多功能智能化温度测量仪的设计.docx
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多功能智能化温度测量仪的设计
济南职业学院
毕业设计（论文）
题目：
多功能智能化温度测量仪设计
系部：
电子工程系
专业：
电气自动化
学号：
************
******
*******
职称：
二O一三年四月二十七日
济南职业学院
毕业论文（设计）任务书
课题名称：
多功能智能化温度测量仪设计
系部：
电子工程系
专业：
电气自动化
*****
学号：
_************__
********
二O一三年一月八日
一、毕业论文（设计）的目的与要求：
毕业设计（论文）是教学过程中最后一个重要的实践性教学环节，是应用在校所学知识、结合工程实际，进行一次系统的、有机的解决工程实际问题的训练，目的是巩固、扩大和提高所学理论知识，使之系统化，并提升为解决实际工程技术问题的能力，通过本课题的实施可初步掌握工业企业的自动化技术改造基本方法和步骤。
通过毕业设计实践，可使学生进一步提高资料检索、计算、绘图、动手制作和编写说明书的职业技能。
二、毕业论文（设计）的内容：
本文主要介绍了温度的自动测量，包括温度传感器、单片机接口及其应用软件的设计，大体分为以下几大部分：
介绍了国内外温度检测技术和特种测温一钢水温度检测的发展现状，并且分析了温度检测技术的未来发展方向；根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、数据处理、温度值的在线显示以及时钟电路的时间显示；简略介绍了该仪表的软件部分；对该温度仪表的未来发展进行了展望。
三、毕业论文（设计）进程的安排
序号
论文（设计）各阶段名称
日期
备注
1
指导教师召集相关学生，向学生介绍毕业设计的相关规定，布置任务。
2
论文准备，期间老师不得少于两次指导学生。
准备期间，学生向指导教师汇报工作进度和工作情况，每周不少于一次。
3
毕业论文送交指导老师阅评
4
毕业答辩
公布成绩
4月27日前
四、任务执行日期：
自2013年1月8日至2013年4月27日止。
学生（签字）__________
指导教师（签字）__________
系主任（签字）__________
毕业设计（论文）成绩评定表
系部：
电子工程系专业：
班级：
级班
姓名
赵福
设计（论文）总成绩：
设计（论文）题目
多功能智能化温度测量仪设计
指导教师评语
评定成绩：
签名：
年月日
评阅人评语
评定成绩：
签名：
年月日
答辩小组评语
答辩成绩：
组长签名：
年月日
注：
设计（论文）总成绩=指导教师评定成绩（30%）＋评阅人评定成绩（30%）＋答辩成绩（40%）
摘要
本文主要介绍了温度的自动测量，包括温度传感器、单片机接口及其应用软件的设计，大体分为以下几大部分：
介绍了国内外温度检测技术和特种测温一钢水温度检测的发展现状，并且分析了温度检测技术的未来发展方向；根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、数据处理、温度值的在线显示以及时钟电路的时间显示；简略介绍了该仪表的软件部分；对该温度仪表的未来发展进行了展望。
多功能智能化温度测量仪是以8051单片机系统和温度检测元件一AD590相结合的温度测量系统。
本系统的数学模型合理，测量方法容易实现。
实际仪器采用抗干扰、低零漂、低温漂的电子元件，性能稳定。
该测量仪总体特点是使用简便、实用、使用对象广、并且实现了自动化。
关键词：
温度测量多功能智能化单片机
前言
温度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。
因此,能够确保快速、准确地测量温度的技术及其装置普遍受到各国的重视。
近年来,利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋势。
本文介绍的智能温度检测系统,以智能化数字式温度传感器与PIC微处理器有机结合,构成了一种新型智能化温度检测系统。
该系统具有性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。
随着电子技术的发展，将组成CPU的部件集成在一块半导体芯片上，这个具有CPU功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器（MPU）。
微处理器的出现，推动了微型计算机的发展，同时也引起了电子设计技术领域的探到变革—电子技术专业人员，使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中，使电子系统具有可编程序的智能化特点，开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地。
将微处理器、存储器、I/O电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌入式技术的发展，单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表。
单片机适用于测量和控制领域，它以芯片形式嵌人到电子产品或系统中起到“电脑”作用，受到电子专业技术人员的青睐。
单片机以其体积小、可靠性高、功能的专门化为特点。
沿着与适用微处理器不同的方向发展。
它的出现和发展，标志着单片嵌入技术已经成为电子系统设计的一个重要发展方向。
本课题主要为采用单片机实现温度采集与多功能数字钟的制作。
突出民用产品的低成本多动能的特点。
按照选题要求应实现温度测量精度<0。
5℃，并且能够实现数字钟和温度测量部分的通过键盘进行控制。
第一章多功能智能化温度测量仪设计
1.1智能化温度测量仪简介
温度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。
因此,能够确保快速、准确地测量温度的技术及其装置普遍受到各国的重视。
近年来,利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋势。
本文介绍的智能温度检测系统,以智能化数字式温度传感器与PIC微处理器有机结合,构成了一种新型智能化温度检测系统。
该系统具有性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。
1.1.1系统设计总体要求
功能要求
①．配合电阻温度传感器，实现温度的测量；
②．具有开机自检、自动调零功能；
③．具有克服随机误差的数字滤波功能；
④.使用220V/50Hz交流电源，设置电源开关、电源指示灯和电源保护功能。
1.1.2系统设计主要内容
其主要内容如下：
1.介绍了国内外温度检测技术发展现状，以及温度检测技术的未来发展方向。
2．根据实际测量要求制定出一次仪表一传感器的选择、使用和安装方案。
3．根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、温度值的实时显示和存储等。
4.对该仪器的功能进行了初步认定，从原理和实际意义上分析了该仪器的测量误差。
5．介绍本仪器的优点及不足，并对未来的发展提出了展望。
1.2设计功能要求和设计指标
1.2.1功能要求
⑴根据设计要求主要功能如下：
①根据要求设计时钟并显示；
②自动检测温度并显示；
③用LED显示方式；
④温度以℃为单位；
1.2.2主要技术指标
⑵主要技术指标
①测量温度范围：
0～200℃
②测量误差：
≤1%
③显示方式：
4位LED数码管显示被测温度值
1.3温度检测的主要方法
温度检测方法一般可以分为两大类，即接触测量法和非接触测量法。
各种温度测量方法各有自己的特点和各自的测量范围，常用的测温方法、类型及特点如表2.1所示。
测量方式
温度计或传感器类型
测量范围/℃
精度/%
特点
接
触
式
热膨胀式
水银
-50～650
0.1～1
简单方便，易损坏（水银污染）
双金属
0～300
0.1～1
结构紧凑，牢固可靠
压
力
液体
-30～600
1
耐振，坚固，价格低廉
气体
-20～350
热电偶
铂铑—铂
0～1600
0.2～0.5
种类多，适应性强，结构简单，经济方便，应用广泛。
需注意寄生热电势及动圈式仪表电阻对测量结果的影响
其他
-20～1100
0.4～1.0
热电阻
铂
-260～600
0.1～0.3
精度及灵敏度均较好，需注意环境温度的影响
镍
-150～300
0.2～0.5
铜
0～180
0.1～0.3
热敏电阻
-50～350
0.3～0.5
体积小，响应快，灵敏度高，线性差，需注意环境温度影响
非接触式
辐射温度计
800～3500
1
非接触测量，不干扰被测量度场，辐射率影响小，应用简便
光高温度计
700～3000
1
热探测器
200～2000
1
非接触测温，不干扰被测温度场，响应快，测温范围大，适于测量温度分布，易受外界干扰，标定困难
热敏电阻探测器
-50～3200
1
光子探测器
0～3500
1
其
他
示温涂料
碘化银，二碘化贡，氯化铁，液晶等
-35～2000
<1
测温范围大，经济方便，特别适于大面积连续运转零件上的测量，精度低，人为误差大
表2.1常用的测温方法、类型及特点
1.4选择设计系统器件
常用的热电传感器有热电阻、热电偶、集成温度传感器等。
AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。
由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。
1.4.1选择温度传感器器件
常用的热电传感器有热电阻、热电偶、集成温度传感器等。
集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关
系实现对温度的检测：
式中，k—波尔兹常数；q—电子电荷绝对值。
集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种，其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。
电压型集成温度传感器一般是三线制，其温度系数约为10mV/℃，电流型集成温度传感器一般为两线制，其温度系数越为0.001mV/K，常用的有LM134/234、TMP17、AK590、AD592等，电流型传感器信号适合于远距离传输而无衰变。
本次设计用到电流型两线制集成温度传感器AD590（0℃时为0.2732mA）。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
它的主要特性如下：
（1）流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：
Ir/T=1mA/K
式中：
Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。
（2）AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
（3）AD590的电源电压范围为4V～30V。
电源电压可在4V~6V范围变化，电流
变化1mA，相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
（4）输出电阻为710M。
（5）精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。
AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。
由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。
1.4.2选择单片机器件
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。
选择器件时应考虑其性能是否满足设计需求，是否具有良好的技术支持和文档支持，是否具有良好的性价比等，其核心是单片机的选型。
在大多情况下，理应选择性价比高的单片机及其它器件，但在某些特殊场合，当性能成为决定因素时，应以性能优先原则选择所需的单片机或其它器件。
单片机一般分为51系列和52系列，本次设计用到的是52系列即8051单片机。
在微机控制系统中，工业生产过程的被测控参数，如温度、压力、流量、液位、成份、速度等都是连续变化的量，习惯上称为模拟量，而计算机所需要的则是离散的数字量。
因此，在过程控制及微机进行数据处理的系统中，必须首先把模拟量变成数字量。
这样通过控制电路对现场进行控制。
单片机控制的一般模式如图2.2。
第二章系统总体设计
2.1单片机应用系统的研制过程
单片机应用系统的研制过程如图所示。
图2.2单片机应用系统的研制过程
2.2时钟电路设计、接口设计
本系统采用一片DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302和两片Intel公司的E2PROM2864芯片。
DS1302是一个实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，可通过简单的串行总线与单片机进行通讯，实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可自动调整，包括闰年，有效期至2100年。
可采用12h或24h方式计时，采用双电源（主电源和备用电源）供电，可设置备用电源充电方式，芯片为8引脚小型DIP封装。
包括A/D接口、D/A接口、LED显示器接口等。
单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来的。
2.3放大器的设计
温度传感器的输出电压经过ISO100隔离放大（单增益）后，将输出电压送给测量放大器进行放大，以便放大后的输出电压和A/D转换器的量程相匹配。
测量放大器的输入阻抗高，易于与各种信号源相匹配。
它的输入失调电压、输入失调电流及输入偏置电流小，时间漂移小，因而稳定性好。
它的共模抑制比大，适用于在大的共模电压背景下对微小差模信号的放大。
它是一种高性能的放大器，常用于热电偶、应变电桥、流量计量、生物测量以及其它有较大共模干扰下的本质上是直流缓变的微弱差模信号放大。
本设计中选用了AD521，它是美国AD公司生产的第二代单片集成精密仪表放大器。
AD521的特性参数如下
（1）可调范围为0.1～10000
（2）温度稳定性为士（3士0.05G）PPM/℃
（3）失调电压为0.5mV
（4）差模输入电阻为3×109
（5）共模输入电压为6×109
（6）温漂系数为1.5uV/℃
2.4A/D和D/A转换器设计
通常嵌入式单片机（MCU），由于设计用途的不同，并不是每一种都有A/D转换，即使有的带A/D转换，一般都是8位或10位分辨率，用户在使用这些芯片而又需要较高分辨率的A/D功能时，一般要外接专用的A/D芯片，如MAX110等。
这些芯片虽然具有精度好、分辨率高，使用方便等优点，但价格很高，增大了系统成本，为此可使用各种A/D转换技术构成廉价的A/D。
一般A/D转换常用以下A/D转换器硬件与单片机连接的方式如图2.4。
图2.4A/D转换器硬件与单片机连接的方式
若A/D转换器中带锁存器，可与单片机直连；若A/D片中不带锁存器，则在单片机与A/D之间要家锁存器（如图2.3中显示），如74LS373等。
至于进入单片机后的信号如何处理，则要根据测试控制要求来决定。
控制可用位控方式，也可用D/A转换方式等。
2.5显示器及键盘的设计
单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器LED（LightEmittingDiode）;液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）;近年也有配置CRT显示器的。
LCD和CRT器可进行图形设计，但接口比较复杂，成本也较高;LED显示器，价格便宜，配置灵活，与单片机接口方便，因此本设计中采用的是LED显示器。
在电路中为8279扩展工/0控制的8位共阴极LED动态显示接口电路。
由于所有8位段选线皆由一个1/0口控制，因此，在每一瞬间，8位LED会显示相同的字符。
要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，记载每一瞬间只使某一位显示字符。
在此瞬间，段选控制T/0口输出相应字符段选码（字型码），而位选则控制工/0口在该显示为送入选通电平（因为LED为共阴，故应送低电平），以保证该位显示相应字符。
如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。
逐位轮流点亮各个LED，每一位停留lms，在10-20ms之内再一次点亮，重复不止，这样，利用人的视觉暂留好像六位LED同时点亮了。
在此仪器的设计中，LED显示器的显示方式采用的是动态显示方式。
在本设计中采用8279可编程键盘、显示器接口芯片。
8279芯片是一种专用于键盘、显示器的接口器件，它能对显示器自动扫描，能识别键盘上闭合键的键号，提高CPU的工作效率。
8279包括键盘输入和输出两部分。
键盘部分提供扫描工作方式，可以和具有64个按键和传感器的阵列相连。
能自动消除抖动以及对n键同时按下采取保护。
显示部分为发光二极管、荧光管及其它显示器提供了按扫描方式工作的显示接口，它为显示器提供多路复用信号可显示多达16位的字符或数字由于显示所需电流比8279输出的电流要大，所以在显示器前端用7407驱动器对8279的输出电流进行放大。
8279的中断请求信号线IRQ经反向驱动器74F04接至8031外部中断，这样，可通过中断方式对按键进行处理
2.6抗干扰措施
单片机应用系统的工作环境往往都是具有多种干扰源的现场，为提高系统的可靠性。
抗干扰措施在硬件电路设计中显得尤为重要。
根据干扰源引入的途径，抗干扰措施可以从以下方面考虑。
①电源供电系统
为了克服电网以及自本系统其他元件的干扰，可采用隔离变压器、交流稳压、线滤波器、稳压电路各级滤波等防干扰措施。
②电路上的考虑
为了进一步提高系统的可靠性，在硬件电路设计时，应采取一系列防干扰措施：
（1）大规模IC芯片电源供电端都应加高频滤波电容，根据负载电流的情况，在各级供电节点还应加足够容量的退藕电容；
（2）开关量I/O通道与外界的隔离可采用光电耦合器件，特别是与继电器、可控硅等连接的通道，一定要采取隔离措施；
（3）可采用CMOS器件提高工作电压（如+15V），这样干扰门限也相应提高；
（4）传感器后级的变送器尽量采用电流型传输方式，因电流型比电压型抗干扰能力强；
（5）电路应有合理的布线及接地方法；
（6）与环境干扰的隔离可采用屏蔽措施。
本章中确定了系统的设计总体方案，温度检测所用到的方法，单片机应用系统的研制方案。
还具体介绍了各模块设计方案，初步明确了系统研制方法。
此外还考虑到了系统设计中所遇到的干扰和消除干扰的方式，为系统进一步的设计做好了准备。
第三章系统的硬件设计
3.1系统总体原理框图
系统总体原理框图如图3.1
3.2信号输入部分总体设计
信号输入部分总体设计如图3.2
图3.2信号输入部分总体设计
3.3单片机及其扩展I/O的设计
采用TTL电路扩展I/O口是一种最常见的微机I/O扩展手段。
3.4键盘和显示的设计
键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘。
由于本设计中键的数量不是很多，所以在此我们选用独立式键盘控制。
单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器LED（LightEmittingDiode）;液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）;近年也有配置CRT显示器的。
LCD和CRT显示器可进行图形设计，但接口比较复杂，成本也较高;LED显示器，价格便宜，配置灵活，与单片机接口方便，因此本设计中采用的是LED显示器。
显示器显示接口按驱动方式可分成静态显示和动态显示两种显示方式，动态显示的扫描可由单片机软件或专门的硬件完成；按CPU向显示器接口传送数据的方式则可分成并行传送和串行传送两中显示数据传送方式；按显示器接口是否带译码器可分成译码和非译码两种显示数据方式。
动态显示时，N个显示器共占用一个显示数据驱动器，每个显示器通电占空比时间为1/N。
动态显示的优点是节省硬件电路（如I/O口、驱动器等）；缺点是采用软件扫描时占用CPU时间多，如采用硬件扫描时将增加硬件成本。
除此之外，当动态显示位数较多时，显示器亮度将受到影响。
在此电路中为8279扩展I/0控制的8位共阴极LED动态显示接口电路。
由于所有8位段选线皆由一个I/0口控制，因此，在每一瞬间，8位LED会显示相同的字符。
要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，记载每一瞬间只使某一位显示字符。
在此瞬间，段选控制I/0口输出相应字符段选码（字型码），而位选则控制I/0口在该显示为送入选通电平（因为LED为共阴，故应送低电平），以保证该位显示相应字符。
如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。
逐位轮流点亮各个LED，每一位停留lms，在10-20ms之内再一次点亮，重复不止，这样，利用人的视觉暂留好像六位LED同时点亮了。
在此仪器的设计中，LED显示器的显示方式采用的是动态显示方式。
LED动态显示器接口（用8255作接口电路的连接）
对于多位LED显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即逐个地循环地点亮各位显示器。
这样虽然在任何一时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。
为了实现LED显示器的动态扫描。
除了要给显示器提供段（字形代码）的输入之外，还有对显示器选择位的控制，这就是通常所说的段控和位控。
因此，多位LED显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于输出8条段控线（含有小数点显示）；另一个用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的位数。
3.5信号输出部分总体设计
系统经过数据采集、数据处理之后，获得被测对象的温度值，但在有些时候需要控制被控对象的温度，因此，要由单片机系统发出控制信号，进行系统控制。
但是由8031输出的控制信号是数字信号，需将其经过数/模转变为模拟信号，再经功率放大，才能控制加热炉、热处理炉等。
这一功能由一片DAC0832来完成，由于DAC0832是一种电流输出型D/A芯片，因此其后端接一片运算放大器构成反相输出电路以实现电压信号输出，然后再接入1片多路模拟开关CD4051，将输出扩展为8路。
由上述可知，该部分具有8路模拟信号输出能力。
第四章时钟电路的设计
4.1LED显示电路设计与器件选择
LED显示器的显示控制方式分为静态显示和动态显示两种，若选择静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器电流相匹配即可，而且一般只需考虑段的驱动；动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。
图4.1动态扫描显示电路的原理框图
4.2LED显示器的选择
图4.2所示为74LS48的管脚图和结构原理图。
管脚图中大写字母A、B、C、D为BCD码的输入端，小写字母a、b、c、d、e、f、g为字型码输出端，LT为灯测试输入端，RBI为消隐输入，RBO为消隐输出。
1BVdd1614g
2cf15D6BCD码BCD码15f
3LTg14C2锁译驱9e
4BI/RBOa13存码动10d
5RBIb12B1器器
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