物联网温度检测报警系统设计与实现概要.docx
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物联网温度检测报警系统设计与实现概要
物联网温度检测报警系统设计与实现
摘要
物联网的定义是：
通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
从技术上理解，物联网理解是指物体通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。
从应用上理解，物联网是指把世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与先有的互联网结合，实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和生动的方式管理生产和生活。
对全部的硬件电路进行了详细的讨论，包括串行LED驱动器的控制方式和工作原理，A/D转换器，查询式键盘，温度传感器的应用等。
接着对软件部分也作了仔细的思考，按模块进行结构化程序设计，包括显示、键盘、A/D转换、温度控制和温度传感器的程序说明并画出各子程序流程图等。
最后进行了系统整体调试。
温度控制系统可以实现将温度经过热敏电阻转换为电压信号，经放大器放大后进入单片机进行A/D转换成数字量后，通过LED静态显示电路以十进制形式显示出来，同时显示电路还将显示设定的恒温值且通过键盘可以改变设定值的大小。
物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。
在业界，物联网大致被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容应用层。
感知层是物联网的皮肤和五官——识别物体，采集信息。
感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等，主要是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。
网络层是物联网的神经中枢和大脑——信息传递和处理。
网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。
网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。
应用层是物联网的“社会分工”——与行业需求结合，实现广泛智能化。
应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。
物联网的核心技术
物联网核心技术包括射频识别（RFID）装置、WSN网络、红外感应器、传感器、全球定位系统、Internet与移动网络，网络服务，行业应用软件。
在这些技术中，又以底层嵌入式设备芯片开发最为关键，引领整个行业的上游发展。
RFID技术
RFID（RadioFrequencyIdentification的），即射频识别，俗称电子标签。
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。
系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。
一套完整的RFID系统,是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成,其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder,用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据,送给应用程序做相应的处理。
WSN技术
WSN是wirelesssensornetwork的简称，即无线传感器网络。
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
传感器
温度传感器是一种将温度变化转换为电量变化装置。
将温度变化转换为热电势变化的称热电偶传感器。
将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；金属热电阻式传感器简称为热电阻，半导体热电阻式传感器简称为热敏电阻。
温度传感在工业生产、科学研究、民用生活等许多领域得到广泛应用。
电阻式传感器广泛被用于-200～960℃范围内的温度。
是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。
电阻式传感器分为金属热电阻传感器和半导体热电阻传感器两大类。
前者称为热电阻，后者称为热敏电阻。
对于热敏电阻，需要了解以下几点：
（1）测温原理及特性
NTC热敏电阻研制的较早，也较成熟。
最常见的是由金属氧化物组成。
根据不同的用途，NTC又可以分为两大类。
第一类用于测量温度。
它的电阻值与温度之间呈负的指数关系。
第二类为负的突变型，当其温度上升到某设定值时，其电阻值突然下降，多用于各种电子电路中抑制浪涌电流，起保护作用。
典型的PTC热敏电阻通常是在钛酸钡陶瓷中加入施主杂质以增大电阻温度系数。
（2）热敏电阻的应用
热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等特点，因此它在许多领域被广泛应用。
（3）热敏电阻的温度补偿
热敏电阻可以在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。
热敏电阻可以用于温度控制：
温度传感器的作用是将温度经过热敏电阻Rt转换为电压信号。
设计要求
设计任务和要求
①检测温度范围为0º~100º，采用箔电阻、精密电阻及电位器组成测量电桥作为温度传感器；
②可设定报警温度上限值0º~100º，我们选的是超过60摄氏度的时候报警；
③ 当检测温度超过设定上限值时，发出蜂鸣器报警声，要求报警声喃喃间断发声，频率约1Hz；
系统组成及工作原理
1.1温度采集和放大
首先，通过温度传感器（PT100,I<35MA）将温度模拟信号转化成一定的电信号，由于这个信号是一个相对较小和变化相对缓慢的信号，此时就需要一个对该信号放大的电路，考虑到有一定的干扰信号，而又要避免对干扰信号的放大，所以我们将采取差分放大电路，通过理伦计算当温度100的时候，对应的电信号最大，约等于0.15，所以我们的差分放大倍数在30-100内可调节。
1.2信号的过滤
信号采集和放大处理好了，我们知道任何一个信号的采集都会夹杂着一些干扰信号，所以这个时候要对这个信号进行过滤了，而我们需要的信号是一个变化很缓慢的信号，所以我们选择2阶低通滤波器，上限频率约为100HZ，根据fh=1/2piRC，于是我们取R=5.1k，C=0.33uF.
1.3信号的控制
如图所示我们用到的是最普通的比较器，通过设定相应的阈值（0-5.6V可调），然后与采集到的信号做比较，当大于设置的信号时输出低电平，当小于设置的信号输出高电平。
其中跟随器是输出电压稳定，增加带负载的能力。
1.4蜂鸣器的驱动
根据设计要求当超过一定的温度时蜂鸣器要以1HZ的频率响，因此我们选了一个周期为1秒的方波振荡器，根据公式我们选R3=1.39M，C=0.33uF.当温度超过设定的温度时，比较器输出低电平，有方波产生，蜂鸣器响，反之不响。
1.5电源
先通过变压器变压，然后通过整流，滤波，问呀，最终我们得到正负12V和5V的电压。
图2-1直流电源电路方框图
信号的采集及报警电路的设计
2.1温度采集检测
图3-1PT100实物图
pt100是铂热电阻，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，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
PT100分度表
温度/度
阻值/欧姆
温度/度
阻值/欧姆
温度/度
阻值/欧姆
0
100.00
40
115.54
80
130.90
10
103.90
50
119.40
90
134.71
20
107.79
60
123.24
100
138.51
30
111.67
70
127.08
110
149.29
表3-1
方案一：
1.电路图
图3-2方案一原理图
2.参数的选择
由上图可知PT100的在100-200之间变化，而通过PT100的电流不能大于35MA，所以我们选1K的电阻来限流。
3.工作原理和调试方法
（1）、调试方法：
当温度是0摄氏度的时候，调节200欧姆电位器，使从1、2出来的电压差为0，并保持这个阻值不变。
（2）、工作原理：
随着温度升高，pt100的阻值也会随着温度的升高而增大，根据分压原理，从1出来的电势势必会比1处高，形成一定的压差，这样就把温度信号转化了电信号了。
方案二：
1.电路图
图3-3方案二原理图
2.参数的选择
选取电阻R1为200欧姆，输入的信号为直流电源5伏。
3.工作原理
当外界温度改变的时候，PT100的阻值R也会随着改变，根据U0=-5R/R1可知此时输出的电压也随着温度的变化而发生了变化，这样就把变化的温度转化了可变的电压。
方案的比较和选择
1.方案一
（1）、PT100总会存在一定的误差，理论上0摄氏度的是对应的阻值是100欧姆，而实际上是有误差的，我们在边上加一个可调电阻可以通过调节减少这个误差。
（2）、电路只有电阻组成因此造价便宜。
而且又能很好的实现电路的效果。
2.方案二
（1）、外围电阻的构造简单，直观而且不需要进行任何调试就能实现一定的效果。
（2）、由于运放会因为输出电压过大而工作在非线性区，所以检测温度的范围比较小，同时方案二不能像方案一通过可调电阻去减少误差，所以最后的误差会大于方案一的误差。
2.2蜂鸣器驱动模块
1.设计原因
该系统是温度检测报警系统，当温度超过某个温度时，要通过一定去告知人们现在处于超温状态，所以我们通过去驱动蜂鸣器发出报警的声音来告知人们。
2.设计原理
当运放的反相端输入高电平，由于这是个比较器电路因此输出的是就是低电平，这个时候（温度没有超过设定的温度），三极管工作在截止区，蜂鸣器不会响，当反相端输入的是低电平，输出高电平，通过给电容充电，然后放电产生方波，这个时候在半个周期工作在截止，在另外半个周期工作在饱和，从而控制了蜂鸣器以1HZ的频率报警。
3.参数的选择
如上面的仿真电路图1.3，产生的方波，周期接近一秒，根据公式T=2R3Cln（1+R2/R1）,所以我们选择了R1=R2=10K,C=0.33UF,R3=1.39M。
如图1.4蜂鸣器的驱动部分，其中二极管是防止基电极和射极电压过高的，我们选了放大倍数为100倍的三极管9013，电阻选10k都是为让三极管不在截止状态时工作在饱和区。
4.芯片资料
LM324是常见的一种常见的集成运算放大器，它具有14个管脚，其引脚图见图3-2，具体相关介绍见附录2。
图3-4LM324管脚图
实验中的电路如图3-5所示
图3-5蜂鸣器报警电路图
5.报警模块元器件清单
序号
名称
数量
规格
1
电阻
3
10kΩ
2
电阻
1
1MΩ
3
电阻
1
390KΩ
4
电容
1
0.33UF
5
运算放大器
1
LM324
6
三极管
1
IN9013
7
蜂鸣器
1
8
二极管
1
IN4007
6.仿真模块
图3-5仿真
电路及系统调试
4.1组装调试
为了验证实验系统的合理性和可行性,需要对系统进行组装调试。
调试仪器：
主要用到的是万用表。
1.直流电源的装调
选用一个变压器，一个IN4007桥堆，一个LM7812，一个LM7912，一个LM7805，1个1kΩ电阻，1个发光二极管以及若干电容，接好直流稳压电源电路。
问题用万用表测量从LM7812和LM7912输出的电压值不对。
故障排除误以为LM7812和LM7912是同样的，导致电压值不对。
通过对这两个稳压芯片的拆装，并不断用万用表在一旁测量，然后用万用表测得LM7812和LM7912分别输出12V和－12V，满足要求。
最后，用万用表测量从LM7812输出的电压值约为12V，从LM7805输出的电压值约为5V，从LM7912输出的电压值约为－12V后，就完成了直流电源部分。
2.温度检测放大电路的装调
选用一个PT100，两个1kΩ电阻和一个200Ω电位器组成测量电桥作为温度传感器；选用一个LM324中的三个集成运放，两个1kΩ、两个390Ω、两个20kΩ电阻和1个10kΩ电位器组成放大电路。
问题组装过程中由于LM324管脚多，易于弄错，有接错管脚的现象发生。
故障排除仔细核对检查各管脚所对应的集运放和输出电路，并用万用表测试其输入和输出电压。
最后，通过改变电位器数值至最大阻值10kΩ，经万用表的测量，放大倍数约为60。
3.滤波电路的装调
选用两个5.1kΩ、一个1kΩ电阻，两个0.33μF电容和一个LM324中的一个集成运放，组成一个二阶低通滤波电路。
滤波电路起到对信号过滤作用，其所用元器件较少且电路连接较为简单，基本上没什么问题。
4.控制比较电路的装调
选用一个510Ω、一个1kΩ电阻，LM324中的两个集成运放，一个10kΩ电位器，一个5.6V稳压管和一个发光二极管，接好比较电路。
这部分电路连接也较为简单。
最后，通过改变放大电路中10kΩ的电位器阻值，并用万用表测得电压跟随器的输出电压在0~5.6V变化；通过改变与比较器相连接的10kΩ电位器阻值，控制电压值来控制报警温度。
5.驱动报警电路的装调
选用三个10kΩ、一个1MΩ、1个390kΩ电阻，一个0.33μF电容，LM324中的一个集运放，一个IN4007二极管，一个IN9013三极管和一个蜂鸣器，连接好驱动蜂鸣器电路。
问题连接上比较麻烦，管脚易接错。
故障排除通过个管脚接线的标示明朗化，使得各个管脚所对应的连线明确。
由于这是系统的最后一个部分，也可以通过对整个电路的调试来发现其问题所在，同样可以对其它部分加以检验。
4.2总系统调试
在各个部分都连接完成后，进行整个系统的调试工作。
图4-1系统电路图
（1）、将PT100放入冰水混合物中，调节电桥中的电位器使U3的电压为0伏，并一直保持R1的阻值不变。
（2）、将PT100放入刚加热完的热水中，保持U4的电压为5.6伏（可调的最大的电压），调节电位器R2使U3的电压为5.6伏。
（3）、我们的温度报警系统是在温度超过60摄氏度的时候报警，因此我们的调试过程是，先将温度加热到60摄氏度，调节电位器R3直至让蜂鸣器发声。
温度（摄氏度）
U1（V）
U2（V）
U3（V）
U4（V）
0
60
100
附1元器件清单：
序号
名称
规格
数量
1
电阻
1MΩ
1
2
电阻
390kΩ
1
3
电阻
20kΩ
2
4
电阻
10kΩ
4
5
电阻
1kΩ
6
6
电阻
510Ω
1
7
电位器
10kΩ
2
8
电位器
200Ω
1
9
电容
1000μF
2
10
电容
100μF
2
11
电容
0.33μF
5
12
电容
0.1μF
1
13
二极管
IN4007
1
14
稳压二极管
5.6V
1
15
发光二极管
2
16
三极管
IN9013
1
17
桥堆
IN4007
1
18
稳压芯片
LM7812
1
19
稳压芯片
LM7912
1
20
稳压芯片
LM7805
1
21
温度传感器
PT100
1
22
运算放大器
LM324
2
23
变压器
1
24
蜂鸣器
1
25
万用板
2
附2部分元件介绍：
1.lm324简介：
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图3-4。
2.参数描述：
运放类型
低功率
放大器数目
4
带宽
1.2MHz
针脚数
14
工作温度范围
0°Cto+70°C
电源电压最大
32V
电源电压最小
3V
型号
324
低偏置电流
最大100nA
输入偏移电压
最大7mV
额定电源电压
+15V
变化斜率
0.5V/μs
3.78系列集成稳压芯片（输出为固定电压值）
3．LM7805、LM7812、LM7912
LM7805LM7812LM7912
附图3-3三种稳压芯片的管脚图
如附图3-3所示分别为三种稳压芯片LM7805、LM7812和LM7912的管脚图。
将稳压芯片正面对着自己，管脚在下，圆孔端在上，左中右分别是123脚。
LM7805输入端接6VDC，输出的是5VDC；LM7812输入端接12-14VDC，输出的是12VDC；LM7912输入端接12-14VDC，输出的是-12VDC。
附3整体电路图：
附图3-1直流电源电路
附图3-1温度检测报警电路
附
图3-2直流电源电路
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