多路温度采集与显示系统的仿真设计—毕业设计.doc

分类号 密级 u d c 编号 本科毕业论文(设计) 题目题目 多路温度采集与显示系统的仿真设计多路温度采集与显示系统的仿真设计 系 别 继续教育学院继续教育学院 专 业 名称 光机电一体化工程光机电一体化工程 年 级 20072007 级级 姓名 龙文哲龙文哲 学 号 017607203501017607203501 指导教师姓 名 王骐王骐 二二 0 一一 0 年十一月年十一月 摘要：摘要：在工业控制领域中，温度是一个十分重要的参考量，准确而实时的控制温度 对于我们的工作有事半功倍的效果。而在一些传统的温度测控系统中，存在着数据 显示方式单一、数据无法长期存储、调用以及系统接口过于复杂的问题，寻求这些 问题的解决方案成为当前研究的焦点。 近年来单线多点数字化测量技术的发展使温度检测技术实现了快速、可靠、低 成本、数字化与网络化。新型的温度采集系统能采用新型单线智能化温度传感器， 能以数字形式直接输出被测点温度值，具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、 成本低、能远程传输数据等优点。 关键词：关键词：温度 单线多点数字化测量技术 温度测控系统 abstract: in industrial control field, temperature, is a very important reference quantity, accurate and real-time control temperature to our work has twice the result with half the effort. and in some of the traditional temperature measurement and control system, there exist data shows a single pattern, long- term storage, data cannot be invoked and system interface is too complex problems, seek the solution to these problems become the research focus. in recent years, its capital digital measuring technology development make temperature detection technology to achieve the fast, reliable, low cost, digital and networked. new temperature gathering system can adopt new singleline intelligent temperature sensor can in digital form directly by measuring the output value and with temperature measurement error of small, high resolution, strong anti-jamming capability, key word:temperature measurement techniques its capital digital temperature measurement and control system 目目 录录 1.1.引言引言1 2.2.多路温度采集与显示系统的原理与设计方案多路温度采集与显示系统的原理与设计方案1 2.1 系统的原理 1 2.2 系统的设计方案 2 3.3.主控模块主控模块4 3.1 8051 单片机的特点及引脚4 3.2 8051 芯片的引脚4 3.3 8051 单片机的扩展及系统电路5 4.4.信号输入通道与温度数据采集模块信号输入通道与温度数据采集模块7 4.1 a/d 芯片的选用及说明.8 4.2 信号采集模块 .11 5.5.显示系统、显示系统、报警系统及键盘控制报警系统及键盘控制.12 5.1 显示系统 12 5.2 报警系统及键盘控制 12 6.6.系统的电源设计系统的电源设计.13 6.1 电源设计原理 .13 6.2 电路 .14 7.7.系统的仿真系统的仿真.14 7.1 proteus 简介14 7.2 仿真设计 .14 8.结论结论.15 参考文献参考文献.16 0 1.1.引言引言 在工业控制领域中，温度是一个十分重要的参考量，准确而实时的控制温度 对于我们的工作有事半功倍的效果。而在一些传统的温度测控系统中，存在着数据 显示方式单一、数据无法长期存储、调用以及系统接口过于复杂的问题，寻求这些 问题的解决方案成为当前研究的焦点。 近年来单线多点数字化测量技术的发展使温度检测技术实现了快速、可靠、低 成本、数字化与网络化。本文提出了一种结构简单、低能耗、方便实用的系统解决 方案。此方案采用新型单线智能化温度传感器，能以数字形式直接输出被测点温度 值，具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、成本低、能远程传输数据等优点， 是研发和开发具有高性价比的新一代温度测控系统的核心器件，并使用 8051 单片机 作为微控制器，提高了系统运行速度，最后完成多路温度采集与显示系统的仿真设 计。 2.多路温度采集与显示系统的原理与设计方案多路温度采集与显示系统的原理与设计方案 2.12.1 系统的原理系统的原理 系统结构框图如图 1 所示，主要由温度传感器、8051 单片机微控制器、以及数 据传输显示三部分组成。系统工作原理为：微控制器向多路温度传感器发出信号， 启动温度传感器采集温度数据，温度传感器采集完一次数据后，经过 a/d 转换后， 再由微控制器根据现场对数据的不同要求可以选择 lcd 显示以及上机 pc 机显示两种 方式来显示数据。 本系统采用的主要硬件元件分别为 8051 单片机作为微控制器，使用单总线温度 传感器芯片 ds18b20 作为温度传感器。 1 2.22.2 系统的设计方案系统的设计方案 单片机应用系统的一般过程如图 2-1 所示。 1.确定总体设方案 根据应用系统的目标、任务，确定总体方案。 （1）明确应用系统的目标、任务 系统外围设备：单片机的 rom、ram 的扩展，adc0809 的数模转换，键盘的指定 显示，lcd 的串行显示，报警系统。 2 (2) 确定参数与数字信号的转换和方法 单片机只能接收、处理、输出数字信号，所以必须进行信号转换，本设计是经过数 模转换后驱动的。 （3） 机型选择 根据应用系统的复杂程度来选择 4 位、8 位、16 位机，根据场合、精度等要求确定 使用类型，选择机型一般为市场流行的，也考虑经济因素。本设计选用的是 mcs-5 单片机及其数据存储器和程序存储器的扩展。 （4） 划分硬件和软件的功能 本设计中，热电阻的温度采集和热电阻变送器输出的电压信号 15v 是直接用电路 实现的，键盘的指定显示、lcd 的显示、报警系统、主控模块系统既需要硬件电路， 也需要软件来实现。 2. 硬件设计 硬件设计的具体步骤：输入数据、输出数据的传送方式为中断方式，查询方式。 本系统的主要电路是小规模的扩展系统 资源分配：输入信号使用的是 adc0809 的输入端口，单片机使用的是 p0 并行 口，输出信号用的是 p1 口。 3. 软件设计 软件设计程序为主控制模块、显示模块、报警模块等，其程序见各章。 4. 仿真调试 一个应用系统并非一次就可以准确无误的设计出来，尤其是涉及的程序，必须 经过多次的调试才能保证确切无误的工作，先安装部分硬件，在专用的仿真器或开 发试验台上进行调试。 5. 安装统调 在仿真调试确认软、硬件设计无误，达到要求后，就可以进行固化程序、电路 板制作、元件线路焊接、安装、整机统调。所谓统调就是对整个系统的元件的参数 进行统一调整。 6. 投入使用和产品化 3 3.3. 主控模块主控模块 3.13.1 80518051 单片机的特点及引脚单片机的特点及引脚 1. 8 位 cpu 8051 系列单片机都是 8 位机，数据线是 8 位的。 2. 输入/输出线 8051 单片机的 i/o 线有 32 根，既 4 个并行接口，p0、p1、p2、p3 其中一个有 两个 i/o 线构成的全双工的串行口。 3. 存储器 8051 系列单片机都有 128kb 或者 256kb 片内 ram，4kb 或者 8kb 片内 rom。外部 存储器可以寻址 rom 空间为 64kb，ram 空间为 64kb。 4. 定时/计数器 8051 系列单片机具有两个 16 位的定时/计数器，可以通过编程实现 4 种工作模 式。 5. 中断源 8051 单片机有 5 个中断源，分为两个优先级，每个中断源的优先级是可以编程 的。 6. 布尔处理器 8051 系列单片机的布尔处理器是一个完整的一位微控制器。8051 单片机的 8 位 机硬件资源和一位机的硬件资源是复合在一起的。 3.23.2 80518051 芯片的引脚芯片的引脚 8051 系列单片机有 40 引脚双列直插封装的，也有 44 引脚 plcc 方形封装工艺。 在 8051 系列单片机 40 个引脚中，2 个引脚是芯片主电源的引脚，两个引脚是 外接晶振的引脚，4 个引脚是控制用引脚，剩下 32 个引脚是 32 条输入/输出线的引 脚。 1.芯片主电源引脚 4 第 40 引脚是 vcc 引脚，接电源的+5v 电压，为单片机芯片提供电能。 第 20 引脚是 vss 引脚，接地。 2.晶振引脚 第 19 引脚是晶振引脚 xtal1，它接单片机内部一个反相放大器的输入端，该放 大器构成片内振荡器。第 18 引脚是晶振引脚 xtal2，它接单片机内部反相放大器的 输出端。当采用外部振荡器是，xtal1 引脚接地，xtal2 引脚接外部振荡器信号。 3.控制引脚 控制引脚共有 4 个，分别胡斯 rst/vpd、ale/prog、psen、ea/vpp。 4.输入/输出引脚 p0 口是第 32 引脚到第 39 引脚。p0 口是 8 位三态 i/o 口，一般复用作地址数据 线，即数据线与地址线的低 8 位复用。p1 口是第 1 引脚到第 8 引脚。p1 口是 8 位准 双向口 ，其输出没有高组态，输入不能锁存。p2 口是第 21 引脚到第 28 引脚。p2 口也是 8 位准双向口。一般用作地址线的高 8 位。p3 口是第 10 引脚到第 17 引脚。 p3 口也是 8 位准双向口。可以用作普通 i/o 口，也可以复用如下功能： p3.0 作串行通信输入口 rxd； p3.1 作串行通信输出口 txd； p3.2 作外剖中断 0 输入； p3.3 作外部中断 1 输入； p3.4 作定时器 0 外部输入； p3.5 作定时器 1 外部输出； p3.6 作外部数据存储器写脉冲； p3.7 作外部数据存储器读脉冲； 3.33.3 80518051 单片机的扩展及系统电路单片机的扩展及系统电路 由于单片机的输入/输出引脚有限，一般，我们采用地址存储器进行单片机系统 总线的扩展。图 3-1 所示为 74ls373 的引脚。 74ls373 是带三态输出的 8 位锁存器。当三态门为有效低电平，使能端 g 为有 效高电平时，输出跟随输入变化；当 g 由高变低时，输出端 8 位信息被锁存，直到 g 端再次高电平有效为止。 5 在 2764 中主要有 7 种功能引脚： vcc：电源电压，+5v. gnd:地 a0a12:地址线 d0d7：数据线 6 oe：片输出允许，连接单片机的读信号线 ce：片选信号引脚，由地址线译码器或单线选通 vpp:编程写入电压。 在 6264 中主要有 6 种功能引脚： we：写允许引脚，低电平有效。 a0a12：地址线。 d0d7：数据线。 oe：片输出允许，低电平有效。 cs1：片选信号引脚，低电平有效。 cs2：片选信号引脚，高电平有效。 8051 单片机与 adc0809、2764 及 6264 的接线电路如附录 a 所示。 4.4.信号输入通道与温度数据采集模块信号输入通道与温度数据采集模块 7 4.14.1 a/da/d 芯片的选用及说明芯片的选用及说明 a/d 转换器从原理上通常分为四类：计数器式 a/d 转换器、双积分式 a/d 转换 器、逐渐逼近式 a/d 转换器和并行 a/d 转换器。 计数式 a/d 转换器结构简单，但转换速度很慢，所以很少采用。双积分 a/d 转 换器抗干扰能力强，转换精度也很高，但速度不够理想。逐渐逼近式 a/d 转换器的 结构不太复杂，转换速度也很高。并行 a/d 转换器的速度最快，但结构复杂而且造 价高。因此，选用逐渐逼近式 a/d 转换器。 4.1.14.1.1 逐渐逼近式逐渐逼近式 a/da/d 转换器的工作原理转换器的工作原理 逐渐逼近式 a/d 转换器是一种采用对分搜索原理来实现 a/d 转换的方法，逻辑 框图如图 4-1 所示。 有图可以看出，逐渐逼近式 a/d 转化器，由 n 位 d/a 转换器、比较器以及控制逻 辑部分组成。其工作原理如下： 当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器 dn-1=1，n 位 寄存器的数字量一方面作为输出用。另一方面经 d/a 转换器转换成模拟量 vc 后， 送到比较器。在比较器中与被转换量 vx 进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进 行判断。若 vx=vc,则保留这一位；若 vxvc，则 dn1=0。dn-1 位比较完后，再 8 对下一位 dn-2 进行比较，使 dn-2=1，与上一位 dn-1 位一起进入 d/a 转换器，转 换后再进入比较器，与 vx 进行比较，如此一位一位地继续下去，直到最后一位 d0 比较完为止。此时，n 位寄存器的数字量即为 vx 所对应地数字量。 4.1.24.1.2 a/da/d 转换器的性能指标转换器的性能指标 1. 转换精度 a/d 转换器的转换分为绝对精度和相对精度：也可以说是绝对误差和相对误差。 绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。绝对误差的测量应该在标准条 件下进行。 相对误差是指绝对误差与满刻度值之分，一般用百分数来表示，对 a/d 转换器也常 用 ppm 或最低有效值的位数 lsb 来表示。 1lsb=满刻度值/ n 2 2. 转换时间 a/d 转换器完成一次转换所需要的时间称为转换时间。一般用的 8 位 a/d 转换器的 转换时间为几十至几百微秒。 3. 分辨率 分辨率是指 a/d 转换器对微小输入信号变化的敏感程度。通常用数字量的位数来表 示，如 8 位、10 位、12 位等。分辨率为 n，表示它可以对满刻度的 1/的变化量 n 2 做出反应。 4. 电源灵敏度 当电源电压变化时，将使 a/d 转换器的电源发生变化，这种变化的实际作用相对于 a/d 转换器的输入量的变化，从而产生误差。 4.1.3 典型的典型的 a/d 转换芯片转换芯片 adc0809 adc0809 时带有 8 位 a/d 转换器、8 路多路开关以及微处理器兼容的控制逻辑的 cmos 组件。它是逐渐逼近式 a/d 转换器，可以和微机直接接口。 1. adc0809 的内部逻辑结构如图 4-2 所示 9 由图 4-2 可以看出，adc0809 有一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 a/d 转换器和一个三台输出锁存器组成。 （1）in0in7:8 条模拟量通道 （2）地址输入和控制线：4 条 ale 为地址锁存允许输入线，高电平有效。 （3）数字量输出及控制线：11 条 start 为转换启动信号。eoc 为结束信号。oe 为输出允许信号，用于控制三态输 出锁存器向单片机输出转换得到的数据，d7d0 位数字输出线。 （4）电源线及其他：5 条 clock 为时钟输入信号线。vcc 为+5v 电源线。gnd 为地线。vref(+)和 vref(-)为 参考电压输入，参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐渐逼近的基准。 其典型值：vref(+)=+5v，vref（-）=0v。 2. 引脚结构图如图 4-3 所示 10 4.2 信号采集模块信号采集模块 目前一些半导体公司生产的数字式单总线器件可以为用户的测量和控制提供多 样选择，本系统使用美国 dallas 半导体公司近年推出的系列单总线温度传感器芯 片 ds18b20。ds18b20 是一种数字化的温度传感器，数据输出 912 位可以通过编 程进行选择。该器件采用单线通讯，可以允许在通讯总线上级联多个 ds18b20 器件， 所以很适合多点测温。ds18b20 片内设有报警单元，用户可以定义报警的上下限。 此外，ds18b20 还有应用简单无需任何外围元件、测温范围广、测温精度高等特点， 可以应用于恒温控制、工业系统、消防类产品、温度计以及其他热敏感系统。 本部分用 4 只 ds18b20 同时测量 4 路温度（视实际需要还可扩展通道数）实 现多路温度检测。ds18b20 只有 3 个引脚，其中两根是电源线 vcc 和 gnd，另外 一根用作总线 dq，其输出和输入均是数字信号且与 ttl 电平兼容，因此可以与微 处理器直接进行接口。主 cpu 经过单线接口访问 ds18b20 的工作流程为：对 ds18b20 进行初始化rom 操作命令存储器操作命令数据处理。主 cup 对 rpm 操作完毕后既发出控制操作命令，使 ds18b20 完成温度测量并将测量结果存 入高速暂存器中，然后读出结果。 11 5.显示系统、报警系统及键盘控制显示系统、报警系统及键盘控制 5.1 显示系统显示系统 5.1.1 lcd 显示显示 本系统采用的液晶屏是 lm16l，lm16l 为 2 行 16 列液晶，可显示 2 行 16 列 英文字符。有 8 位数据总线 d0-d7，rs，r/w，en 三个控制端口（共 14 线） ，工 作电压为 5v。没背光，和常用的 1062b 功能和引脚一样。 5.1.25.1.2 上机位显示上机位显示 本系统采用 9 针插头，由于 rxd 和 txd 的作用是分别用来接受和传送信息的， rxd 接微处理器的串行输入端 pd0 端，接收上位机发送的数据。txd 接单片机的数据 输出端 pd1，发送数据给上机位，然后单片机与上机位之间开始串行通信，并打开 串口接收中断。通讯时双方约定：设置波特率为 9600，信息格式为 8 个数据位，一 个停止位。 本系统通过串口与上位 pc 机通信，采用 visual basic 6.0 语言中的通信控件 能够很好地完成二者之间的通信功能，可以实时向上位 pc 机传送温度值，8051 单 片机主要进行对数据的实时采集、处理，再通过串口将数据送入上位 pc 机的缓冲区， 然后由上位 pc 机对数据进行进一步处理，以便得到所需的图形、图像及实验结果。 5.25.2 报警系统和键盘控制报警系统和键盘控制 报警处理系统一般都需要根据系统的要求编写。虽然不同的系统的报警处理系 统是不一样的，但报警程序的设计基本思想是相同的。报警程序主要有以下几个步 骤组成： （1）采样被测参数。 （2）比较采样值和给定的上下限。 （3）根据比较结果执行相应的处理程序。 报警系统的电路图如 5-3 所示： 12 键盘按结构的不同可分为独立式按键和行列式按键两类，每类按译码方式的不 同又分为编码式和非编码式两种。单片机中一般使用的都是用软件来识别和产生键 代码的非编码键盘。 6.6. 系统的电源设计系统的电源设计 6.16.1 电源设计原理电源设计原理 电源电压的设计主要是针对系统要求的不同工作电压进行电源分配。一般有两 种方法，一种是多电源方案，一种是单电源方案。本设计采用的是单电源方案，主 要供系统电压+5v 电源。为降低成本，采用“变压器降压整流滤波稳压”的 线性电源。 采用单电源方案的优点是系统简单、工作可靠，尽管单片机系统目前难以实现 系统内全部器件采用单一电源。 6.2 电路电路 稳压电源是单片机测控系统的重要组成部分，它不仅为测控系统提供多路电源 13 电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。近年来，传统的线性稳压电源 正逐步被高效率的开关电源所取代，特别是单片开关电源的迅速推广应用，为设计 新型、高效、节能电源创造了良好的条件。 线性集成稳压器分固定式输出、可调式输出两种类型，又以三端固定或可调式 集成稳压器的应用范围为最广。 此设计中选用的三端固定集成稳压器为 78l05。 7.7.系统的仿真系统的仿真 7.17.1 proteusproteus 简介简介 proteus 是基于 spice3f5 仿真引擎的混合电路仿真软件，不仅能够仿真模拟、 数字电路以及模数混合电路，更具特色的是 proteus 能够仿真基于单片机的电子系 统。proteus 不但完全支持 mc-5 及其派生系列单片机的设计系统，另外也能仿真基 于 avr 和 pic 系列的单片机系统。proteus 软件可提供的模拟和数字、交流和直流 等元件库多达 30 多个，共计