[电子设计论文精品]模拟量温度检测电路设计.doc

自动化学院本科毕业设计（论文）自动化学院毕业设计（论文）题 目： 模拟量温度检测电路设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 学 号： 6学生姓名： 指导教师： 高级实验师 起迄日期： 2011年2月28日 至4月22日 设计地点： 摘要随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，温度自动检测和显示系统在很多领域得到广泛应用。人们在温度检测的准确度、便捷、快速等方面有着越来越高的要求。而传统的温度传感器已经不能满足人们的需求，其渐渐被新型的温度传感器所代替。本文设计并制作了一个简易温度计。本设计采用了单片机at89s52和温度传感器ad590组成了温度自动检测系统，可根据实际需要任意设定温度值。在此设计中利用了at89s52单片机作为主检测器件，ad590作为测温传感器通过led数码管，实现温度显示。通过ad590直接读取被测温度值，进行数据转换，能够设置温度上下限来设置报警温度。并且在到达报警温度后，系统会自动报警。本文设计是从测温电路、主控电路、报警电路等几个方面来分析说明的。该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及检测。另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度。从而简化数据传输与处理过程。此设计的优点主要体现在可操作性强，结构基础简单，拥有很大的扩展空间等。关键词：单片机；温度传感器；报警目录摘 要 i目 录ii第一章 绪论.51.1 选题背景.51.2 选题目的及意义.5第二章 设计的整体方案.7 2.1 设计的主要内容7 2.2 设计性能要求. .7第三章 器件的选择.9 3.1单片机的选择9 3.1.1at89s52的特点及选择原因.9 3.1.2工作模式及注意事项.93.2温度传感器的选择.103.2.1 ad590的特点及选择原因.113.2.2ad590的模拟电压的获得.12第四章 原理分析144.1按键电路.144.1.1按键电路设置.144.2报警系统14 4.2.1报警电路连接方式14第五章 程序流程分析16 5.1主程序框图.165.2a/d转换的软件实现165.2.1 adc0809的工作过程.165.2.2 adc0809主要特性.175.3 温度采样软件设计.175.3.1 ad590相关知识.17第六章 体现与展望.19 6.1设计总结.19 6.2设计展望.19致 谢 21参考文献.22附录a.23第一章 绪论1.1选题背景随着人们生活水平的不断提高,单片机检测无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的。单片机在检测领域中具有十分广泛的应用，它既可以测量电信号，又可以测量温度湿度等非电信号。由单片机构成的温度检测、温度检测系统可广泛应用于很多领域。单片机在工业检测、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各检测领域的应用中独占鳌头。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊检测化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域。温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。目前的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ate)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度检测量，适配各种微检测器(mcu)。社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。1.2 选题目的及意义随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。无论是在工业方面，农业方面或者是平民大众的生活当中，我们都能看到温度计的身影。传统的温度检测以热敏电阻和ad590为温度敏感元件。热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差。测温准确度低，检测系统也有一定的误差。因此，利用新型温度传感器取代旧式的温度传感器是必然的趋势，新型的温度传感器的优势越来越得到体现，越来越普及。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个检测领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。本设计的温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，不仅具有检测方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，测温传感器使用ad590，led以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。同时计时器的应用，使得温度计在使用时能够提示运行时间，设置报警时间等。第二章 设计的整体方案2.1设计的主要内容根据系统的设计要求，当温度传感器ad590把所测得的温度发送到at89s52单片机上，经at89s52处理，将把温度在显示电路上显示，除了显示温度以外还可以设置一个报警温度，对所测温度进行监控。利用外接的按键设置电路，对温度进行上下限设置。当温度高于或低于设定温度时，开始报警并启动相应程序。同时，系统还会显示温度计已经工作的时间，方便用户进行简单的人机对话。当开机后，计数器自动运行，开始记录已开机时间，在进行上下限操作时，计时的功能不关闭，持续计时。同时，能够设置报警温度，在到达报警时间后能够提示报警。利用at89s52芯片控制温度传感器ad590进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。系统框图如图2-1所示：at89s52报警电路温度传感器按键设定显示设备图2-1 系统框图选择ad590作为本系统的温度传感器，选择单片机at89s52为检测系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。ad590输出信号大，与温度有较好的线性关系，使用方便，测量精度高。温度每变化1，其输出电流变化1ua，绝对零度时输出电压为零，0输出电流为273ua！ad590是将温度信号转化为电流信号！当led液晶显示器接收到来自at89s52单片机传送来的温度信息后，分别显示了当前的温度，温度上限，温度下限和温度计运行时间。2.2设计性能要求（1）利用温度传感器（ad590）测量某一点环境温度。（2）测量范围为-2555，精度为0.5。（3）用液晶进行实际温度值显示。（4）能够根据需要方便设定上下限报警温度。（5）当达到报警温度后，能够自动发出报警声。（6）显示测温时间，方便检测。第三章 器件的选择3.1单片机的选择本设计是选用ad590作为温度传感器，选用at89s52单片机作为整个设计的核心处理器部分。通过处理作为温度传感器传输的温度信息后，将处理后的信息传输给led液晶显示器。所以用到的器件有at89s52、ad590、led等。3.1.1 at89s52的特点及选择原因at89s52作为温度测试系统设计的核心器件该器件是intel公司生产的mcs一5l系列单片机中的基础产品，采用了可靠的cmos工艺制造技术具有高性能的8位单片机，属于标准的mcs一51的cmos产品。片内含8k bytes的可贩毒擦写的只读程序存储器（perom）和256 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件兼容标准的mcs-51指令系统。片内置通用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元。结合了hmos的高速和高密度技术及chmos的低功耗特征。其具有如下性质：（1）与mcs-51 产品指令系统完全兼容（2）8k字节可重擦写flash闪烁存储器。（3）寿命：1000写/擦循环。（4）数据保留时间：10年。（5）全静态工作：0hz-24hz。（6）三级程序存储器锁定。（7）128*8位内部ram。（8）32可编程i/o线。（9）三个16位定时器/计数器。（10）8个中断源。（11）可编程串行通道。（12）低功耗的闲置和掉电模式。（13）片内振荡器和时钟电路。3.1.2 at89s52的工作模式及注意事项at89s52单片机有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是检测专用寄存器pcon(即电源检测寄存器)中的pd（pcon1）和idl(pcon0)位来实现的。pd是掉电模式，当pd=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。idl是空闲等待方式，当idl=1，激活空闲工作模式，点偏激进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即pd和idl同时为1，则先激活掉电模式。在空闲工作状态下，cpu保持睡眠状态而所有的片内的外设都保持激活状态，这种方式由软件产生，此时，片内ram和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随rst1（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式的那条指令后面的一条指令。其二是通过硬件复位可以将空闲工作模式终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，cpu通常是从激活空闲模式那条指令的吓一跳指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止cpu访问片内ram，而允许访问其他端口。为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲状态的那条指令后一条指令不应是一条端口或外部存储器的写入指令。在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令。片内ram和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但并没有因此改变ram中的内容，在vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，但必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作3.2温度传感器的选择ad590是美国dallas公司继ds1820之后推出的增强型单总线数字式温度传感器，它在转换速度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较之前产品有了很大的改进，给用户带来了更方便、更令人满意的效果。dallas 最新单线数字温度传感器ad590是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。dallas 半导体公司的数字化温度传感器ad590是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55+125 摄氏度，可编程为9位12 位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在eeprom 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个ad590可以并联到3 根或2 根线上，cpu只需一根端口线就能与诸多ad590 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便3.2.1 ad590的特点及选择原因ad590 的性能特点如下：独特的单线接口方式，ad590在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ad590的双向通讯。ad590支持多点组网功能，多个ad590可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。ad590在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。其具有8条特点：（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5v，在寄生电源方式下可由数据线供电。（2）温范围55125，在-10+85时精度为0.5。（3）零待机功耗。（4）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。（5）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。（6）用户可定义报警设置。（7）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。（8）结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给cpu，同时可传送crc校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。ad590作为新型的一线器件，能够方便的和中心处理器进行连接，并具有很大的扩展空间。温度范围较广，使得整体的测温范围能大幅度的上升，零待机消耗更是起到了节能的作用。利用用户能自定义报警设置这一特点，能够在实现报警功能上得到很大的便利，同时极强的抗干扰性能使得温度的检测更加准确，作为温度计最基本的要求，准确必须满足。这些好处使得ad590最终被选择。3.2.2 ad590的模拟电压的获得图3-2-2 温度采集电路图温度采集电路图如图3-2-2，ad590在0时输出电流为273ua，温度t每增加1，电流i增加1ua。所以在0时的点位是u=0.273*2k=0.546v假设温度显示在-25+55，输出电压的变化范围：-25时： u1=（0.273-0.025）ma*2k=0.496v+55时： u2=（0.273+0.055）ma*2k=0.656v电压的变化幅度： uw=0.656v-0.496v=0.16v我们用的是0-5v的电压，所以需要设计预算放大电路。放大倍数为：k=5v0.16v=31.25电压的变化范围是0.496v-0.656v，而设计所用的电压是0-5v，所以要在部分c的输出端“0”点产生零电位。图b中稳压二极管的稳定电压为3.6v通过调节定位为器rw2可以调节图b中输入端的电压。当温度为-25时：图a输出端送入图c输入端的电压为+0.496v，此时调节定位器rw2使得图b的电压经反相电路c的输出电压为-0.496v。两点压相抵消则输入图c的电压为0v。所以在图c输出端“0”点产生零点位 当温度为+55时：图a的输出电压为0.656v与图b经反相电路输出电压为-0.496v相抵后送入反相放大器图c中，即图c的输出端“0”点电压为：-（0.656v-0.496v）*31.25=-5v，再将-5v电压送图d经反相电路后输出电压为+5v。第四章 原理分析4.1按键电路4.1.1按键电路设置（1）设置温度上下限报警功能。s1设置键、s2数字加键、s3 数字减键。通过对数字加键或数字减键操作，可以对设定上限或下限温度每次操作增加或减小0.5度；通过s1的操作次序确定当前的显示和校正内容，由s2和s3进行校正。s1可以有3种状态，对应调整内容见下4-1-1和4-1-2表s1的操作次序调整内容0正常显示温度1上限调整2下限调整表 4-1-1表 4-1-2（2）温度上下限调整也可通过串行通信接口来实现。（3）当前温度可通过串行通信接口送给计算机。（4）温度超限报警。当温度超过设定的上下限时，系统进行声音报警和显示报警4.2 报警系统利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。当所测温度超过获低于所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出。而另一端则直接和单片机端口相连。4.2.1报警电路，连接方式如4-2-1所示根据at89s52的内部晶振周期，开始计时。当达到设置的报警温度时，报警电路发出报警声，此报警声有别于当温度到达温度上限时的报警声，使得用户不会发生混淆。图4-2-1报警电路第五章 程序流程分析5.1主程序框图图5-1 软件框图通过单片机软件设计，实现如上图结构。系统通过键盘扫描，改变状态标志位，然后通过判断状态标志位进入不同的工作模式，共有三种工作模式，分别为：温湿度计显示模式、温度报警值设置模式和湿度报警值设置模式。其中，考虑到当下位机在进行报警温度设置时，只对键盘扫描、对at24c02读写和对led写操作，没有对温湿度进行采集，所以将rs232串口通信软件模块放在温湿度显示分支上，当用户在显示模式下键入指定键值时，进入报警值设置模式，通信模块暂停，当用户再次输入指定的按键返回温湿度计显示模式时，串口通信再次工作。主程序中的分支是由tempsetflag和humisetflag两个标志位控制的。5.2 a/d转换的软件实现5.2.1 adc0809的工作过程adc0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ale=1。start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 a/d转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到a/d转换完成，eoc变为高电平，指示a/d转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。如图5-2-1图5-2-1 adc08095.2.2 adc0809主要特性1）8路8位a/d转换器，即分辨率8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100s4）单个5v电源供电 5）模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-4085摄氏度7）低功耗，约15mw。adc0809是cmos单片型逐次逼近式a/d转换器,，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型da转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，adc0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与ttl兼容。5.3 温度采样软件设计5.3.1 ad590相关知识ad590输出信号大，与温度有较好的线性关系，使用方便，测量精度高。温度每变化1，其输出电流变化1ua，绝对零度时输出电压为零，0输出电流为273ua！ad590是将温度信号转化为电流信号！其输出的电流值与绝对温度相对应。经电流电压转换电路，转换成相应的电压信号，再经减法器电路取出与摄氏温度相对应的电压值，最后经a/d转换器转换后送入显示器显示，显示出来的数值就是所测的摄氏温度值。温度检测电路是将温度信号转化为电流信号，再转化为相应的电压信号以便测量。ad590的阻抗转换是输入电阻大输出，因而可以稳定输入使得输出电压稳定。因而不需要温度补偿和专门的线性电路。由于ad590上述独特的优点，使它在温度检测方面得到广泛的应用。如图5-3-1图5-3-1 ad590六、体现与展望6.1设计总结在工业生产和日常生活中，对温度检测系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。在论文中简单分析了单片机温度检测系统设计过程及实现方法。本系统的测温范围为-1040，温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度检测。本次毕业论文中设计的温度计主要由at89s52和ad590来实现功能的。因此需要通过查阅资料来了解这些器件的基本结构，主要功能和注意事项等等。通过了解器件，在触类旁通之下，能够知道与所选器件相似的器件，比较彼此之间的优缺点，来确定设计选择的器件是否合适，如何更好的利用器件的特点成为了本次设计重要的一方面。在确定了器材之后，如何利用使之最大限度的体现设计的功能，完成设计目标，这又是需要花大量时间去思考的。经过一个多月的方案论证、系统的硬件和软件的设计、系统的调试。查阅了大量的关于传感器、单片机及其接口电路、以及检测方面的理论。经过了一番特殊的体验后，经历了失败的痛苦，也尝到了成功的喜悦。第一次靠用所学的专业知识来解决问题。检查了自己的知识水平，使我对自己有一个全新的认识。通过这次毕业设计，不仅锻炼自己分析问题、处理问题的能力，还提高了自己的动手能力。这些培养和锻炼对于我们这些即将走向工作岗位的大学生来说，是很重要。6.2设计展望在单片机自动检测已经广泛的应用于人们的生产和生活的今天，传统用模拟电路来检测温度的做法，已经逐渐被淘汰。这个系统的实现，改变了传统的温度检测方法，为温度的检测开辟了一条新的道路。与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，由于并且单片机价格的相对低廉，能够大量的普及。现在温度计的需求在日益增大当中。生活中，人们渐渐习惯了温度计的存在，而单片机的相对低廉决定了温度计的经济效益。对于本系统的使用者来说，本系统能够很稳定的检测温度而且稳定性很高。只要配上适当的温度传感器，这个系统便还可以实现很多领域的温度自动检测。这对于提高系统的利用率，避免重复设计有很大的帮助的。在本系统的作用下，可以为工作系统提供一个良好的环境，使产品的数量和质量有很大的提高。使得产品的生产成本降低，从而使系统的使用者获得的利润提高了。在农业大棚技术发展的今天，大棚温度需要严格检测，而温度计的使用能够帮助管理者更好的检测大棚温度。当然单纯的温度检测也许不能满足这些要求，在本设计基础上加上湿度检测，定时温度记录，与温度调节装置连接起来，用于自动调节温度等等，都是可以扩展的内容。总之，本设计简便实用，并且可