基于单片机的八路数字温度巡检仪设计

毕业设计说明书 基于单片机的八路数字温 度巡检仪设计 专专 业业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学生姓名学生姓名 班班 级级 学学 号号 指导教师指导教师 张张 美美 琪琪 完成日期完成日期 20122012 年年 6 6 月月 8 8 日日 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 摘 要 八路数字温度巡检仪能够实现在安全生产 产品质量 生产效率 能源 节约等方面的重大技术经济指标 在工农业生产中具有良好的应用前景 本课题介绍了基于单片机的八路数字温度巡检系统的设计方案和软硬件实现 设计中采用了八个 Pt100 铂电阻电桥进行温度采集 八选一数据选择器 HCF4051BE 对八路模拟信号进行选择 再由 16 位高精度模数转换器 TM7705 对 采集到的八路温度轮流进行模数转换 最后通过单片机控制和程序处理 得到准 确的温度值 通过五位数码管显示通道 温度数据 从而完成温度巡检过程 当 温度超过测量范围时 由发光二极管闪动进行超限提示 该系统主要由七个模块 组成 分别为 STC89C52 单片机最小系统模块 LED 数码管输出模块 按键输入 模块 八路铂热电阻桥温度采集模块 电源模块 八选一通道选择模块和模数转 换模块 正常运行时 其测温范围是 25 110 设计中给出了系统总体设计框 图 系统设计原理图 PCB 图及程序 并在硬件平台上实现了设计要求 关键词 单片机 Pt100 TM7705 温度巡检 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 Design of Eight Channels Digital Temperature Inspection Instrument Based on SCM Abstract Eight channels digital temperature inspection instrument can realize in safe production product quality production efficiency energy saving and other aspects of the important technical economic indicators in agricultural and industrial production has good application prospect This subject introduces eight channels digital temperature circuit design scheme of the system and hardware and software implementation based on SCM Applied to the design of the eight Pt100 platinum resistance temperature electric bridge collection eight choose a multiplexer HCF4051BE 8 to choose analog signals again by 16 high precision TM7705 adc for the collected 8 temperature in turn modulus conversion finally through the single chip microcomputer control and procedures get accurate temperature through the five digital pipe display temperature data channels so as to complete the inspection process temperature When the temperature more than measuring range the light emitting diode flashing to overrun hints The system consists of seven modules respectively STC89C52 single chip minimize system module LED digital pipe output module key input module 8 platinic resistance bridge acquisition module the power supply module temperature eight choose a channel selection module and modulus conversion module Normal operation its temperature range is 25 110 the design gives the system overall design scheme system design principle diagram PCB figure and program and in hardware platform realize the design requirements Key Words Single chip microcomputer Pt100 TM7705 Temperature inspection 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 目目 录录 1 概 述 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 课题研究意义 1 1 3 课题研究内容 1 2 系统方案设计 3 2 1 系统设计要求 3 2 2 方案设计与选择 3 2 2 1 总体流程图 3 2 2 2 方案选择 3 2 3 软硬件设计开发环境选择 4 2 3 1 硬件设计环境选择 4 2 3 2 软件开发环境选择 6 3 硬件电路设计 8 3 1 系统各功能模块电路设计 8 3 1 1 STC89C52 单片机最小系统模块设计 8 3 1 2 LED 数码管输出模块设计 10 3 1 3 按键输入模块设计 11 3 1 4 八路铂热电阻桥温度采集模块设计 12 3 1 5 电源模块设计 14 3 1 6 八选一通道选择模块设计 16 3 1 7 模数转换模块设计 17 3 2 系统硬件电路设计 21 3 2 1 系统原理图绘制 21 3 3 2 系统 PCB 图绘制 22 4 系统软件设计 23 4 1 主程序设计 23 4 2 温度采集处理子程序设计 24 4 3 显示子程序设计 25 4 4 八位数据倒序处理子程序设计 26 4 5 TM7705 读出子程序设计 26 4 6 TM7705 初始化子程序设计 26 4 7 单通道温度查询显示子程序设计 27 5 系统调试 28 5 1 硬件调试 28 5 1 1 静态检查 28 5 1 2 通电检查 28 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 5 2 软件调试 28 5 2 1 仿真过程 28 5 2 2 脱机调试 30 5 2 3 实物调试结果 30 6 结束语 32 参考文献 33 致 谢 34 附 录 35 附录 1 程序清单 36 附录 2 设计图纸 50 附录 2 1 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计原理图 50 附录 2 2 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 PCB 图 51 附录 3 元器件目录表 52 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 1 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 1 概 述 1 1 课题研究背景 随着现代科学技术的发展 在现代化的工业生产中 电流 电压 温度 压力 流量 流速和开关量都是常用的主要被控参数 尤其在冶金工业 化工生产 电力 工程 造纸行业 机械制造和食品加工领域中 人们都需要对各类加热炉 热处理 炉 反应炉和锅炉中的温度进行检测与控制 但在实际生产过程中 温度的测量环 境恶劣 常伴有巨大的撞击力或高温气体的高速流动 测量技术难度非常大 由于 许多工业产品对温度范围要求非常严格 因为对温度的控制好坏直接会影响到产品 质量的高低 因此 在工农业生产中 对温度不仅要不断地测量 而且还要进行控 制 特别是遇到温度超过预设值时 系统会进行报警 在温度巡检仪没有普及运用之前 温度计测温被人们运用在大多数温度测量场 合 由于其本身的结构和功能所限 它只能对一些要求精度不高的地方进行较粗略 检测 然而需要严格控温的场合则没有办法检测 最终影响到了生产效率及效率 所以 温度计在工业上的应用必将由温度巡检仪替代 但是 就目前市场上看 销售的大都是单路测量的温度检测仪器 其存在温度 信息传递不及时 精度不够等缺点 不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定 在这样的市场需求背景下 采用一种效率和自动化水平更高 更新的测量手段 是 温度测控系统的发展趋势 1 2 课题研究意义 在工业生产过程中 温度检测和控制直接联系着安全生产 产品质量 生产效 率 节约能源等重大技术经济指标 温度检测类仪表作为温度计量工具 也因此得 到广泛的应用 随着生产力的发展 生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的 高要求 人们开始关注具有温度自动巡检功能的多路温度巡检仪 多路温度巡检仪的出现和发展顺应了时代和工业的发展趋势 推动了经济技术 指标的革新 它是由温度传感元件 转换元件 显示元件和控制元件构成 其测温 原理是 多个传感器的输出电参数跟随温度的变化而变化 输出并变换成统一规格 的电信号 由多路数据选择器选通 以采样 量化 编码和必要的辅助运算方法将 模拟量转换成数字量 再经数字电路或微处理器及外围电路处理后 在显示元件上 输出对应的温度值 重复上述过程 可以实现轮流周期性地采集被测信号并显示 当然 根据实际需求 也可以进行单通道温度的查询与显示 1 3 课题研究内容 A 分析八路数字温度巡检技术的应用现况及发展前景 首行缩进 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 2 B 根据课题设计内容和要求确定系统总体设计方案 C 根据系统总体设计方案设计系统硬件电路 确定所采用的单片机 温度采集与 转换等元器件的型号 D 根据课题内容和系统硬件电路设计软件 使用 C 语言编写程序 使程序能够实 现基本要求 E 使用 Protel 99SE 软件完成系统硬件电路原理图 系统硬件电路 PCB 图绘制 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 3 2 系统方案设计 2 1 系统设计要求 该系统应满足以下要求 A 实现工业现场温度测量 温度测量范围从 25 变化到 110 精度保持在 1 B 现场温度显示 轮询显示 8 通道温度 可以查询单通道温度并显示 C 显示 能够显示通道号 正负号 温度值 2 2 方案设计与选择 2 2 1 总体流程图总体流程图 设计的总体流程图如下图 2 1 图 2 1 总体流程图 图下面的要段前断后 0 5 你都自己改下吧 2 2 2 方案选择方案选择 根据设计内容 提出三种设计方案 A 方案一 采用 STC89C52 单片机作为系统控制核心 其片内自带 8kB 大小的 Flash ROM 烧写进去的 HEX 文件大小最大能达到 20KB 左右 信号采集电路选择 的是八个含有 Pt100 的电桥电路 可以采集八个点的温度值 而选择的 TM7705 模 数转换元件内含差放电路 所以采集到的模拟信号可以直接输送给 TM7705 进行处 理 对于八个点传输过来的模拟信号 要通过八选一数据选择器进行选择 即每个 模拟信号对应一个通道 此八选一数据选择器选用 HCF4051BE 在显示单元中 选择五位数码管分别显示通道号 正负号 温度值 而在控制单元中 需要通过按 键控制单通道温度查询和显示的过程 整个系统中 单片机晶振选用 12MHz TM7705 的时钟线要接到单片机的 ALE 端 以便产生 2MHz 的时钟 单片 机的 P0 口为数码管的段码 P2 口为位选 P3 0 为 A D 数据输入端 采用串行通信 方式 0 进行数据的读入 B 方案二 单片机依然选用 STC89C52 作为系统控制核心 而 AT89S52 单片机也 是可以选用的 信号采集电路是选用八个并接于单线总线的数字温度传感器 DS18B20 进行八个点的温度采集 它可以不通过放大整形和模数转换电路而直接接 单 片 机 信号采集信号放大模数转换 显示 控制 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 4 在单片机上 显示单元中选用液晶显示器 LCD1602 控制单元与方案一中相同 C 方案三 单片机选用 STC89C52 信号采集电路与方案一中相同 但在此方案 中 信号放大电路选用 rail to rail 运算放大器 使输出电压上限可以达到电源电压 而下限可以达到 0V 同时 加入滤波电容对影响信号采集的空气中的高频信号进 行过滤 模数转换电路选用 ADC0809 芯片 对模拟信号进行处理 控制单元与方 案一相同 对比观察上述三种方案 方案一中铂热电阻 Pt100 温度传感器具有精度高 测温范围广 一般可测 200 650 在工业测温上应用广泛 而且可以通过引线 将铂电阻置于需要测量温度的环境中 满足不同点不同温度测量的需求 同时 TM7705 解决了对采集到的模拟信号进行放大和数字处理 而不需要另外增加信号 放大滤波电路 方案二中 所用到的数字温度传感器性能较强 价格上比 Pt100 便宜很多 而 且电路搭构简单易行 节约了许多外围电路空间 LCD1602 显示功能强大 但没有 数码管显示快捷方便 方案三比方案一在信号放大和模数转换两个单元中有所不同 其电路设计比方 案一繁琐 综合考虑 最终选择方案一 方案二有其优势所在 但在工业测温中 方案一 应用面更宽广 经济价值更高 比方案二有更广泛的市场需求和更好的发展前景 2 3 软硬件设计开发环境选择 2 3 1 硬件设计环境选择硬件设计环境选择 Protel 99SE 是由澳大利亚 Protel Technology 公司基于 Windows 平台开发的 EDA 设计软件 采用设计库管理模式 可以进行联网设计 具有很强的数据交换能 力和开放性及 3D 模拟功能 是一个 32 位的设计软件 可以完成电路原理图设计 印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作 它能够实现从电学概念设计到输出 物理生产数据 以及这之间的所有分析 验证和设计数据管理 最新版本的 Protel 软件可以毫无障碍地读 Orcad Pads Accel PCAD 等知名 EDA 公司设计文件 以 便用户顺利过渡到新的 EDA 平台 Protel 99SE 有六个主要功能模块 分别为 Advanced Schematic 99SE Advanced PCB 99SE Advanced Route 99SE Advanced Integrity 99SE Advanced SIM 99SE 和 Advanced PLD 99SE A Advanced Schematic 99SE 原理图设计系统 该模块主要运用于电路原理图设计 原理图元件设计和各种原理图报表生成等 B Advanced PCB 99SE 印刷电路板设计系统 该模块提供了一个功能强大和交互友好的 PCB 设计环境 主要用于 PCB 设计 元件封装设计 报表形成及 PCB 输出等 C Advanced Route 99SE 自动布线系统 该模块是一个集成的无网格自动布线系统 布线效率高 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 5 D Advanced Integrity 99SE PCB 信号完整性分析 该模块提供精确的板级物理信号分析 可以检查出串扰 过冲 下冲 延时和 阻抗等问题 并能自动给出具体解决方案 E Advanced SIM 99SE 电路仿真系统 该模块是一个基于最新 Spice3 5 标准的仿真器 为用户的设计前端提供了完整 直观的解决方案 F Advanced PLD 99SE 可编程逻辑器件设计系统 该模块是一个集成的 PLD 开发环境 可使用原理图或 CUPL 硬件描述语言作 为设计前端 能提供工业标准 JEDEC 输出 它的原理图和 PCB 图设计运行窗口界面如下图 2 2 2 3 图 2 2 原理图设计运行窗口界面 原理图编辑窗口 工具选择 元件库管理 元器件选择 元器件显示 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 6 图 2 3 PCB 图设计运行窗口界面 2 3 2 软件开发环境选择软件开发环境选择 Keil C51 软件是目前最流行开发 8051 系列单片机的软件工具 Keil C51 提供了 包括 C 语言编译器 宏观编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内 的完整开发方案 通过一个集成开发环境 u Vision IDE 将这些部分组合在一起 由 Keil C51 进行软件程序编写 方便快捷 其运行窗口如下图 2 4 图 2 4 u Vision3 IDE 运行窗口界面 u Vision3 IDE 是基于 Windows 的开发平台 包含一个高效的编辑器 一个项 目管理器和一个 MAKE 工具 u Vision3 IDE 支持所有的 Keil C51 工具 包括 C 语 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 7 言编辑器 宏汇编器 连接 定位器 目标代码到 HEX 的转换器 其主要特征如下 A 集成开发环境 u Vision3 IDE 包括一个工程管理器 一个功能丰富并有交互式错误提示的编辑 器 选项设置 生成工具及在线帮助 可以使用 u Vision3 IDE 创建源文件 并组成 应用工程加以管理 u Vision3 IDE 可以自动完成编译 汇编和链接程序的操作 使 用户可以只专注于开发工作的效果 B C51 编辑器和 A51 汇编器首行缩进不对 由 u Vision3 IDE 创建的源文件 可以被 C51 编辑器或 A51 汇编器处理 生成 可以重定位的 object 文件 Keil C51 编辑器遵照 ANSIC 语言标准 支持 C 语言的 所有准特性 另外还增加了几个可以直接支持 8051 结构的特性 Keil A5 宏汇编支 持 8051 及其派生系列的所有指令集 C LIB51 库管理器 LIB51 库管理器可以从由汇编器和编辑器创建的目标文件建立目标库 这些库 是按规定格式排列的目标模块 可以在以后被链接器所使用 当链接器处理一个库 时 仅仅使用了库中程序使用的目标模块而不是全部加以引用 D BL51 链接器 定位器 BL51 链接器使用从库中提取出来的目标模块和由编译器生成的目标模块 创 建一个绝对地址目标模块 绝对地址目标文件或模块包括不可重定位的代码和数据 所有的代码和数据都被固定在具体的 存储器单元中 绝对地址目标文件可以用于 A 编程 EPROM 或其他存储器设备 B u Vision3 IDE 调试器对目标进行调试和模拟 C 使用在线仿真器进行程序测试 E u Vision3 软件调试器 u Vision3 IDE 软件调试器能十分理想地进行快速 可靠的程序调试 调试器包 括一个高速模拟器 可以使用它模拟整个 8051 系统 包括片上外围器件和外部硬 件 当从器件数据库选择器件时 这个器件的属性会被自动配置 F u Vision3 IDE 硬件调试器 u Vision3 IDE 调试器提供了几种在实际目标硬件上测试程序的方法 安装 MON51 目标监控器到用户的目标系统 并通过 Monitoe 51 接口下载程序 使用 这个事另起一段还是什么 高级 GDI 接口将 u Vision3 IDE 调试器同第三方 仿真器系统相连接 通过 u Vision3 IDE 的人机交互环境完成仿真操作 G RTX51 实时操作系统 RTX51 实时操作系统是针对 8051 微控制器系列的一个多任务内核 RTX51 实 时内核简化了需要对实时事件进行反应的复杂应用的系统设计 编程和调试 这个 内核完全集成在 C51 编译器中 使用非常简单 任务描述表和操作系统的一致性由 BL51 链接器定位器自动进行控制 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 8 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 9 3 硬件电路设计 3 1 系统各功能模块电路设计 根据选择的系统设计方案 确定了基于单片机的八路数字温度巡检仪设计的原 理结构框图 此硬件系统主要由单片机最小系统模块 LED 数码管输出模块 按键 输入模块 八路铂热电阻桥温度采集模块 八选一通道选择模块 模数转换模块及 电源模块组成 此硬件系统原理结构框图如下图 3 1 所示 图 3 1 硬件系统原理结构框图 3 1 1 STC89C52 单片机最小系统模块设计单片机最小系统模块设计 STC89C52 单片机最小系统模块如下图 3 2 所示 S0 SW PB 12M CRY STAL T2 P1 0 1 T2EX P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 IN T0 P3 2 12 IN T1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 X TA L2 18 X TA L1 19 V SS 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 A LE P 30 EA VP 31 P0 7 AD 7 32 P0 6 AD 6 33 P0 5 AD 5 34 P0 4 AD 4 35 P0 3 AD 3 36 P0 2 AD 2 37 P0 1 AD 1 38 P0 0 39 V CC 40 U 1 STC89C52 R1 10K C1 33pF C2 33pF C3 10uF 一一 V CC V CC V CC A LE A B C RXD TXD D RD Y 图 3 2 STC89C52 单片机最小系统模块 单片机最小系统又称为单片机最小应用系统 是由最少的元器件组成的可以工 八路 Pt100 铂热电阻电 桥 HCF4051B E 八选一数 据选择器 TM7705 模 数转换元件 STC89C52 单片机 五位 LED 数码管 S1 S2 按键控 制 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 10 作运行的系统 其一般包括单片机 晶振电路和复位电路 A 单片机 本系统电路选用的是 STC89C52 单片机 STC89C52 是一种自带 8KB 字节的闪 烁可编程可擦除只读存储器的低电压 高性能的 CMOS8 位的微处理器 它在指令 系统 硬件结构和片内资源上与标准 8052 单片机完全兼容 它的引脚图如下图 3 3 所示 图 3 3 STC89C52 引脚图 STC89C52 单片机有 2 根主电源引脚 2 根外接晶振引脚 4 根控制引脚 32 根可编程输入 输出引脚 总共 40 根引脚 每根引脚都具备指定的功能 A 主电源引脚 2 根 VCC Pin40 电源输入 接 5V 电源 GND Pin20 接地线 B 外接晶振引脚 2 根 XTAL1 Pin19 片内振荡电路的输入端 XTAL2 Pin20 片内振荡电路的输出端 C 控制引脚 4 根 RST VPP Pin9 复位引脚 引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复 位 ALE PROG Pin30 地址锁存允许信号 PSEN Pin29 外部存储器读选通信号 EA VPP Pin31 程序存储器的内外部选通 接低电平从外部程序存储器读指 令 如果接高电平则从内部程序存储器读指令 D 可编程输入 输出引脚 32 根 STC89C52 单片机有 4 组 8 位的可编程 I O 口 分别位 P0 P1 P2 P3 口 每 个口有 8 位 8 根引脚 共 32 根 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 11 P0 口 Pin39 Pin32 8 位双向 I O 口线 名称为 P0 0 P0 7 P1 口 Pin1 Pin8 8 位准双向 I O 口线 名称为 P1 0 P1 7 P2 口 Pin21 Pin28 8 位准双向 I O 口线 名称为 P2 0 P2 7 P3 口 Pin10 Pin17 8 位准双向 I O 口线 名称为 P3 0 P3 7 在系统电路中 P0 口 P2 口用于对五位 LED 数码管的控制 P1 0 P1 2 控制 八选一数据选择器的数据输出 P3 0 P3 2 控制 TM7705 的输入输出 B 晶振电路 STC89C52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端 时钟可以由内部方式产生或外部方式 产生 此系统电路选用内部方式产生时钟 在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元 件 内部振荡器就产生自激振荡 定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐 振回路 晶体振荡频率选择 12MHz 电容值选择 33pF 电容值的大小可对频率起 微调的作用 C 复位电路 复位是单片机的初始化操作 其主要功能是把 PC 初始化为 0000H 使单片机 从 0000H 单元开始执行程序 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程序运行出 错或操作错误使系统处于死锁状态时 为摆脱困境 也需按复位键重新启动 RST 引脚是复位信号的输入端 复位信号是高电平有效 其有效时间应持续 24 个振荡周期 即二个机器周期 以上 若使用颇率为 6MHz 的晶振 则复位信号持续 时间应超过 4us 才能完成复位操作 复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种 方式 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的 这样 只要电源 Vcc 的上升时间不超过 1ms 就可以实现自动上电复位 即接通电源就成了系统的 复位初始化 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种 其中 按键电平复位是通 过使复位端经电阻与 Vcc 电源接通而实现的 而按键脉冲复位则是利用 RC 微分电 路产生的正脉冲来实现的 此系统电路具备自动上电复位和按键手动电平复位两种 复位方式 3 1 2 LED 数码管输出模块设计数码管输出模块设计 该系统采用动态扫描的方法进行通道 符号和温度显示 在硬件设计中将所有 位数码管的段选线并联在一起 由位选线控制是哪一位数码管有效 选亮的数码管 采用动态扫描显示 因为动态显示的亮度比静态显示要差一些 所以在选择限流电 阻时其值应略小于静态显示电路中的限流电阻 动态显示电路与静态显示电路相比 优点是在温度值显示上有非常好的显示效果 缺点是在硬件电路上比较复杂 成本 较高 在该电路中选用的限流电阻阻值为 330 限流电阻不可以去除 因为限流 电阻能保证每一个段码的发光二极管能承受 10mA 20mA 最大电流 当在电源电压 为 5V 时 如果不加限流电阻 则流过发光二极管的电流会有几百毫安 这样会轻 而易举烧坏发光二极管 再者 该系统选用的是共阳极数码管 这样在段码控制端口 P0 口 为低电平 时数码管导通点亮 选用共阳极数码管的原因在于 51 单片机中 它的灌电流要大 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 12 于其输出电流 所以要选用共阳极数码管 让 P0 口以灌电流的方式提供驱动电流 以提高驱动能力 还需要注意地是 用端口是不能直接去驱动每个数码管的位选端 口的 因为 51 单片机的每个端口只能提供 20mA 的电流 如果去驱动的话 会很 快烧坏单片机的端口 所以此系统中是通过五个 PNP9012 型三极管驱动每个数码管 的位选端口 动态 LED 数码管输出模块如下图 3 4 所示 Q4 PNP9012 Q3 PNP9012 Q2 PNP9012 Q1 PNP9012 Q5 PNP9012 T2 P1 0 1 T2EX P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE P 30 EA VP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 39 VCC 40 U1 STC89C52 A 11 B 7 C 4 D 2 E 1 F 10 G 5 DP 3 a b f g ec ddp a b f g ec d a b f g ec d a b f g ec d dp dp dp C4 6 C3 8 C2 9 C1 12 D3 一 一 一 一 一 一 一 一 R101K R111K R12 1K R131K R141K R2 330R R3330R R4330R R5330R R6 330R R7330R R8 330R R9 330R VCC VCC 一一一一一一一 a b c d e f g dp a b c d e f g dp a b c d e f g dp VCC ALE A B C RXD TXD DRDY a 10 b 9 c 8 d 5 e 4 f 2 g 3 dp 7 com1 1 com2 6 a f b c d e g dp D2一一一一一一一一 图 3 4 LED 数码管输出模块 3 1 3 按键输入模块设计按键输入模块设计 为了实现查询单通道温度并显示对应通道和温度 系统电路中需要增加按键输 入模块 其中 将按键 S1 接 P3 3 口 当 S1 不按下时 始终执行主程序中八通道 温度自动巡检 当 S1 按下后 进入到单通道查询子程序中 可以进行单通道的温 度查询 将 S2 接 P3 4 口 作为通道数增加的控制按钮 理想中使用矩阵键盘进行 单通道温度查询是最优选择 但基于单片机端口使用情况 本系统电路无法选用矩 阵键盘 为了实现 25 110 的温度范围 当温度超过测温范围时应该给以提醒 所以在 P3 5 口增加发光二极管 发光二极管串联 330 的电阻 接在 5V 电源端 通过灌电流驱动发光二极管闪动 此模块中的按键 S1 S2 在引脚一侧加入 10K 的上拉电阻 保证 I O 读到的 电平状态稳定 其实不加上拉电阻也可以 S1 S2 直接接地 在通过实验板验证程 序时 S1 S2 加上拉电阻和直接接地的控制效果是一样的 但为了保证系统电路运 行的可靠性 应该加上拉电阻 按键输入模块如下图 3 5 所示 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 13 S1 S2 T2 P1 0 1 T2EX P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE P 30 EA VP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 39 VCC 40 U1 STC89C52 R32330R D1 LED 一一 一一一 一一一 一一 一一 一一一 一一一 一 一一一一一一一一 VCC VCC ALE A B C RXD TXD DRDY R33 10K R34 10K VCC VCC 图 3 5 按键输入模块 3 1 4 八路铂热电阻桥温度采集模块设计八路铂热电阻桥温度采集模块设计 八路铂热电阻桥测温模块选用 Pt100 此型号的铂热电阻测温范围达到 200 650 线性度也相当不错 完全符合本设计的设计要求 在硬件电路设计 过程中 选取温度传感器有 6 个注意点 选用 Pt100 也是考虑到这 6 点 分别是其 测量的对象和环境 较高的灵敏度 较好的频率响应 较宽的线性范围 良好的稳 定性及高精度 A 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行 项具体的测量工作 首先要考虑采用何种原理的传感器 这需要分析 多方面的因素之后才能确定 因为 即使是测量同一物理量 也有多种原理的传感 器可供选用 哪一种原理的传感器更为合适 则需要根据被测量的特点和传感器的 使用条件考虑以下一些具体问题 量程的大小 被测位置对传感器体积的要求 测 量方式为接触式还是非接触式 信号的引出方法 有线或是非接触测量 传感器的 来源 国产还是进口 价格能否承受 还是自行研制 B 灵敏度的选择 通常 在传感器的线性范围内 希望传感器的灵敏度越高越好 因为只有灵敏 度高时 与被测量变化对应的输出信号的值才比较大 有利于信号处理 但要注意 的是 传感器的灵敏度高 与被测量无关的外界噪声也容易混入 也会被放大系统 放大 影响测量精度 因此 要求传感器本身应具有较高的信噪比 尽量减少从外 界引入的串扰信号 C 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围 必须在允许频率范围内保持 不失真的测量条件 实际上传感器的响应总有 定延迟 希望延迟时间越短越好 传感器的频率响应高 可测的信号频率范围就宽 而由于受到结构特性的影响 机 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 14 械系统的惯性较大 因有频率低的传感器可测信号的频率较低 D 线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围 以理论上讲 在此范围内 灵敏度保持定值 传感器的线性范围越宽 则其量程越大 并且能保证一定的测量 精度 在选择传感器时 当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求 但实际上 任何传感器都不能保证绝对的线性 其线性度也是相对的 当所要求测 量精度比较低时 在一定的范围内 可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的 这会给测量带来极大的方便 E 稳定性 传感器使用一段时间后 其性能保持不变化的能力称为稳定性 影响传感器长 期稳定性的因素除传感器本身结构外 主要是传感器的使用环境 因此 要使传感 器具有良好的稳定性 传感器必须要有较强的环境适应能力 在选择传感器之前 应对其使用环境进行调查 并根据具体的使用环境选择合适的传感器 或采取适当 的措施 减小环境的影响 F 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标 它是关系到整个测量系统测量精度的一 个重要环节 传感器的精度越高 其价格越昂贵 因此 传感器的精度只要满足整 个测量系统的精度要求就可以 不必选得过高 这样就可以在满足同一测量目的的 诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器 如果测量目的是定性分析的 选用重复精度高的传感器即可 不宜选用绝对量 值精度高的 如果是为了定量分析 必须获得精确的测量值 就需选用精度等级能 满足要求的传感器 对某些特殊使用场合 无法选到合适的传感器 则需自行设计 制造传感器 自制传感器的性能应满足使用要求 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器 由于其测量准确度高 测量范围大 复现性和稳定性好等 被广泛用于中温 200 650 范围的温度测量中 而本课题硬件系统设计正因为铂热电阻的上述优 点才选择其作为温度采样的传感器的 此模块采用了八个含 Pt100 的电桥 分别从桥两对应电位点引出由温度变化导 致的电压变化值 为了提高精度 桥臂电阻是经过严格筛选的温漂系数很小 0 01 阻值相同的精密金属膜电阻 本设计中一组桥臂电阻选用 10K 的电阻 共同接 5V 电源 而另一组桥臂为 Pt100 和 200R 的可调电位器 本设计中为降低硬件成本 将 Pt100 换成同样的 200R 可调电位器进行电阻变化模拟 其阻值变化理论上应从 90 19 到 142 29 对应温度 25 到 110 而另一电位器调置成 90 保证 Pt100 一侧输出电压 当 Pt100 90 19 时 对应理论温度为 25 此时输出电压变 化值 U 5V 10000 90 19 90 19 44 7mv 当 Pt100 142 29 时 对应理论温 度为 110 此时输出电压变化值 U 5V 10000 142 29 142 29 70mv 大 于此处输出电压 而该输出电压变化值 U 5V 10000 90 90 44 6mv 在模 数转换器 TM7705 中 参考电压 REF IN 3 3v REF OUT 0v 以 AIN1 电 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 15 位器 90 所在支臂中点电压变化输入 为参考的话 则 AIN Pt100 所在支臂中 点电压变化输入 的模拟电压信号变化范围应该为 44 6mv 25 78mv 其中 25 78mv 为参考电压 3 3V 增益 128 但在实际执行数据处理中存在问题 需要不断的更改增 益值 即重新向设置寄存器输入预定值 并且调整电位器大小 Pt100 接入电桥采 用三线制可进一步减小导线对测量结果的影响 八路铂热电阻桥温度采集模块如下 图 3 6 RT1PT100 RV1 90R R16 10K R15 10K VCC x00 x10 图 3 6 八路铂热电阻桥温度采集模块 3 1 5 电源模块设计电源模块设计 该模块需要提供 5V 3 3V 和接地电位 5V 电压可以由降压变压器 整流 桥 稳压集成芯片 LM7805 等元件产生 3 3V 电压可以由 5V 电源 稳压集成芯 片 AMS1117 3 3 和滤波电容产生 A 5V 直流稳压电源 5V 直流稳压电源电路如图 3 7 C4 2200uF T1 TRANS1 1 2 3 4 D4 C5 0 1uF C7 0 1uF Vin 1 GND 2 Vout 3 U5 LM7805 AC220v 50Hz8v C6 100uF VCC GND U1U2 5V 图 3 7 5V 直流稳压电源电路 5V 直流稳压电源是一种将 220V 工频交流电转换成稳压输出的 5V 直流电压 装置 它需要经过变压 整流 滤波和稳压四个环节才能完成 电源变压器采用降压变压器 将电网交流 220V 电压变成 8V 电压 并送给整 流电路 变压器的变比由变压器的副边电压决定 此处变比 K 27 5 整流电路采用单向导向元件 把 50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电 整 流电路常采用二极管桥式整流电路 使得在交流电源正负半周内 整流电路负载上 都有方向不变的脉动直流电压和电流 每个二极管只在半个周期内导电 流过每个 二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半 即 ID IL 2 0 45U2 RL 电路中 每只二极管承受的最大反向电压为 0 707U2 U2为副边电压有效值 滤波电路将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除 从而得到较为平 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 16 滑的直流电压 在电源模块设计中 通常利用电容器两端电压和流过电感器电流不 能突变的特点 将电容器和负载电容并联或电容器和负载电阻串联 以达到使输出 电压 电流波形基本平滑的目的 稳压电路是使输出的直流电压稳定 不随交流电网电压和负载变化而变化 稳 压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成 此处采用的是稳压集成芯片 LM7805 LM7805 是目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件 在稳压 过程中 Vin 和 Vout 两端会形成一个并不十分稳定的直流电压 此直流电压经过稳 压和滤波后便在稳压电源的输出端产生精度高 稳定性好的直流输出电压 其管脚 图如图 3 8 图 3 8 LM7805 管脚 B 3 3V 直流稳压电源 3 3V 直流稳压电源电路如图 3 9 C8 10uF C9 103 C10 104 IN 3 OUT 2 GND 1 U6AMS1117 3 3V VCC 3 3V 图 3 9 3 3V 直流稳压电源电路 AMS1117 3 3V 是目前用的比较多的 3 3V 集成稳压元件 它可以直接将 5V 输 入电压转变成 3 3V 电压输出 同时还要进行去耦处理 其管脚图如图 3 10 12 3 V 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2012 17 图 3 10 AMS1117 3 3 管脚图 3 1 6 八选一通道选择模块设计八选一通道选择模块设计 本模块选用的 HCF4051BE 功能同 CD4051BM 此元件相当于一个单刀八掷 开关 开关接通哪一通道 由输入的 3 位地址码 ABC 来决定 INH 是禁止端 当 INH 1 时 各通道均不接通 此外 HCF4051BE 还设有另外一个电源端 VEE 以作为电平位移时使用 从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS 电路所 提供的数字信号能直接控制这种多路开关 并使这种多路开关可传输峰 峰值达 15V 的交流信号 在此模块中 VEE 不使用 其引脚悬空置高电平处理 HCF4051BE 的引脚图如下图 3 11 图 3 11 HCF4051BE 引脚图 同时 HCF4051BE 各引脚的功能为 A B C 地址端 分别对应 11 10 9 引脚 CHANNELS 0 7 输入输出端 对应 13 14 15 12 1 5 2 4 引脚 INH 禁止端 对应 6 引脚 COM OUT IN 公共输出 输入端 对应 3 引脚 VDD 正电源 对应 16 引脚 VEE 模拟信号地 对应 7 引脚 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 18 Vss 数字信号地 对应 8 引脚 本模块需要选用两快 HCF4051BE 作为采集到的温度信号输入给 TM7705 进 行处理的通道选择 因为 TM7705 其功能与 AD7705 相同 的模拟输入是以差分 信号的方式输入 所以将两块 HCF4051BE 的地址线 A B C 分别连到一起 使输入的差分信号同时选通 U2 与 U3 的第 3 管脚分别接 TM7705 模拟输入端的 AIN1 和 AIN1 引脚 该模块电路如下图 3 12 所示 在实际应用中 为了使得它 们的导通特性相同 要选择同一生产批次 同一型号的 HCF4051BE 其模块如图 3 12 I O0 13 I O1 14 I O2 15 I O3 12 I O4 1 I O5 5 I O6 2 I O7 4 A 11 B 10 C 9 INH