基于单片机的八路数字温度巡检仪设计最新.docx

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基于单片机的八路数字温度巡检仪设计最新

基于单片机的八路数字温度巡检仪设计

摘要：

八路数字温度巡检仪能够实现在安全生产、产品质量、生产效率、能源节约等方面的重大技术经济指标，在工农业生产中具有良好的应用前景。

本课题介绍了基于单片机的八路数字温度巡检系统的设计方案和软硬件实现。

设计中采用了八个Pt100铂电阻电桥进行温度采集，八选一数据选择器HCF4051BE对八路模拟信号进行选择，再由16位高精度模数转换器TM7705对采集到的八路温度轮流进行模数转换，最后通过单片机控制和程序处理，得到准确的温度值，通过五位数码管显示通道、温度数据，从而完成温度巡检过程。

当温度超过测量范围时，由发光二极管闪动进行超限提示。

该系统主要由七个模块组成，分别为STC89C52单片机最小系统模块、LED数码管输出模块、按键输入模块、八路铂热电阻桥温度采集模块、电源模块、八选一通道选择模块和模数转换模块。

正常运行时，其测温范围是-25℃～110℃，设计中给出了系统总体设计框图、系统设计原理图、PCB图及程序，并在硬件平台上实现了设计要求。

关键词：

单片机，Pt100，TM7705，温度巡检

DesignofEightChannels'DigitalTemperatureInspectionInstrumentBasedonSCM

Abstract:

Eightchannels'digitaltemperatureinspectioninstrumentcanrealizeinsafeproduction,productquality,productionefficiency,energysaving,andotheraspectsoftheimportanttechnicaleconomicindicators,inagriculturalandindustrialproductionhasgoodapplicationprospect.

Thissubjectintroduceseightchannels'digitaltemperaturecircuitdesignschemeofthesystemandhardwareandsoftwareimplementationbasedonSCM.AppliedtothedesignoftheeightPt100platinumresistancetemperatureelectricbridgecollection,eightchooseamultiplexerHCF4051BE8tochooseanalogsignals,againby16highprecisionTM7705adcforthecollected8temperatureinturnmodulusconversion,finallythroughthesingle-chipmicrocomputercontrolandprocedures,getaccuratetemperature,throughthefivedigitalpipedisplaytemperaturedatachannels,soastocompletetheinspectionprocesstemperature.Whenthetemperaturemorethanmeasuringrange,thelightemittingdiodeflashingtooverrunhints.Thesystemconsistsofsevenmodules,respectivelySTC89C52singlechipminimizesystemmodule,LEDdigitalpipeoutputmodule,keyinputmodule,8platinicresistancebridgeacquisitionmodule,thepowersupplymoduletemperature,eightchooseachannelselectionmoduleandmodulusconversionmodule.Normaloperation,itstemperaturerangeis-25℃~110℃,thedesigngivesthesystemoveralldesignscheme,systemdesignprinciplediagram,PCBfigureandprogram,andinhardwareplatformrealizethedesignrequirements.

KeyWords:

Singlechipmicrocomputer,Pt100,TM7705,Temperatureinspection

基于单片机的八路数字温度巡检仪设计

1概述

1.1课题研究背景

随着现代科学技术的发展，在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

尤其在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测与控制。

但在实际生产过程中，温度的测量环境恶劣，常伴有巨大的撞击力或高温气体的高速流动，测量技术难度非常大。

由于许多工业产品对温度范围要求非常严格，因为对温度的控制好坏直接会影响到产品质量的高低。

因此，在工农业生产中，对温度不仅要不断地测量，而且还要进行控制。

特别是遇到温度超过预设值时，系统会进行报警。

在温度巡检仪没有普及运用之前，温度计测温被人们运用在大多数温度测量场合。

由于其本身的结构和功能所限，它只能对一些要求精度不高的地方进行较粗略检测，然而需要严格控温的场合则没有办法检测，最终影响到了生产效率及效率。

所以，温度计在工业上的应用必将由温度巡检仪替代。

但是，就目前市场上看，销售的大都是单路测量的温度检测仪器，其存在温度信息传递不及时、精度不够等缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。

在这样的市场需求背景下，采用一种效率和自动化水平更高、更新的测量手段，是温度测控系统的发展趋势。

1.2课题研究意义

在工业生产过程中，温度检测和控制直接联系着安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标。

温度检测类仪表作为温度计量工具，也因此得到广泛的应用。

随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的高要求，人们开始关注具有温度自动巡检功能的多路温度巡检仪。

多路温度巡检仪的出现和发展顺应了时代和工业的发展趋势，推动了经济技术指标的革新。

它是由温度传感元件、转换元件、显示元件和控制元件构成。

其测温原理是：

多个传感器的输出电参数跟随温度的变化而变化，输出并变换成统一规格的电信号，由多路数据选择器选通，以采样、量化、编码和必要的辅助运算方法将模拟量转换成数字量。

再经数字电路或微处理器及外围电路处理后，在显示元件上输出对应的温度值。

重复上述过程，可以实现轮流周期性地采集被测信号并显示。

当然，根据实际需求，也可以进行单通道温度的查询与显示。

1.3课题研究内容

A.分析八路数字温度巡检技术的应用现况及发展前景。

首行缩进？

B.根据课题设计内容和要求确定系统总体设计方案。

C.根据系统总体设计方案设计系统硬件电路，确定所采用的单片机、温度采集与转换等元器件的型号。

D.根据课题内容和系统硬件电路设计软件，使用C语言编写程序，使程序能够实现基本要求。

E.使用Protel99SE软件完成系统硬件电路原理图、系统硬件电路PCB图绘制。

2系统方案设计

2.1系统设计要求

该系统应满足以下要求：

A.实现工业现场温度测量：

温度测量范围从-25℃变化到110℃，精度保持在±1℃；

B.现场温度显示：

轮询显示8通道温度，可以查询单通道温度并显示；

C.显示：

能够显示通道号、正负号、温度值。

2.2方案设计与选择

2.2.1总体流程图

设计的总体流程图如下图2-1：

图2-1总体流程图

图下面的要段前断后0.5你都自己改下吧

2.2.2方案选择

根据设计内容，提出三种设计方案：

A.方案一：

采用STC89C52单片机作为系统控制核心，其片内自带8kB大小的FlashROM，烧写进去的HEX文件大小最大能达到20KB左右。

信号采集电路选择的是八个含有Pt100的电桥电路，可以采集八个点的温度值；而选择的TM7705模数转换元件内含差放电路，所以采集到的模拟信号可以直接输送给TM7705进行处理。

对于八个点传输过来的模拟信号，要通过八选一数据选择器进行选择，即每个模拟信号对应一个通道，此八选一数据选择器选用HCF4051BE。

在显示单元中，选择五位数码管分别显示通道号、正负号、温度值；而在控制单元中，需要通过按键控制单通道温度查询和显示的过程。

整个系统中，单片机晶振选用12MHz，TM7705的时钟线要接到单片机的ALE端，以便产生2MHz的时钟。

单片机的P0口为数码管的段码，P2口为位选。

P3.0为A/D数据输入端，采用串行通信方式0进行数据的读入。

B.方案二：

单片机依然选用STC89C52作为系统控制核心，而AT89S52单片机也是可以选用的。

信号采集电路是选用八个并接于单线总线的数字温度传感器DS18B20进行八个点的温度采集，它可以不通过放大整形和模数转换电路而直接接在单片机上。

显示单元中选用液晶显示器LCD1602；控制单元与方案一中相同。

C.方案三：

单片机选用STC89C52，信号采集电路与方案一中相同。

但在此方案中，信号放大电路选用rail-to-rail运算放大器，使输出电压上限可以达到电源电压，而下限可以达到0V。

同时，加入滤波电容对影响信号采集的空气中的高频信号进行过滤。

模数转换电路选用ADC0809芯片，对模拟信号进行处理。

控制单元与方案一相同。

对比观察上述三种方案，方案一中铂热电阻（Pt100）温度传感器具有精度高，测温范围广，一般可测-200℃～650℃，在工业测温上应用广泛，而且可以通过引线将铂电阻置于需要测量温度的环境中，满足不同点不同温度测量的需求。

同时，TM7705解决了对采集到的模拟信号进行放大和数字处理，而不需要另外增加信号放大滤波电路。

方案二中，所用到的数字温度传感器性能较强，价格上比Pt100便宜很多。

而且电路搭构简单易行，节约了许多外围电路空间。

LCD1602显示功能强大，但没有数码管显示快捷方便。

方案三比方案一在信号放大和模数转换两个单元中有所不同，其电路设计比方案一繁琐。

综合考虑，最终选择方案一。

方案二有其优势所在，但在工业测温中，方案一应用面更宽广，经济价值更高，比方案二有更广泛的市场需求和更好的发展前景。

2.3软硬件设计开发环境选择

2.3.1硬件设计环境选择

Protel99SE是由澳大利亚ProtelTechnology公司基于Windows平台开发的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作。

它能够实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。

最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel（PCAD）等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。

Protel99SE有六个主要功能模块，分别为AdvancedSchematic99SE、AdvancedPCB99SE、AdvancedRoute99SE、AdvancedIntegrity99SE、AdvancedSIM99SE和AdvancedPLD99SE。

A.AdvancedSchematic99SE（原理图设计系统）

该模块主要运用于电路原理图设计、原理图元件设计和各种原理图报表生成等。

B.AdvancedPCB99SE（印刷电路板设计系统）

该模块提供了一个功能强大和交互友好的PCB设计环境，主要用于PCB设计、元件封装设计、报表形成及PCB输出等。

C.AdvancedRoute99SE（自动布线系统）

该模块是一个集成的无网格自动布线系统，布线效率高。

D.AdvancedIntegrity99SE（PCB信号完整性分析）

该模块提供精确的板级物理信号分析，可以检查出串扰、过冲、下冲、延时和阻抗等问题，并能自动给出具体解决方案。

E.AdvancedSIM99SE（电路仿真系统）

该模块是一个基于最新Spice3.5标准的仿真器，为用户的设计前端提供了完整、直观的解决方案。

F.AdvancedPLD99SE（可编程逻辑器件设计系统）

该模块是一个集成的PLD开发环境，可使用原理图或CUPL硬件描述语言作为设计前端，能提供工业标准JEDEC输出。

它的原理图和PCB图设计运行窗口界面如下图2-2、2-3：

原理图编辑窗口

图2-2原理图设计运行窗口界面

图2-3PCB图设计运行窗口界面

2.3.2软件开发环境选择

KeilC51软件是目前最流行开发8051系列单片机的软件工具。

KeilC51提供了包括C语言编译器、宏观编、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uVisionIDE将这些部分组合在一起。

由KeilC51进行软件程序编写，方便快捷。

其运行窗口如下图2-4：

图2-4uVision3IDE运行窗口界面

uVision3IDE是基于Windows的开发平台，包含一个高效的编辑器、一个项目管理器和一个MAKE工具。

uVision3IDE支持所有的KeilC51工具，包括C语言编辑器、宏汇编器、连接/定位器、目标代码到HEX的转换器。

其主要特征如下：

A.集成开发环境

uVision3IDE包括一个工程管理器、一个功能丰富并有交互式错误提示的编辑器、选项设置、生成工具及在线帮助。

可以使用uVision3IDE创建源文件，并组成应用工程加以管理。

uVision3IDE可以自动完成编译、汇编和链接程序的操作，使用户可以只专注于开发工作的效果。

B.C51编辑器和A51汇编器首行缩进不对

由uVision3IDE创建的源文件，可以被C51编辑器或A51汇编器处理，生成可以重定位的object文件，KeilC51编辑器遵照ANSIC语言标准，支持C语言的所有准特性。

另外还增加了几个可以直接支持8051结构的特性。

KeilA5宏汇编支持8051及其派生系列的所有指令集。

C.LIB51库管理器

LIB51库管理器可以从由汇编器和编辑器创建的目标文件建立目标库。

这些库是按规定格式排列的目标模块，可以在以后被链接器所使用。

当链接器处理一个库时，仅仅使用了库中程序使用的目标模块而不是全部加以引用。

D.BL51链接器/定位器

BL51链接器使用从库中提取出来的目标模块和由编译器生成的目标模块，创建一个绝对地址目标模块。

绝对地址目标文件或模块包括不可重定位的代码和数据。

所有的代码和数据都被固定在具体的存储器单元中。

绝对地址目标文件可以用于：

A）编程EPROM或其他存储器设备；

B）uVision3IDE调试器对目标进行调试和模拟；

C）使用在线仿真器进行程序测试。

E.uVision3软件调试器

uVision3IDE软件调试器能十分理想地进行快速、可靠的程序调试。

调试器包括一个高速模拟器，可以使用它模拟整个8051系统，包括片上外围器件和外部硬件。

当从器件数据库选择器件时，这个器件的属性会被自动配置。

F.uVision3IDE硬件调试器

uVision3IDE调试器提供了几种在实际目标硬件上测试程序的方法。

安装MON51目标监控器到用户的目标系统，并通过Monitoe-51接口下载程序。

使用（这个事另起一段还是什么）高级GDI接口将uVision3IDE调试器同第三方仿真器系统相连接，通过uVision3IDE的人机交互环境完成仿真操作。

G.RTX51实时操作系统

RTX51实时操作系统是针对8051微控制器系列的一个多任务内核。

RTX51实时内核简化了需要对实时事件进行反应的复杂应用的系统设计、编程和调试。

这个内核完全集成在C51编译器中，使用非常简单。

任务描述表和操作系统的一致性由BL51链接器定位器自动进行控制。

3硬件电路设计

3.1系统各功能模块电路设计

根据选择的系统设计方案，确定了基于单片机的八路数字温度巡检仪设计的原理结构框图，此硬件系统主要由单片机最小系统模块、LED数码管输出模块、按键输入模块、八路铂热电阻桥温度采集模块、八选一通道选择模块、模数转换模块及电源模块组成。

此硬件系统原理结构框图如下图3-1所示。

图3-1硬件系统原理结构框图

3.1.1STC89C52单片机最小系统模块设计

STC89C52单片机最小系统模块如下图3-2所示。

图3-2STC89C52单片机最小系统模块

单片机最小系统又称为单片机最小应用系统，是由最少的元器件组成的可以工作运行的系统。

其一般包括单片机、晶振电路和复位电路。

A.单片机

本系统电路选用的是STC89C52单片机。

STC89C52是一种自带8KB字节的闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能的CMOS8位的微处理器。

它在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容。

它的引脚图如下图3-3所示。

图3-3STC89C52引脚图

STC89C52单片机有2根主电源引脚，2根外接晶振引脚，4根控制引脚，32根可编程输入/输出引脚，总共40根引脚。

每根引脚都具备指定的功能。

A）主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

B）外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端

C）控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

D）可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

P0口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7。

P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7。

P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7。

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7。

在系统电路中，P0口、P2口用于对五位LED数码管的控制。

P1.0~P1.2控制八选一数据选择器的数据输出。

P3.0~P3.2控制TM7705的输入输出。

B.晶振电路

STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。

此系统电路选用内部方式产生时钟，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。

定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。

晶体振荡频率选择12MHz，电容值选择33pF，电容值的大小可对频率起微调的作用。

C.复位电路

复位是单片机的初始化操作。

其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

RST引脚是复位信号的输入端。

复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。

若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。

复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

这样，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。

此系统电路具备自动上电复位和按键手动电平复位两种复位方式。

3.1.2LED数码管输出模块设计

该系统采用动态扫描的方法进行通道、符号和温度显示。

在硬件设计中将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。

选亮的数码管采用动态扫描显示。

因为动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时其值应略小于静态显示电路中的限流电阻。

动态显示电路与静态显示电路相比，优点是在温度值显示上有非常好的显示效果，缺点是在硬件电路上比较复杂，成本较高。

在该电路中选用的限流电阻阻值为330Ω。

限流电阻不可以去除，因为限流电阻能保证每一个段码的发光二极管能承受10mA-20mA最大电流，当在电源电压为5V时，如果不加限流电阻，则流过发光二极管的电流会有几百毫安，这样会轻而易举烧坏发光二极管。

再者，该系统选用的是共阳极数码管，这样在段码控制端口（P0口）为低电平时数码管导通点亮。

选用共阳极数码管的原因在于51单片机中，它的灌电流要大于其输出电流，所以要选用共阳极数码管，让P0口以灌电流的方式提供驱动电流，以提高驱动能力。

还需要注意地是，用端口是不能直接去驱动每个数码管的位选端口的，因为51单片机的每个端口只能提供20mA的电流，如果去驱动的话，会很快烧坏单片机的端口。

所以此系统中是通过五个PNP9012型三极管驱动每个数码管的位选端口。

动态LED数码管输出模块如下图3-4所示。

图3-4LED数码管输出模块

3.1.3按键输入模块设计

为了实现查询单通道温度并显示对应通道和温度，系统电路中需要增加按键输入模块。

其中，将按键S1接P3.3口，当S1不按下时，始终执行主程序中八通道温度自动巡检；当S1按下后，进入到单通道查询子程序中，可以进行单通道的温度查询。

将S2接P3.4口，作为通道数增加的控制按钮。

理想中使用矩阵键盘进行单通道温度查询是最优选择，但基于单片机端口使用情况，本系统电路无法选用矩阵键盘。

为了实现-25℃～110℃的温度范围，当温度超过测温范围时应该给以提醒，所以在P3.5口增加发光二极管。

发光二极管串联330Ω的电阻，接在+5V电源端，通过灌电流驱动发光二极管闪动。

此模块中的按键S1、S2在引脚一侧加入10KΩ的上拉电阻，保证I/O读到的电平状态稳定。

其实不加上拉电阻也可以，S1、S2直接接地，在通过实验板验证程序时，S1、S2加上拉电阻和直接接地的控制效果是一样的。

但为了保证系统电