煤矿主扇风机润滑油温度测量变送器.docx
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煤矿主扇风机润滑油温度测量变送器
图书馆收藏
中图分类号：
密级：
UDC：
编号：
毕业设计
设计题目名称：
煤矿主扇风机润滑油温度测量变送器
学生姓名：
张涛
电气自动化
电气11-1
专业名称：
______________________
三年
班级：
______________________
1160194113
学制：
______________________
专科
学号：
______________________
梁纯
学历层次：
______________________
指导教师：
______________________
评阅人：
__________________________________
论文（设计）提交日期：
2014年5月26日
论文（设计）答辩日期：
2014年6月4日
常州工程职业技术学院
二〇一四年五月二十六日
毕业设计成绩评定书
专业、班级电气11-1姓名张涛日期
1、设计题目煤矿主机风扇润滑油温度测量变送器
2、设计指导教师（签名）
3、设计评阅人（签名）评阅日期
4、评定意见及成绩
摘要
温度与人们的生产和生活息息相关，并在工业生产如煤矿的开采中占据着着十分重要的地位。
煤矿主扇风机是煤矿生产中大型负荷设备，功率较大。
运行时机体间会产生大量热量，使得风机机体温度升高，而过高的温度会让润滑油结焦，影响主扇风机机体的正常工作，同时对机体产生一定的损伤，因而对主扇风机润滑油温度的检测十分重要。
该文主要介绍了AT89S51单片机结合了以Pt100铂热电阻为温度感测元件的测量电路对煤矿主扇风机润滑油温度进行测量，并通过串行接口控制CH452芯片驱动数码管显示的装置。
该文将就PT100铂热电阻工作原理及其测量电路与芯片CH452进行着重介绍。
该设计还用到了LM358运算放大器、ADC0832转换器、MAX485等器件，并会对这些元器件及其所在电路进行介绍。
关键词:
主扇风机，润滑油，Pt100铂热电阻，单片机
目录
第1章绪论1
1.1设计背景1
1.2设计目的1
第2章PT100铂热电阻2
2.1PT100铂热电阻工作原理2
2.2PT100铂热电阻传感器的结构2
2.2.1两线制接法2
2.2.2三线制接法2
2.2.3四线制接法3
2.3PT100铂热电阻的选择3
2.4铂热电阻阻值和温度关系4
2.5铂电阻在设计中遇到的问题5
第3章系统硬件部分6
3.1硬件电路构成6
3.2单片机的选择6
3.3放大单元7
3.4A/D转换部分8
3.4.1ADC08328
3.4.2ADC0832与AT89S51的接口电路9
3.5总线输出单元10
3.6LED数码管显示单元10
3.6.1LED数码管的结构与工作原理10
3.6.2数码管显示控制芯片CH45211
3.6.3CH452与单片机的连接13
3.7电源设计14
第4章系统软件设计15
4.1A/D转换程序15
4.2数码管显示程序17
总结21
致谢22
参考文献23
附录124
附录225
第1章绪论
1.1设计背景
世界在新技术革命到来时进入了信息化时代，如何快速、准确的获取信息十分重要。
因此人们发明了传感器，来获取生活和生产领域中的信息，帮助人们来更好地控制生产和生活。
传感器应用领域十分广泛，比如工业生产、海洋探测、医学诊断、环境保护、文物保护等。
现代社会中几乎每一个现代化项目都离不开传感器，它在发展经济、推动社会的发展等方面起着非常重要的作用，所以它在未来还会有着很大的发展空间。
因此我们俩掌握一些传感器的结构、工作原理是十分有必要的。
热电阻温度变送器在工业生产尤其是微机测控系统中得到了广泛应用。
通常在设计中我们应该考虑热电阻的非线性、现场中参考电源波动和电磁噪声干扰等问题，尽量减少它们对温度测量变送器的影响，保证测量结果的准确度。
1.2设计目的
一般情况下润滑油的工作温度在30-80度，如果工作油温超过60度，每升高8度，润滑油的使用寿命就会缩短一半。
当温度达到90度时，润滑油的寿命是它处于60度时寿命的十分之一。
因为高温会使润滑油被氧化，氧气和润滑油中的碳氢化合物进行反应，使润滑油的黏度上升颜色变黑，最后成为不能溶解于油中的氧化物。
这种氧化物会以棕色黏液层沉积在机体间，经常会堵塞元件中的控制油道，是液压泵的活塞、滚珠轴承、阀芯等摩擦加剧，影响机体的正常运行。
还有在氧化过程中润滑油会产生带有腐蚀性的酸液，对工件造成一定的损伤。
最重要的是氧化过程开始的进程很慢，当到达一定阶段时，氧化速度会变得很快，导致氧化过程加剧，油温升高速度加快，累积的沉淀物和酸液会更多，使得润滑油的使用寿命缩减速度加快，最后无法使用。
煤矿主扇风机是煤矿工业中功率很大的设备，有“矿井之肺”的称号。
该设计就以煤矿主扇风机润滑油温度测量，防止润滑油温度过高，对主扇风机的运行造成影响。
第2章PT100铂热电阻
2.1PT100铂热电阻工作原理
Pt100为热电阻，它是基于电阻的热效应进行测温的，其电阻值会随着温度变化而产生变化，因此我们可以根据它的阻值的变化，测出温度。
它在0℃时，它的电阻值为100Ω；而在100℃时候，它的电阻值大概为138.5Ω。
通常工业生产中所采用的铂热电阻温度传感器就是Pt100。
它适合于中低温检测，因为它的精度高，稳定性好，且它的的工作（温度）范围一般是：
-200～+650℃。
2.2PT100铂热电阻传感器的结构
2.2.1两线制接法
图2-1PT100两线制接法
两线制接法中，传感器的输出值是由传感器的阻值变化和连接导线的阻值共同组成的，因为连接导线有电阻，致使测量值偏高，所以通常将它用于精确度要求不高的场所。
2.2.2三线制接法
图2-2PT100三线制接法
三线制接法是现代工业中较为常见的接法。
通过三根截面相同与长度相同的导线与铂热电阻构成电桥电路，并分别连接电路电源端、铂热电阻一段桥臂和相邻的桥臂电阻上，来减少导线附带的电阻对测量结果的影响和误差。
2.2.3四线制接法
图2-3PT100四线制接法
四线制接法相比于二线制接法的区别是加入两根附加测试线并提供恒定的电流测量，另外两根测试线测量电阻的压降，在电压表输入阻抗足够高的时候，电路中的电流几乎不经过电压表，从而得到消除测量中因导线电阻干扰等因素所带来的误差。
2.3PT100铂热电阻的选择
在现场安装热电阻传感器时，通常其配套的温度指示仪表将会安装在控制室中。
这样两者中间的导线很就会比较长。
如果将热电阻和仪表通过两根引线直接连接起来，会导致在测温时导线的电阻也会串接到测温电阻上。
其次导线的材质、长短粗细等因素，也会导致其电阻值在不同的环境温度下发生着变化。
这些都会使测量中不可避免地出现误差，进而影响测量的精度。
通过三线制接法可以减少导线电阻对测温点的影响。
大多数标准的热电阻都会大采用三线制接法连接，简单地说就是热电阻的一端与一根导线相互连接，而另一端要同时连接两根导线。
根据设计要求，从经济与测量精度出发，我们将会选择精度较高，操作简单的传感器三线制接法。
三线制如下图所示：
图2-4电阻测量电路
其次我们将会选用精度极高的运算放大器LM358作为运算的放大电路，并在测量电路的供电时采用恒压源供电以保证测量的精度。
2.4铂热电阻阻值和温度关系
表2-1PT100分度表（1-100℃）
℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
100
100.51
100.87
101.25
101.68
102.04
102.45
102.82
103.21
103.60
10
103.9
104.29
104.58
104.86
105.36
105.75
106.13
106.53
106.99
107.31
20
107.79
108.17
108.73
108.95
109.35
109.73
110.12
110.51
110.9
111.28
30
111.67
112.06
112.45
112.82
113.22
113.64
113.99
114.38
114.77
115.15
40
115.55
115.90
116.34
116.72
117.03
117.44
117.85
118.24
118.62
119.01
50
119.3
119.75
120.13
120.56
120.97
121.32
121.7
122.08
122.46
122.67
60
123.24
123.61
124.01
124.34
124.77
125.15
125.53
125.91
126.30
126.69
70
127.07
127.45.
127.84
128.21
128.61
128.98
129.37
129.76
130.13
130.51
80
130.89
131.34
131.66
132.04
132.26
132.8
133.17
133.54
133.94
134.32
90
134.55
135.06
135.32
135.84
136.24
136.62
136.93
137.36
137.74
138.12
100
138.53
138.87
139.26
139.64
140.02
140.39
140.74
141.15
141.53
141.91
上表是PT100铂热电阻分度表，通过上表可知PT100的温度系数是3.9*10/℃，0℃时候PT100的电阻值100Ω。
通过计算我们可以得出它的电阻率是0.3851Ω/℃。
这就可以证明PT100温度传感器在测量中具有很高的精度，并且它的稳定性好，非常适合在中低温环境中进行温度测量，其范围为：
-200～+650℃。
2.5铂电阻在设计中遇到的问题
铂热电阻因其优越的响应性能和稳定性能，在中低温度范围内具有广泛的的应用，深受人们喜爱。
如果铂热电阻按照它的温度精确度等级来区分的话，那么可以分为两大类。
即标准的铂热电阻温度计与工业化铂热电阻的温度计。
在国际中我们通常使用标准温度计的ITS–90国际温标来规定其测温范围。
它的温度测量领域是从1318033K—961178K。
作为热电阻传感器元件，铂热电阻pt100在通常是利用不平衡电桥电路来输出温度变化的信号，然后在电路中加入放大电路，放大所得到的电压信号，将所输出地电压信号经过A/D转换电路，转换成电流信号后，给单片机输入转换信号，最后将信号输入显示电路，显示测量结果。
这其中采用了铂热电阻pt100线性度好，但实验发现，随着温度的不断身高，其线性度会降低，从而影响到测量结果的精确度。
所以处理好铂热电阻的线性化十分重要。
对于其非线性的问题，我们通常采用构造电路并增大电流，来输出线性关系的电压信号，从而消除其非线性所带来的测量误差。
比如通过有不平衡电桥桥臂引入正反馈。
我们通常采用在桥臂a点处输出成反比的信号或者在桥臂b点处输出正比的信号的方式形成正反馈。
这样就可以很大程度消除误差。
（a）（b）
图2-6加入正反馈的电路
第3章系统硬件部分
3.1硬件电路构成
该设计硬件方面我们采用AT789S51单片机作为中央处理器，以LM358作为运算放大器来构造放大单元，以数码管电路作为显示单元，系统主电路组成框图如下图所示：
图3-1硬件组成原理方框图
3.2单片机的选择
现如今市场上的单片机种类繁杂，给设计提供了很大的发挥空间。
从使用和受欢迎程度来看，Intel公司推出的MCS51系列单片机首当其冲，其后很多公司都推出了新一代80C51序列单片机，其中代表机型为ATMEL公司推出的AT89系列。
该设计采用的就是一种片内4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，即我们常用的AT89S51单片机。
AT89S51拥有4KB的EPROM、2个16位的定时器和计数器、128*8位内部RAM、32的可编程I/O线端口、6个中断源128*8位内部RAM、片内振荡器和时钟电路、三级程序存储器锁定、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式。
相比于我们常用的AT89C51单片机，它具有更快的工作效率，并且新添加了ISP在线编程功能、集成看门狗、全新加密算法等功能。
所以该设计将采用AT89S51单片机作为处理器来构架电路。
图3-2AT89S51引脚图
3.3放大单元
该设计中放大单元中的运算放大器为LM358。
图3-3LM358管脚分布
两个独立的、高增益、具有内部频率补偿的双运放，使它可以工作于一些电压范围很宽的单电源和一些双电源的电路，并能应用于直流增益模块、传感放大器和其他一些的可用的单电源供电同时需要使用运放的地方。
LM358共有塑封8引线双列直插式和贴片两种封装模式。
由于其封装不同，所以它们分别适用于一些不同的工作地点，也使得LM358的应用得到广泛的推广。
LM358可以进行内部频率补偿，使得它的单位增益频带很宽，频率很快，可达1MHz左右。
并且其直流电压增益相对较高。
它同时拥有电压范围较宽的共模输入与差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。
电流消耗相对较低，适合于电池供电。
它还拥有低输入的偏流、失调电压和失调电流。
图3-4放大电路图
3.4A/D转换部分
3.4.1ADC0832
ADC0832是一款体积较小，兼容性优良，性价比较高的A/D转换芯片。
在企业生产中应用率较高，深受人们喜爱。
它的引脚图如下：
图3-5ADC0832引脚图
ADC0832是逐次逼近式A/D转换器，它的最高分辨率可以达到256级，它的分辨率是8位，最高分辨率可以达到256级，一般的模拟量的转换要求都可以得到满足。
其具有250HZ的工作频率，大大缩短了芯片转换时间，它的双数据输入端可以传输与监测数据，增强了芯片的稳定性，为控制器的使用提供了方便。
将ADC0832的单通道的模拟信号输入在0~5V之间的电压设定在一个较大范围之内，这样当输入IN+与IN-的输入，我们就能提高转换的宽度了。
但是如果IN-的电压大于IN+的电压，而与此同时进行输入的话，结果将会将会不变的数据结果。
3.4.2ADC0832与AT89S51的接口电路
通常在现实生活中ADC0832与单片机的接口大多采用的都是4条数据线，ADC0832的4条数据线分别是CLK、CS、DI、DO。
当我们设计电路的时候，我们可以用一根线将D0和D1端连在一起，使得DI和DO端就可以同时有效与单片机的接口使用了，从而解决了DI和DO端不是可以同时和单片双向使用的问题了。
当ADC0832的CS输入端应该为：
CS=1（高电平），这时芯片不能用；当ADC0832的CS输入端应该为：
CS=0（低电平），A/D进行转换直到结束，CS端保持低电平；当芯片开始A/D转换工作时，处理器将会向CLK输入时钟脉冲，在输入的时钟脉冲第一个时钟脉冲下沉之前，这个时候必须使DI=1，因为当DI=1（高电平），表示启始信号.当CH0与CHI进行单通道的转换时，S端保持低电平DO/DI端则使用DI端的输入通道功能选择的数据信号DI端输出2位数据分别为0、1和1。
当CH1为正输入，CH1为负输入时，DI端输出数据全为低电平；反之则DI端输出数据分别为低电平和高电平。
图3-6ADC0832与89S51接口电路图
3.5总线输出单元
图3-7总线输出电路
RS-485特点：
1.RS-485的电气特性：
当两线之间的电压差为+（2—6）V表示逻辑“1”，当两线之间的电压差为-（2—6）V表示逻辑“0”。
RS-485接口信号电平较低，可以起到保护接口电路芯片的作用。
2RS-485具有突出的多战性能
3.数据传输率较快快是它的第三大特性。
4.由差分接收器和平衡驱动器组成的接口使它具有了第四大特性-抗共模性能增强的特性。
比起其它串行接口，其传输距离较远、抗噪声干扰性强的特性，使它在在众多串行接口中脱颖而出，收到广泛的好评。
RS-485作为串行接口组成的网络，大都只需要两根线，因此我们可以常常看见的大都是用双绞屏蔽线作为传输的。
3.6LED数码管显示单元
3.6.1LED数码管的结构与工作原理
每个LED数码管都是由数个发光二极管组成的，按照发光二极管组成数将其分为七段数码管和八段数码管两种。
我们通常使用八段数码管，因为它在发光二极管的组成数量上较七段数码管多一个，可以显示小数点，满足设计要求。
LED数码管在在结构上分为共阳极和共阴极两种。
共阳极数码管如图1-8（a）是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。
通常会将在实际使用时在+5V电源处连接上数码管的公共阳极COM，并将其作为控制端。
使用时字段发光二极管的阴极所得到电平不同，相应字段也会相应显现亮暗两种两种状态。
共阴数码管如图1-8（b）是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。
与共阳极数码管相比，共阴极数码管是将公共阴极COM接到地线GND上，将其作为控制端。
字段发光二极管的阳极所得到的电平信号不同，相应字段也会相应的显现出亮暗两种不同状态，从而达到显示的目的。
图3-8共阳极数码管和共阴极数码管
3.6.2数码管显示控制芯片CH452
该设计中数码管显示将由芯片CH452来控制。
数码管显示驱动和键盘扫描控制是CH452最突出的地方。
CH452中具有时钟的振荡电路，通过它可以进行BCD译码、光柱译码，来实现闪烁、移位、段位寻址等。
同时它还可以扫描64键的键盘，通过4线串行接口和2线串行接口两种方式与单片机连接，进行数据的交换。
它还有一些附加功能如上电复位信号等。
CH452采用动态扫描的方式对数码管进行驱动显示。
其内部拥有电流驱动级，可以驱动共阴数码管段驱动引脚SEG6-SEG0分别对应数码管的段G—段A，段驱动引脚SEG7对应的数码管的小数点，字驱动引脚DIG7-DIG0分别连接8个数码管的阴极。
CH452在默认的情况下的工作方式为不译码方式，在这种状态下CH452的8个数据寄存器中的位7-位0分别对应8个数码管的小数点和段G-段A。
它通过这种方式控制每个字数据的数据位来控制数码管的显示。
当CH452工作于BCD译码方式时，其主要用于数码管的驱动。
主要是通过数据寄存器中字数据进行位4-位0进行BCD译码的方式，来控制字数据的位7控制和段驱动引脚SEG6-SEG0段驱动引脚SEG7的输出，使之分别对应于数码管的小点和数码管段G-段A。
下图为数码管的段名称：
图3-9数码管段名称
CH452可以动态驱动8个共阴极数码管，也可以驱动共阳极数码管。
如图1-10CH452可以动态驱动8个共阴极数码管。
所有数码管的相同段引脚并联后通过串联的限流电阻R连接CH452的段驱动引脚SEGO-SEG7，各个数码管的阴极分别由CH452的DIG0-DIG7引脚进行驱动。
串接限流电阻的阻值越大则段驱动电流越小，数码管的显示亮度越低。
图3-10驱动共阴极数码管
如果想要驱动共阳极数码管时，可以通过将段驱动引脚SEG0-SEG7和字驱动信号DIGO-DIG7反相的方式来实现。
如图1-11驱动共阳极数码管，段信号SEG0-SEG7由U22达林顿管阵列反相驱动，字信号DIG0-DIG7由8个PNP三级管T1等反相驱动。
图3-11驱动共阳极数码管
3.6.3CH452与单片机的连接
单片机通过控制CH452来驱动数码管的显示，其连接方式有两种：
分别是2线串行接口连接与4线串行接口连接。
当CH452与单片机通过2线串行接口连接时，其H3L3引脚为低电平。
只需要使用SCL和SDA两个信号线，可以在不使用键盘的情况下连接，并可以省去KEY信号线；CH452在使用键盘时可以在INTN引脚处连接上KEY信号线，并将其连接到单片机的普通I/O引脚或单片机的中端输入引脚开提供查询。
当输出方式为低电压脉冲时，SDA代替INTM向单片机提供键盘中断。
如下图
图3-122线串行接口电路
当CH452与单片机通过4线串行接口连接时，其H3L2引脚为高电平或者悬空。
为了限制段驱动电流，CH452的段驱动引脚会和电阻R1串接。
电容C2与C3布置在电源的引脚附近，可以有减少驱动电流的产生和电源的退耦的功能。
串联电阻R1在5V电压下会产生对应的段电流。
在不使用键盘的情况下，我们可以只使用三根信号线DIN、DCLK与LOAD。
使用键盘时，可以信号线KEY来连接单片机的中断输出引脚。
如果想要查询CH452检测到有效按键情况，可以通过连接普通的I/O引脚来达成。
在实际应用时对DCLK、DIN、DOUT、LOAD分别加上上拉电阻，对CH452远距离连接电路有减少干扰的作用。
因为标准的51单片机的一些I/O引脚是弱上拉准双向口，所以加上拉电阻十分重要（对远距离电路）。
近距离的电路则可以不用加上拉电阻。
如下图
图3-134线串行接口电路
3.7电源设计
根据本设计要求，为了向ADC0832提供+5V电压，供电，将采用三端集成稳压器来提供正电压。
工作性能可靠，工作效率较高和输出电流驱动能力较强是LM2576系列开关稳压集成电路的优点。
这些优点保证了MCU能稳定、可靠的工作。
它内含固定频率振荡器（52kHz）与基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路的能力，包括电流限制以及热关断电路等，可以利用极少的外围器件构成高效稳压电路，并可以在工作状态下提供外部控制引脚。
图3-12电源电路图
第4章系统软件设计
系统的软件设计在整个设计中站着很重要的地位，我们在软件设计部分主要有主程序、A/D程序、总线输出程序、数码管显示程序等功能模块。
下面是主程序流程图
图4-1主程序流程图
4.1A/D转换程序
该设计中主要使用ADC0832作为A/D转换器构成A/D转换电路，将模拟信号转换成数字信号。
它的流程图如下：
图4-2A/D转换部分流程图
以下是AD0832的驱动：
sbit AD0832_CS = P2^4 ; //片选信号
sbit AD0832_CLK = P0^0; //时钟
sbit AD0832_DI = P0^2; //数据
{
Vioddelay_1ms（）;
Viodmain （viod）
Uchari
TMOD=0X01;//定时器为1
TH0=0X3C;
TL0=0XB0;
EA=1;
uchar i=0 , Data1 =0 , Data2 = 0
ACD0832_CL = 1//正脉冲
ADC0832_C = 0 //时钟下降
ADC0832_DI = 1
ADC0832_CLK = 1 //时钟上升沿，输入开始信号
ADC0832_C1 = 0 //时钟下降沿
AD0832_DI = Chann
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