安全检测技术课程设计――厂房温度监测与系统设计

1、课程设计报告课程设计名称:安全检测课程设计课程设计题目厂房的温度检测与监控系统设计系(部_专业班级_姓名学号指导教师_2013年7 月 2 日目录1.前言 (12.绪论 (22.1厂房温度检测的发展状况 (22.2研究课题的意义 (23.方案的选定 (44.核心元件 (65.系统硬件设计 (95.1温度检测电路设计 (95.2振荡电路的设计 (115.3上电手动复位电路的设计 (125.4 显示电路设计 (135.5 温度控制电路及超温报警电路设计 (136.软件设计 (157.仿真调试 (168 总结 (179.参考文献 (1810.附录 (191.前言本人在小组中主要负责硬件设计,主要包括

2、传感器(温度检测电路与整体硬件电路。温度是与人类生活、工作关系最密切的物理量,也是个门学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测量的物理量。从工业炉温、环境气温到人体的温度;从空间、海洋到家用电器,各个技术领域都离不开测温和控温。温度传感器也称为热电传感器,是检测温度的器件,在所有的传感器中,其种类最多,应用最广,发展最快。目前,市场上的温度传感器主要有利用半导体材料的温度特性制成的热敏电阻、以铂电阻为测温材料的铂电阻和有两种不同材料的导体组成的热电偶等。温度传感器在工农业生产、汽车工业、食品储存、医药卫生等各个领域的应用极为广泛,用于各种需要对温度进行检测、控制及补偿等场合。而热敏电阻传感器简

3、称为热敏电阻,是一种电阻值随温度变化半导体热敏元件,它是由一些金属氧化物,如钴、锰、镍等氧化物,采用不同比列的配方,经高温烧结而成的。2.绪论随着电子技术的广泛应用,给工农业生产、国防事业、科技和人民的生活带来了革命性的变化。作为信息化社会的每一个成员,人们时刻都在进行着信息的产生、采集、传输及处理的活动中,作为获取信息的手段传感器技术得到了长足的进步,其应用领域越来越广泛,对其要求要来越高,需求也越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此,了解传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。一方面,由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转化为电信号,人

4、们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制;另一方面,实用中的传感器都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。因此,不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标,还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、现实和控制的要求。只有通过对传感器的原理和传感器应用实例的分析了解,才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来,适应传感器的生产、研制、开发和应用。由于传感器的被测信号来自于各个应用领域,每个领域都为了改革生产力、提高工效时效,因此各自都在开发研制适合应用的传感器,于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。2.1厂房温度检测的发展状况电子科技时代的今天,社会中的诸多行业

5、对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长,而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术、信息传输(通信技术和信息处理(计算机技术中,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,人民的生活与环境的温度息息相关,在农业生产过程中需要实时测量温度,在工业生产中更离不开温度的测量。2.2研究课题的意义改革开放已经三十多年,中国经济飞速的发展,据了解世界500强在华企业已有将近400家,这说明越来越多的超级工厂在我国建立起来,产品的储存越发重要,对厂房检测的需

6、要更加精密、更加广泛。而对温度的监测更加重要,如果没有做好这些监测系统,就是对人们劳动果实的不负责。例如在粮食、药材等的储存仓库,若不对仓库内的温度或湿度进行实时检测,就不能及时了解粮食、药材的储藏状况,可能发生腐烂,造成极大的经济损失。所以对环境温度和湿度提出了很高的要求,因此能否有效地对这些领域的环境温度和湿度进行实时监测和控制是一个必须解决的重要课题,对我国的发展具有重要意义。3.方案的选定本组选择以AT89C51单片机为核心且基于温度传感器AD8494的系统。该系统的设计简单且设计灵活并且还具有抗干扰能力强、使用方便、能够在环境比较恶劣的情况下对温度进行现场的测量等优点。基于以上的优点

7、,本系统常用在大型工业及民用的温度检测环境之中,例如粮食仓储系统、楼宇自动化系统。具体系统框图如下: 图3-1设计框图在本方案中,AT89C51单片机是本系统的核心,其他所有的操作都要受到它的控制。在本系统中该单片机就相当于人的大脑控制着整个系统。温度信号由AD8494采集,能直接将测量的温度模拟信号变换成数字信号,再将数字信号传送给主机。单片机通过对接受的温度信号进行比较而做出相应处理,从而实现温度控制的目的。外围的大功率驱动电路主要是利用继电器的开关驱动功能来实现的。另外在显示电路的设计上,考虑实际应用中,便于工作人员的观察以及为了减少一定的的成本,使其更容易在市场上推广,本方案需要采用大

8、尺寸LED数码管,这样可以让工作人员采集温度数据时变得更加方便简洁。将该方案运用于本课题的具体设计中,功能体现大致如下:能对检测点的温度进行实时监控。正常温度范围为15至28摄氏度,当温度超出正常温度时,通过单片机驱动外围的降温或升温设备,同时,驱动声光报警器。另外,测点的温度在4位7段LED数码管上进行显示。4.核心元件1.AT89C51 简介:AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机。2.AT89C51 特点:AT89C51

9、提供以下标准功能:4k 字节Flash 闪速存储器,128字节内部RAM, 32 个I/O 口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。通过对各种温度传感器的比较与选择之后,AD8494传感器更能满足本系统的性能要求。所以本系统最终采用温度芯片AD8494来测量温度。AD8494热电偶放大器为

10、热电偶温度测量提供了一种简单的低成本解决方案。这个放大器解决了热电偶测量的许多困难。固定增益仪表放大器能够放大很小的热电偶电压,而集成温度传感器可实现冷结补偿。AD8494温度传感器为集成热电偶冷结补偿器的精密仪表放大器。冰点基准与预校准放大器的结合,使其能直接从热电偶信号产生高电平(5 mV/°C输出。这些器件既可以用作独立温度计,也可以用作使用固定或远程设定点控制的开关输出设定点控制器。1.单IC封装的完整、精密激光晶圆调整的热电偶信号调理系统。2.灵活的引脚分配允许其用作设定点控制器或独立的摄氏温度计。3.加固型输入可以承受4 kV ESD,并提供高达VS ± 25

11、V的过压保护(OVP。4.差分输入可以抑制热电偶引脚上的共模噪声。5.采用单电源时,可以偏置基准引脚电压以测量0°C。6.采用8引脚小型MSOP 封装,完全符合RoHS 标准。7.成本低,易于使用AD8494传感器属于高精密性热电偶热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时,当两接合点 热电偶温度不同时,就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时,显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长,它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关,与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形常因需要而

12、极不相同,但是它们的基本结构却大致相同,通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成,通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用AD8494可以采用单端电源(低于3V供电;通过偏置基准输入,可以测量0°C 以下的温度。为使自热效应最小,无负载的AD849x 的总电源电流典型值为180A ,但它也能向负载提供超过±5 mA 的电流。AD8494通过激光晶圆调整进行预校准,与J 型(铁-康铜热电偶的特性相匹配。AD8494支持宽电源电压范围。在5V 单电源下,5mV/°C 输出使这些器件可以覆盖近1000度的热电偶温度范围。在3V 电源下,AD8494可以直接与

13、低电源电压ADC 接口。这些器件也可以采用高达36V 的电源供电,支持要求宽共模输入范围的工业系统。 图4-1引脚配置-IN +IN +Vs OUT SENSE Nc -Vs RETIN负输入REF基准电压。(此引脚必须以低阻驱动 VS负电源NC不连接SENSE检测引脚。在测量模式下,连接到输出;在设定点模式下,连接到设定点电压。OUT输出+VS正电源+IN正输入定制的4位7段LED显示片。它采用89C51单片机的通用I/O口P1.0、P1.1作为模拟I2C总线:LED显示器为4位共阴极LED,A/K引脚接电源;显示驱动芯片采用P87LPC762作定制,命名为LED-762。在本系统中涉及到驱

14、动声光报警器以及驱动制冷器和制热器的电路,即需要利用单片机发出的信号来控制温度调节电路的工作状态。由于单片机I/O口的输出电压最大为5V,不能直接驱动这些电器进行工作,于是我们引入了继电器,它可以实现小电流控制大电流的功能。在声光报警器电路中,我采用的是电磁继电器,而在制冷制热电路中我采用的是固态继电器。固态继电器与电磁继电器相比它具有无触点无动作噪音,开关速度快无火花干扰和可靠性高等优点。在制冷制热电路中,其被控制回路接入的是220V交流电,为了保证其可靠性更高,于是我选择了固态继电器。5.系统硬件设计本系统在功能设计上可将整个装置分为测量单元、CPU单元、显示单元、键盘输入单元和报警单元几

15、个部分: 图5-1 系统主要模块框图5.1温度检测电路设计下图显示了K型热电偶或J型热电偶输入的AD849x基本连接 图5-2 AD849x的基本连接为了测量负温度,需对基准引脚施加一个电压,以偏置0°C时的输出电压。AD849x的输出电压为:VOUT = (TMJ × 5 mV/°C + VREF作为温度传感器,AD8494的温度测量范围为40°C至+125°C,精密输出为:VOUT = TA × 5 mV/°CAD8494最适合用作环境温度传感器。如下图: 图5-3 环境温度传感器该芯片是针对K型热电偶温度测量的,它集成

16、了冰点基准与预校准放大器,能够直接把热电偶信号放大为高电平(5mV/°C输出,具较高的可靠性。采用数码管对AD8494的数据进行模数转换,该芯片具有12位的转换精度,而且采用简单SPI串行输入接口,方便与单片机的连接。电偶放大器AD8494内置一个片内温度传感器,一般用于冷结补偿,将热电偶输入端接地,该器件便可用作一个独立的摄氏温度计。在这种配置中,放大器在片内仪表放大器的输出引脚与(一般接参考引脚之间产生5 mV/°C的输出电压。这种方法有一个缺点,当测量较窄范围的温度时,系统分辨率不佳。考虑这一情况:采用5 V单电源供电的10位ADC具有4.88 mV/LSB的分辨率。

17、这意味着,图1所示的系统具有约1°C/LSB的分辨率。如果目标温度范围较窄,例如20°C,则输出改变幅度为100 mV,ADC的可用动态范围仅有1/50得到利用。(ADC:单纯的就动态范围而言,它是指接收的信号的最大值(该值可以是频率或强度与最小值之间的比值取对数所得的数据。 图5-4 简单温度计AD8494传感器与AT89C51单片机的连接在实际片使用中发现,应使电源电压保持在5v左右。 图5-5 AD8494传感器与AT89C51单片机的连接5.2振荡电路的设计本系统采用内部方式产生单片机所需的时钟信号。图4.1 中,由振荡器OSC 和电容C1 和C2 构成了并联谐振回

18、路作为定时元件,振荡源可选用晶体振荡器或陶瓷振荡器,频率为 1.212MHz,电容C1、C2 为530pF,起频率微调作用。在本电路系统中选用的是晶体振荡器,晶振频率为6MHz,C1 和C2 均为15pF。晶振的频率越高,则单片机的时钟频率越高,单片机运行速度越快。具体电路如下: 图5-6 振荡电路图.5.3上电手动复位电路的设计复位电路,其实现的功能是既能实现上电复位,又能实现按键复位,故该电路更能满足系统实际应用要求。当按钮开关S1 未按下时,电容被充电,当经过一定时间后,电容电压达到 5V,当开关按下,电容开始放电,电阻 R1和R2 构成一个串联的分压网络,只要让电阻R2 上的分压达到高

19、电平的阀值,因为我们按动按钮开关使其闭合的时间远远大于单片机复位所用的时间,所以就可以使单片机复位。由于充电公式:Uc(t=Uc(0+Uc(无穷-Uc(0(1-e-t/RC;放电公式:Uc(t=Uc(无穷+Uc(0-Uc(无穷e-t/RC其中Vc(无穷为电容电压充、放电终值,Vc(0为电容电压起始值。由于晶体振荡器选用 6MHz,故机器周期为2us,而要保证开关按下后单片机实现复位,需保证复位端口的高电平至少保持时间是 2 个机器周期以上,即此时电压值为 2.5V 以上的时间至少维持 4us。通过放电公式的计算,可知C3 取22uF,R1 取200,R2 取1K 就能满足要求。具体电路图如下:

20、 图5-7 上电手动复位电路图5.4 显示电路设计以定制的4位7段LED显示片为例,设计的LED显示驱动电路如图所示。 图5-8 显示驱动电路图5.5 温度控制电路及超温报警电路设计单片机通过三极管控制继电器的通断,最后达到控制相应的电器的目的。当温度范围保持在20-28时,单片机将P1.0口置1,此时三极管发射极与基极之间的PN结未正想导通使三极管处于截止状态,故电器不工作。当温度超过28摄氏度时,单片机相应的端口发送低电平,从而使三极管处于饱和状态,驱动制冷器工作,而达到降温的作用,同时,声光报警器被驱动工作。同理,当温度低于5时,单片机驱动加热器工作,达到升温的作用,同时,声光报警器被驱

21、动工作。6.软件设计7.仿真调试8 总结9.参考文献1段晨东:单片机原理及接口技术M 北京:清华大学出版社,20082刘文涛:单片机语言C51典型应用设计M北京:人民邮电出版社,20103苏家健,曹伯荣,汪志锋。单片机原理及应用技术M.北京:高等教育出版社,20044毛谦敏.单片机原理及应用系统设计M.北京:国防工业出版社2005.5童诗白,华成英.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社 2001.6刘建清,鲁金,王春生.从零开始学单片机M.北京:国防工业出版社2005.7李广弟.单片机基础(修订版M.北京:北京航空航天大学出版社,2001.8李朝青.单片机原理及接口技术(简明修订版M北京:

22、北京航空航天出版社,1998.9赵广林.Prote199SE电路设计与制版M.北京:电子工业出版社,2005.10金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用J.电子技术与应用,2000(9.11阎石.数字电子技术基础(第三版M.北京:高等教育出版社,1898.12张毅刚,彭喜元,蒋守达.新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2003.²_中国计量学院现代科技学院 安全检测技术 报告_ 10.附录 附录 A: K 型热电偶分度表： 温度单位: 温度 0 -10 -20 电压单位:mV -30 -40 参考温度点：0 -50 -60 -70 -80 -90 -95 -

23、100 -200 -5.8914 -6.0346 -6.1584 -6.2618 -6.3438 -6.4036 -6.4411 -6.4577 -100 -3.5536 -3.8523 -4.1382 -4.4106 -4.669 -4.9127 -5.1412 -5.354 -5.5503 -5.7297 -5.8128 -5.8914 0 温度 0 100 200 0 0 0 4.0962 8.1385 -0.3919 -0.7775 -1.1561 -1.5269 -1.8894 -2.2428 -2.5866 -2.9201 -3.2427 -3.3996 -3.5536 10 0.

24、3969 4.5091 8.5386 20 0.7981 4.9199 8.9399 30 1.2033 5.3284 9.3427 40 1.6118 5.7345 50 2.0231 6.1383 60 2.4365 6.5402 70 2.8512 6.9406 80 3.2666 7.34 90 3.6819 7.7391 95 3.8892 7.9387 100 4.0962 8.1385 9.7472 10.1534 10.5613 10.9709 11.3821 11.7947 12.0015 12.2086 16.186 16.3971 300 12.2086 12.6236 13.0396 13.4566 13.8745 14.2931 14.7126 15.1327 15.5536 15.975 400 16.3971 16.8198 17.2431 17.6669 18.0911 18.5158 18.9409 19.3663 19.7921 20.2181 20.4312 20.6443 500 20.6443 21.0706 21.4971 21.9236 22.35 22.7764 23.2027 23.6288 24.0547 24.4802 24.6929 24.9055 600 24