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温度的控制与采集 0 第一章第一章 系统方案选择与论证系统方案选择与论证 1 11 1 设计要求设计要求 本次课程设计的主要内容与要求如下 1 采用 PT 100 温度传感器测温 2 采用 0804 A D 转换器 3 测温范围 0 255 分辨率为 1 4 当采集温度超过 200 时能用继电器控制一 LED 发光管亮 1 21 2 设计思路及总体设计框图设计思路及总体设计框图 利用 AT89C52 单片机 ADC0804 及温度传感器设计温度的控制与采集 整个设 计包括温度转换模块 A D 转换模块 显示模块和继电器报警模块 先测温电路模 块的作用是将随温度变化的电阻转化为电压变量 为了提高测温灵敏度 用放大器 将电压信号放大为了提高测温灵敏度 A D 转换模块采用 ADC0804 转换器现实温度 采集 显示模块显示测温范围 0 255 继电器报警电路模块通过与单片机 P 口 连接实现 系统原理框图如图 1 1 所示 图 1 1 系统结构框图 1 31 3 模块方案比较与论证模块方案比较与论证 根据此次课程设计的基本要求 对几种发案进行了分析 研究 探讨 最得到了 了较优的方案 其方案比较如下 温度转换电路模块方案比较温度转换电路模块方案比较 由于电桥电路模块将随温度变化的电阻转化为电压变量 此电压为毫伏级的 非常小 因此需要采用放大电路 以下对两种放大电路方案进行分析比较 温度转 换电路 A D 转换 电路 单片机 控制 显示电 路 报警显示 温度的控制与采集 1 方案一分析 采用 TL084 差分放大电路 此电路放大倍数为 Af 1 2R1 Rg 电路图如图 1 2 所示 图 1 2 差分放大电路 方案二分析 采用 ICL7650 进行一级放大 放大倍数 Af R8 R9 Rw3 R9 Rw 其中 Rw 为 Rw3 接入电路的电阻 电路图如图 1 3 所示 图 1 3 采用 ICL7650 一级放大电路 对以上两种方案对比分析总结 差分放大电路虽然可以防止漂移现象 但是比 较难调试而且电路比较复杂 相对而言采用方案二比较简单 而且实用 容易调试 因此最终采用了方案二放大电路 温度的控制与采集 2 报警电路模块报警电路模块 方案一分析 单片机 P1 7 直接连接发光二极管 当 P1 7 口为高电平时 发光二 极管点亮 否则灯灭 再通过编程使得当温度到达 200 时发光二极管点亮 当低 于 200 时则灯灭 电路图如图 1 4 所示 图 1 4 直接用 P 口接发光二极管电路 方案二分析 P1 7 输出为低电平时 通过一个 7407 驱动输出仍旧为低电平 此 时光耦开始工作 电磁继电器开关由常开端合向常闭端 发光二极管由亮变灭 再 通过编程使得当温度到达 200 时发光二极管点亮 当低于 200 时则灯灭 这个电 路的最大好处是加了光耦 最终实现了电气隔离 起到了抗干扰作用 通过控制电 磁继电器的开合来达到控制后续的电路工作的 电路图如下图 1 5 所示 图 1 5 采用继电器控制发光二极管电路 对以上两种方案对比分析总结 方案一比较容易简便 但是抗干扰能力较差 发案二相对比较复杂 但是光耦起到电气隔离作用 抗干扰能力较强 由于课设要 求用继电器 再综合其他因素 最终采用了发案二电路图 温度的控制与采集 3 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 2 12 1 系统工作原理系统工作原理 该课设主要以 AT89C52 单片机为核心的温度的控制与采集 整个设计包括温度 转换模块 A D 转换模块 显示模块和继电器报警模块 通过 ADC0804 的输出数据 端 D0 到 D7 与单片机的数据端 D0 到 D7 相连得到采集的温度 通过一片 7279 最小系 统用 3 个数码 LED 显示测温范围 0 255 并且采用 AT89C52 单片机 P 口输出控 制设定的温度 当温度达到设定的温度 200 时 继电器报警电路模块的发光二极 管会点亮显示 测温电路的作用是将随温度变化的电阻转化为电压变量 为了提高 测温灵敏度 用放大器将电压信号放大 电阻测温电路由含热敏元件的非平衡电桥 输入电路及运放电路组成 设计中因为没有 PT 100 温度传感器 所以采用精密电阻 代替 电桥经过调零 调满后使得调节改精密电阻 放大器输出端模拟电压在 0V 5V 范围变化 再经过 ADC0804 转换器得到采集温度在 0 255 2 22 2 最小系统最小系统 主控制系统采用了 AT89C52 单片机 单片机最小应用系统 是指用最少的元件 组成的单片机可以工作的系统 最小系统一般应该包括 单片机 晶振电路 复位 电路 复位电路和晶振电路是 AT89C52 工作所需的最简外围电路 其基本系统电路 原理图如下图 2 1 所示 温度的控制与采集 4 图 2 1 单片机 89C52 最小系统 2 32 3 72797279 显示模块显示模块 1 HD72791 HD7279 介绍介绍 HD7279是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管 或64只独立LED 的 智能显示驱动芯 片该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵 单片即可完成LED显示 键盘接口的全部功能 HD7279内部含有译码器 可直接接受BCD码或16进制码 而且具有2种译码方式 HD7279还具有多种控制指令 如左移 A1H 右移 A0H 消隐 98H 闪烁 88H 段寻址等 本设计用到了下载数据且以方式0译码 其指令如下表2 1所示 其中 a2 a1 a0为位地址 A G和DP为显示数据 分别对应七段数码管的各段 当相应的 数据位为 1 时该段点亮 否则不亮 其对应的字形码表如图2 2表所示 表 2 1 下载数据但不译码方式 D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0 10000a2a1a0DPXXXd3d2d1d0 表 2 2 字形码表 显示字符显示码显示字符显示码 07EH 87FH 130H 97BH 26DH H37H 379H E4FH 433H L0EH 55BH O7EH 65FH 01H 770H HD7279 与单片机的连接仅需 4 跟线 片选线 CS 串行时钟线 CLK 串行数据线 DATA 键盘申请线 KEY 当单片机访问HD7279 读键号或写指令 时 应将片选端置 为低电平 此时才有效 DATA为串行数据端 当向HD7279A发送数据时 DATA为输入 端 当HD7279A输出键盘代码时 DATA为输出端 CLK为数据串行传送的同步时钟输 入端 时钟的上升沿表示数据有效 KEY为按键信号输出端 在无键按下时为高电平 而有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持到键释放为止 温度的控制与采集 5 2 2 显示电路显示电路 本次设计显示电路主要用 HD7279 芯片 3 个 LED 数码管 HD7279 具有串行接 口的 可同时驱动 8 位共阴式数码管的智能显示驱动芯片 通过单片机可完成数码 管显示功能 显示电路如下图 2 2 所示 图 2 2 7279 键盘显示电路 2 42 4 温度转换模块温度转换模块 电桥电路模块将随温度变化的电阻转化为电压变量 PT 100 阻值与温度之间的 关系如表 2 3 所示 设计中由于缺乏 PT 100 温度传感器 所以采用精密电阻代替 图如 2 3 所示 对电桥进行调零 调满 首先将电位器 Rw1 调到 50 Rw2 调到 100 使得电桥到达平衡 输出电压为 0V 调零后再将电位器 Rw2 调到大约 194 通过调节 Rw3 使得放大电路输出端模拟电压为 5V 这样就完成了调满 放大器采用 了 ICL7650 放大倍数 Af R8 R9 Rw3 Rw9 Rw 温度的控制与采集 6 其中 Rw 为 Rw3 接入电路的电阻 ICL7650 除了具有普通运算放大器的特点和应用范 围外 还具有高增益 高共模抑制比 失调小和漂移低等特点 所以常常被用在热 电偶 电阻应变电桥 电荷传感器等测量微弱信号 的前置放大器中 表 2 3 铂热电阻阻值与温度之间的关系 图 2 3 温度转换模块电路 温度 PT 100 阻值 0100 00 1100 39 50119 40 100138 51 150157 33 200175 86 250194 10 300212 05 温度的控制与采集 7 2 52 5 串行串行 A DA D 转换模块转换模块 如图 2 4 所示 ADC0804 转换器 分辨率 8 位 0 255 模拟输入电压范围 0V 5V 参考电压 2 5V 工作电压 5V 高阻抗状态输出 通过 ADC0804 的输出数 据端 D0 到 D7 与单片机的数据端 D0 到 D7 相连得到采集的温度 再通过一片 7279 最 小系统用 3 个数码 LED 显示测温范围 0 255 图 2 4 串行 A D 转换电路 2 62 6 继电器报警电路模块继电器报警电路模块 1 1 光耦原理光耦原理 光耦合器 optical coupler 英文缩写为 OC 亦称光电隔离器或光电耦合器 简称光耦 如下图 2 5 所示 它是以光为媒介来传输电信号的器件 通常把发光器 红外线发光二极管 LED 与受光器 光敏半导体管 封装在同一管壳内 当输入 端加电信号时发光器发出光线 受光器接受光线之后就产生光电流 从输出端流出 从而实现了 电 光 电 转换 普通光耦合器只能传输数字 开关 信号 不适 合传输模拟信号 温度的控制与采集 8 光耦合器的主要优点是单向传输信号 输入端与输出端完全实现了电气隔离 抗干扰能力强 使用寿命长 传输效率高 它广泛用于电平转换 信号隔离 级间 隔离 开关电路 远距离信号传输 脉冲放大 固态继电器 SSR 仪器仪表 通信 设备及微机接口中 在单片开关电源中 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路 通过调节控制端电流来改变占空比 达到精密稳压目的 2 2 继电器原理继电器原理 电磁式继电器一般由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 只要在线圈两端 加上一定的电压 线圈中就会流过一定的电流 从而产生电磁效应 衔铁就会在电 磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯 从而带动衔铁的动触点与静触点 常开触点 吸合 当线圈断电后 电磁的吸力也随之消失 衔铁就会在弹簧的反 作用力返回原来的位置 使动触点与原来的静触点 常闭触点 吸合 这样吸合 释放 从而达到了在电路中的导通 切断的目的 对于继电器的 常开 常闭 触 点 可以这样来区分 继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点 称为 常开触 点 处于接通状态的静触点称为 常闭触点 其五个触电如下图 2 6 所示 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又称输出回路 通常应用于自动控制电路中 它实际上是用较小的电流去控制 较大电流的一种 自动开关 故在电路中起着自动调节 安全保护 转换电路等 作用 图 2 5 光电隔离器 图 2 6 电磁式继电器 3 3 继电器报警电路模块工作原理继电器报警电路模块工作原理 温度的控制与采集 9 通过单片机 P1 7 口输出控制光耦工作 当 P1 7 输出低电平时 光耦导通 电 磁继电器开关由常开端合向常闭端 发光二极管由亮变灭 再通过单片机编程使得 当温度到达 200 时发光二极管灯亮显示 当温度低于 200 时发光二极管灯灭 其 电路图如下图 2 7 所示 图 2 7 继电器报警电路模块 2 72 7 驱动模块驱动模块 7407 时单片机的应用系统中的逻辑门驱动芯片 7407 是集电极开路六正相高压 驱动器 若接 P0 口的话 如果不接上拉电阻 那个输出的驱动管是不工作的 所以 上拉电阻的功能就是为了使末级驱动管正常工作 若是接 P1 P2 口不用 因为已经 内置上拉了 其管脚图如下图 2 8 功能表如下表 2 4 所示 表 2 4 7407 功能表 图 2 8 7407 管脚图 输入输出 AY HH LL 温度的控制与采集 10 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 3 13 1 软件设计思想软件设计思想 系统软件采用汇编语言 在 Windows XP 环境下采用 KeiluVision2 进行编写 对 AT89C52 进行编程以实现各项功能 确定课设方案后 根据所要求实现的功能大致画出各个小模块的程序流程图 再编写程序 程序主要包括采样子程序 滤波子程序 BCD 码转换子程序 7279 初 始化子程序 显示子程序 P1 7 温度控制程序 主程序等几个部分 滤波采用除掉 最大值最小值后取平均值法 先采样 10 个数值再对其进行滤波 再转换成 BCD 码 用 7279 的 3 位显示 程序编好后通过主程序调用组合 进行调试 就完成了整个软 件 3 2 程序程序流程框图流程框图 主程序流程图主程序流程图 如图 3 1 所示主程序流程框图 先 7279 初始化 再 AD 采样 滤波 数值转换 显示 判断显示值是否大于 200 通过编程置 P1 7 口高低电平来控制发光二极管亮 灭状态 温度的控制与采集 11 图 3 1 主程序流程框图 温度的控制与采集 12 采样滤波子程序流程框图采样滤波子程序流程框图 如图 3 2 所示采样滤波子程序流程框图 先采样十个数 然后除 掉大最小值取平均值即可实现滤波 N Y 图 3 2 采样滤波子程序流程框图 开始 启动 AD 后延时 读 AD 采样结果 去最大值 去最小值 取平均值 采样次数 10 返回 温度的控制与采集 13 数值转换与显示子程序流程框图数值转换与显示子程序流程框图 如图 3 3 所示数值转换与显示子程序流程框图 采样滤波后得到十六进制 的数值转换为十进制数 再通过 7279 显示 图 3 3 数值转换与显示子程序流程框图 开始 返回 滤波后数转换成十 进制数 下载数据且以方式 0 译码 7279 显示译码得 到的数据 温度的控制与采集 14 第四章第四章 设计及调试分析设计及调试分析 4 14 1 调试及测试结果分析调试及测试结果分析 本次课程设计是单片机为核心设计温度的控制也采集 调试包括硬件调试 和软件调试 硬件调试硬件调试 开始先用 Protel 对每个模块两种方案都进行了仿真测试 结果方案都能够 实现设计要求 但是根据前面所述 最终选择了更为符合的方案 再进行实际 电路连接 为了能够更好的实现电路 没焊接好一根线路 都检查是否有虚焊 在经过一天半的时间终于把电路焊接好 再对其进行调试 调试过程中发现开 始并没有进行部分模块焊接调试 现在出现问题很难检查到是那个电路模块出 现错误 带来了不少的麻烦 所以以后一定得注意要对每个模块进行部分调试 这样更容易发现问题的所在 否则很难发现到底是那个模块存在问题 接上电 源后 在调试温度转换电路模块时 发现不管电桥输出电压为多少 放大器输 出端模拟电压都不会改变 始终处于 4 3V 左右 首先对照原理图重新检查连接 电路是否一致 再用万用表检查是否出现虚焊 短路现象 经过检查分析最后 发现只有除掉 C1 瓷片电容即可 在调试继电器报警电路模块时 发现不管 P1 7 口接高低电平 发光二极管始终是亮的 经检查分析得知原来是继电器 R12 取值 1K 不合理 太大了 经改小后问题都基本解决了 软件调试软件调试 程序主要包括采样子程序 滤波程序 BCD 码转换 7279 初始化子程序 显示子程序 P1 7 口控制程序 滤波程序采用除掉最大值最小值再取平均值法 先采样 10 个数值再对其进行滤波 再转换成 BCD 码用 7279 的 3 位显示 程序 虽然比较简单 但是调试过程中还是遇到了些问题 最大的问题就是不管采集 值多少 只要接上 P1 7 口后 7279 的 3 位数码管显示的立即迅速降为 000 调 试好久都找不到问题的所在 只好请教老师 在老师的指导下 最后发现原来 是将光耦 3 脚经过一个电阻后本应接 12V 地的 结果接到了 5V 地去了 还有 些问题就是温度显示调到某个值后 并没有到达 255 再怎么调节 Rw2 温度显 示都不会再上升 经检查分析发现原来是 ADC0804 的输出数据端 D0 到 D7 与单 片机的数据端 D0 到 D7 连接线出现某些线的断路 还有些小问题 数码管显示 不稳定 闪烁太快 改短显示子程序的延时即可 温度的控制与采集 15 完成了所有的步骤后 接通电源通过调节 Rw2 可以使得温度在 0 255 显示 并且当温度超过 200 时 继电器报警电路模块发光二极管会亮灯 温 度低于 200 时灯灭 4 24 2 问题及解决方法 问题及解决方法 焊接前要注意排版 排版的美观与否直接影响实验各器件的正常工作 而且使焊接变的方便 不容易使电路板导线短路 为了便于调试 应在各支路中尽量选用一些 104pF小电容 排除一些 低频干扰 在焊接电路时 由于焊料本身有一定的电阻 所以焊接时既要保证不 虚焊 也不能焊得过多 以免造成短路 在每焊好一条线后都要对其进行检查 同时使其更牢固 避免在出了 问题就要大规模的检查 注意外加电压应该在芯片的耐压范围内 电压过高可能会烧坏芯片 温度的控制与采集 16 第五章第五章 总结总结 本次课程设计 完成了课设题目的基本要求 测温范围 0 255 分 辨率为 1 采用 0804 A D 转换器 当采集温度超过 200 时能用继电器控 制一 LED 发光管亮 从设计到焊接 编程 调试每一个环节都是对所学知识的 检验 它不仅要求设计者要有扎实的基础 认真的态度 更要求设计者要对所学的知 识融会贯通 能把所学的知识巧妙地与实践相结合 并且要具有一定的分析问 题 解决问题的能力 在设计电路时首先要考虑设计要求 认真分析如何能达到要求 若实现该 要求有多种发案 则要从稳定可靠 抗干扰能力 经济实用 性能优劣等各方 面考虑 选出最佳方案 在焊接过程中要防止因焊锡过少而造成的虚焊 同时也要防止焊锡过多造 成两相邻焊点之间的短路 调试时要善于利用手边的工具 如万用表等 温度的控制与采集 17 参考文献参考文献 1 张齐 单片机应用系统设计技术 M 北京 电子工业出版社 2004 年 2 张友德 赵志英 涂时亮 单片微型机原理 应用与实验 第五版 上海 复旦大学出版社 2006 年 3 楼然苗 李光飞 51 系列单片机设计实例 北京 北京航空航天大学出版社 2003 年 4 阎石 数字电子技术基础 第四版 北京 高等教育出版社 2004 年 5 边春远 王志强 单片机应用开发实用子程序 北京 人民邮电出版社 2005 年 6 康华光 陈大钦 电子技术基础模拟部分 第四版 北京 高等教育出版社 1998 年 7 求是科技 单片机典型模块设计实例导航 北京 人民邮电出版社 2004 年 8 沙占友 孟志永 王彦朋 单片机外围电路设 第二版 北京 电子工业出版社 2006 年 温度的控制与采集 18 附录附录 1 1 元件清单元件清单 温度的控制与采集 19 编号元件名称元件型号数量 1 驱动芯片 74071 2 A D 转换器 ADC08041 3 放大器 ICL76501 4 最小系统版 1 5 发光二极管红色 1 6 电磁继电器 1 7 光电耦合器 TP5211 8 三极管 80501 9 二极管 40071 10 瓷片电容 0 1uF4 1uF1 11 电解电容 22uF2 100 1 12 电位器 200 2 100K1 10K3 5 6K1 5 1K3 1K2 510 1 100 2 51 2 13 电阻 50 1 14 插针若干 15 杜邦插座若干 16 导线若干 17 电源 POWER1 温度的控制与采集 20 附录附录 2 2 温度的控制与采集程序清单及注释温度的控制与采集程序清单及注释 CS BIT P1 0 CLK BIT P1 1 DAT BIT P1 2 KEY BIT P1 3 BUF EQU 50H 显缓 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030H MAIN MOV SP 67H LCALL RESENT 7279 初始化 LCALL CAIY 采样 LCALL LVBO 调用滤波子程序 SJMP EXIT LKT MOV A R4 CJNE A 200 L3 不等于 200 转 L3 JC L2 小于 200 转 SETB P1 7 P1 7 置 1 SJMP MAIN L2 CLR P1 7 P1 7 置 0 SJMP MAIN EXIT LCALL HEX BCD 调用数值转换子程序 LCALL DISP0 调用显示子程序 SJMP LKT 采样程序 CAIY MOV R0 40H 建立首地址 MOV R7 0AH 采样 10 次 MOV DPTR 0FFFEH 输入 LP7 MOVX DPTR A 启动 A D 转换 温度的控制与采集 21 MOV R6 1EH 延时 HERE DJNZ R6 HERE MOVX A DPTR MOV R0 A INC R0 DJNZ R7 LP7 RET 滤波程序 LVBO CALL FMAX 调用去最大值子程序 CALL FMIN 调用去最小值子程序 CALL AVG 调用求平均值子程序 RET 去最大值 FMAX MOV R7 09H 去最大值子程序 MOV R0 40H 滤波值放入以 40 为首的单元中 LP MOV A R0 取第一个数放 A 中 INC R0 指向第二个数 CLR C SUBB A R0 第 1 2 个数比较 JC DONE 第 1 个数小于第 2 个数 转 MOV A R0 DEC R0 XCH A R0 交换 INC R0 MOV R0 A DONE DJNZ R7 LP 循环比较 RET 子程序结束 去最小值 FMIN MOV R7 08H 去最小值程序 MOV R0 40H 取数 LP1 MOV A R0 第 1 个数放入 A 中 温度的控制与采集 22 INC R0 地址加 1 CLR C 清借位 SUBB A R0 比较第 1 2 个数 JNC DONE1 A 中数大 没借位 转 MOV A R0 大数放 A 中 DEC R0 地址减 1 XCH A R0 大数