最终版基于应变效应的高铁轨道安全检测系统设计

山东科技大学本科毕业设计论文题目基于应变效应的高铁轨道安全检测系统设计学院名称电气与自动化工程学院专业班级自动化101学生姓名学号指导教师日期2015年6月13日摘要交通运输是人类生存和社会发展的重要条件之一，人们出行离不开交通工具。高铁作为一种既快速又安全的交通工具，就成为人们最好的选择。钢轨作为高铁轨道的重要组成部分，它直接承受列车荷载，并与车轮相互作用，它的状况首先影响列车运行的安全和运输效率。为保障高速铁路的行车安全，我们必须建立高铁轨道的安全检测维护系统。因此本文设计了运用电阻应变式传感器测量应力，同时运用温度传感器检测钢轨的温度，避免温度过高或过低产生很大的温度应力对钢轨造成影响。本文以无缝钢轨为研究对象，通过电阻式应变传感器测量应力，温度传感器测量温度，将采集来的信号经过放大，A/D转换发送给单片机，单片机经一系列处理后发送给上位机。该系统主要有信号采集电路，放大电路，A/D转换电路，键盘显示电路，报警指示电路，通信电路等组成。硬件系统设计完成后，在此基础上运用C语言编写了单片机驱动硬件的程序，并运用PROTEUS仿真软件进行了仿真，表明该设计符合基本的设计要求。最后对所设计的进行了总结反思，讨论了该设计的不足之处和今后的改进方向，为此类设计今后系统性能的进一步提高奠定了基础。关键词高速铁路温度应变安全监测系统ABSTRACTTRANSPORTATIONISONEOFTHEIMPORTANTCONDITIONSOFHUMANSURVIVALANDSOCIALDEVELOPMENT,PEOPLETRAVELWITHOUTTRAFFICTOOLSASARAPIDANDSAFEMEANSOFTRANSPORTATION,HIGHSPEEDRAILWAYBECOMESTHEBESTCHOICEFORPEOPLEASANIMPORTANTPARTOFTHETRACKSTRUCTUREOFEXPRESSRAILWAY,STEELRAILISDIRECTLYUNDERTHETRAINLOAD,ANDINTERACTSWITHTHEWHEELSTHECONDITIONOFTHERAILFIRSTINFLUENCESONTHEOPERATIONSAFETYANDTRANSPORTATIONEFFICIENCYINORDERTOGUARANTEETHESAFETYOFTHEHIGHSPEEDRAILWAY，WEMUSTESTABLISHHIGHSPEEDRAILSAFETYINSPECTIONMAINTENANCESYSTEMSOTHISTEXTISDESIGNEDUSINGTHERESISTANCESTRAINSENSORINORDERTOMEASURESTRESSANDUSINGTHETEMPERATURESENSORTESTINGTHETEMPERATUREOFTHERAILWITHTHEPURPOSEOFAVOIDINGTEMPERATURETOOHIGHORTOOLOWTOPRODUCEGREATTEMPERATURESTRESSAFFECTTHERAILBASEDONTHESEAMLESSRAILASTHERESEARCHOBJECT,THROUGHTHERESISTIVESTRAINSENSORMEASURINGSTRESSANDTEMPERATURESENSORMEASURINGTEMPERATURE,THECOLLECTEDSIGNALAFTERAMPLIFICATION,A/DCONVERSIONSENTTOMCU,MCUTHROUGHASERIESOFPROCESSINGBACKWARDNESSTOPCTHESYSTEMMAINLYINCLUDESTHESIGNALCOLLECTIONCIRCUIT,AMPLIFYINGCIRCUIT,A/DCONVERSIONCIRCUIT,DISPLAYCIRCUIT,KEYBOARDALARMINDICATIONCIRCUIT,COMMUNICATIONCIRCUIT,ETCAFTERTHECOMPLETIONOFTHEHARDWARESYSTEMDESIGN,ONTHEBASISOFUSINGCLANGUAGETOWRITETHEPROGRAMOFSINGLECHIPMICROCOMPUTERHARDWARE,ANDUSEOFPROTEUSSIMULATIONSOFTWARESIMULATION,SHOWTHATTHEDESIGNCONFORMSTOTHEBASICDESIGNREQUIREMENTSFINALLYSUMMARIZESTHEREFLECTIONONTHEDESIGN,DISCUSSEDTHEDESIGNOFTHEDEFICIENCIESANDTHEFUTUREIMPROVEMENTDIRECTION,FORTHISKINDOFDESIGNFORIMPROVINGTHEPERFORMANCEOFTHESYSTEMLAIDASOLIDFOUNDATIONINTHEFUTURETHEKEYWORDSHIGHSPEEDRAILWAYTEMPERATURESTRAINSAFETYMONITORINGSYSTE目录ABSTRACT31绪论111课题研究目的和意义112国内外研究情况及其发展213设计目标32系统方案选择421总体方案422单片机的选择523传感器的选择6231传感器的选择6232温度传感器的选择824A/D转换的选择9241A/D转换器选用的原则9242A/D转换器类型1025显示电路的选择1026键盘电路的选择113硬件系统设计1331单片机系统13311STC89C52单片机概述13312STC89C52单片机特点13313单片机控制系统电路1332传感器的设计16321温度传感器DS18B2016322电阻式应变传感器1833放大电路及ADC083221331放大电路21332ADC08322434显示电路26341LCD1602简介263421602LCD的基本参数27343显示电路原理图2735键盘电路2836报警及指示灯电路2937通信电路304软件系统设计3241主程序设计33411主程序流程图33412主程序3542LCD显示程序设计39421LCD初始化39422LCD显示部分4243键盘扫描程序44431键盘扫描程序流程图44432键盘扫描程序4544DS18B20温度采集程序48441DS18B20的工作原理48442DS18B20程序流程图51443DS18B20程序5245A/D转换程序53451单片机对ADC0832的控制原理53452ADC0832时序图及硬件连接原理图54453ADC0832流程图55454ADC0832程序555仿真调试6051应用软件的介绍60511PROTEL99SE软件介绍60512KEIL软件介绍61513PROTEUS软件介绍6252仿真结果63总结67致谢69附录70附录1原理图70附录2仿真图70附录3英文文献701绪论11课题研究目的和意义在信息迅速发展的21世纪，人们之间的联系也愈发地密切，虽然电子科技产品的更新换代很快，但是人们不再满足于虚拟的社交网络，开始通过各种交通工具，见面联络。交通运输的方便快捷给人们的出行提供了不可小觑的帮助。而随着高速铁路的建成，中国铁路运输装备的现代化、控制与管理的科学化、检测与故障诊断的智能化、设备维护与修理的机械化等安全保障技术的重大发展与突破，越来越多的人们选择高铁作为出行方式。因此，相关部门对高速铁路的安全性就提出了极高的要求，以此来保证行车安全。本课题要求设计一款轨道安全检测系统，主要包括铁轨温度和应力的检测、信号的处理与分析、显示、传输等主要内容。高铁轨道的安全是保证高铁安全运行的基本要求之一，而铁轨作为高速铁路的直接负荷者，它的安全尤为重要。因此，为了保证轨道的平稳运行，必须对高速铁路的铁轨进行安全检测，经常对轨道的各项指标进行测量和检查，监测各种轨道病害和伤损部件等，防止因故障、病虫害以及腐蚀等各种原因，影响高速铁路的行驶安全，对乘客的安全造成威胁。12国内外研究情况及其发展1990年，法国创造了每小时5153公里的世界最高时速记录，在高速铁路的发展中一直处于世界领先地位；1988年，德国进行了电力牵引的行车试验，速度突破每小时400公里，达到每小时4069公里，高速铁路的发展不亚于法国，然而，直到20世纪90年代初，德国的实用性高速铁路才开始修建，到目前为止，已经建成总长约为2620公里的高速运输走廊。高速铁路的顺利建成和运行，是一个国家财政实力与技术支持的双重结合。随着我国综合实力的不断提高，我们的技术日渐成熟，而国外各个国家高速铁路的发展，在一定程度上刺激了中国高速铁路的发展。在2008年，中国大陆拥有了第一条时速为每小时350公里的高速铁路京津城际铁路；2009年，中国拥有了一次世界上建成里程最长、运营速度最高的高速铁路武广客运专线。截至2012年底，我国运营高铁里程达9356KM，在建高铁有序、高效推进，已成为世界上高速铁路发展最快、规模最大的国家。高铁建设对构建综合交通体系，提高铁路客货运输能力，促进区域和城乡持续、协调发展，推进生态文明建设等作用巨大。中国高速铁路的迅速发展，不仅使人与人之间的交流更加紧密频繁，也使得中国在国际上的地位得到上升，是在实力上的一种认可。13设计目标现代铁路是焊接成一体的，长度无法随着温度的变化热胀冷缩。铁轨的温度如果超过45C或113F，焊接区域就要承受额外的轴力，直型铁路轨道可能弯曲成型，而弯曲的轨道就会变成字型。这些变化往往发生在列车正常通过的时候，造成出轨事故。为保证安全，温度超过30C（86F）之后，列车会减速行驶。因此，本文设计的高铁轨道安全监测系统的上限温度不超过30C，否则报警。应变片是一种本身电阻随应力变化而改变的传感器。几乎所有的应变片，其灵敏度都比较低，利用桥式电路（全桥）可以成倍提高其灵敏度，并使输入和输出呈线性关系。利用桥式电路检测应变片的变化，还具有通过的电流极低，应变片自身发热低的优点。所以，应变片传感器应用中，经常采用桥式电路。本次设计就是采用了全桥电路测量应变，然后经过放大电路，传送至单片机。2系统方案选择21总体方案按照本设计功能的要求，系统由5个部分构成控制器部分、数据采集部分、键盘处理部分和显示电路，报警指示部分。系统设计总体方案框图如图21所示。传感器采集电路放大电路A/D转换器单片机LCD显示电路键盘输入电路报警指示电路图21设计思路框图传感器测量部分包括两部分，一部分是利用电阻式应变传感器检测应力信号，得到微弱的电信号，而后经处理电路（滤波电路、差动放大电路）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。另一部分是通过DS18B20检测到温度信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描。数据显示部分根据需要实现显示功能。22单片机的选择在现今市场上，单片机的生产厂商很多、单片机的类型也很多。对于本控制系统，进行单片机选型应该遵循的原则或要求主要是1选择的单片机必须有较好的稳定性。2选择的单片机必须具有丰富的片上外围设备，因为这样可以简化电路的设计，也可以让电路的调试更加容易。3选择的单片机要有方便的调试功能，单片机生产厂商要提供免费的调试软件，使单片机程序大部分能够在PC机上仿真出来而且无误而且，单片机程序语言要多样化，要既可以用单片机汇编语言也可以用C语言编写程序。4选择的单片机功耗要低，由于设计的通用智能终端长期在环境现场工作，为了节能，应选择功耗低的单片机目前最常用的两种单片机是AT89C51系列单片机和STC89C51系列单片机。STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题（1）AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB转串口下载，下载软件可以到STC厂家网上去下。（2）STC单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，然而这样的环境下AT肯定不行了，所以当一个系统用STC单片机好用，但用AT的单片机不工作时，直接查最小系统，看单片机的供电是否正常。综上我选择用STC系列芯片完成。23传感器的选择231传感器的选择方案一压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。方案二电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素（1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因C太小，故容抗很大，为高1/CX阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率，C很小，则P也很20PU小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。方案三电阻应变式传感器应变片式传感器有如下特点（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量5。通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。232温度传感器的选择方案一采用热敏电阻，可满足4090的测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差，其测量温度范围相对较小，稳定性较差，不能满足本系统温度控制的范围要求。方案二采用温度传感器铂电阻PT1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0100摄氏度时，最大非线性偏差小于05摄氏度。铂热电阻与温度关系是，RTR01ATBTT其中RT是温度为T摄氏度时的电阻；R0是温度为0摄氏度时的电阻；T为任意温度值，A,B为温度系数。方案三采用模拟温度传感器AD590K，AD590K具有较高精度和重复性（重复性优于01），其良好的非线性可以保证优于01的测量精度。但其测量的值需要经过运算放大、模数转换再传给单片机，硬件电路较复杂，调试也会相对困难，所以本系统不宜采用此法。方案四采用数字温度传感器DS18B20，DS18B20提供九位温度读数，测量范围55125，采用独特1WIRE总线协议，只需一根口线即实现与MCU的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。并且,DS18B20支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。综合以上四种方案，本设计采用第四种方案，利用数字温度计DS18B20作为温度传感器。24A/D转换的选择241A/D转换器选用的原则A/D转换部分是整体设计方案中的关键。选择何种类型的A/D转换器便是一个重要环节。A/D转换器选用的原则1、A/D转换器的位数。A/D转换器决定分辨率的高低。在系统中，A/D转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。2、A/D转换器的转换速率。不同类型的A/D转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速A/D转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。3、是否加采样/保持器。4、A/D转换器的有关量程引脚。有的A/D转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。5、A/D转换器的启动转换和转换结束。一般A/D转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。转换结束后A/D转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。242A/D转换器类型当今市场上有多种类型的ADC积分型积分型A/D转换器是把输入电压信号转换成时间信号，然后由计数器获得相应的数字信号量。逐次比较型此类转换器一般由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，按照顺序，对每一位将输入电压与内置D/A转换器的输出进行比较，经过N次比较之后，输出数字值。它的电路规模属于中等。调制型此类转换器将输入的电压信号转换成时间信号，然后经过数字滤波器处理，最终得到数字信号量。本设计采用逐次逼近型A/D转换器ADC083225显示电路的选择电子设计中常用的输出显示设备有两种数码管显示和LCD液晶显示。方案一数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到9中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的位数相对多的时候，数码管操作起来十分烦琐，显示的速度受到限制，并且当硬件电路设计好之后，系统显示能力基本也被确定，系统显示能力的扩展受到了限制。方案二而液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的，甚至是自己动手设计的图案。当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一。不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。本设计需要为了简化硬件设计，因此选用方案二液晶屏做输出设备。26键盘电路的选择由于需要对温度湿度的上限进行设定，因此需要使用按键。方案一使用独立式键盘。独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。方案二使用矩阵式键盘。矩阵式键盘是由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端，其特点是简单且不增加成本，这种按键适合按键数较多的场合。根据以上的论述，因本系统需要的按键不多，共需四个按键，第一个温度上限加01，第二个温度上限01，第三个应力上限加一，第四个应力下限减一，要求简单。所以采用方案一独立式键盘。3硬件系统设计31单片机系统311STC89C52单片机概述STC89C52系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期1T的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快812倍，内部集成MAX810专用复位电路。312STC89C52单片机特点工作电压55V35V（5V单片机）；工作频率范围040MHZ，相当于普通8051的080MHZ；用户应用程序空间4K/8K/16K/32K/64K字节；每个I/O口驱动能力均可达到20MA，但整个芯片最大不要超过120MA；313单片机控制系统电路单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。单片机最小系统如图所示图31单片机最小系统1晶振电路单片机STC9C51内部有一个用于构成振荡器的可控高增益反向放大器，两个引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端与输出端。在片外跨接一晶振和两个匹配电容就构成一个自激振荡器。其中匹配电容要根据石英振荡器的要求选取，一般选用2030PF的瓷片电容。振荡频率根据实际要求的工作速度，从几百KHZ24MHZ中适当选取某一频率7。本系统频率选取110592MHZ，瓷片电容选取30PF，设计电路如图35所示。图42晶振电路2复位电路在单片机运行过程中，外界干扰等因素可能会使单片机的程序陷入死循环或跑飞。要使其进入正常状态，一个有效的方法就是让单片机复位。所谓复位电路，就是在需要单片机复位的时候，能够产生可靠复位脉冲的电路7。本设计采用的是手动复位电路，如图36所示。图43复位电路32传感器的设计传感器设计部分分为温度传感器设计部分和电阻应变式传感器设计部分。321温度传感器DS18B201DS18B20简介现代信息技术日新月异，推动了传感器技术的蓬勃发展，近百年来，温度传感器正由模拟形式转变成数字形式，开始向集成化、智能化、网络化的方向发展。本设计温度传感器选择的芯片是DS18B20。DS18B20不同于其它温度传感器的特性是接口方式是单总线接口，想要与单片机进行连接，一条接口线就满足DS18B20的需要，在与单片机连接后，它们之间的通讯是双向的；任何外围元件在DS18B20使用中都是不需要；测温范围55C125C，固有的测温分辨率05C，在10C85C范围内，精度能达到05，满足设计要求；测量结果是串行传送的，并且以9位数字量方式传送；用户可以设置报警温度；可以由数据线供电。采用3脚TO92或8脚SO封装，如图32所示图34DS18B20的外形与封装2DS18B20的接口电路设计由于DS18B20芯片采用的协议是单线协议，那么一根线就可以满足其与89C51单片机的接口进行连接，接口电路因此就变得非常简单。通过端口的方向寄存器，端口的输入输出方向就可以由89C51单片机进行设置，这样单总线的数据的读/写功能就能很好的实现。DS18B20有两种封装模式3脚和8脚封装，其中3脚封装比较常用，引脚功能分别为地电源VCC、GND、信号DATA。DS18B20可通过两种方式供电外加电源工作方式和寄生电源方式。前者需要外加电源，正负极分别接引脚VCC5V及GND后者不需外加电源，当总线信号线为高时稳定电源的提供是通过单线上的上拉电阻实现，总线信号为低时则由其内部的电容供电，在此种方式下VCC接地。本系统采用3脚封装的DS18B20，选用外加电源工作方式。采用此种方式能增强DS18B20的抗干扰能力，保证工作的稳定性。如图所示，DS18B20的工作电源由外部电源供电。通过引脚VCC接入,DQ接单片机的P24,并接一个上拉电阻，引脚GND接地。图45DS18B20外部接线设计322电阻式应变传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，4321RE43213421R抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源EIN图46传感器结构原理图当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有ADBBDOUU（22）当满足条件R1R3R2R4时，即（23）0，即电桥平衡。式（23）称平衡条件。OU22RRREUOE应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。若差动工作，即R1RR,R2RR,R3RR，R4RR,按式（22），则电桥输出为24EK图37电阻应变式传感器电路图33放大电路及ADC0832331放大电路1INA126简介INA126是精密低噪声差分信号采集仪表放大器，内部采用两个运放设计，使之具有非常低的静态电流175A和有很宽电源供电范围13518V，可用于便携式仪表和数据采集系统。INA126的增益通过外部电阻设置，增益范围从5V/VTO10000V/V。激光平衡输入电路提供低偏移电压、低温漂偏移电压和良好的共模抑制比。INA126器件具有一下啊特点低静态电流175A/CHAN宽电压范围135VTO18V低偏移电压250VMAX低温度漂移3V/CMAX低噪声35NV/HZ低输入偏移电流35NV/HZ2INA126电路原理图图48INA126电路设计图如图所示，引脚1和引脚8之间跨接增益电阻RG，其增益G可由（1）式确定。输出电压VO为。INIGV150/GKR引脚4接地，引脚7接电源，INA126在绝大部分应用中，由于失调电压很小，所以不需要对失调电压进行调整，所以引脚5REF接地。引脚2和引脚3接应变电阻传感器的测量值，然后引脚6VO输出接ADC0832的CH0通道。332ADC08321ADC0832的概述ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。ADC0832具有以下特点8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在05V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32S；一般功耗仅为15MW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0CTO70C，工业级芯片温宽为40TO852ADC0832的电路原理图图49ADC0832的电路原理图如图所示，ADC082的引脚1CS接单片机的P35口，当P35为低电平时，选中ADC0832,本设计只使用了ADC0832的一个模拟通道输入即引脚2CH0，接来自INA126放大器的输出，引脚4GND接地，引脚8VCC接电源，引脚7CLK接单片机的P36口,由于引脚5DO端与引脚6DI端在通信时并未同时有效，并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用即接单片机的P37口34显示电路341LCD1602简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用161，162，202和402行等的模块。本设计用长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器实物如图46，图47所示。图310液晶显示屏正面图311液晶显示屏背面3421602LCD的基本参数1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别1602LCD主要技术参数显示容量162个字符芯片工作电压4555V工作电流20MA50V模块最佳工作电压50V字符尺寸295435WHMM343显示电路原理图如图47所示如图48所示为LCD1602显示电路原理图。引脚1GND接电源地，引脚2VCC接5V正电源，引脚3V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。引脚4RS接单片机P24，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。引脚5R/W接单片机P25口，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，因为不从液晶读取任何数据，只向其写入命令和显示数据，因此此端始终选择为写状态，即低电平。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。引脚6接单片机P26口，当P26口由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。714引脚D0D7接单片机的P0口，接收来自单片机的信息。引脚15背光源正极接VCC,为仿真直接加5V电压烧坏背光灯，在15脚串接一个10欧电阻用于限流。引脚16背光源负极接GND图412所示显示电路原理图35键盘电路单片机上电运行后会提取单片机程序中设置的默认的温湿度参数，并开始输出温湿度控制信号。在特殊情况下，可以根据需通过按键修改存默认的温湿度参数值，所以对系统设计了按键电路。本系统采用的独立式键盘设计，其接口电路如图48所示。图313按键电路本系统扩展4个用于修改系统参数的按键S1、S2、S3、S4分别为温度上限值01、01的操作键、应力上限值1和一1操作键。4个按键分别接至单片机外部中断口P10,P11,P12,P13。当某个按键按下时，输出低电平,单片机通过按键扫描程序扫描判断按键值并修改单片机相应的温度和应力的上限值。36报警及指示灯电路当温度和湿度超过设定的量程时为了引起用户注意，所以设定了报警指示电路，该电路可实现声光报警功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便价格低廉、智能化的报警电路。其电路原理图如图410所示。该电路采用一个小功率的三极管（Q2）来驱动扬声器（LS4），当单片机接收到超温信号或超应力信号时，P10口输出低电平，Q2导通，致使扬声器得电工作，发出报警声音。同时二极管（D5）导通点亮，指示电路的工作状态。如图314报警指示电路37通信电路MAX485芯片内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100的电阻。如图所示，U6为发送，引脚6DI端接单片机的P31口，即单片机的TXD，引脚4/RE和引脚3DE端接单片机的P27口，并令P27口输出高电平，则处于发送状态。U7为接收，引脚3RO端接单片机的P30口，即单片机的RXD，引脚4/RE和引脚3DE端接单片机的P17口,并令P17口输出低电平，则则处于接收状态。图315通信电路4软件系统设计程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。其步骤可概括为以下三点分析系统控制要求，确定算法对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。这是能否编制出高质量程序的关键。根据算法画流程图画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。编写程序根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句或指令的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。根据系统的控制任务，软件程序设计，书写了主程序、初始化程序、显示子程序、数据采集程序、键盘扫描程序和延时程序、AD转换程序等。41主程序设计411主程序流程图本设计包括发送和接收两部分。如图41所示为发送程序的主函数流程图，首先进行数据初始化，串口发送初始化；然后进入WHILE循环，进行应力检测，然后经过放大、A/D转化后将发送数据，经过一段时间延时后，判断是否发送完毕，如果未发送完毕，则继续等待；发送完毕后清空发送标志位后继续测量温度，然后发送测量数据，经过延时等待一段时间，判断是否发送完毕，如果没有，则继续等待；如果发送完毕。则进行应力测量，如此循环。数据初始化串口初始化进入WHILE循环开始应力测量串口发送放大、A/D转化温度测量串口发送发送是否完成发送是否完成延时延时否是是否图41发送函数的主程序流程图如图42所示为接收函数的主程序流程图，开始进行数据初始化、显示初始化、串口接收函数初始化然后进入WHILE循环，进入WHILE循环后先判断是否有按键按下，如果有则进行按键处理，如果没有进行温度处理，然后与设定的上限值进行比较，如果超过，则进行报警，如果没超过，则进行应力处理，然后与设定的上限值进行比较，超过则报警，未超过则进行温度和应力的显示，如果在循环中有中断产生，则进入中断程序，接收发送的数据，中断结束后继续运行，如此循环。数据初始化显示初始化进入WHILE循环开始温度值处理应力值处理报警否串口接收初始化按键是否按下按键处理是温度值是否超量程应力值是否超量程报警显示温度应力是是否否进入中断数据初始化接收温度测量数据接收应力测量数据中断结束返回主函数图42接收函数的主程序412主程序发送程序的主函数VOIDMAINVOIDDELAY500/系统延时500MS启动DE1/MAX487输出使能INITCKWHILE1AD_DATAADC08320/采样值存储单元初始化为0SBUF0X0F/区分压力还是温度的数据WHILETI/等待发送标志TI置位为1TI0/清空发送标志位TISBUFAD_DATA/发送缓冲赋值WHILETITI0TEMPPDS18B20READTEMPSBUF0XF0WHILETI0/等待发送标志TI置位为1TI0/清空发送标志位TIDELAY20SBUFTEMPP8/发送缓冲赋值WHILETI0/等待发送标志TI置位为1TI0/清空发送标志位TISBUF0X55WHILETI0/等待发送标志TI置位为1TI0SBUFTEMPP/发送缓冲赋值WHILETI0/等待发送标志TI置位为1TI0/清空发送标志位TI接收程序主函数VOIDMAINKEYSCANRE0INITCK/采样值存储单元初始化为0INITLCMWRITECOMMANDLCM0X01,1/清显示屏DISPLAYLISTCHAR0,0,STR0DISPLAYLISTCHAR0,1,STR2WHILE1KEYSCANDATA_PROWENDUJISUANAA2TBBTB16IFAA2TBBBAOJING0ELSEBAOJING1DISPLAYKEYSCAN42LCD显示程序设计LCD显示程序中包含两部分，一个是LCD的初始化子程序，一个是LCD显示程序。421LCD初始化1LCD基本操作时序LCD有四种基本操作，具体如表41所示。RSR/W操作00写命令操作（初始化，光标定位等）01读状态操作（读忙标志位）10写数据操作（要显示内容）11读数据操作（可以把显示存储区中的数据反读出来）表41LCD与单片机之间有四种基本操作2LCD初始化流程图如图44所示，LCD上电之后，先延时20MS；之后进行功能设置，本设计选择设置16X2显示，5X7点阵，8位数据接口；然后延时37MS，再进行显示状态的设置，包括设置开显示，不显示光标，清屏；再延时，进行输入方式的设置，通过这一系列设置，最终完成了LCD的初始化设置。上电延时20MS功能设置延时37MS显示状态设置清屏延时152MS输入方式设置初始化结束图43LCD初始化流程图3LCD初始化程序VOIDINITLCMLCM_EN0DATAPORT0DELAY15WRITECOMMANDLCM0X38,0/三次显示模式设置，不检测忙信号DELAY5WRITECOMMANDLCM0X38,0DELAY5WRITECOMMANDLCM0X38,0DELAY5WRITECOMMANDLCM0X38,1/8BIT数据传送，2行显示，57字型，检测忙信号WRITECOMMANDLCM0X08,1/关闭显示，检测忙信号WRITECOMMANDLCM0X01,1/清屏，检测忙信号WRITECOMMANDLCM0X06,1/显示光标右移设置，检测忙信号WRITECOMMANDLCM0X0C,1/显示屏打开，光标不显示，不闪烁，检测忙信号422LCD显示部分1LCD显示程序流程图LCD显示程序的设计一般先要确定LCD的初始化、光标定位、确定显示字符后，显示流程如图54显示。开始LCD初始化延时设置第一行显示位置显示第一行内容设置第二行显示位置显示第二行内容结束图44LCD显示流程图2LCD显示的部分程序VOIDDISPLAYONECHARUCHARX,UCHARY,UCHARDDATAYXIFYX|0X40/若Y为1（显示第二行），地址码0X40X|0X80/指令码为地址码0X80WRITECOMMANDLCMX,1WRITEDATALCMDDATAVOIDDISPLAYLISTCHARUCHARX,UCHARY,UCHARCODEDDATAUCHARLISTLENGTH0YXWHILEX5000/等待5MSRETURN0/初始化失败RETURN1/初始化成功45A/D转换程序451单片机对ADC0832的控制原理ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。原理图如图所示但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据（SGL、ODD）用于选择通道功能，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2位数据“0”、“0”时，道选择之后，就可以开始读出数据，转换得到的数据会被送出二次，一次高位在前传送，一次低位在前传送，连续送出。在程序读取二个数据后可以加上检验来看看数据是否被正确读取将CH0作为正输入端IN，CH1作为负输入端IN进行输入。当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN，CH1作为正输入端IN进行输入。在完成输入启动位、通道选择之后，就可以开始读出数据，转换得到的数据会被送出二次，一次高位在前传送，一次低位在前传送，连续送出。在程序读取二个数据后可以加上检验来看看数据是否被正确读取。452ADC0832时序图及硬件连接原理图图410ADC0832时序图453ADC0832流程图开始使能芯片产生时钟信号输入通道控制字读取两字节数据字节数据校验将值送入指定寄存器结束图411ADC0832流程图454ADC0832程序UCHARADC0832UNSIGNEDCHARCHANNEL/AD转换，返回结果UCHARI0UCHARJUINTDAT0UCHARNDAT0IFCHANNEL0CHANNEL2IFCHANNEL1CHANNEL3ADDI1_NOP_NOP_ADCS0/拉低CS端_NOP_NOP_ADCLK1/拉高CLK端_NOP_NOP_ADCLK0/拉低CLK端,形成下降沿1_NOP_NOP_ADCLK1/拉高CLK端ADDICHANNEL_NOP_NOP_ADCLK0/拉低CLK端,形成下降沿2_NOP_NOP_ADCLK1/拉高CLK端ADDICHANNEL1_NOP_NOP_ADCLK0/拉低CLK端,形成下降沿3ADDI1/控制命令结束_NOP_NOP_DAT0FORI0I1ADCS1/拉低CS端ADCLK0/拉低CLK端ADDO1/拉高数据端,回到初始状态DAT8DAT|NDATRETURNDAT/RETURNADK5仿真调试在本系统设计中，主要应用了两个主要的单片机应用系统开发工具KEILC51集成开发平台和PROTEUS系统仿真软件。51应用软件的介绍511PROTEL99SE软件介绍PROTEL99SE是PROKLTECHNOLOGY公司开发的基于WINDOWS环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，是首选的电路板设计工具。PROTEL99SE由两大部分组成电路原理图设计（ADVANCEDSCHEMATIC）和多层印刷电路板设计（ADVANCEDPCB）。PROTEL99SE主要组成部分及功能1电路原理设计部分（ADVANCEDSCHEMATIC99）电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称SCHLIB编辑器）和各种文本编辑器。本系统的主要功能是绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。（2）印刷电路板设计系统（ADVANCEDPCB99）印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLIB编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。（3）自动布线系统（ADVANCEDROUTE99）本系统包含一个基于形状（SHAPEBASED）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化512KEIL软件介绍KEIL软件是目前最流行开发MCS51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持KEIL即可看出。KEIL提供了包括C编译器、宏汇编、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（UVISION）将这些部分组合在一起。运行KEIL软件需要PENTIUM或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么KEIL几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。513PROTEUS软件介绍PROTEUS软件是英国LABCENTERELECTRONICS公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。PROTEUS是世界上著名的EDA工具仿真软件，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、