多路温度巡回检测

多路温度巡回检测系统学生姓名：XX指导教师：XX所在院系：电气与电子信息工程学院所学专业：电气及自动化摘要本设计是一个多路温度巡回检测系统。介绍以89C51单片机为核心的多路温度巡回检测控制系统,用来对八路温度测量结果进行选择性监控；此系统主要由单片机、传感器、多路转换开关、A/D转换器和驱动显示电路组成。其中传感器用具有可编程电源关断模式的低功耗集成温度传感器TMP36GS进行信号采集，将温度信号转化成电压的信号，为了提高设计的精度，用具有低零点漂移繁荣放大器OP193 将采集来的微弱的电压信号放大，由于单片机处理的是数字信号，所以用到含有片内八路选择开关的ADC0809模数转换器，将放大的模拟电信号转换成数字量输入到单片机，通过89C51的软件控制对输入的数字信号进行处理后输出，通过八位共阴极LED数码管动态扫描驱动电路MAX7219对测量结果进行显示。电子检测设备一般由3个部分组成：传感器、信号调节器、指示装置。传感器将非电信号转换成电信号，因而，只有当所测量的电量是非电信号时才需要传感器。用信号调节器处理输入的电信号，将其变为适用于指示装置的信号。信号可能需要放大到足够的振幅以使指示装置产生明显的变化。还有其它类型的信号调节器如分压器，或整流器、滤波器、斩波器等到整形电路。常用的指示装置一般是偏转仪表，如电压表、电流表、欧姆表等通用仪表。电子检测设备可以用来测量电流、电压、电阻、温度、声平、压力及其它物理量。尽管指示仪器的刻度盘上显示出了度量单位，但由于电流的流动，指针的显示是有偏差的。实践表明，此系统由于运用单片机软件控制，操作灵活、稳定可靠、精度高，并且成本低。本设计选用八路测量一路显示方法，能够对每路温度测量进行监控，并能达到设计要求。

【关键词】信号采集、模数转换、单片机、驱动显示传感器频率响应。1前言

温度测量与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。利用单片机技术的温度测控仪以其体积小、可靠性高而被广泛采用。随着社会主义市场经济的发展，很多生产设备、生产线、仓库、热工装置等需要温度测量，目前检测温度一般采用热电偶或热敏电阻作为传感器。这种传感器至显示之间一般都要用专用的温度补偿导线；而温度补偿导线价格很贵，并且线路太长也会影响测量精度。在实际应用中往往需要对较远处（1km左右）的温度信号进行监视。本设计就是基于以上的情况设计的，系统采用高精度、低功耗TMP36GS传感器，以89C51为核心，设计了一个多路温度巡回检测系统。由于用单片机软件进行数据处理，实际应用中可靠性高、易于操作、测温精度高，可用于工商业一般测温场合。首先，本文针对系统所使用的89C51单片机的性能和发展情况做了简单介绍；对系统使用的模/数转换芯片ADC0809做了性能方面的简单说明；在使用MAX7219作驱动显示时也进行了相关的描述；同时对测量温度可达100℃的温度传感器TMP36GS作了介绍。在多路温度巡回检测系统中要解决的关键技术有：多路输入信号转换处理电路的硬件设计和软件设计。硬件设计保证了不同信号的通用性；软件设计保证了不同信号放大倍数的设定。抗干扰设计电源设计解决电网干扰；看门狗电路设计解决程序跑飞与死机；软件滤波解决测量信号稳定性。测量精度的保证硬件设计输入电路测量精度；软件设计保证了A/D转换电路测量精度。

最后，简单介绍了功能强大的Protel99SE软件的使用，并借助此软件根据硬件框图绘制了系统原理图，通过电子CAD进行系统仿真。设计内容及要求任务为：设计一个测温范围在0～100℃温度巡回检测系统，完成系统的软硬件设计，学习掌握机电一体化系统的设计方法，提高学习新知识、新技能的能力，培养独立设计的能力。●测试点数：8路温度检测●测量范围:0℃～99℃●测量精度：±0.2℃●电源电压：±5V●显示方式：数码管显示系统总体框图。

放大电路A/D转换89C51X25045显示多路选择开关信号采集

2.2电源设计稳压电路本系统电源的稳压部分通过稳压电路（7805、7905）最终调整输出电压使之变为±5V直流工作电源。电源的整体电路如图2-2所示。附：为了提高电网的利用率，减小电网的谐波，现在很多电源设计电路都要求增加提高功率因素的电路模块PFC电路。对于高精度电源我们可以考虑此设计思想，但设计成本会提高。本系统中所用的直流电源±5V是由电网提供的220V交流电经过变压、整流、滤波和稳压以后得到的。本系统应用的是双9V变压器。传感器的介绍C31系列是具有温度传感、正电压输出、三管脚调整器系列，它通过感应外界温度而改变输出电压。这种功能对调整补偿LCD器件的温度特性十分有用。但XC31的价格比较昂贵，不适合本系统的要求。（3）TMP36GS集成温度传感器(美国AD公司产品)1、简述TMP36GS具有可编程的电源关闭模式，特别适合电池供电设备应用。可在2.7V至5.5V电源电压下工作,工作电流仅为50uA,关闭模式下仅消耗0.5uA电流。2、特性

●2.7V至5.5V低电压工作

●+10.0mv的线性刻度

●确保±0.5℃的精度(25℃)●高精度±0.2℃●低功耗，小于50uA●在0℃时，输出电压为0.5v,在25℃时,输出电压750mv3、参数指标及外形引脚图如下所示：注：在SO-8封装中，带有关断功能的SHDN端，若不使用时SHDN端应接+Vs端。使用时应在电源输入端接0.1uF陶瓷旁路电容,引脚要短并尽可能接近管脚焊接,以抑制外界射频干扰。4、应用方法基本的温度测量电路图2-3TMP36GS引脚图图2-4TMP36GS连接电路图放大装置的选择

在本设计中用到的是OP193运算放大器。1、概述

OP193系列单电源运算放大器具有高精度、低功耗、低工作电压、低零点漂移等特点，并且系统输入和输出范围宽，输出摆幅达Vdd-600mV，并可在1.7V或±0.85V低电压下工作。3、性能

●工作电压：1.7～±18V;●低电源电流:15uA/每运放；

●低补偿电压：75uV;●输出电流：±8mA;●无倒相；

●开环增益高：600V/Mv；●单位增益稳定。根据ADC0809的参考电压是5V，而对应于0～100℃的TMP36GS输出电压为0～1V，放大器放大倍数应设计为4.5倍左右。同时为了提高输入电阻,应用图2-6中的电阻组合，电路的放大范围在1～7V，满足要求。求图2-5OP193引脚图图2-6放大电路图2.4AD转换电路模数转换器（ADC）是现代测控中非常重要的环节，它一般分为串行模数转换器和并行模数转换器。串行ADC虽然体积小、功耗低、占用单片机口线少等优点，但传输速率低；后者引脚多、体积占用单片机口线多，但传输速率快，稳定可靠；对于本设计中的要求，采用并行足以能满足。A/D转换器是过程及仪器仪表、设备等检测与控制装置中应用比较广泛的器件。随着大规模集成电路技术的发展，各种高精度、低功耗、可编程、低成本的A/D转换器不断推出，使得微机控制系统的电路更加简洁，可靠性更高。本设计中用到是ADC0809并行模数转换器。ADC0809的内部逻辑结构

1、ADC0809的概述ADC0809是CMOS集成工艺制成的逐次逼近型A/D转换芯片。分辨率10位，转换时间100us，输入模拟电压范围0～6.5V，片内含有8通道多路开关、锁存逻辑控制调制器，具有三态输出锁存缓冲器，能与微机兼容，输出电平与TTL、CMOS兼容，单电源+5～+6.5V工作。ADC0809的主要技术指标为：分辨率：8位单电源：+5V总的不可调误差：±1LSB

转换时间：取决于时钟频率模拟输入范围：单极性0～5V时钟频率范围：10KHZ～1280KHZ

图2-7ADC0809内部逻辑结构图图2-8AD0809引脚图AD转换电路表2-1状态表2.4AD转换电路图2-9AD0809与89C51连接电路图2.5.3单片机的选型本课题开发的多路巡检控制系统是以单片机为基础而开发的智能系统。单片机的种类繁多，因此选型时要从以下几方面考虑：CPU的指令系统；随机存取RAM的容量；只读存储器ROM容量；输入输出端口的驱动能力；集成多功能化；在保证多路巡回检测系统的功能基础上，尽量减少外围器件，使仪表向小型化、廉价、减少故障率方向发展。MCS是Intel公司生产的单片机的系列符号，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51、现在89C51的指令系统和硬件结构仍然与当时的MCS—51单片机兼容，除了ROM容量增加外，主要在其它方面发生变化：●

由于集成度高，ROM容量可达到64K字节以上，可以根据需要选用不同容量的ROM。“外部程序扩展”的功能已不重要了。●

三线式串行外围接口（SPI）及其外围芯片的应用使“外部数据扩展”的功能（并行外围芯片接口）不是唯一的接口功能，而且更多的用SPI。●

CMOS工艺大大降低了电耗及其发热量，并在芯片中增加了节电工作方式和掉电工作方式。●

闪速编程简化了编程过程，将程序代码写入芯片的程序存储器中，变得更加方便容易。闪速存储芯片可多次擦写，替代过去的EPROM，还有另一种OTP芯片，只能写一次。用在成型的产品上。这些芯片及其编写工具大大提高了编程效率。●晶振频率提高到40MHz，速度明显加快。图2-1089C51引脚图2.6巡回控制设计本环节用到了是ADC0809内部带有8个模拟开关的三位输入地址端，这里可以通过一个计数器对8个输入模拟通道进行选择。

选用74SL192可预置BCD十进制同步可逆计数器与三个输入端进行连接，用一个手动按扭对八路通道进行选择。

74LS192具有双时钟Cpu、CPd，并且有清除、置数功能，各引脚图下所示：各引脚功能如下所示：UCC：接电源+5V；CR：清零端；LD：置数端；D0～D3：数据输入端；Q0～Q3：数据输出端；C0：加法进位输出；B0：减法借位输出；GND：接地端；CPu:加法计数器脉冲输入端，接单次脉冲源；CPd:减法计数器脉冲输入端，接单次脉冲源。具体的选通功能表如下：图2-1174SL192引脚图表2-2状态表2.6巡回控制设计当Q0端输出为1时，经非门取反后将是置数端LD变低电平，由于输入端全部接地，使输出为零，通道返回接通“1”，完成循环控制。这里用到一个按扭接+5V电源后输入时钟，本环节用到的是CPu加法计数。这样就可以通过一个按扭完成对测量系统的巡回控制。74SL192与AD0809连接图如下：图2-12AD0809与74SL192连接电路图2.7显示电路其功能说明如下。

１）DIN：串行数据输入端。在CLK的上升沿,数据被装入到内部的16位移位寄存器中。

２）DIG7～DIG0：8位数值驱动线。输出位选信号,从每位LED显示器公共阴极吸入电流。

３）GND：接地端。

４）LOAD：装载数据控制端。在LOAD的上升沿,最后送入的16位串行数据被锁存到数据或控制寄存器中。

５）DOUT：串行数据输出端。进入DIN的数据在16.5个时钟后送到DOUT端,以便在级联时传送到下一片MAX7219。

６）SEGA～SEGG：LED七段显示器段驱动端。

７）SEGH：小数点驱动端。

８）Vcc：＋５Ｖ电源端。

９）Iset：LED段峰值电流提供端。它通过一只电阻与电源相连,以便给LED段提供峰值电流。

１０）CLK：串行时钟输入端。最高输入频率为10MHz,在CLK的上升沿,数据被移入内部移位寄存器;在CLK的下降沿,数据被移至DOUT端。图2-13MAX7219引脚排列2.7显示电路图2-14为MAX7219的典型应用电路,它是由单片MAX7219驱动的８位LED显示器。AT89C2051的P1.0、P1.1、P1.2分别与MAX7219的DIN、CLK、LOAD端相连。电阻R1可改变LED的亮度,每段的驱动峰值电流约为R1中电流的100倍。R1的取值不能小于10kΩ。实际使用时,可先用一只可调电阻调节亮度,达要求后用一只相同阻值的固定电阻代替即可。在这里应注意,MAX7219的段电流正常工作范围为10～40ｍＡ,当段电流超过40ｍＡ时,必须外加扩流电路。除了8个数字寄存器外，MAX7219还有解码模式(DECODEMODE)、显示亮度控制（INTENSITY）、扫描控制（SCANLIMIT）、掉电（SHUTDOWN）、测试（DISPLAYTEST）、无操作（NO-OP）等6个控制寄存器，使芯片实现各相应功能。利用亮度控制寄存器可以改变LED的亮度。通过扫描限制寄存器，可以控制显示的位数。在掉电模式下，其工作电流仅150μA。在测试模式下，可启动LED，检测电路功能。（2）串行寻址方式由16位数据包发送到DIN端的串行数据在每个CLK的上升沿被移入到内部16位移位寄存器中。然后，在LOAD的上升沿数据被锁存到数字或控制寄存器中。LOAD必须在第16个时钟上升沿同时或之后，但在下一个时钟上升沿之前变高，否则数据将会丢失。DIN端的数据通过移位寄存器传送，并在16.5个时钟周期后出现在DOUT端。DOUT端的数据在CLK的下降沿输出。数据位标记为D0～D15，其中D15～D12可以任意，D11～D8为寄存器地址，D7～D0为寄存器数据。数据装载时序图如图2-16：（1）MAX7219与LED显示连接电路图2-15MAX7219数据装载时序图2.7显示电路表2-3各寄存器中的数据含意2.7显示电路（3）单片机与MAX7219的电路连接MAX7219的3线串行接口（时钟端CLK.、串行输入端DIN数据输入端LOAD）分别接到CPU的P1.0、P1.3、P3.7，其中时钟端和输入端与ADC0809复用，以节约CPU的I/O端口资源。图2-16单片机与MAX7219连接电路2.8X25045与复位电路（1）25045芯片介绍X25045有三种常用的功能：可编程的看门狗定时器（1MHz时钟速率），电压监控和512*8位串行EEPROM（4字节页方式）组合在单个封装之内。这种组和降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。而且低功耗（CMOS--10A备用电流；3mA工作电流）、ESD保护（所有引脚2000V）和高可靠性（使用期限：100000周期/字节；数据保存期：100年）。看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统故障时，在可选的超时周期之后，X25045看门狗将以RESET信号做出响应。用户可从三个预置的值中选择此周期。一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。利用X25045低Vcc检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响。当Vcc降到最小Vcc转换点以下时，系统复位。复位一直确保到Vcc返回且稳定为止。X25045的存储器为简单的三总线工作的串行外设接口和软件协议。X25045引脚排列如图2-17：2）25045引脚功能如表2-3，X25045包含一个8位指令寄存器。它通过SI输入来访问，数据在SCK的上升沿由时钟同步输入。在整个工作期内，必须是低电平且输入必须是高电平。X25045监视总线，如在预置的时间周期内没有总线的活动，那么它将提供RESET输出。为了提高系统的可靠性，系统加入了“看门狗定时器+串行E2PROM+电压监控”。X25045把三种常用的功能组合在单个封装之内，可以用简单的三线总线SPI接口和软件协议对其进行编程和读写X25045的4线串行接口与CPU直接接口P3.0、P3.1、P3.2、P3.3，如图2-13所示。当系统受到干扰，造成程序跑飞时，看门狗电路将使系统复位。这种组合减小了电路板的面积，降低了系统成本。图2-17X25045引脚排列图2.8X25045与复位电路（3）X25045与89C51的接口电路图2-18X25045复位电路表2-4引脚功能表3软件设计

系统的主程序用C51编写，完成调用、温度采集、数字滤波及温度显示等功能。考虑到系统控制功能易于扩展的实际情况,采取了模块化方案编制整个控制软件。该软件由初始化模块、键盘处理模块、温度采集处理模块、显示模块等组成,各模块的主要功能分别是：初始化模块为系统起动运行做好准备工作；键盘处理模块负责键盘扫描与译码工作；温度采样模块负责采集各路温度信号并处理TMP36GS采集的数据，显示模块负责输出显示信息。3.1软件功能3.2抗干扰设计软件主程序流程如图3-1开始采集数据并处理转化为温度送显示初始化硬件数据初始化清看门狗图3-1主程序流程图3.1.2数据采集处理模块数据采集是系统软件中尤为重要的一部分，它决定系统能否达到预期的性能指标。这样可以减小系统的偶然性误差，使测量结果更接近真实值，提高了系统的测量精度。其中A/D转换器是数据采集系统中的重要环节，它直接关系到测量的精度、分辨率、转换速度。A/D转换器的品种繁多、性能各异。基于系统的硬件资源、转换精度、转换时间及经济等方面的原因，我们选取10位逐次逼近模数转换器ADC0809。其转化过程中的积分过程可以消除部分干扰，转换的抗干扰能力强，且速度快。图3-2系统A/D转换流程图图3-3数据采集与处理程序流程图读通道，读A/D的低8位读A/D的高8位CS=1CS=0结束采集11个A/D转换结果去掉一个最大值和一个最小值求10个数的和在取平均值换算成测量值结束开始3.1.3显示模块

MAX7219上电后，所有控制寄存器复位。掉电寄存器的D0位为0，7219进入掉电状态。亮度寄存器D3－D0位的值为0，SEGX的ISEG是最大ISEG的十六分之一，LED具最小显示亮度。扫描字数寄存器的值为0，仅允许显示1位数字。为使7219正常工作，需进行初始化，下面是初始化程序段：voiddis_init(void)/*7219初始化*/{datauchari;dis_7219(0x0f,0x0);dis_7219(0x0A,0x05);/*亮度寄存器*/dis_7219(0x09,0x07);/*译吗寄存器*/dis_7219(0x0B,0x05);/*数码管个数寄存器*/dis_7219(0x0C,0x01);/*启动7219显示*/for(i=0;i<8;i++)dis_7219(i+1,0xf);/*全灭*/MAX7219采用SPI串行寻址方式，由16位数据包发送到DIN端的串行数据在每个CLK上升沿被移入到内部16位移位寄存器。然后，在LOAD的上升沿数据被锁存到数字或控制寄存器。LOAD必须在第16个时钟上升沿同时或之后，但在下一个时钟上升沿之前变高，否则数据将会丢失。DIN端的数据通过移位寄存器传送，并在16.5个时钟周期后出现在DOUT端。DOUT端的数据在CLK的下降沿输出。显示程序流程图如下图3-4显示程序流程图显示初始化延时增加脉宽延时CLK上升沿逐位送地址逐位送数据锁存显示测量值开始返回错误的查找和解决问题1：当器件按原理图飞线焊到电路板上后，接通点后，数码管显示的是乱码。可能错误：（1）信号采集不上来（2）数据输出不到MAX7219上（3）MAX7219与CPU的连接不正确解决方法：（1）用万用表测量OP193的输出脚7，万用表显示电压值，说明采集信号没有问题。（2）把MAX7219与别的相似的成品相连，MAX7219的显示正常，说明MAX7219的连接正确。（3）由以上两点说明可能是CPU的数据输出不到MAX7219上。但仔细查找，连线与原始设计完全相似，结论可能是原始的设计在AT89C2051上有问题。（4）具体查看AT89C2051芯片特性，发现AT89C2051的内部是比较器，不带上拉电阻，所以P1.0、P1.1上必须上拉4.7K电阻。结果：当完成两个上拉电阻后MAX7219果然显示数据。问题2：MAX7219显示的数据每到25.5℃就重新显示。可能错误：（1）信号的放大倍数不够。（2）电压与温度的转换关系不正确。解决方法：（1）调节放大倍数（2）调节电压与温度的转换参数结果：还是显示的数据不超过25.5℃经过进一步验证硬件没有问题，仔细查找，原来是初始化温度的时候用的是uchar而uchar最大是255，把uchar改为uint，结果显示超过25.5℃。温度校准先将OP193输入端接地，进行调零。然后，接入输入电压，调节反馈精密可调电阻，使输出为输入的4.5倍左右。根据计算，外部温度电压信号放大4.5倍后在1-4.5V左右，首先利用程序粗调显示温度值；然后，用温度计标定测温系统，分别使温度稳定在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃，观察系统测量温度值与实际温度值，通过放大器的反馈电位器校准系统测量值。4.5实际测试表4-1数据测试表4.6测试结果分析根据以上实验结果可以看出，该系统已具备题目要求的基本功能指标，且有诸多发挥功能。系统的稳态误差在±0.3℃，精度高，抗干扰能力强。结束语经过三个多月的学习和努力，《多路温度巡回检测系统》设计即将完稿。其功能符合用户需求。本系统采用的是用单片机控制的多路数据采集一路显示的方法，各路采集可以通过开关进行选择，既节省了材料，又易于操作。配合传感器可以方便的实现各种模拟信号的采集，是一种通用的数据采集控制系统。本系统的特点是：体积小、结构紧凑、性能价格比较高，是一种实用的工业控制装置。可靠性和抗干扰能力强。装置的软、硬件具有一定的通用性，各组件板可方便地转用于其他场合。本装置预留了扩展空间接口，为今后的发展和产品的升级换代提供便利条件。通过做本次毕业设计，我从中学到了许多课本中未曾接触的知识，从设计开始的选题、元器件的选择，总体方案的设计，到最后系统实现和论文的完成，都倾注了我的汗水，使我学习了很多的新知识，增强了动手能力。单片机使用及开发过程是一个非常严谨、复杂、科学、周密和细致及技术性和综合性都相当高的过程，它要求我们必须具备相当扎实的专业基础和理论知识，较强的实践专业操作技能。能细致和科学的头脑去考察、分析和解决问题。同时在设计中必须要有足够的耐心，持之以恒的毅力，坚强的意志及实事求是、一丝不苟的精神，才能设计完成优秀的论文课题出来。单片机控制的温度测量系统是一种基础测量仪器，除具有的测量功能外，还有数据处理功能、巡回控制功能、时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。本设计主要用到的是其温度测量和数据处理功能。而本次设计正是鉴于单片机在这方面的优异性能来设计一种用单片机控制的多路温度巡回检测系统。在工作期间收集本课题的相关资料，并向指导老师请教相关问题。从本设计的资料收集和方案论证到方案设计、修改和最后的完成，得到了同学和老师的指导和帮助，特别是胡蔷老师在工作之余给予我细心的指导，在此表示特别感谢！附录