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毕业设计论文单片机温度数据采集系统
单片机温度采集系统
摘要
本文设计是以AT89C51单片机系统为基础的，通过热电阻变送器对热电阻随温度的变化而得到的模拟信号进行采集，连接多路模拟开关实现多路模拟信号的采集，并通过A/D转换器对模拟信号进行数模转换，把转换得到的数字信号按照顺序分别送入单片机或把指定的那路信号送入单片机，通过单片机进行控制操作。
本文通过单片机报警系统来实现热电阻传感器测量的温度范围200-700摄氏度，若超出这个温度范围则报警。
以单片机为核心完成温度检测、数据处理.显示及上下限报警功能。
关键词：
数据采集系统，单片机，A/D转换器，热电阻变送器
TheTemperatureAcquisitionSystem
ABSTRACT
ItisbasedonAT89C51one-chipcomputersystemforthistexttodesign,isitgathertogoonthroughthermalresistancechangertoanalogsignalthatthermalresistancereceivewithchangeoftemperature,joinmanywayanalogswitchrealizemanywaycollectionofanalogsignal,isitcountthroughA/Dconvertertoanalogsignalmouldchangetogoon,Senddigitalsignalreceivedtochangeaccordingtoorderintoone-chipcomputerordesignatedthosedistancesignalsendintotheone-chipcomputerseparately,carryoncontroloperationthroughone-chipcomputer.Thistextrealizes200~700degreesCentigradeoftemperaturerangesthatthethermalresistancesensormeasureatthesametimethroughthewarningsystemoftheone-chipcomputer,ifbeyondthescopeofthistemperaturetoreporttothepolice.Regardone-chipcomputerasthecoreandfinishtemperatureandpatrolexamining,dataprocessing.Showandthewarningfunctionofupperandlowerlimits.
KEYWORDS:
DCS，One-ChipComputer，A/Dconverter，ThermalResistanceChanger
目 录
前 言
温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、烘烤、煅烧、蒸馏、结晶、空气流动以及温度漂移等物理和化学过程。
温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量以及生活安全等一系列问题。
因此对温度的检测的意义就越来越大。
温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。
在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。
使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。
本课题是基于单片机的多路温度采集控制系统设计，其利用单片机作为系统的主要控制器，通过温度传感器检测环境温度信号，再经A/D转换后，将数字信号，送入到单片机中进行数据处理，经过一定的控制算法后，通过单片机的输出I/O口，来控制继电器的闭合，达到弱电控制强电的目的，从而实现对了对环境温度的调节。
本人的主要工作是运用单片机作为主控制单元及数据处理单元，控制温度传感器检测环境温度信号及A/D转换，数据处理，发出控制信号对加热炉和风扇进行自动化控制，达到自动调节控制环境温度的目的，同时实现超高温报警和超低温报警功能。
实现基本的人机对话功能，包括使用按键设置上、下限报警温度值，显示报警温度值和当前环境温度值。
第1章绪论
1.1课题背景
测量控制的作用是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算的方法，综合各种先进技术，使每个生产环节都能够得到有效的控制，不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。
所以，测量控制技术已经被广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和纺织等行业
随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。
单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。
单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。
它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。
所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。
随着温度检测理论和技术的不断更新,温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。
[1][2]
1.2温度采集的意义和技术发展
温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。
因此对温度的检测的意义就越来越大。
温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。
在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。
使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。
温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。
嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。
这条道路就是芯片化道路。
将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。
单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。
[3]
1.3单片机在本课题中的应用
单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等待点，在各个领域获得了广泛的应用，特别在工业控制、智能化仪器仪表、产品自动化、分布式控制系统中部已取得了可喜的成果。
单片机已经成为衡量工业发展水平的标志之一，是产品更新换代、发展新技术、改造老产品的主要手段。
目前，在众多的单片机产品中，MCS—5l系列、PIC系列及MCS—96系列单片机是我国单片机应用的主流机种。
大家知道，在单片机系统设计中，程序设计是非常重要的一环，它的质量直接影响到整个系统的性能。
用汇编语言进行程序设计的过程和用高级语言设计程序有相似之处，其设计过程大致可以分为以下几个步骤：
1．明确课题对程序功能、运算精度、执行速度等方面的要求及硬件条件。
2．把复杂问题分解为若干个模块，确定各模块的处理方法，画出成序流程图。
如果各模块仍较为复杂，还应分别画出分模块流程图和总的流程图。
3．正确分配存储器资源，如各程序段的存放地址、数据区地址、工作单元分配等。
4．根据流程图精心组合合适的指令和编制源程序。
数据采集是单片机的一个重要应用，同时它也是单片机和传感器的重要接口。
在实际应用中，单片机的数据采集信号类型有以下几种：
一种是模拟的电压信号和电流信号，另一种就是数字信号，例如PWM信号和串行通信信号。
一般的单片机就是通过A/D转换实现对外部电压信号的采集，利用电流/电压转换芯片和A/D转换实现对电流信号的检测，通过脉冲计数和串行通信处理数字信号。
温度是工业生产过程中最普遍.最重要的操作参数之一。
温度检测和温度控制都直接与安全生产、产品质量.、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系。
单片机以其体积小、性能价格比高、指令丰富、提供多种外围接口部件、控制灵活等优点，广泛应用于各种家电产品自动化仪表、工业控制系统和过程控制系统中，在温度控制领域和温度检测的应用也十分广泛。
温度采集即温度检测通过温度检测元件随温度的变化而进行数据采集的，按检测元件份温度传感器：
1、热电阻温度传感器；2、热电偶传感器；3、热敏电阻传感器。
本文采用的是热电阻传感器。
单片机的显示系统和单片机的输入部分是单片机的外围电路，同时它是人机交流的重要的接口。
在实际应用中，单片机系统都会有输入和显示部分。
其中输入主要是按键、键盘等提供给使用者进行状态和参数输入的器件。
该器件将通过按键或者键盘将操作状态和参数变成单片机能够识别的电信号输入到单片机；另一方面，单片机通过输出设备，例如数码管等。
本文是基于单片机的多路温度采集和显示系统，即单片机控制的温度采集及其显示，温度传感器采用电阻元件热电阻随温度的变化而采集到的信号，用LED显示其结果：
有铂热电阻温度计Pt100感受的温度，经测温电桥变成电信号，再经放大器放大及非线性补偿器，把非线形电信号转变成线性电信号，它和多路选择电信号，同时进入选择开关，再经过A/D转换器可分别在数码显示器显示测量温度或设定温度。
[1][4]
第2章主控模块的设计
2.18051单片机的引脚功能
标准的AT89C51核采用DIP-40外部封装，有40个外部引脚，可以分为电源、时钟、数据总线、地址总线、控制总线等，其外部引脚形式如图2-1。
图2-18051引脚图
1.电源
电源引脚包括VCC和GND，其中VCC接+5V电源，GND接地，图2-1中电源引脚隐藏了。
2.晶振
XTAL1：
它接单片机内部一个反相放大器的输入瑞，当使用外部晶体时，该引脚连接晶体的一个引脚，当采用外部振荡器时，XTAL1引脚接地。
XTAL2:
它按单片机内部反相放大器的输出端，当采用外部振荡器时，XTAL2引脚接外部振荡器信号。
3.控制总线
控制引脚共有4个，分别是RST／VDD、ALE／PR0G、PSEN、EA／Vpp。
图2-1
RST／VDD:
复位引脚，需要外接复位电路，在此引脚上出现两个机器周期的高电平就会使单片机复位。
复位引脚还有数据掉电保护作用，该引脚需接备用电源，当单片机的电源引脚VCC掉电或下降到规定购电压后，该引脚就向内部RAM提供备用电源。
ALE／PR0G:
地址锁存使能引脚，当访问外部器件时，ALE输出用于锁存地址的低位字节。
在编程时该引脚被用于编程脉冲的输入端。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号，输出低电平有效。
EA／Vpp:
当EA／Vpp为高平时，复位后PC指向单片机内部程序存储器，如果地址范围超出了片内程序存储器，则自动转到片外程序存储器。
EA／Vpp为低电平时，复位后PC指向单片机外部程序存储器。
4.I/O引脚
单片机的I/O引脚包括P0、P1、P2、P3，其中P0、P2组成16位地址总线，P0为低8位地址/数据复用线，P2为地址高8位。
P0、P1、P2、P3均可作为普通I/O端口，其中P1口只能做I/O口端口使用，P3具有第二功能，其第二功能如下：
（1）P3.0作串行通信输入口RxD。
（2）P3.1作串行通气输出口TxD。
（3）P3.2作外剖中断0输入。
（4）P3.3作外部中断1输入。
（5）P3.4作定时器o外部输入。
（6）P3.5作定时器1外部输入。
（7）P3.6作外部数据存储器写脉冲。
（8）P3.7作外部数据存储器读脉冲。
2.28051单片机的扩展及系统电路
由于单片机在复杂的应用中，片内的资源往往不能满足实际的需求，需要扩充较大的存储和较多的I/O接口。
我们采用地址存储器进行单片机系统总线的扩展。
常用的单片机地址锁存器芯片有74LS373、8282、74LS273等。
图2-2所示为74LS373的引脚以及他们用作地止锁存器的连接方法74LS373是带三态输出的8位锁存器。
当三态门为有效低电平，使能端G为有效高电平时，输出跟随输入变化；当G由图2-274LS373的引脚
图2-274LS373的引脚
高变低时，输出端8位信息被锁存，直到G端再次有效为止，正常工作时OE接地，LE接单片机的ALE。
外部程序存储器的扩展可采用EPROM、E2PROM、FIALSHROM等，在这里再用紫外线电可擦除只读存储器2764。
如图1-3，2764中主要有7种功能引脚：
Vcc、GND：
电源
A0~A12:
地址线。
D0~D7：
数据线。
OE：
片输出允许，连接单片机的读信号线。
CE：
片选信号引脚，由地址线译码器或单线选通。
Vpp：
编程写入电压。
图2-32764的各个功能引脚图2-46264的各个功能引脚
外部数据存储器采用8K*8位的静态随即存储器芯片6264。
如图2-4，在6264中主要有6种功能引脚：
WE：
写允许引脚，低电平有效。
A0-A12：
13条地址线。
D0-D7：
8条数据线。
OE：
片输出允许，低电平有效。
CS1：
片选信号引脚，低电平有效。
CS2：
片选信号引脚，高电平有效。
图2-5为AT89C51的主控制模块电路的原理图
图2-5主控制模块电路
第3章信号输入通道与信号采样模块的设计
3.1A/D芯片的选用及说明
A/D转换器从原理上通常分为四类：
计数器式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐渐逼近式A/D转换器和并行A/D转换器。
计数式A/D转换器结构简单，但转换速度很慢，所以很少采用。
双积分A/D转换器抗干扰能力强，转换精度也很高，但速度不够理想。
逐渐逼近式A/D转换器的结构不太复杂，转换速度也很高。
并行A/D转换器的转换速度最快，但结构复杂而且造价高。
因此，选用逐渐逼近式A/D转换器。
3.1.1逐渐逼近式A/D转换器的工作原理
逐渐逼近式A/D转换器是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的方法，逻辑框图如图3-1所示。
图3-1逐渐逼近式A/D转换器的逻辑框图
由图可以看出，逐渐逼近式A/D转换器，由N位寄存器、N位D/A转换器、比较器以及控制逻辑部分组成。
其工作原理如下:
当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器Dn-1=1,N位寄存器的数字量一方面作为输出用，另一方面经D/A转换器转换成模拟量Vc后，送到比较器。
在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。
若Vx>=Vc,则保留这一位；若Vx此时，N位寄存器的数字量即为Vx所对应地数字量。
3.1.2A/D转换器的性能指标
1．转换精度
A/D转换器的转换精度分为绝对精度和相对精度。
所谓绝对精度，是指对应于一个给定的数字量A/D转换器的误差，其误差的大小优实际模拟量输入值和理论值之差来度量。
实际上，对于同一个数字量，其模拟量输入不是固定值得，而是一个范围。
产生已知数字量的模拟输入值，定义为输入范围的中间值。
例如，在理论上，5v模拟量输入电压应产生12位数字量的一半，即100000000000，但实际上从4.997v都能产生数字量100000000000，则绝对误差为:
（4.997+4.999）/2-5=-0.002=-2mV
绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。
绝对误差的测量应该在标准条件下进行。
相对误差是指绝对误差与满刻度值之笔，一般用百分数来表示，对A/D转换器也常用PPM或最低有效值得位数LSB来表示。
1LSB=满刻度值/2N
2.转换时间
A/D转换器完成一次转换所需要的时间成为转换时间。
一般用的8位A/D转换器的转换时间为几十至几百微秒。
3.分辨率
分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。
分辨率高，转换时对输入量微小变化的反映越灵敏。
通常用数字量得位数来表示，如8位、10位、12位等。
分辨率为N,表示它可以对满刻度的1/2N的变化量做出反应。
即：
分辨率=满刻度值/2N
4.电源灵敏度
当电源电压变化时，将使A/D转换器的电源发生变化，这种变化的实际作用相当于A/D转换器的输入量的变化，从而产生误差。
3.1.3典型的A/D转换芯片ADC0809
ADC0809时带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口。
七姐妹芯片是ADC0808，可以互相替换。
1.ADC0809的内部逻辑结构
ADC0809有一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。
三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
2.引脚结构
ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。
其引脚结构图如图3-2所示。
图3-2ADC0809引脚图
（1）IN0~IN7:
8条模拟量通道
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0~5v，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
（2）地址输入和控制线：
4条
ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。
当ALE现为高电平时，地止锁存与译码器将ADDA、ADDB和ADDC三条地址输入线，用于选通IN0~IN7上的一路模拟量输入。
通道选择如表3-1所示。
表3-1被选通道和地址的关系
ADDC
ADDB
ADDA
选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
（3）数字量输出及控制线：
11条
START为转换启动信号。
当START上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。
EOC位转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=1,输出转换得到的数据；OE=0，输出数据线呈高阻状态。
D7-D0位数字数出线。
（4）电源线及其他：
5条
CLOCK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须有外界提供，通常使用频率为500KHz的时钟信号。
Vcc为+5V电源线。
GND为地线。
Vref（+）和Vref（-）为参考电压输入，参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。
其典型去值：
Vref（+）=+5v,Vref（-）=0v.
3.2信号采样模块的电路设计
热电式传感器是温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。
本设计是用热电阻传感器来进行测量的，热电阻的特点是精度高，适用于测低温。
虽然大多数金属的电阻值随温度变化而变化，然而并不是所有的金属都能作为测量温度的热电阻。
作为测量温度热电阻的金属材料应具有如下特性：
电阻温度系数大，电阻率要大，热容量下；在整个测量范围内应具有稳定的物理和化学性质；电阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；并要求容易加工，复制性好，价格便宜。
目前应用最广发的热电阻材料试铂和铜并且已做成标准测温热电阻，本设计选用的是铂电阻。
虽然大多数金属的电阻值随温度变化而变化，然而并不是所有的金属都能作为测量温度的热电阻。
作为测量温度热电阻的金属材料应具有如下特性：
电阻温度系数大，电阻率要大；在整个测量范围内应具有稳定的物理和化学性质；电阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；并要求容易加工，复制性好，价格便宜。
目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜并且已做成标准测温热电阻，本设计选用的是铂电阻。
铂电阻的特点是精度高，稳定性好，性能可靠。
铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质非常稳定。
因此铂被公认为是目前制造热电阻的最好材料。
铂电阻作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。
此外，还被广乏地应用于温度的基准、标准的传递。
采样的输入采用差分电路如图3-3所示:
令R55=R24=R25=R47,则此时为减法器输出：
Vo=Vi-1。
图3-3差分放大器
第4章显示系统、报警系统及键盘控制
4.1显示系统的设计
显示系统是单片机控制系统的重要组成部分，主要用于显示各种参数的值，以便使现场工作人员能够及时掌握生产过程。
工业控制系统中常用的显示器件有CRT、LED、LCD等。
LED成本低廉，功耗低等优点，多用于单片机控制系统中，所以选用LED显示
4.1.1LED显示器件的工作原理
LED是一种电流发光器件．它既可以工作在恒定电流状态，又可以工作在脉冲电流状态。
在平均电流相同的情况下，脉冲工作状态可产生比直流工作状态较强的亮度，一般每秒钟可导通100—500次，每次为几个毫秒：
LED有单个发光二极管、七段（或八段）LED显示器和LED点阵显示器等类型。
发光颜色有红、绿、黄等。
LED显示器每段正常发光需直流电流10-20mA，发光二极管发光时．其正向导通压降为1.7v左右。
七段LED显示器是由7个LED按—定的图形排列组成，如图3-1（a）所示，七段LED显示器的各个二极管分别称为a、b、c、d、e、f、g段，有些七段显示器增加一个dp段表示小数点，也称为八段LED显示器。
七段LED显示器有两种结构：
共阴极七段LED显示器和共阳极七段LED显示器，如图4-1（b）、（c）所示。
所有二极管的阴极接在一起的称为共阴极七段LED显示器；所有二极管的阳极接在一起的称为共阳极七段LLD显示器。
共阳极七段LED显示器工作时，二极管的公共阳极接向电平“1”．各段的阴极接与共阳七段码相对应的低电平。
共阴极七段LED显示器工作时，其公共极接到低电平，各段的阳级接与共阴七段码相对应的高电平。
在实际应用中，除公共极外，其他各极应串接一个电阻后再接到相应电平。
电阻的作用是限制流过LED中的电流以保证在发光时二极管不因电流过大而被烧坏。
将数码管的引脚和单片机的数据输出口相连，控制输出的数据可以使数码管显示不同的数字和字符，通常称控制发光二极管的8位字节数据为段选码。
7段LED段选码如表4-1所示。
可以看出，共阳极和共阴极的段选码互为补数。
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