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毕业设计
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中南大学基于单片机实现温度测量及报警设计,毕业设计
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基于单片机 实现 温度测量 及报警 设计 学 院 : 信息科学与工程学院 班 级 : 自动化 0408班 姓 名 : 刘聪、王谦智、刘海青 日 期 : 2007年 05月 nts 目录 内容摘要 （ 1） 方案的设计与选择 （ 1） 系统功能简介 （ 1） 系统框图 （ 2） 单元模块介绍 （ 2） 1、 直流稳压源的制作 （ 2） 2、 温度采集模块 （ 4） 3、 光报警电路设计 （ 5） 4、 微处理器部分 （ 6） 系统的 安装与调试 （ 8） 附录： 外围电路 元器件清单 （ 9） 程序清单 (9) 参考文献 （ 17） nts 内容 摘要 :Pt100 铂热电阻 阻值变化对应被控量温度的变化估，本设计基于 究生开发的 MCS-51 系统板，利用其上提供的 STC89C58RD+ CPU 和 AD 采样模块（ ADC0809）、 DA 输出模块（ TLC5615） 来实现声光报警，并实现手动和自动消音 ；该系统在实际工程有普遍的运用 。 关键字：单片机、 A/D 采样、 D/A 转换、 声光报警 方案的设计与选择： 方案一：通过电桥电路和三运放构成的精密放大电路将采集将被控量的温度变化转化成 05V 的标准电压信号，此信号经 ADC0809 实现 A/D 转换，微处理器STC89C58RD+处理，在系统板上实现声光报警，及手、自动消音，此方案外围电路简单， 但不能实时采样到上下限温度所对应的电压，每次上下限的变化需中止正在运行的程序，在程序中设定上下限温度 所对应的电压值，给系统带来不便； 方案二：通过电桥电路和三运放构成的精密放大电路将采集将被控量的温度变化转化成 05V 的标准电压信号，此信号经 ADC0809 实现 A/D 转换，微处理器STC89C58RD+处理，在系统板上实现声报警，及手、自动消音，增加外围光报警电路，将 A/D 转换的信号，通过 TLC5615 实现 D/A 转换 ， 还原成模拟信号，以此信号作为光报警的信号 在外围电路中实现光报警 ，此方案增加了微处理器的开销 和外围电路的开销， 但 能够实时采样到上下限温度的调节，每次改变上下限温度无需中止正在运行的程序。 方案三 ：直接调节系统板上的输入到第七通道的电压值， 经 ADC0809 实现 A/D转换，微处理器 STC89C58RD+处理，在系统板上实现声光报警，及手、自动消音，此方案无需外围电路，但不能实时采样到上下限温度所对应的电压，每次上下限的变化需中止正在运行的程序，在程序中设定上下限温度所对应的电压值，给系统带来不便； 最终，我们选择方案二，目的一在于其 能够 实时采样到上下限温度，其二在于使小组成员能够掌握 DACTLC5615 芯片的运用，学会外围电路的焊接的技术，这可使小组成员在以后的工程训练中受益。 系统功能简 介： 该系统总体上可分为三个模块即：温度采集模块、微处理器模块、光报警模块系统中用 电位器来代替热敏电阻 （这里指铂热电阻） ，其阻值的变化表征为被控量的温度变化，采集到的温度信号通过电桥转化为电信号，此信号比较微弱，需要外接放大电路将此电信号放大成 0V5V 的标准电压信号作为单片机开发平台中 A/D 转换的输入信号。 A/D 转换后的数字信号经过微处理器与上下限温度对应的电压的数字量进行比较，来实现声报警和自动、手动消音，该数字信号通过 D/A 转换还原成模拟信号与窗口比较器的上下限阀值电压（分别对应温度上下限） 来 判断是否 驱动发光二极管发光实现声光报警 。 （注：上下限温度光报警 用不同颜色发光二极管发光，声报警发声频率不同） nts 方案二 系统结构框图 ： 单元模块介绍 ： 1、 直流稳压电源的制作： 集成稳压器是利用半导体集成工艺，将串联型线性稳压器、高精度基准电压源、过流保护电路等集中在一块硅片上制作而成的，它具有如下特点：体积小，外围元件少，调整简单，使用方便且性能好，稳定性高，价格便宜，因此得到了广泛的运用。集成稳压的种类很多，作为小功率稳压电源，目前以三端式最为普遍，按输出电压是否可调，它又可以分为输出电压固定式和可调式两种。 本次设计采用的是固定式三端稳压器，它的输出电压是定值，通用的产品有W7800（正电压输出）和 W7900（负电压输出）两系列，输出电压为 5V、 6V、9V、 12V、 15V、 18V、 24V 等，型号中的后两位表示输出电压值，如： W7815表示该稳压器输出电压为 +15V， W7915 表示该稳压器输出电压为 15V， 其它型号具体特性如下表所示： 输出电压 型号 Io(A) Vin(V) Sv(V) SI(V) SR(dB) 封装 5V0.25V W78L05 0.1 8 30 0.05 0.06 56 To-39 To-220 To-66 To-3 W78M05 1.0 8 30 0.05 0.10 56 W7805 1.5 8 30 0.05 0.07 56 6V0.3V W78L06 0.1 9 30 0.06 0.12 56 To-39 To-220 To-66 To-3 W78M06 1.0 9 30 0.06 0.12 56 W7806 1.5 9 30 0.06 0.12 56 温 度 采样电路 精 密 放大电路 A/D 转换 声报警及消音 光报警 微处理器 D/A 输出 nts9V0.45V W78L09 0.1 12 32 0.09 0.18 54 To-39 To-220 To-66 To-3 W78M09 1.0 12 32 0.09 0.18 54 W7809 1.5 12 32 0.09 0.18 54 12V0.6V W78L12 0.1 15 35 0.12 0.24 50 To-39 To-220 To-66 To-3 W78M12 1.0 15 35 0.12 0.24 50 W7812 1.5 15 35 0.12 0.24 56 15V0.75V W78L15 0.1 18 35 0.15 0.3 48 To-39 To-220 To-66 To-3 W78M15 1.0 18 35 0.15 0.3 48 W7815 1.5 18 35 0.15 0.3 54 18V0.9V W78L18 0.1 21 40 0.18 0.36 46 To-39 To-220 To-66 To-3 W78M18 1.0 21 40 0.18 0.36 46 W7818 1.5 21 40 0.18 0.36 52 24V1.2V W78L24 0.1 27 40 0.24 0.48 44 To-39 To-220 To-66 To-3 W78M24 1.0 27 40 0.24 0.48 44 W7824 1.5 27 40 0.24 0.48 50 本次设计采用的是 W7915、 W7815 两种芯片，主要利用产生的 +15V、 15V 电压来驱动 OP07 集成放大芯片， 以此来实现模拟温度采样和光报警。正、负 +15V、 15V 电压的稳压电路如下所示： 其中 + oU 输出 +15V 电压， Uo 输出 15V 电压 ，芯片的输入端和输出端与地之 2 2 0 V24 V24 VC1 0 0 0 F1 0 0 0 FCi0 . 3 3 F0 . 3 3 F7 8 1 51 27 9 1 5313 2Co1 F1 F 15 V 15 VCo CiConts间除分别接大容量滤波电容外，还需在芯片引脚部接小容量（ 0.1uF 至 10uF）电容 1C 、 2C 到地。 1C 用于抑制芯片自激振荡， 2C 用于压缩芯片的高频带宽，减小高频噪声。 2、 温度采集 模块 ： 该模包括两部分电路即：电桥电路、三运放构成的精密放大电路元件参数见如下电路图所示： 如上图所示的电路：该电路能对 0C 100C 的温度进行测量， RT 为铂热电阻初始值为 100 （铂热电阻变化 1 对应 2.5 C ， 100 对应 0 C ）， 铂热电阻在0850 C 范 围 内 ， 有 tR = 0R （ 1+At+B 2t ） 其 中 A= 3 0 13 . 9 0 8 0 2 1 0 C B= 7 0 25 .8 0 2 1 0 C C= 1 2 0 44 . 2 7 3 5 0 1 0 C 0R =100 3R 为调零电阻，当两阻值相等时，电桥平衡，输出电压为零；当铂热电阻值变化到 140 时，根据电桥计算公式可得出此时电桥输出的电压为 0.02V，此信号太微弱，不足以做为 A/D 采样的标准输入电压（ 05V），故需后面的三精密放大电路，将其放大到标准输入电压范围内，即 0.02V 对应到 5V 电压，故只需将三精密放大电路的放大倍数调整为 250 倍即可。 在如上所示的电路中， 1AIUU ， 2BIUU 11U - 12U = 2 1212()2 OOR UURR 即： 11 2 1 222( 1 ) ( )O O I IRU U U UR 所以输出电压： 11 2 1 222( ) ( 1 ) ( )ffO o o I IR R RU U U U UR R R 设 IdU = 11U - 12U ，则： 1222( 1 )ffddU R RA U R R nts 当 fR =R 时 122(1 )d RA R 根据上电路图中所选择的参数可得，此精密放大器所放大的倍数为： dA 250 当 12I I ICU U U时，由于 A B IcU U U， 2R 中电流为零， 12O O ICU U U，输出电压。可见，电路放大差模信号，抑制春模信 号。差模放大倍数数值愈大，共模抑制比愈高，当输入信号中含有共模噪时，也将被抑制。 电路图中的最右端有一个 10uf 的电解电容，其目的滤去放大电路输出电压中一定频率的噪声信号。以保证输入到 A/D 采样器中的信号为 05V 的纯直流信号。 3、 光报警电路的设计： 利用窗口比较器 电路的原理，调节电位器 1N 即调节比较器的上限阈值电压， 调节电位器 2N 即调节比较器的下限阈值电压 .当输入的电压的压值在两阀值电压之间时， 01U 、 02U 均为低平，两二极管截止，两发光二极管不发光；当来自 D/A转换的电压大于上限阀值电压时， 01U 为高电平 （约为 14.3V） ，此时 1D 导通，发光二极光 1L 发出红光以示上限报警 ， 02U 为低电平 二极管 2D 截止，发光二极光 2L 不发光 ；当来自 D/A 转换的电压小于下限阀值电压时， 02U 为高电平 （约为 14.3V） ，此时 2D 导通，发光二极光 2L 发出红光以示下限报警， 01U 为低电平二极管 1D 截止，发 光二极光 1L 不发光。加入两个 1K 的电阻的目的是当 01U 、 02U为高电平时，使流经发光二极管的电流不至于超过两发光二极管的额定工作电流，其 具体电路图如下所示： 两位器的最大阻值均为 1K，故下限报警电压为 0V2.5V,上限报警电压为nts2.5V5V. 4、 微处理部分： 该部分主要 使用到 是 研究生开发的 MCS-51 系统板，利用其上提供的STC89C58RD+ CPU 和 AD 采样模块（ ADC0809）、 DA 输出模块（ TLC5615）、LED 模块、键盘模块及音乐播放模块实现温度的采样和上下限声光报警功能，具体功能是：将采集到的电压信号经 AD 转换成数字量经微处理器处理 后 送 LED显示温度和用于 DA 输出，经 D/A 转换后到光报警电路， 如超温则微处理器发出相应的信号驱动蜂鸣器发声， 同时，发光二极管发光报警； 下面给出主程序流程图： 主程序流程图 nts 主程序由： AD 采样子程序、 LED 显示子程序、 DA 转换子程序、中断子程序组成 。 AD 采样子程序通过三个采样通道： IN0、 IN1、 IN2 不断采样 下 上 限温度和铂热电阻所对应的温度变化，并将此存在微处理器的数据存储区内，具体的讲：71H、 72H 两存储单元存储 下 上 限温度值， 70H 所对应的温度变化值； LED 显示子程序的功能是将 AD 采样所得到的数字量通过 BCD 码转换程序，使该数字量以 BCD 码的形式显示到 LED 数码管 上； DA 转换子程序的功能是将 AD 采样所得到的数字量转换成模拟量，作为外围窗口比较器的输入信号；中断子程序的功能是： 实现消声跟发音 ；它们程序流程图如以下所示： nts 系统的安装与调试： 外围电路的 安装与调试 并没有在 Proteus 上模拟而是直接先在普通面包板上插线调试成功后，再在印制板上焊接而成，程序的调试则是直接下载到系统板上调试的 ，外围电路的安装与调试非常麻烦，安装一要注意电路元器件的布局美观， 二还要考虑到各信号线之间的传输信号尽量不要产生干扰；电路的调试需要把电路的各性能指标提高到最好如：尽量使 LED 灯显示的温度与实际所采集到温度接近，使他们的误差降到最小；又如由于声光报警电路报警驱动信号并不是同一信号，声报警电路直接以数字量驱动，而光报警则是将该数字量再经过 DA 转换后的模拟信号来驱动，故两者之间存在声光报警的时间差， 时间差 是 AD、 DA转换时间决定的，理论上是无法消除的，只能尽量把此时间减到最小，使人在视觉上无法感知道此时间差， 因此，在调试电路中使两 声光报警的时间差最小又是调试电路的重点，再如 AD 转换的参考电压在理论上应达到 5.12V，然而实际上的参考电压只有 4.89V 故在上下限温度报警上存在高于上下限温度后 才报警的现象； 该参考电压是系统板上所固定的，很难做到提高该参考电压 ； 安装与调试外转电路过程中遇到了不少困难， 正负电压 15V 制作 按原理图可以得到很稳定的 15V 电压， 误差在很小范围，但带中心抽头的变压器在很短的时间，迅速发热到较高的温度，若时间过长变压器便不能正常工作，而损坏，尝试不同的制作直流稳压电源电路的制作，能够解决变压器发热问题但输出电压却不能达到 15V ，输出电压只能在 10V 左右，达不到驱动 OP07 放大器的电压，因此放弃了对 15V 直流电压源的制作；再 如焊制的第一印制板各性能均达不到要求，各电源线接入进去后， 调节调零电阻， 电桥输出 电压 ， 调节 三精密放大器中 2R 其输出电压也没有变化， 主要原因是焊接技术不熟练， 并不是由于外围电路复杂所致，无耐之余，只得重新焊制另一块印制板，新的印制板与先前的布局一致， 只是每焊接一条线都是在两位同学的斟酌下完成，不过新的印制板仍有少量的问题：如部分焊接点与导线接触不良，造成电桥输出电压变化超出理论值，解决了此问题，外围电路的调试算是成功了。 nts外围电路 元器件清单： OP07 芯片 5 块 普通二极管 2 只 发光二极管（红、绿） 2 只 电位器 1K 3 只 电位器 10K 1 只 电阻 1K 2 只 电阻 10K 4 只 电阻 100K 4 只 电解电容 10uf 1 只 Pt100 铂热电阻（用电阻箱代替） 注：直流稳压电路所用的元器件未列出 程序清 单 ： AUXR EQU 8EH AUXR1 EQU 0A2H ORG 0000H START_1: LJMP MAIN_1 ORG 0013H ;外部中断 1 入口地址 LJMP QY ORG 001BH ;定时中断 1 入口地址 LJMP FS_S ORG 0100H ;* CLEAR: ;初始化 ;* MOV SP,#40H ;堆栈指示器 SP 值初始化 MOV AUXR,#10H MOV AUXR1,#0 MOV IP,#04H ;设置中断优先级 MOV TMOD,#20H ;定时器 1 在方式 2,TR1 启动 ,定时工作方式 CLR PSW.4;指定第 0 组通用寄存器为当前寄存器组 CLR PSW.3 MOV 7DH,#01H MOV R0,#70H ;数据缓冲区初始化 MOV R2,#0CH nts MOV A,#00H C_LOOP: MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,C_LOOP CLR EA;关中断 SETB P1.0 ;熄灭数码管 SETB P1.1 SETB P1.2 SETB P1.3 RET ORG 0300H ;* MAIN_1: ;主程序 1 ;* MAIN_LOOP1: LCALL CLEAR MAIN_LOOP0: JNB P3.5,KEY1 ;等待有键按下 JNB P3.3,KEY2 JNB P3.2,KEY3 JNB P3.4,KEY4 JMP MAIN_LOOP0 KEY1: LCALL MAIN_DELAY JB P3.5,MAIN_LOOP0 ;防止按键抖动 LCALL MAIN_2 JMP MAIN_LOOP1 KEY2: LCALL MAIN_DELAY JB P3.3,MAIN_LOOP0 LCALL MAIN_2 JMP MAIN_LOOP1 KEY3: LCALL MAIN_DELAY JB P3.2,MAIN_LOOP0 LCALL MAIN_2 JMP MAIN_LOOP1 KEY4: LCALL MAIN_DELAY JB P3.4,MAIN_LOOP0 LCALL MAIN_2 JMP MAIN_LOOP1 ;* MAIN_DELAY: ;延时 ;* MOV R4,#01H D_LOOP1: MOV R3,#0FFH D_LOOP0: NOP NOP nts DJNZ R3,D_LOOP0 DJNZ R4,D_LOOP1 RET ORG 0500H ;* MAIN_2: ;主程序 2 ;* ZLOOP1: LCALL ADC;调用 AD 采样子程序 MOV 7EH,#60H ZLOOP2: LCALL LED;调用 LED 显示子程序 LCALL DAC;调用 DA 输出子程序 MOV A,70H MOV R2,71H CLR C SUBB A,R2 JC FS ;比较当前温度和指定下限温度 MOV A,70H MOV R2,72H CLR C SUBB A,R2 JNC FS ;比较当前温度和指定上限温度 MOV 7AH,#00H MOV 7DH,#01H CLR EX1;定时器 1 禁止中断 CLR EA;关中断 SJMP L1 FS: MOV A,#00H CJNE A,7AH,L1 MOV A,#01H CJNE A,7DH,L1 SETB EA ;开中断 SETB EX1 ;定时器 1 允许中断 SETB ET1 SETB IT1 MOV 7DH,#00H LCALL SBJ;调用报警发声子程序 L1: MOV A,7EH DEC A MOV 7EH,A JNZ ZLOOP2 SJMP ZLOOP1 RET nts;* ADC: ;AD 采样 ;* MOV R0,#70H ;当前温度存入 70H 单元 MOV DPTR,#0200H ;选择第 2 通道 MOVX DPTR,A;启动 AD MOV R3,#48H ADC_WAIT1: NOP DJNZ R3,ADC_WAIT1;等待 转换结束 MOVX A,DPTR MOV R0,A INC R0 ;下限温度存入 71H 单元 MOV DPTR,#0000H ;选择第 0 通道 MOVX DPTR,A MOV R3,#48H ADC_WAIT2: NOP DJNZ R3,ADC_WAIT2 MOVX A,DPTR MOV R0,A INC R0 ;上限温度存入 72H 单元 MOV DPTR,#0100H ;选择第 1 通道 MOVX DPTR,A MOV R3,#48H ADC_WAIT3: NOP DJNZ R3,ADC_WAIT3 MOVX A,DPTR MOV R0,A ADC_FH: RET ;* DAC: ;DA 输出 ;* MOV R0,#70H CLR P1.5 SETB P1.6 CLR P1.7 NOP CLR P1.6 MOV A,R0 MOV R3,#08H LCALL DAC_LOOP MOV A,#00H MOV R3,#04H LCALL DAC_LOOP nts SETB P1.6 RET DAC_LOOP: RLC A MOV P1.5,C NOP SETB P1.7 NOP CLR P1.7 DJNZ R3,DAC_LOOP RET ;* SBJ: ;声报警 ;* MOV A,70H CLR C MOV R2,71H SUBB A,R2 JC SBJ_XB MOV TH1,#6AH ;保存计数初值 MOV TL1,#6AH ;设置计数初值 SETB TR1 ;上限报警 SJMP FH SBJ_XB: MOV TH1,#38H MOV TL1,#38H SETB TR1 ;下限报警 FH: RET ;* LED: ;LED 显示 ;* LCALL HTB;调用数制转换程序 MOV R2,#0FFH LED1: MOV A,#0EH MOV P1,A MOV DPTR,#TAB MOV A,75H MOVC A,A+DPTR MOV P0,A DJNZ R2,LED1 MOV R2,#0FFH LED2: MOV A,#0DH MOV P1,A nts MOV A,76H MOVC A,A+DPTR MOV P0,A DJNZ R2,LED2 MOV R2,#0FFH LED3: MOV A,#0BH MOV P1,A MOV A,77H MOVC A,A+DPTR ORL A,#80H MOV P0,A DJNZ R2,LED3 MOV R2,#0FFH LED4: MOV A,#07H MOV P1,A MOV A,78H MOVC A,A+DPTR MOV P0,A DJNZ R2,LED4 RET ;* HTB: ;数制转换 ;* MOV A,70H MOV B,#04H MUL AB JB PSW.2,LL MOV B,#00H LL: MOV R6,A MOV R7,B MOV R4,#0E8H MOV R5,#03H LCALL TT
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