基于单片机的多路温度采集系统设计.doc

商丘师范学院学士学位毕业设计*大学届本科毕业设计基于单片机的多路温度采集系统设计姓 名： * 系 别： *系 专 业： 电子信息工程 学 号： * 指导教师： * 20*年*月*日I商丘师范学院学士学位毕业论文目 录摘要与关键词II0 引言11 工作原理11.1系统硬件框图11.2温度采集及控制原理11.3主要性能参数22 硬件系统组成22.1 A/D转换器ADC080922.2 ADC0809内部逻辑结构32.3 AD590 T/I变换器32.4系统的功能流程42.4.1基本组成52.4.2信号输入测量电路设计52.5 LCD显示模块ZY12864D52.6蜂鸣报警电路63 软件设计63.1 软件流程图64 结语7参考文献7致 谢8基于单片机的多路温度采集系统设计摘 要设计了一种基于单片机的多路温度采集系统。本系统采用数字温度传感器ADC0809对外界温度进行测量，51单片机为核心处理器来控制ADC0809对温度的测量以及液晶显示器LCD12864对温度的显示。系统中测量节点可视具体情况结合多路选择开关进行扩充。为了保证测量数据的准确性，除了在硬件选择方面提高要求之外，该系统还在核心处理软件中对采集数据进行修正。关键词单片机AT89C51；数字温度传感器ADC0809Based on single chip multi-channel temperature acquisition system designAbstractA design of multi-channel temperature gathering system based on SCM. This system uses digital temperature sensor ADC0809 outside temperature measurement, 51 single-chip processor as the core to control temperature measurement and ADC0809, LCD12864, LCD display of temperature. System of measurement in specific situations visual nodes extension road selector switch. In order to ensure the accuracy of the measurement data, except in hardware options to improve the system requirements, the core of data processing software.KeywordsAT89C51 microcontroller, Digital temperature sensor ADC080980引言温度是生活中接触最多的一个物理量1，与人们的日常生活、生产等密切相关，食品、农业、化工、烟草、纺织、种植、档案保存、酒窟、仓库等对温度有着较高的要求。尤其是工业、酒窟、实验室等对于温度的测量精度尤为重要。随着温度监测和控制技术不断深入应用，传感器无疑是测量与控制系统中重要的组成。但是伴随传感器而来的是大量的数据线缆。众多的数据线缆不仅带来了复杂的布线，而且存在着短路、断线等隐患，易老化给维护带来了难度。随着我国工业化进程的逐步加快，仪器仪表及传感器应用越来越广泛。工业生产过程中常常需要对温度数据进行采集和处理，虽然测量外界温度的方法有很多，但是由于温度传感器及其后续的运算放大电路受到外界影响，在不同的条件下会引入不同的测量偏差；即便是在相对接近的条件下，传感器测温精度、数据处理的方式方法等诸多方面因素也会给测量结果带来偏差。鉴于此，设计了一种基于单片机的多路温度采集系统。本系统采用数字温度传感器ADC0809对外界温度进行测量，51单片机为核心处理器来控制ADC0809对温度的测量以及液晶显示器LCD12864对温度的显示。系统中测量节点可视具体情况结合多路选择开关进行扩充。为了保证测量数据的准确性，除了在硬件选择方面提高要求之外，该系统还在核心处理软件中对采集数据进行修正。1工作原理1.1系统硬件框图整个系统包括温度传感器、多路选择开关、放大电路、A/D转换器件、MCU、电源电压监测电路、存储器件、电源模块及数据上传通迅部分。温度采集系统原理图见图1。MCUAT89C51运算放大温度传感器AD590电源模块(向各器件提供电源)串行通讯RS-232A/D转换ADC0809存储器件LCD12864报警电路图1 温度采集系统原理框图在加速器控制系统中，有许多场合需要对温度进行测控，如磁铁线圈加电流时的温度、真空烘烤时的温度都需要采集和控制。在以往的温度测控系统中，大多采用对温度传感器采集到的信号放大，经A/D转换，然后送入单片机进行处理，要提高精度，就必须采用高精度的放大器和A/D转换器。所设计的基于AT89C51的温度测量和控制系统，采用集成数字温度传感器ADC0809，集成液晶显示器LCD12864，系统电路结构简单、成本低、测温精度高、动态响应快、稳定性好、具有良好的可靠性和有效性。1.2温度采集及控制原理温度测量是系统的核心部分，其精度直接关系到控制系统的可靠性。在设计中，采用铂电阻Pt100测温元件。Pt100具有性能稳定、抗氧化能力强和测量精度高等优点。选用三线制的设计方法，可以弥补传感器线路过长，线路电阻造成的测量误差，精度高，电路简单。温度测控模块主要由以下几个单元组成：信号输入单元、8个单元双积分电路、微控制器单元和通讯接口单元等组成。1.3主要性能参数测温范围()：-5150；分辨率()：0.04；测量精度()：0.5；记录时间(rain)：15；采样间隔(s)：0.5；电源供应：可充电电池。2硬件系统组成2.1 A/D转换器ADC0809ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件2。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口，其引脚结构图如图2所示。图2 ADC0809引脚结构图(1) ADC0809的内部逻辑结构 ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 (2) 引脚结构IN0IN7：8条模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 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。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、B、C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A、B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。表1 C B A选择的通道CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条。 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=1，输出转换得到的数据；OE=0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF ()，VREF ()为参考电压输入。 2.2 ADC0809内部逻辑结构 由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3 ADC0809的内部逻辑结构(1) ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 (2) 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 (3) 送要转换的哪一通道的地址到A、B、C端口上。 (4) 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 (5) 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 (6) 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据输出给单片机。2.3 AD590 T/I变换器AD590是常用的T/I(温度/电流)变换器，是一个二端器件，成本低。它是以电流为输出来指示温度，使用时不需要考虑传输线上的电压信号损失和噪声干扰，具有很高的测量精度，广泛应用于远距离测温、远距离控温和多点测温等控制系统中。图4为AD590的基本接法3。图4中，当温度发生变化时，引起电流I 的变化，通过R1和Rp的分压得到输出，其灵敏度为10mV/K，其中RP的作用是校准输出电压的精度。当电阻R1和RP的电阻之和为lk时，输出电压Uo随温度变化为1mV/K。由于AD590的增益有偏差，电阻也存在误差，为了提高系统的测量精度，对电路进行调整，即把AD590放于冰水混合物中，调整电位器尺RP，使Uo=273.2mV；或者在室温(25)下调整电位器Rp，使得Uo=273.2+25=298.2mV。当然，调整需要视具体测温区间段而灵活变换，以获得最佳的精度。图4 AD590的基本接法2.4系统的功能流程图5为系统的功能流程图，系统开机后首先进行初始化处理，进而判断MCU的约定管脚电平情况，以确定进行数据采集还是上传。如判断为采集，则进行相应的程控顺序执行数据的采集、运算放大、A/D转换及存储任务。如判断为上传，则响应传输子程序，判断上位机(PC机)发来的握手信号，符合约定则进行数据的上行传送。采集还是上传采集采集放大 A/D转换处理准备开机初始化数据存储串口上传结束上传至PC机图5 系统的功能流程图基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件。单片机具有体积小、功耗小、成本低、可靠性高、灵活方便、价格廉以及控制功能强等特点而得到广泛的应用。利用单片机的硬件、软件资源，实现信号采集的智能化控制和管理。2.4.1基本组成基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件，结合外围电路所构成。基本组成如图6所示4。输入通道单片机输出通道图6 数据采集系统的组成采集系统硬件主要包括传感器、A/D转换器、单片机、输入，输出接口电路等5。由单片机做为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集是将被测量的信号转换为能够被单片机所识别的信号并输入给单片机；数据处理是由单片机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断；数据输出是将处理结果送给输出设备，进行显示、储存等操作。2.4.2信号输入测量电路设计根据设计要求，电压信号测量范围主要分为两类6：小信号(0-100 mV)和大信号(05V)。由于使用的A/D为可编程芯片，可以通过设定A/D量程范围完成大小信号的测量，当输入为小信号时，A/D内部的放大器自动完成小信号的放大。大信号时不经过内部放大器，直接进行量化编码。因此，只需设计滤波电路就可完成信号的调理，即可执行A/D转换。电流信号测量采用串入电阻法7,8。由于被测电流范围为(420mA)，直接串入250n精密电阻即可达到大信号的电压测量范围，通过直接采集电阻两端的电压，来完成A/D转换，在数据处理时利用软件计算出输入电流。热电偶的测量为电压小信号的测量。通过软件编程切换A/D到100mY的量程范围，即可测得热电偶的热端温度。冷端温度采用软件补偿。热电阻的测量采用单恒流源法。设计时利用输出电压可变的集成三端稳压器LM317构成恒流源电路，由恒流源引起的误差可以通过系统校准保证精度。2.5 LCD显示模块ZY12864DZY12864D是一种图形点阵液晶显示器9，它主要由行驱动器，列驱动器以及12864全液晶显示器组成，可完成图形显示，也可以显示84个(1616点阵)汉字，EL背光源。100VAC400Hz。主要技术参数和性质是：电源+5V，模块自带-10V负电压，用于驱动LCD。与CPU接口采用8位数据总线并行输入/输出和8条控制线。工作温度一般在-10+15，存储温度一般在-20+7010。12864 管脚排列如下表2所示。表2 LCD12864的功能引脚管脚名称LEVEL功能1VSS0V电源地2VDD+5V电源正极3V0+5V对比度调节4RSH/L数据/命令选择5R/WH/L读/写选择6EH,HL模块使能端7-14DB0-DB7H/L双向数据口15PSBH/LH:并行模式L:串行模式16NC空脚17/RSTL自带复位，可悬空18NC空脚19LEDA+5VLED背光正极20LEDK0VLED背光负极根据LCD12864的功能引脚表便可设计出LCD12864显示电路如图7所示11。用P0口作12864的数据输入/输出线与D0D7相连接。89C51单片机上有12864液晶扩展口，直接插上即可。图7 LCD12864液晶显示电路2.6蜂鸣报警电路 报警电路的设计如图8所示。主要完成当有驱动信号时就自动报警。采用P2.1端口驱动，当温度超过设定的温度范围时，P2.1输出低电平0，蜂鸣器响。 单片机上自带有蜂鸣器。图8 蜂鸣报警电路3 软件设计3.1 软件流程图虽然汇编语言是一种常用的单片机软件语言，它能直接操作硬件，指令的执行速度快。但其指令系统的固有格式受硬件结构的限制很大，且难于编写与调试，可移植性也差。所设计的温度采集系统的微控制器AT89C51的程序是采用C51语言编写。C51语言具有许多强大的功能，如提供丰富的库函数供用户直接调用，完整的编译控制指令为程序调试提供必要的符号信息等。开发平台是Keil公司的Keil C7.012。使用Keil C 7.0语言编译器，可以缩短开发周期，降低开发成本，而且易于调试和维护，可靠性高，可移植性好，即使在代码的使用效率上，也完全可以和汇编语言相比，因此已成为开发AT89C51单片机的常用工具。软件的设计是由主程序和子程序组成。主程序主要完成对系统硬件电路的初始化，设置堆栈指针，各缓冲区首地址T0、T1工作方式及串口的初始化等。T0工作在定时方式作为巡回监测的定时器，T1作为串口的波特率发生器，P0口作为数据通道，并和P2口配合作地址端口，P1口和P3口则作为状态标志使用。温度设定温度测量温度刷新温度显示超范围？报警开始图9 软件设计流程图4 结语智能温度采集系统应用领域越来越广，保证设计系统的稳定性和精确性就显得非常重要。该系统具有精度高、低成本、数字化、智能化等特点，能够实现本设计的预期功能。系统的缺陷要在实验中加以克服改进。由于该设计多采用集成电路，连线简单，不用焊接，因此硬件电路容易实现。软件设计才是本次设计的关键所在。软件设计上，遇到了很大困难，在子程序的编写方面还存在偏差。在程序的调试过程中进一步优化程序的设计。本次基于单片机的多路温度采集系统设计的毕业设计中，还存在一些问题，但收获颇多。本次毕业设计是一个运用理论知识的过程，对于相关课题的研究，也是一个再学习与实践相结合的过程。完成设计不仅要运用电子线路方面知识还要精通数字电路及计算机知识，更要深入掌握单片机的原理与应用。同时，对于汇编语言程序的应用也有了一定的提高。本次设计让我进一步认识到，从事工程设计工作不仅要具备强大的理论知识做基础还要有丰富的设计工作经验，要从实践当中学习，克服自身的缺点。这对我个人以后的工作至关重要。同时我也会加强这方面的学习。关于本系统的存在的不足，希望在以后的学习探索过程中能深入研究相关课题。参考文献1 李荣正.PIC单片机原理及应用(第3版)M .北京:北京航空航天大学出版社.2006.2 刘映群.Proteus与Kei整合构建单片机虚拟实验室J.中国现代教育装备,2005(8)1113.3 张春良，陈子辰，梅德庆直线驱动新技术及其加工装备上的应用J电工技术学报，20020-161.4童启明.控制系统数字仿真与监控组态软件应用M.北京:科学出版社，2006.5 梁伟.一种精密的热电阻测温方法J.电子产品世界,2003,9(5):27-29.6 张振仁.数字滤波在高精度温度测量中的应用J.传感器技术,2006,16(6):236-238.7周立功.DC/DC转换技术手册M.广州:单片机发展有限公司.20038 赵健.单回转体薄壁零件尺寸、行为误差测量系统及专用运输车的研究D天津：天津大学，20079 Tsai R Y.A Versatile Camera Calibration Technique for High-accuracy 3rd Machine Vision Metrology Using off。theshelf TV Cameras and LensesJ.IEEE Journal of Robot