部分电路设计原理图如下: 图 2-17 数据存储和时钟芯片电路 38 数据存储与时钟芯片原理图3 软件设计 3.1 程序设计语言与软件开发环境3.1.2 系统软件开发环境与以往的 80c51 单片机不同,at89c51 具有在线调试和下载功能,它由支持 at89c51 的开发工具包 keil uversion2.0 开发系统来提供.也就是说,在用户系 统保留 at89c51 的情况下,通过开发系统与 at89c51 的串行接口通信,直接 39 对用户系统进行调试, 并在调试完成后将调试好的程序下载到 at89c51 中. keil uversion2.0 开发系统提供四项功能:编译,下载,调试和模拟,分别由 keil uversion2.0 提供的编译器,在线串行下载器,调试器和模拟器来实现.keil uversion2.0 编译器可在 windows 操作系统下直接使用,编译汇编源程序,并生 成 16 进制文件和列表文件.串行下载器是一个软件程序,它允许通过标准 pc 机上的串口串行下载汇编程序到片内 8kb 的闪速程序存储器中.调试器采用 windows 系统, 允许用户使用 at89c51 的 uart 串行接口在芯片上调试代码执 行.在典型调试对话中,调试器提供对片内所有外围设备的访问,单步和设置 断点的代码执行控制方式.模拟器采用 windows 系统,能完全模拟 at89c51 的所有功能.模拟器使用简单,结合了许多标准调试特征,包括多断点,单步 以及代码执行跟踪等能力. 3.2 软件程序设计 3.2.1 程序流程程序主要由主控机程序和从机程序两部分构成. 主程序主要实现系统的初始化,显示数据,设定从机相关信息及通信的处 理. 系统的初始化包括寄存器的初始化(控制寄存器,堆栈,中断寄存器等) , 通信的初始化(串口的初始化,max485 的初始化,通信缓冲区的初始化) ,液 晶的初始化,输出端口的初始化,采集,累计数据的初始化. 显示数据包括数据转换(主要实现将各类参数,测量数据,计算累计值等 转换成液晶显示所需的数据类型)和显示屏的刷新(包括刷新采集数据屏和根 据按下的键更改显示屏) . 通信的处理主要针对主空机与从机的信息交换与处理. 主程序流程图如 下: 从机程序主要由温度信号采集程序和响应主机命令程序. 对温度信号的采集采用求均值技术来提高精度,累计采样 160 次,求均值 并判断是否超过规定的阈值.流程图如下: 从机响应主机程序实际上是一个中断处理程序. 从机在工作过程中,检测到主机发送来的命令时,将停止温度信号采集程 序,转而去响应主机的请求.主机命令或请求有以下四种:报警查询,设置从 机时间,设置报警阈值和巡检温度. 当不满足查询条件时,从机将自动开中断,继续采集温度信号. 放弃此次采样循环,关中断保护现场 读 sbuf 数据 判断是否为 报警查询 检验地址是否 为本机地址 是 读 命 令 字 开 中 断 返 回 是 回 复 主 机 否 开 中 断 返 回 否 检查是否需 要报警 命令字校验 根据主 机发送 数据配 置时 间 向主机 发送检 测温度 值 根 据 主机 发 送 数 据配 置 报警阈 值 开中断,返回 从机响应主机流程图功能键处理处理程序都将在主控机程序中执行. 3.2.2 模拟量的采集与处理数据采集与处理是把实际过程的模拟量,开关量以及其它信息量通过相关 的方式送入计算机,再由计算机进行存储和进一步处理(如计算,显示,控制 等) .其中,模拟量采集与处理最为重要,它的算法复杂.模拟量采集算法模块 特指将第 4 抗干扰设计与误差分析 4.1 抗干扰设计为提高单片机本身的可靠性.近年来单片机的制造商在单片机设计上采取 了一系列措施以期提高可靠性. 4.1.1 抗干扰技术主要体现 1. 降低外时钟频率 外时钟是高频的噪声源,除能引起对本应用系统的干扰之外,还可能产生 对外界的干扰,使电磁兼容检测不能达标.在对系统可靠性要求很高的应用系 统中,选用频率低的单片机是降低系统噪声的原则之一.以 8051 单片机为例, 最短指令周期 1s 时,外时钟是 12mhz.而同样速度的 motorola 单片机系统 时钟只需 4mhz,更适合用于工控系统.近年来,一些生产 8051 兼容单片机的 厂商也采用了一些新技术,在不牺牲运算速度的前提下将对外时钟的需求降至 原来的 1/3.而 motorola 单片机在新推出的 68hc08 系列以及其 16/32 位单片机 中普遍采用了内部琐相环技术,将外部时钟频率降至 32khz,而内部总线速度 却提高到 8mhz 乃至更高. 2. 时钟监测电路,看门狗技术与低电压复位 监测系统时钟, 当发现系统时钟停振时产生系统复位信号以恢复系统时钟, 是单片机提高系统可靠性的措施之一.而时钟监控有效与省电指令 stop 是一 对矛盾.只能使用其中之一. 看门狗技术是监测应用程序中的一段定时中断服务程序的运行状况,当这 段程序不工作时判断为系统故障,从而产生系统复位. 低电压复位技术是监测单片机电源电压,当电压低于某一值时产生复位信 号.由于单片机技术的发展,单片机本身对电源电压范围的要求越来越宽.电 源电压从当初的 5v 降至 3.3v 并继续下降到 2.7v,2.2v,1.8v.在是否使用低 电压复位功能时应根据具体应用情况权衡一下. 3. eft 技术 新近推出的 motorola m68hc08 系列单片机采用 eft 技术进一步提高了单 片机的抗干扰能力.当振荡电路的正弦波信号受到外界干扰时,其波形上会叠 46 加一些毛刺.以施密特电路对其整形时,这种毛刺会成为触发信号干扰正常的 时钟信号.交替使用施密特电路和 rc 滤波可以使这类毛刺不起作用,这就是 eft 技术. 随着 vlsi 技术的不断发展, 电路内部的抗干扰技术也在不断发展之 中. 4.1.2 用于单片机系统的干扰抑制元件 1. 去耦电容 每个集成电路的电源,地之间应配置一个去耦电容,它可以滤掉来自电源 的高频噪声.作为储能元件,它吸收或提供该集成电路内部三极管导通,截止 引起的电流变化(di/dt),从而降低系统噪声.要选高频特性好的独石电容或瓷片 电容作去耦电容.每块印制电路板电源引入的地方要安放一只大容量的储能电 容.由于电解电容的缠绕式结构,其分布电感较大,对滤除高频干扰信号几乎 不起作用.使用时要与去耦电容成对使用.钽电容则比电解电容效果更好. 2. 自恢复保险丝 这是用一种新型高分子聚合材料制成的器件,当电流低于其额定值时,它 的直流电阻只有零点几欧.而电流大到一定程度,它的阻值迅速升高,引起发 热,而越热电阻越大,从而阻断电源电流.当温度降下来以后能自动恢复正常. 这种器件可防止 cmos 器件在遇到强冲击型干扰时引起所谓可控硅触发现 象. 这种现象指集成电路硅片的基体变得导通, 从而引起电流增大, 导致 cmos 集成电路发热乃至烧毁. 3. 防雷击器件 室外使用的单片机系统或电源线,信号线从室外架空引入室内的,要考虑 系统的防雷击问题.常用的防雷击器件有:气体放电管 tvs 等,气体放电管是 当电源电压大于某一值时,通常为数十伏或数百伏,气体击穿放电,将电源线 上强冲击脉冲导入大地,tvs 可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当 电两端电压高于某一额定值时导通.其特点是可以瞬态通过数百乃至上千安培 的电流.这类元器件要和抗共模和抗差模干扰的电感配合使用以提高抗干扰效 果. 4.1.3 提高单片机系统抗干扰能力的主要手段 1. 接地 这里的接地指接大地,也称作保护地.为单片机系统提供良好的地线,对 提高系统的抗干扰能力极为有益.特别是对有防雷击要求的系统,良好的接地 至关重要.上面提到的一系列抗干扰元件,意在将雷击,浪涌式干扰以及快脉 47 冲群干扰去除,而去除的方法都是将干扰引入大地,如果系统不接地,或虽有 地线但接地电阻过大,则这些元件都不能发挥作用.为单片机供电的电源的地 俗称逻辑地,它们和大地的地的关系可以相通,浮空,或接一电阻,要视应用 场合而定.不能把地线随便接在暖气管子上.绝对不能把接地线与动力线的火 线,零线中的零线混淆. 2. 隔离与屏蔽 典型的信号隔离是光电隔离.使用光电隔离器件将单片机的输入输出隔离 开,一方面使干扰信号不得进入单片机系统,另一方面单片机系统本身的噪声 也不会以传导的方式传播出去.屏蔽则是用来隔离空间辐射的,对噪声特别大 的部件,如开关电源,用金属盒罩起来,可减少噪声源对单片机系统的干扰. 对特别怕干扰的模拟电路,如高灵敏度的弱信号放大电路可屏蔽起来.而重要 的是金属屏蔽本身必须接真正的地. 3. 滤波 滤波指各类信号按频率特性分类并控制它们的方向.常用的有各种低通滤 波器,高通滤波器,带通滤波器.低通滤波器用在接入的交流电源线上,旨在 让 50 周的交流电顺利通过,将其它高频噪声导入大地.低通滤波器的配置指标 是插入损耗,选择的低通滤波器插入损耗过低起不到抑制噪声的作用,而过高 的插入损耗会导致漏电 ,影响系统的人身安全性.高通,带通滤波器则应根 据系统中对信号的处理要求选择使用. 印制电路板的设计对单片机系统能否抗干扰非常重要.要本着尽量控制噪 声源,尽量减小噪声的传播与耦合,尽量减小噪声的吸收这三大原则设计印制 电路板和布线.当你设计单片机用印制电路板时,不仿对照下面的条条检查一 下. 印制电路板要合理区分, 单片机系统通常可分三区, 即模拟电路区(怕干扰), 数字电路区(即怕干扰,又产生干扰),功率驱动区(干扰源) . 印刷板按单点接电源,单点接地原则送电.三个区域的电源线,地线由该 点分三路引出.噪声元件与非噪声元件要离得远一些. 使