温度报警器设计

1、 目 录1 引言42 总体方案设计42.1硬件组成52.2 方案论证62.3 总体方案73 硬件电路设计73.1 时钟电路73.2 复位电路83.3 A/D转换设计8 3. 4放大电路设计.93.5 显示电路设计103.6 报警电路114 系统软件设计144.1 主程序设计144.2 AD转换设计154.3 显示子程序的设计165 调试175.1 硬件调试175.2 软件调试176 总结.18参考文献19附录A 系统原理图20附录B 源程序清单211 引言温度作为一种最基本的环境参数，和人们的安全、生活，工农业生产有着紧密的联系，因此在某些场合对温度进行检测，并且在温度超过期待范围后进行报警便

2、显得尤为重要，对能实现温度检测并报警的装置的设计和研发也就有了特别的意义。单片机作为一种微控制器，由于具有体积小，质量轻，功耗低，价格便宜，可靠性高，功能强大等特点，已经进入人们生活，工业生产的各个领域，现在很难在某个领域看不到单片机的痕迹。在智能仪表领域，由于单片机的上述优点，用单片机作为控制平台，结合不同类型的传感器，可以很容易地对温度，湿度，流量等物理量进行检测。针对在日常生活和工业生产中对温度进行检测和监控的需求，本课题以AT89C51单片机为核心设计了一种温度报警器，它可以通过键盘对温度进行上下限设置，用液晶进行温度显示，并且在超出温度设定范围后发声报警。本设计也具有一定的扩展性，例

3、如可以再加一个烟尘传感器和光电传感器，扩展为火灾报警器。 本设计以PT100热电阻为温度检测元件，设计了一个对单点温度实时检测并在温度超过一定值时进行报警的的单片机温度检测系统，可以实现以下功能：1实现对环境温度的测量和显示；2能通过按键设置报警温度；3温度超过设置值时产生光声报警； 4. 报警同时系统发出中断命令停止工作。2 总体方案设计 2.1 硬件组成按照温度报警器设置的组成以及所需完成的功能，本设计需要以下硬件： 1 热敏电阻PT100:完成对温度的采集，将温度的变化转换成电压信号； 2 放大器AD620:将热敏电阻所转化的电压信号进行放大，并送到模数转换器ADC0809中； 3 声光

4、报警系统: 当温度超过设定值时用于报警的系统 4 控制器:作为控制系统的核心，可采用工控机、PLC、DCS或微控制器，本设计采用单片机。 温度报警器系统框图见图2.1所示。 图2.1 温度报警器系统框图2.2 方案论证 2.2.1单片机选型本方案使用的是AT89C51单片机，AT89系列的单片机对于一般用户来说，有下列明显的优点：AT89C51单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O口设备等，相当于一台计算机所需要的基本功能部件。内部含有Flash存储器，在系统开发过程中很容易修改程序，可以大大缩短了系统的开发时间。AT89系列并不对80C31的简单继承

5、，功能进一步增强。在我国这种单片机受到广泛青睐，很多以前使用80C51、80C52的用户都转而使用AT89系列。对于有丰富编程经验的用户而言，不需要仿真器，可以直接将程序载入芯片，放在目标板上加电直接运行，观察运行结果，出现问题时再进行修改，然后重新写程序，再进行试验，直至成功。 AT89系列包括两大类，第一类是常规的，就是AT89C系列，这类单片机要用常规的并行方法编程，必需使用编程器编程；第二类是在系统可编程ISP Flash系列，也就是AT89S系列，这类单片机除了用常规的并行方法变成外，还可以在系统下用下载线进行编程，省去价格昂贵的编程器，而且可以在目标板上直接修改程序。2.2.2 温

6、度传感器选择 传感器是测控系统前向通道的关键部件，它也称换能器和变换器，一般是指非电物理量与电量的转换，即传感器是将被测的非电量（如压力、温度等）转换成与之对应的电量或电参量（如电流、电压、电阻等）输出的一种装置。采集温度是有一下几种方案： 方案一：采用温度传感器AD590。它具有较高的精度，相比于热敏电阻精度有所提高，但非线性误差为±0.3，且检测温度范围为：-55+155。 方案二：采用Pt100。它的国际测温标准为：-40+450，可选环境温度为：-4070，精度为：±0.1，且安装尺寸小，可直接安装在印刷电路板上，可焊SIP封装。 采用热电阻电路测温。热电阻是利用导

7、体的电阻率随温度变化这一物理现象来测量温度的。铂易于提纯，物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度，因此用PT100作为实现温标的基准器。 pt100是铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。 方案三：采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考

8、结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有A/D 通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。 基于对以上三种方案的分析以及实验室的设备，选择方案二的PT100作为温度传感器。2.2.4 模数转换器选型 模拟量输入到计算机，首先要经过模拟量到数字量的转换，简称A/D转换，计算机才能接

9、收。实现模/数转换的设备称A/D转换器或ADC。A/D转换器的种类有很多,而A/D转换的好与坏直接关系到真个系统的精确度。由于本系统测量的是温度信号，响应时间长，滞后大，不要求快速转换，因此选用8位串行A/D转换ADC0809能达到设计的基本要求。为进一步提高精度，可以直接采用12位A/D转换器，也可以采用过采样和求均值技术来提高测量分辨率。2.3 总体方案 本方案以AT89C51单片机系统为核心，对单点的温度进行实时测量检测，并采用热电阻PT100作为温度传感器,AD620作为信号放大器、ADC0809作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。在功能、性能、可操作性等方

10、面都有较大的提升，具有更高的性价比。3 硬件电路设计 3.1 时钟电路 给一块内部含有程序存储器的单片机配上时钟电路和复位电路就可以构成单片机的最小应用系统。 89C51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟，外部还需附加电路，89C51的时钟产生方法有两种，内部时钟方式和外部时钟方式，本设计采用内部时钟方式，内部时钟电路图如图3.1所示。 图3.1 内部时钟电路图  由上图3.1可知：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。 因为一个机器

11、周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。   单片机运行需要时钟支持就像计算机的CPU一样,如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机,那单片机还能执行程序吗?单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路。3.2 复位电路 复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作,因而复位是一个很重要的操作方式。 本设计采用按键脉冲复位，其原理

12、图如图3.2所示。 图3.2 按键脉冲复位原理图 如图3.2所示：按下复位按钮后，复位脚得到VCC的高电平，单片机复位，按钮松开后，单片机开始工作。3.3 A/D转换设计 3.3.1 8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809 ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理器兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。它是目前应用最广泛的8位通用的A/D转换的芯片。 3.3.2 ADC0809应用注意事项： ADC0809内部带有输出锁存器，可与AT89S52单片机直接相连。 初始化时，使ST和OE信号为低电平。 送要转换的那一通道的地址到A,B

13、,C端口上。 在ST端给出一个至少100ms宽的正脉冲信号。 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 3.3.3模数转换模块电路 ADC0809接线图，即A/D转换电路如图3.3所示。 图3.3 A/D转换电路 由图3.3知：当通道选择地址有效时，ALE信号一出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随ALE之后(或与ALE同时)出现。START的上升沿将逐次逼近寄存器SAR复位，在该上升沿之后的2s加8个时钟周期内(不定)，EOC信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到转换完成后EOC再变高电平。微处理器收到变为

14、高电平的EOC信号后，便立即送出OE信号，打开三态门，读取转换结果。3.2.3 放大电路设计测温原理：采用 R1、R2、VR2、Pt100 构成测量电桥（其中 R29R28），温度变化时，当Pt100 的电阻值和 R27 的电阻值不相等，电桥输出一个 mV 级的压差信号，这个压差信号经过运放 AD620 放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连 A/D 转换芯片。从而把热电阻的阻值转换成数字量。AD620为三运放集成的仪表放大器结构,AD620的两个内部增益电阻为24. 7 k , 因而增益方程式为: G =49.4 k/R G + 1 (1)对于所需的增益, 则外部控制电阻值为:R G

15、=49.4/（G - 1）k (2)电路原理如图3.4所示：图3.4 AD620原理图 桥式电路测温整体电路如图3.5所示：图3.5 桥式测温电路 如图3.5所示：采用R29，R28，R27，RT3 ，pt100构成测量电桥，当pt100，RT3和R27阻值不等时，电桥输出一个压差信号，这个压差信号经过AD620放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。热电阻是把温度变化转化为电阻值的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或其他一次仪表上。3.4 显示电路设计在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码

16、管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。图3-7（a）是4位共阳数码管的管脚图。LED数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为1.52V,额定电流为10mA,最大电流为40mA。静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示可加大，加大脉冲电流，但一般不超过40mA。 本设计选用4位共阴数码管。由于数码管的驱动电流较大，所以在设计时加上了三极管3904作为驱动电路，数码管和单片机的接口如图3.6所示。 图3.6 显示电路3.5报警电路由一个蜂鸣器和三极管组成，当高温超过设定值，蜂鸣器将会发出报警。 放大电路与单片机P3.4口相连，当采集到的温度值超过所设置的范围时，单片

17、机会输出一信号，通过三极管放大后驱动蜂鸣器发出报警信号。如图3.7所示。图3.7 蜂鸣器报警电路 由图3.7知：用一个蜂鸣器、三极管和电阻接到单片机P3.4引脚上，当单片机的P2.1引脚被置低电平后蜂鸣器响，当单片机P3.4引脚被置高电平后，蜂鸣器不响。系统检测到信号时，蜂鸣器发出“滴答滴答”声音，即实现声音报警的。4 软件设计 4.1 主程序设计4.1.1 程序说明主程序是系统上电或复位后首先要执行的程序，主程序主要完成系统的初始化、扫描显示等工作。这是一个综合硬件设计控制系统。利用显示电路、A/D转换电路、单片机实现温度报警的系统。本设计可以实现将模拟温度信号，转换成数字信号，并经过计算处

18、理后通过LED静态显示电路以十进制形式显示出来，设置温度上限为100，该系统可以对温度进行实时过程的监控。当实际温度高于设定的温度上限时，发出报警信号。4.1.2 流程图 主程序流程图如图4.1所示。 图4.1 主程序流程图4.2 A/D转换器设计4.2.1 标度变换说明: 本设计是模拟温度的显示，温度经过热敏电阻转换为电压信号，经放大器AD620放大后进入单片机进行A/D转换成数字量后输出到动态显示部分，显示其温度值。 4.2.2 A/D转换流程图如图4-2所示。 图4.2 A/D转换流程图4.3 显示子程序设计 本设计采用4位LED共阴极数码静态显示，显示温度范围从0到99，字段码放在LE

19、DLAB中，采用查表方式，偏移量加首址查得对应的字形代码。当定时器T0定时时间到，采样电路进行采样，采样结果经信号调理电路处理后，送入A/D转换，经标度变换后显示。 显示子程序流程图如图4.3所示 图4.3 显示子程序流程图5 调试 5.1 硬件调试 对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。 检查印制板及焊接的质量情况，在检查无误后可通电检查LED显示器。若亮度不理想，可以调整P0口的电阻大小，一般情况取200欧电阻即可。 5.2 软件调试软件调试采用单片机仿真器WAVE6000及微机，将源程序编译及仿真调试应分段或以子程序为单位逐个进行，主要是检查语法错误，最后结合硬件实

20、时调试。通过以上检查后，将电路通电查看是否按要正常工作，实验最终结果显示实验成功。系统调试结果如下图5.2所示 图5.2 系统调试图6 总结 AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。 AD620具有高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最大50 µV)和低失调漂移(最大0.6 µV/°C)特性，是电子秤和传感器接口等精密数

21、据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。 由于其输入级采用Supereta处理，因此可以实现最大1.0 nA的低输入偏置电流。AD620在1 kHz时具有9 nV/Hz的低输入电压噪声，在0.1 Hz至10 Hz频带内的噪声为0.28V峰峰值，输入电流噪声为0.1 pA/ Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15s，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。 由于基础和时间有限，在设计过程中存在一些考虑不周的地方，例如在选择显示模块时，只考虑到和数码管相

22、比，液晶具有显示内容丰富，低功耗的特性，在价格上考虑较少，此外，由于程序较复杂，还存在一些可以简化的地方。总之，通过一个完整的课程设计，让我对所学的单片机知识有了更加深刻的理解和掌握，此外使我学会了protel画电路图，visio画流程图等软件的使用，从而为以后的毕业设计打下了坚实的基础。我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。 我想我会在今后的学习生活中更加努力的去学习单片机的知识，不断加强自己的理论知识，努力完成更多的设计与创作。参考文献1 张迎新

23、.单片微型计算机原理，应用及接口技术.北京：国防工业出版社 20092郭天祥.新概念51单片机C语言教程M.北京:电子工业出版社。3 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社4PT100铂金属温度传感器使用说明书.北京亿学通电子附录A 系统原理图附录B 源程序清单LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HADC EQU 35HTCNTA EQU 36HTCNTB EQU37HH_TEMP EQU 64H ; /温度上限FLAG BIT 00HH_ALM BITP3.0L_ALM BIT P3.1SOUND BITP3.7CLOCK BITP2.4ST B

24、IT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_T0 ORG 1BH LJMP INT_T1START : MOV LED_0, #00H MOV LED_1, #00H MOV LED_2, #00H MOV DPTR, #TABLE MOV H_TEMP, #60 MOV L_TEMP, #30 MOV TMOD, #12H MOV TH0, #245 MOV TL0, #0 MOV TH1, # (65536-1000)/256 MOV TL1, # (65536-1000) %256 MOV IE, #8aH CLR C SETB TR0 ;为ADC0809提供时钟 WAIT:SETBH_ALM SETB L_ALM CLR ST SETB STCLR ST ;启动转换 JNB EOC, $ SETB OE MOV ADC, P1 ;读取AD转换结果 CLR OE MOV A, ADCMOV A, H_TEMPMOV R0, ADCSUBB A, R0 ;判断是否高于上限JC HALMCLR TR1LJMP PTOC HALM: ;高温报警 CLR H_ALM SETB TR1 SETB FLAG LJMP PTOCPTOC: MOV A, ADC ;数值转换 MOV B,