温度测控仪设计-毕业设计

温度测控仪设计 学生：XXX 指导教师：XXX 内容摘要：本文主要介绍了智能温度测量仪的设计，包括硬件和软件的设计。先对 该测量仪进行概括性介绍，然后介绍该测量仪在硬件设计上的主要器件：“Pt100 热电 阻” 、AT89C51 单片机和 LCD 显示器以及描述测量仪的总体结构原理。在本设计中，是 以铂电阻 PT100 作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放 大器、A/D 转换器进行温度信号的采集。总体来说，该设计是切实可行的。 关键词：温度 Pt100 热电阻 AT89C51 单片机 LCD 显示器 DesignDesign ofof andand controlcontrol instrumentinstrument Abstract:Abstract: This paper describes the design of the intelligent temperature measuring instrument, including hardware and software design. Be the first general description of the measuring instrument, and then describes the hardware design of the measuring instruments main device: Pt100 thermal resistance, AT89C51 microcontroller and LCD display, and describe the principle of measuring the overall structure. In this design, as is the PT100 platinum resistance temperature sensor, temperature measurement using constant current method, through the microcontroller to control, amplifier, A/D converter for temperature signal acquisition. Overall, the design is feasible. Keywords:Keywords: temperature Pt100 thermal resistance AT89C51 microcontroller LCD monitor . 目 录 前言.1 1 总体硬件方案设计.1 1.1 温度传感器的放大电路设计 .2 1.2 TLC549 模数转化电路设计.4 1.3 显示电路设计 .5 1.4 无线发送与接收模块的选择与设计 .5 1.5 键盘设计 .6 2 总体的软件程序的设计.6 2.1 温度数据采集和数据处理子程序的设计 .6 2.2 温度显示、保存处理的子程序设计.7 2.3 无线发送与接受的子程序的设计 .7 2.4 十组温度查询的子程序设计 .9 3 调试与结果分析.10 3.1 调试仪器及方法 .10 3.3 软、硬件调试与故障原因分析.10 4 结束语.10 附录 1:硬件原理图及 PCB 板.12 附录 2:软件程序代码 .13 参考文献 .34 温度测控仪的设计 前言 随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温度检测 技术的要求也愈来愈高， 现在工业上通用的温度检测范围为 200 3000，而今后要求能测量超高温度与 超低温度。尤其是液化气体的极低温度测量更为迫切，入 10K 以下 温度测量为当今研究的重要课题。 温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测温。应用范围已经从土 业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业以及航天工业领域。 发展新型产品 利用以前的检测技术生产处适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足 用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。 对许多场合中的温度检测器有特殊要求，入防硫、防爆、耐磨等性能要求；又如 移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度检测等。因此，本设计 方向就是在温度测量远距离传送和保存方面进行有效的探索。 1 总体硬件方案设计 本系统分为两大部分，一部分为温度采集模块、51单片机及发送模块，另一部分 为远距离数据的接收模块与51单片机。 温度采集及发送部分：本设计利用AD590进行温度的测量，在经过电压跟随器，放 大电路放大、调整之后通过A/D转换器TLC549将模拟电压信号转化为数字信号，A/D转 换之后的数据送到单片机1进行处理，单片机1控制液晶显示器，将温度值在液晶显示 器上进行显示，在通过PT2262进行无线发送。 接收及显示部分：用SC2272进行无线接收，接收后的数据送到单片机2，单片机2 控制液晶显示器进行显示。 单片机 1 显示模块 A/D 采集 模块 AD590 温度测量 PT2262 发送 图1-1 发送模块框架图 显示模块 单片机 2 PT2272 接收 图 1-2 接收模块框架图 1.1 温度传感器的放大电路设计 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，它会将温度转换为电 流，在 8051 的各种课本中经常看到。其规格如下： 度每增加 1，它会增加 1A 输出电流 可测量范围-55至 150 供电电压范围+4V 至+30V AD590 的管脚图及元件符号如下图所示： 图 1.1-1 AD590 管脚图 AD590 的输出电流值说明如下： 其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加 1，它会增加 1A 输出电流，因此在室温 25时，其输出电流 Iout=（273+25）=298A。 AD590 基本应用电路： 图 1.1-2 基本应用电路 AD590 的输出电流 I=（273+T）uA（T 为摄氏温度），因此测量的电压为 （273+T）A10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又务须使输出电流 I 不分 流出来，我们使用电压跟随器其输出电压 V2 等于输入电压 V。 由于一般电源供应教多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳 二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压 V1 需调整至 2.73V。 接下来我们使用差动放大器其输出 Vo1 为（100K/10K）（V2-V1） =T/10，如果现在为摄氏 28，输出电压为 2.8V，输出电压接 AD 转换器，那么 AD 转 换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。 通过R9和R12进行分压，V0=T/20，因为测试温度不大于100，使得最终 输出最大Vo为（1/2）10=5V；能在A/D转换器TCL549的输入电压范围输入0.3VVCC +0.3V之内。 温度采集电路图采用智能化间歇数据采集，即首先把温度变化值分为报警温度、 预警温度、准预警温度、正常温度四个档次。当温度处于正常情况下时，温度采集周 期为30min，若某一点的温度有变化，当接近准预警点时，采集周期变化为10min，若 温度仍有提高达到预警温度，则采集周期为3min，一旦出现报警温度，系统进入实时 采集状态，并发出报警。 图 1-3 温度采集电路 1.2 TLC549 模数转化电路设计 TLC549是8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最 长17s， TLC549为40 000次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。采 用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地， VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。 其工作原理为：TLC549均有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无 须特殊的速度或相位匹配。其工作时序如图2所示。当CS为高时，数据输出(DATA OUT) 端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片 TLC549时，共用I/O CLOCK，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。 将V0的电压值输入TLC549进行AD转换，从芯片的DO脚输出，然后由单片机读取。 两个4148二极管是进行电源稳压的，R7，R8进行参考电压设置，基本上等于5V。 图 1.2-1 模数转换电路 1.3 显示电路设计 1602 液晶已经包括在单片机学习板内了，在这里只稍微介绍它的引脚功能。 D0D7 是命令/数据口，接单片机的 P1 口，由单片机读(写)命令(数据),RS 是命令 /数据的选择端口，RW 是读/写的选择端口，E 是 1602 的使能端。 1602 有它自己的字库，用户只需写入相应的代码并控制好 1602 给出的时序就可以 在液晶屏上显示希望得到的字符或图像了。 图 1.3-1 液晶显示屏 1.4 无线发送与接收模块的选择与设计 PT2262 、SC2272 是一种 CMOS 工艺制造的编码电路。采集的温度信号可以通过 PT2262 编码，通过 17 脚输出到射频发射模块的数据输入端发射出去，与此同时射频接 收模块接收后将数据送到解码芯片 SC2272，其地址经过核对与 SC2272 的地址匹配后， SC2272 的 VT 脚才输出高电平，与此同时 PT2262 相应的数据脚也输出高电平。 图 1.4-1 PT2262 引脚图 图 1.4-2 PT2262 时序图 1.5 键盘设计 独立键盘也包括在单片机学习板内，P3.2 接单片机的外部中断。 图 1.5-1 独立键盘引脚图 2 总体的软件程序的设计 2.1 温度数据采集和数据处理子程序的设计 经 AD590 采集的温度转化为了电压值，然后经放大电路处理后，使输出电压 V=T/20,这样才能保证 TLC549 的输入电压不大于基准电压。在硬件调试时，基准电压 设置成 5V,所以在程序处理时要将从 TLC549 得到的数字值乘以 5/255 才能得到电压 V，然后再乘以 20 才能得到温度（此时的温度是双精度型的） 。中值滤波是为了得到很 短时间的温度平均值，有稳定数值的作用。 图 2.1-1 温度采集和处理流程图 2.2 温度显示、保存处理的子程序设计 图 2.2-1 温度显示和保存流程图 因为采集到的每个温度值都是 0100 摄氏度之间的任意值，为了使精度达到 0.1， 我们只保留一位小数（在二进制表示中只占低 4 位） 。将温度分解成整数部分和小数部 分，是为了方便存储和发送。本设计只保存 10 组温度。 2.3 无线发送与接受的子程序的设计 开启转换 将转换的结果 进行中值滤波 将得到的电压 转换为温度 返回 每一次温度 采集后 将温度的整数部 分和小数（一位） 部分分离出来 将得到的整数和小数放入 AT24C02 的 中相邻的两个单元中，总共分配 20 个 单元，一轮后，放入的数值将覆盖前面 的数值。 将温度的百位、 十位、个位、小 数位（一位）分 离出来（一位） 部分分离出来 调用温度显示模块的子程序，写百、十、 个、小数的地址和它们的值 因为选用的发送模块是集成 PT2262 无线射频芯片 PC-T2A,所以只能利用其 6 位数 据口中的 4 位，将温度分解发送。经计算每编码发送都需要发送 34 次接收端才能接 收到有效数据，所以在程序中适当对发送使能端置高进行延时。发送完 4 位数据后也 需要延时，给接收端处理数据时间，防止乱码。 图 2.3-1 无线发送流程图 选用的接收模块是与集成 SC2272 的 PCR1B-2 芯片。当接收到的编码地址与之相匹 配的时候，SC2272 的 VT 端从低电平变为高电平，然后马上恢复低电平。所以利用其下 降沿可以触发单片机 2 的外部中断 0 进行温度接受处理。SC2272 需要接收三次才能得 到一个完整的温度值。 调用发射子程序 发送整数的高四位 延时给接收端数据 处理一些时间防止 乱码 发送整数的低四位 延时给接收端数据 处理一些时间防止 乱码 发送小数的低四位 延时给接收端数据 处理一些时间防止 乱码 返回 1 2 3 图 2.3-2 无线接收处理流程图 2.4 十组温度查询的子程序设计 因为独立键盘接的是单片机 1 的外部中断 0，所以当它按下去时的产生的下降沿触 发外部中断，在中断处理程序中根据中断次数读取储存的温度。在中断处理程序中关 中断是为了消除按键抖动触发另一次中断。 图 2.4-1 温度查询流程 VT 端的下降沿触发 外部中断 0 进行中断次数判断 读取 整数 高四 位 读取整 数低四 位并和 高四位 合并 读取小数低四位 重新 计数 返回 调用显示子程 序显示温度 键盘触发中断 根据中断次数读 取相应的温度 调用液晶显示子 函数显示温度 返回 关中断 开中断 3 调试与结果分析 3.1 调试仪器及方法 测试仪器：数字万用表，示波器，函数信号发生器 测试方法：硬件调试时，利用函数信号发生器，与示波器根据原理调相应的线路 的电压值，达到与 AD590 采到的温度，及 TLC549 转化进行相对应。根据理论原理的分 析，输入一信号，利用示波器去跟踪观察 PT2262 ,SC2272 各引脚的高低电平是否合理 正确，即意味着在无线传输中两芯片的地址是否匹配？达到正确的发送与接受。 3.3 软、硬件调试与故障原因分析 调试过程：一开始测试的温度误差很大，经检查发现是采温部分的 TLC549 的参考 电压与程序处理中的参考电压不匹配，经调试硬件和程序，得出误差较小的温度值。 发送后，发现接受模块无法显示，经检查发现接收模块的 SC-2272 的 VT 端驱动能力较 差，不能与单片机的 TTL 电平匹配，于是我们就用 C9018 三极管增强它的驱动能力， 使得接受模块有温度显示，但是发现接受显示乱码，经示波器检查发现在发送温度时 由于 PT2262 芯片的发送使能端默认接地，导致不受单片机控制，接受模块无法正确接 收温度数据。所以我们将 PT2262 的发送使能端与默认的地剪断，让其受单片机控制。 最终实现了温度的无线传送。 4 结束语 本次课程设计完成的是基于集成温度传感器 AD590 的温度测量及其无线传送的设 计，并通过 LCD1602 显示温度值，通过半个月的不断努力、克服各种困难，最终实现 了任务目标。本次设计主要是对在温度测量的智能化、集成化方面的探索，这也是温 度测试发展的趋势。同时，也是测控技术未来发展的趋势。 设计是理论知识与实践的完美结合，对于现代大学生的实践能力是个很好的培养。 短短的半个月的设计虽然短暂，但是它给我们的收获确实难忘，不仅仅在智能仪器方 面有了很大的进步，而且在传感器，单片机等方面也学到了不少在上课学不到的知识。 这段时间我们查阅到很多关于课程设计的书籍，对我们帮助也很大。以前很盲目的东 西，现在明白了很多。也对我们专业动手实践的兴趣提高了很多。有了这些经历对于 我们日后工作一定会有很大帮助。令我们终身受益。在课程设计的过程中也可以看到 我们的不足，如原理知识掌握不实，曾经学过的知识如今却不会应用，软件的应用也 不熟练，希望日后提供给我们更多的锻炼机会来培养我们的实践能力。 本设计是在 XX 老师的悉心指导下完成的。孙活老师作为一名优秀的、经验丰富 的教师，具有丰富的知识和经验，在整个论文实验和论文写作过程中，对我进行了耐 心的指导和帮助，提出严格要求，引导我不断开阔思路，为我答疑解惑，鼓励我大胆 创新，使我在这一段宝贵的时光中，既增长了知识、开阔了视野、锻炼了心态，又培 养了良好的实验习惯和科研精神。在此，我向我的指导老师表示最诚挚的谢意！ 附录 1:硬件原理图及 PCB 板 附录 2:软件程序代码 发送模块代码： #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int /*TLC549 引脚设置*/ sbit SCLK=P20; sbit DO=P21; sbit CS=P22; /*1602 引脚设置*/ sbit RS=P25; sbit RW=P26; sbit E=P27; /*PT2262 引脚设置*/ sbit D1=P10; sbit D2=P11; sbit D3=P12; sbit D4=P13; sbit TE=P23; /*AT24C02 引脚设置*/ sbit scl=P15; sbit sda=P36; /*按键设置*/ sbit front=P32; uchar code lie1=NOW T:; uchar code lie2=10PreT:; uchar xdata xiaoshu,zhengshu,cishu,xuhao;/定义两个变量，分别存放温度的 整数部分和小数部分 /* 温度采集模块子函数 */ /* * 名称 : delay(uint z) * 功能 : 延时,延时时间大概为 z 毫秒。 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); /* * 名称 : ad549(void) * 功能 : 将 AD590 采集的温度电压化为 8 位的数字量。 * 输入 : 温度电压 * 输出 : 对应 TLC549 中参考电压的数字量 * */ uint TLC549(void)/把模拟量转换成数字量,参考的是 REF。仅仅是数字量，不是 真实电压值。 uchar temp,i;/定义存放数据和变量 CS=1; SCLK=0;/初始化 CS=0;/DO 输出最高位 _nop_(); _nop_();/两个机器周期满足了 1.4 微秒 for(i=0;i8;i+)/串行数据移位输入 temp=1; temp|=DO; SCLK=1; _nop_();/时序控制看芯片资料 SCLK=0; _nop_(); CS=1; for(i=0;i17;i+) _nop_(); return(temp); /* * 名称 : average(void) * 功能 : 将 TLC549 转换完成的数字量换成电压值，并通过一定的关系，化为温 度值，精度为 0.1。 * 输入 : 温度电压对应 average(void) * 输出 : AD590 采集的温度值 * */ double average(void)/定义一个数组，存放 25 个 AD 采样的数据，然后取平均 值，这种方法叫做中值滤波，作用是使输出稳定，并把数据换成电压。 uchar i; uint temp; double temp1,j,average125; for(i=0;i25;i+) temp=TLC549(); j=(double)temp)*20*5/255;/根据电路图可知 REF=5V,AD 输出时 8 位 的数据，所以要分成 255 份。 average1i=j; delay(1);/采样间隔随要求定。 for(i=0;i=1; output|=temp; if(i7) output=1; return(output); /* * 名称 : order(uchar o) * 功能 : 控制 1602 液晶显示功能 * 输入 : 1602 液晶的命令值或数据指针地址 * 输出 : 无 */ void order(uchar o) RS=0; RW=0; P0=convert(o); E=0; delay(5); E=1; delay(5); RS=1; /* * 名称 : shuju(uchar s) * 功能 : 将需显示的数值显示在 1602 液晶上 * 输入 : 字符 * 输出 : 无 */ void shuju(uchar s) RS=1; RW=0; P0=convert(s);/一定要放在 en=0 前面 否则会出现乱码。 。 。 E=0; delay(5); E=1; delay(5); RS=0; /* * 名称 : init() * 功能 : 液晶屏初始化 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void init(void) uchar i; order(0 x38);/设置 16*2 显示，5*7 点阵，8 位数据接口 order(0 x06);/当读写一个字符后地址指针加 1，光标向后移 1 order(0 x0c);/开显示屏，不显示光标 order(0 x01);/数据指针清零，显示屏清空 /*在液晶屏上显示的上行为NOW T: C,下行为10Pre T: C*/ order(0 x80); for(i=0;i6;i+) shuju(lie1i); order(0 x80+0 x40); for(i=0;i7;i+) shuju(lie2i); order(0 x80+0 x0c); shuju(0 xdf);/ shuju(0 x43);/C order(0 x80+0 x40+0 x0e); shuju(0 xdf);/ shuju(0 x43);/C /* * 名称 : fasongzhengshu(uchar s) * 功能 : 发送温度的整数部分 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void fasongzhengshu(uchar s) P1=s; /1=0 x37; /TE=0; /while(1); P1=_cror_(P1,4);/先发高四位 TE=0; /允许 PT2262 发送数据 delay(300); /经计算发 45 次需要 80s TE=1; delay(950); P1=_cror_(P1,4);/再发第四位 TE=0;/允许 PT2262 发送数据 delay(300); TE=1; delay(950); /* * 名称 : fasongxiaoshu(uchar s) * 功能 : 发送温度的小数部分 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void fasongxiaoshu(uchar s)/09 只有 4 位 /P1=0 xaa; /TE=0; /while(1); P1=s; TE=0;/允许 PT2262 发送数据 delay(300); TE=1; delay(950); /* AT24C02 断电保存子函数 */ /* * 名称 : start(void) * 功能 : 启动 I2C 总线 * 输入 : 无 * 输出 : 无 * / void start(void)/I2C 开始 sda=1; _nop_(); scl=1; _nop_(); sda=0; _nop_(); /* * 名称 : stop() * 功能 : 停止 I2C 总线 * 输入 : 无 * 输出 : 无 * / void stop(void)/I2C 停止