监测系统综合课程设计含外文翻译Word下载.docx

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模拟集成温度传感器。

该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

此种传感器具有功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等；

模拟集成温度控制器。

模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。

某些增强型集成温度控制器（例如TC652/653）中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。

但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别；

智能温度传感器。

能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；

并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。

对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。

此种产品测温范围大都在-200℃~800℃之间，分辨率12位，最小分辨温度在0.001~0.01之间。

自带LED显示模块，显示4位到16位不等。

有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。

该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。

多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。

针对目前市场的现状，本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机测温系统，亦可以通过一定程度的完善进行多路控制，本次主要针对单路的实时检测与控制。

本课题以87C51单片机和数据采集系统为核心，能对温度进行实时巡检。

第一章：

绪论

1.1设计的要求与初始条件

（1）能够电子显示实际测得的温度值；

（2）当温度不在上下限范围内时会报警，并能根据需要设定报警上下限。

（3）本系统能够检测温度范围0℃～88℃，精度为1度。

根据实际需要，检测点数是可以扩展的。

1.2设计方案的选择

1.2.1设计方案一

采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，实现多点温度的测量及显示，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。

1.2.2设计方案二

采用PC机作为主控机，单片机构成信号采集单元。

通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理，通过通信线路将信息上行到PC机，在PC机上我们可对温度信号进行任何分析、处理。

其模块框图如图1所示。

图1方案2模块框图

采用该方案技术已经成熟，而且通过将温度信息上传到PC机，利用PC机强大的数据处理能力和相应的辅助软件，可以多角度、多需求的分析处理温度数据，但这在工业上大多不是必须的。

而且目前PC的机价格的原因，制造出这样的系统，不会得到普遍的应用。

所以我不准备采用此种方案。

1.2.3设计方案三

本方案以AT89C51单片机系统为核心，对多点的温度进行实时控制巡检。

各检测单元（从机）能独立完成各自功能，根据主控机的指令对温度进行实时或定时采集，测量结果不仅能在本地储存、显示，而且可以利用单片机串行口，通过RS-485总线及通信协议将将采集的数据传送到主控机，进行进一步的分析、存档、处理。

主控机负责控制指令发送，控制各个从机进行温度采集，收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和打印。

主控机与各从机之间能够相互联系、相互协调，从而达到了系统整体统一和谐的控制效果。

该方案主控机和从机完全由单片机实现，采用该方案完全可满足工业上大部分需求，而且相对与第二种方案价格更加容易让人接受。

图2中，从机部分实现的功能几乎和主机是对等的，但会接受主机发送过来的命令的指示。

图2方案3模块框图

该方案采用热电阻PT100做为温度传感器、AD620作为信号放大器MAX187作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。

1.2.4设计方案四

本方案是本次选用的方案，主要是基于初始条件的要求较低和对于所学知识

基础性的运用，采用热敏电偶作为温度的传感器，采用基于串口的数据采集器，通过87C51对输入的信号进行检测和控制，再通过数码管显示。

在超出测量范围的部分亦可增加相关的硬件设施报警，而且可以根据不同的要求进行灵活的程序改变以达到所能满足的性能

图3方案4模块框图

第二章：

硬件部分的设计与介绍

2.1单片机87C51

2.1.1芯片特点

87C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本型产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的体系结构和指令系统。

。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，是80C51BH的EPROM版本，电改写光擦除的片内4kBEPROM。

2.1.2组成

87C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

快速脉冲编程，如编写4kB片内ROM仅需12秒。

2.1.3工作

此外，87C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

87C51有PDIP和PLCC两种封装形式。

2.1.487C51的存储器组织结构

图487C51存储器组织结构

64K字节的程序存储器（ROM）空间中，有4K字节地址区对于片内ROM和片外ROM是公用的，这4K字节地址是0000H~FFFH。

而1000H~FFFFH地址区为外部ROM专用。

CPU的控制器专门提供一个控制信号EA用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区：

当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4K字节存储器区取指令，而当指令地址超过0FFFH后，就自动的转向片外ROM取指令。

当EA接低电平时，CPU只从片外ROM取指令

2.1.5单片机外接电路

（1）时钟产生电路和复位电路

片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。

片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～12MHz之间选取。

C1、C2是反馈电容，其值在5pF～30pF之间选取，典型值为30pF。

本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。

这样就确定了单片机的4个周期分别是：

振荡周期＝1/12

；

机器周期（SM）＝

指令周期＝

图5时钟产生电路

XTAL1和XTAL2：

片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。

在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。

一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。

但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。

这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。

即用来连接8051片内OSC的定时反馈回路，如上图所示。

石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。

图6为单片机复位电路。

单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。

MCS-51单片机的RST引脚是复位信号的输入端。

例如：

若MCS-51单片机时钟频率为12MHz，则复位脉冲宽度至少应该为2μs。

图6复位电路

（2）声光报警电路

温度检测系统多有声光报警功能，当检测温度超过上下限时，进行声光提示。

本系统在从机和主机部分均设计了报警电路。

各从机的报警上下限由主机预置，从机实时监测的过程中，一旦发现检测温度值连续超出阈值范围，便启动自身报警电路，同时向主控机发送报警信号。

报警电路原理如下所示：

图7声光报警电路

（3）数据存储和时钟电路

主控机主要负责控制从机，包括设置从机信息和收集从机检测信号，然后将收集到的数据进行存储、分析、显示，并能根据用户设置的报警阈值进行声光报警。

这部分的硬件电路设计除了键盘、液晶等常规外设外，增加了一片24C04用来保存温度数据，另外，增加了一片日历时钟芯片PCF8563。

24C04是基于I2C总线的串行E2PROM，存储容量512个字节，它占用单片机资源很少，仅占用了两根I/O线，数据一旦写入可保存100年，避免了普通RAM掉电保护的麻烦，非常适合于各类仪器仪表和控制装置的参数保存。

主控机每个整点收集一次数据，并将数据保存到E2PROM。

每个温度数据占用2个字节，这样，我们设计共保存24组历史数据，占用192个字节。

当存满24组数据后，整点再次接收数据时，将最早保存的数据删除，其他数据依次前移为新数据空出位置。

PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线串行传递。

这两部分电路设计原理图如下：

图8数据存储和时钟芯片电路

2.2电源设计

工作原理：

图9中为T1电源变压器，它的作用是将交流电网电压V1变为整流电路要求的交流电压

，四只整流二极管D1~D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。

先计算文件参数：

二极管D1、D3和D2、D4两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为

ID=

IC=0.45

二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图1中看出。

在

正半周时D1、D3导通，D2、D4截止。

此时D2、D2所承受的最大反向电压均为的

最大值。

即

=

同理，在

的负半周，D

、D

也承受到同样大小的反向电压。

图9+12V电源示意图

桥式整流电路的优点是输出电压高，纹