毕业设计50中国矿业大学应技学院多路温度监控系统的研究和设计.docx

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毕业设计50中国矿业大学应技学院多路温度监控系统的研究和设计

1绪论

1.1温度监控系统的发展现状

温度的感知是很常见的事，也有很多种办法，比如，试水温时，手放入水中，觉得很凉时，表示在体温以下，觉得太热时，表示在体温以上。

但这都是人体的直接感知，不便于用来处理和监控，应用传感器来感知温度，标志着温度控制的发展已经进入了一个新的时代。

目前而言，温度监控已经由单一的人力读表控制迈向了运用单片机、各种传感器等器件所组成的智能监控系统时代，大量节省了人力、物力、财力。

另外在一些人类无法接触到的地方，或者对温度要求极高的地方，单一的人为控制，已经不能适应实际的要求。

而以单片机为主要部分，组成的智能监控系统适应了时代的需要，在国民经济各部门发挥着重要的作用。

新的监控系统层出不穷，有在线红外温度连续监控系统、多点多段温度监控系统、热网温度监控系统等等。

如在线红外温度连续监控系统，它就是将非接触无源高精度红外温度传感器IRt/c安装在接电设备内部。

如变电站开关柜，配电柜和变压器等，通过完善的硬件系统和软件系统可以完成在线连续的实时温升检测，达到温度连续监控。

可以说，这些温度监控系统的功能非常强大，它们的出现满足了生产和生活的需要。

但是也存在一些不尽如人意的地方，例如：

体积大、功耗高，在一些场合中造成了浪费。

多路温度监控是近年来极受欢迎的技术，应用极为广泛。

在日常生活中多路温度监控系统已用于包装电冰箱、空调、电炊具、电暖器等电加热、电致冷类家电产品，也用于汽车、火车、轮船、飞机驾驶室，候车厅，宾馆，病房，实验室等对温度有一定要求的室内温度控制和显示；在农业方面可以用温度监控系统控制花期及植物的成熟期，植物栽培、育种试验的专用恒温设备，尤其在粮仓库区粮堆温度分布的应用方面显得更为重要；在工业方面石油化工、食品酿造、冶金、橡塑注塑机料筒温度控制、机械车轴温度控制，奔跑的列车的轴承温度监控、柴油机燃油温度控制、电镀生产线温度控制，实际工程防止裂缝温度控制、对冻土层不同深度进行监控，合成树脂、电子部件和精密仪器的耐寒的检测及航空、航天等都离不开温度监控。

1.2课题的目的和意义

系统有实时、快速的外部响应，能讯速采集到大量数据，做出逻辑与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制，又由于其体积小、速度快、功耗低、性能可靠等特点，因此在工业生产、科技教育以及日常生活等诸多领域，得到了广泛应用，使经典电子系统讯速进化为全盘智能化的现代电子系统。

而过程控制是对生产过程中各种工艺参数实施的控制，这是单片机控制系统的重要就用领域，温度监控系统是最常见的过程控制系统，温控系统在大量工农业应用环境中发挥作用，实际上有很多应用环境对温度监测对象的监测、控制要求雷同，这样就造成大量的重复开发，而且传统的温控办法费时费力，精度差，白白浪费人力物力及宝贵的时间。

因此设计一个价格低廉、通用性较强的可编程温度控制器就成了当务之急，随着新技术的不断开发与应用,近年来,单片机发展十分迅速,为了满足多种多样检测控制对象的要求，构成各种专用控制器，单片机发展了各种传感器接口、工业对象的电气接口伺服驱动的功率接口、人机对话接口、中断处理、模/数、数/模转换的速度和精度、位操作能力、功率驱动能力、程序运行监控能力和信号实时处理能力，上述性能的出现使得温度的采集和处理能够得到很好的解决，选用好的单片机和温度传感器，前端处理电路可以精确的采集数据，后端进行实时的处理，并能实时的进行监控，使温度监控成为一种智能化的实时控制。

1.3课题设计任务

系统采用微机检测系统对八路温度进行巡回检测并实时显示温度，每隔15s检测一路，每一路连续检测4次，温度检测由温度传感器转换成电信号，再经过放大到合适的幅度送A/D转换器转换成数字量，取其平均值经标度变换转为BCD码后送LED显示，同时检测温度是否超出要求温度范围（温度范围0~45C），当不能保证所要求温度范围时，发出声光报警信号。

具体的实际内容包括：

1、单片机的主机系统及硬件接口设计。

2、温度测量电路，包括传感器、放大器、A/D转换及接口。

3、LED显示器硬件设计及软件设计。

4、单片机检测系统中数据巡检、A/D转换、数字滤波、标度变换等程序的设计和调试方法。

5、Protel进行原理图设计及印制电路板设计。

6、能根据原理图连接线路并进行调试。

2开发环境简介

2.1硬件设计环境

硬件的设计在整个设计过程中起着关键性的作用，在这个系统的设计过程中，电路原理图的绘制、PLD的设计、PCB的设计，我都是利用Protel99软件设计和制作的，Protel99采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。

Protel99是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。

所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口[1]。

Protel99软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel98大体相同，新增加了一些功能模块。

Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术，在Protel99中集成了信号完整性工具，精确的模型和样板分析，帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。

Protel99容易使用的特性就是新的“这是什么”帮助。

按下任何对话框右上角的小问号，然后选择你所要的信息。

现在可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。

2.1.1如何进行原理图设计

（1）新建设计数据库文件

在WINDOWS95/98或NT界面下双击Protel99图标，点击File（文件）中new项，新建设计数据库。

在Browse选项中选取需要存储的文件夹，然后点击OK即可建立自己的设计数据库。

（a）设计组（DesignTeam）

可以先在DesignTeam中设定设计小组成员，Protel99可在一个设计组中进行协同设计，所有设计数据库和设计组特性都由设计组控制。

定义组成员和设置他们的访问权限都在设计管理器中进行，确定其网络类型和网络专家独立性不需要求助于网络管理员。

（b）回收站（RecycleBin）

相当于Windows中的回收站，所有在设计数据库中删除的文件，均保存在回收站中，可以找回由于误造作而删除的文件．

（c）设计管理器（Documents）　　

　　所有Protel99设计文件都被储存在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。

在Protel99中与设计的接口叫设计管理器。

使用设计管理器，可以进行对设计文件的管理编辑、设置设计组的访问权限和监视对设计文件的访问。

组织设计文件：

过去组织和管理40个或更多的原理图、PCB、Gerber、Drill、BOM和DRC文件，要花费几天的时间，而Protel99把设计文件全部储存在唯一的设计数据库。

（2）打开和管理设计数据库

（3）观看多个设计文档

（4）多图纸设计

（5）原理图连线设计

（6）检查原理图电性能可靠性

（7）同步设计：

在Protel99中使得原理图与PCB同步是容易的。

Protel99包含一个强大的设计同步工具，使得非常容易地在原理图和PCB之间转移设计信息。

同步设计是更新目标文件的过程，它基于参考文件中上一次的设计信息。

当你执行同步时，通过以下选择告诉它要转换的方向：

　　从原理图到PCB的更新；

　　从PCB到原理图的更新；

同步设计执行设计信息的初始化转移，还有正向和反向标注处理、替换创建的网络表-加载网络表顺序、反向标注-在PCB设计中习惯使用的重标注顺序。

（8）建立材料清单。

（9）原理图仿真。

（10）在原理图上标注汉字或使用国标标题栏。

（11）生成网络表：

当我们设计好原理图,在进行了ERC电气规则检查正确无误后,就要生成网络表,为PCB布线做准备。

网络表生成非常容易，只要在"Design"下选取"CreateNetlist"对话框，设置为那种格式的网络表。

网络表生成后，就可以进行PCB设计了。

2.1.2PCB设计

具体步骤如下：

（1）板框导航。

（2）建立PCB文件。

（3）布局设计。

（4）布线设计。

（5）电气规则检查。

（6）信号完整性分析。

（7）建立新的PCB器件封装。

（8）生成GERBER文件。

2.2软件设计环境

软件是系统的灵魂，没有软件的支持，所设计的电路就不能按我们设计好的思路工作。

因此，编制一段好的程序对系统的运行效果有着至关重要的作用，它直接影响系统的运行速度和工作的效率。

在公司，里我和同事采用的单片机开发系统软件，是由上海航虹高科技有限公司提供的AEDK—51W单片机开发软件。

AEDK—51W单片机开发系统（也称为AEDK—51W仿真机）是新一代单片机开发与实验系统。

它由51W仿真器和EXP51实验板两部分组成，整机采用模块化设计，外围芯片丰富，功能完善，可进行MCS—51系列单片微机系统开发和实验。

EXP51实验板自带CPU和监控，具有独立运行和仿真功能。

AEDK—51W仿真器的主要性能特点是：

（1）全空间仿真和仿真RAM出借，直接对带有ROM的芯片（如8751，8752，89C51，89C52，89C1051，89C2051，W77E58，W78E58，DS87C520等）仿真，所有功能一箱化设计，仿真开发功能较强切价格低廉，是MCS-51系列单片微机开发的良好工具。

（2）可仿真MCS-51/320系列单片机（包括ROM/EPROM型如8751，8762，80C552，89C51，89C52，89C1051，89C2051，W77E58，W78E58，DE87C520等），可仿真INTEL/PHILIPS/ATMEL/DALLAS/WINBOND等51/320系列的单片机。

（3）采用专用仿真CPU的双CPU仿真机。

（4）全空间仿真：

程序空间0~FFFFH，数据空间0~FFFFH全空间都可仿真。

全空间仿真RAM出借：

0~FFFFH，能满足一般用户系统开发和教学实验的需要。

（5）采用64K全空间硬件断点。

单步使用仿真CPU提供的专用断点技术，而不使用外部中断。

某些仿真机使用外部中断执行单步，虽称不占用，实际延长用户中断响应时间。

（6）具有夭折处理功能，即执行用户程序后，按暂停热键能保存用户现场后返回监控，帮助查找程序走飞，死循环的原因。

（7）采用零地址仿真，即程序起始地址0000H和中断入口地址都由用户使用，使之一次性仿真，脱机无须更改程序。

（8）所有单片机资源向用户开放，即使RESET引脚也对用户开放，便于调试含看门狗的用户系统。

（9）支持高速CPU的仿真，普通型的可支持到16MHZ，高速型的可支持到40MHZ（51）/25MHZ（320）。

（10）有操作与AEDK系列其他机型兼容，便于用户更新使用AEDK系列中的高档机。

可以使用菜单窗口的LCA51源语句级调试汇编、C51、PL/M51程序，使单片机真正实用高级语言及支持高级语言教学。

（11）仿真头有故障隔离措施，用户系统硬件故障不影响仿真器工作，可调试用户系统硬件。

（12）可联IBMPC及其兼容机，可使用编辑、汇编、PL/M51、C51及嵌入式定点浮点运算库等软件。

（13）支持符号化调试。

可对欲移植的程序反汇编后自动加上标号形成汇编文件，帮助用户仿制，修改样机。

（14）上采用高速串口，自动检测适配波特率（2400~115200）。

不占用仿真CPU串口，支持单片机串口与系统机连接调试串口通讯程序。

（15）箱化设计，封闭式机箱，可靠性高。

（16）供电要求：

工作电源直流+5V，开关机瞬间及正常工作时电源毛刺必须小于0.8V。

+5V工作电流小于400MA。

（17）外型尺寸：

约191×127×27（毫米）

（18）重量小于350克。

（含仿真头）

3系统的总体分析和设计

3.1温度控制系统的要求

整个系统所包含的内容主要有以下几个部分，每个部分的要求具体如下：

（1）温度测量：

要有温度测量电路，被测量为模拟量，要求微机具有相应的数据采集通道，每个通道能够对不同的数据进行采集和记录。

微机能够准确迅速的采集到数据信号，为数据转化和处理做准备。

（2）模数转换：

要有模数转换装置，转化电路，将温度测量电路采集到的温度模拟量准确无误的转化为数字量，为下一步的进行做好准备

（3）温度显示：

按设计要求和实际要求，实时的、准确的显示各路通道号及其温度值。

（4）报警：

要有报警装置，当温度超过要求的范围时，迅速发出声报警信号。

3.2控制方案的确定

（1）系统要求：

设计单片机检测系统，每隔15s巡回检测一次，并检测是否超过要求温度范围，如超过温度范围给出声报警信号。

（2）确定输入通道结构和选择检测元件：

本系统为8路巡检，输入通道需由A/D转换器和多种模拟开关组成，现采用A/D的结构。

由于检测精度不高，因此可以选择通用廉价的8位A/D转换器ADC0809。

该芯片总的非调整误差为1LSB，相对值为±0.39%,加上其量化误差以及测量电路的误差，能满足检测误差<±1%R要求。

（3）15s定时的实现方法：

采用硬件和软件相结合的方法。

设T0为定时方式1，定时15s中断方式。

在中断服务程序中设置一记数器，初值为150（96H），每次减1，减到零时就实现了定时15s。

在主程序中，即设置为每隔15s调用温度检测子程序，实现15秒定时。

（4）2s定时的实现方法：

采用硬件和软件相结合的方法。

设T0为定时方式1，定时15s中断方式。

在中断服务程序中设置一记数器，初值为20（14H），每次减1，减到零时就实现了定时2s。

3.3硬件和软件功能划分

3.3.1硬件系统组成

硬件系统主要的作用包括：

采集模拟温度量、进行模拟数字转变[2]、对温度进行显示或报警。

因此硬件系统主要由三个部分的电路组成：

（1）温度测量电路，包括传感器、放大器、A/D转换及接口。

（2）温度显示电路

（3）报警电路。

3.3.2软件功能

（1）温度检测，包括定时采样和软件滤波。

（2）定时器实现15s定时，以满足温度检测的要求。

（3）定时器实现2s定时，以满足显示温度显示的需要。

（4）显示温度。

（5）输出报警信息。

3.4系统结构框图

根据应用系统的要求及软硬件功能的划分，确定应用系统硬件结构和软件部分结构。

用单片机作为系统的核心，传感器用来采集温度模拟信号[3]，单片机再对采集到的温度模拟信号进行模数转换，将在控制温度内的信号显示在LED显示器上，将超出温度范围的温度信号，报警装置将做连续30秒的报警。

如图3.1所示。

图3.1系统结构框图

4系统硬件设计

4.1处理器的选择和主机系统设计

4.1.1主机系统设计

图4.1主机系统

如图4.1所示，根据本系统对控制精度和控制功能的要求，选择MCS-51系列的单片机中的89C51作为CPU。

采用内部方式在XTAL1和XTAL2引脚上接定时元器件构成自激振荡电路，将外接石英晶体和微调电容与89C51片内的振荡器定时反馈回路连接，石英晶振起振后，片内的振荡器电路按相同频率自激振荡[4]，在XTAL2线上输出一个正弦波，电容器主要起频率微调作用[5]。

为了系统可靠的工作，CPU应在系统所有芯片都已初始化后再开始对芯片的读写。

因此，硬件电路应保证所有外围器件复位之后，单片机才最后复位，采用上电复位与外部复位相结合的复位方试对外部扩展接口电路复位，从而满足系统的同步复位。

4.1.2采用总线一线连接方式

系统采用的89C51组成框图如图4.2所示，各功能部件由内部总线联接在一起。

其内部包含下列一些部件：

（1）一个8位CPU。

（2）一个片内振荡器及时钟电路。

（3）ROM程序存储器。

（4）RAM数据存储器。

（5）两个16位定时器/计数器。

（6）可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路。

（7）32条可编程的I/O口线（4个8位并行I/O端口）[6]。

（8）一个可编程全双工串行口。

（9）具有5个中断源、2个优先级的中断结构。

4.1.3引脚说明

用HMOS工艺制造的89C51单片机采用双列直插式40脚封装,这40脚大至可分为:

电源;时钟;I/O口;数据总线;地址总线和控制总线等几部分.它们的功能简述如下:

（1）电源

Vcc（引脚号40）芯片电源，接＋5V。

Vss（引脚号20）电源接地端。

（2）时钟

XTAL1（引脚号19）内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚，

XTAL2（引脚号18）内部振荡器的反相放大器输出端，是外接晶体的另一端。

（3）控制总线

ALE/（引脚号30）正常操作时为ALE功能（允许地址锁存），用来把地址的低字节锁存到外部锁存器。

ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性地发出正脉冲信号。

因此，它可用作对外输出的时钟信号或用于定时。

但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL电路。

（4）I/O线

P0口（引脚号32~39）单片机的双向数据总线和低8位地址总线。

在访问外部存储器进分时操作，P0.0、P0.1、P0.2先用作地址总线，检测输入通道的地址，在ALE信号的下降沿，地址被锁存，然后用作为数据总线。

P2.6（引脚号27）连接8255的片选端，用于选通8255，并与A1、A2决定8255各端口的地址。

P2.0（引脚号21）连接报警电路，当为高电平时，启动报警电路，发出声报警信号。

（引脚号13）连接ADC0809的EOC，根据EOC的信号执行中断。

4.1.4CPU

CPU是整个系统的灵魂，协调控制整个系统的运行。

可以分为运算器和控制器两部分。

运算器功能部件包括算术逻辑运算部件ALU、累加器A、寄存器B、暂存器TR、程序计数器PC、程序状态字寄存器PSW、堆栈指针SP、数据指针寄存器DPTR以及布尔处理器等。

控制器功能部件包括指令寄存器、指令译码器、定时控制逻辑电路等。

CPU性能的好坏直接影响计算机的运行速度

暂无

4.2输入通道设计

系统的输入通道根据系统要求，主要包括温度传感器、放大器和A/D转换器三部分。

（如图4.3所示）

系统的温度检测范围属于低温，适用于低温的检测元件有热电偶、热敏电阻、集成温度传感器等[7]。

这里采用集成温度传感器AD590。

这种传感器是一个双端元件，其工作温度范围为-55℃~+150℃，要求工作电源为直流+4~+30V。

它能把温度信号变为与绝对温度成比例的电流信号，比例因子为1uA/K。

其稳定性高，线性度好，测温误差有±1℃、±0.℃和±0.3℃几种等级。

AD590本身产生的是电流信号，通过运算放大器OP07对电流作加法运算，在运放输出端可得到合适的电压信号，作为A/D转换器的输入。

电阻R1、R2和电位器RP1、RP2的选择原则是使运放输出电压与被测温度有一个合适的对应关系。

系统中的A/D转换器采用ADC0809。

ADC0809是8通道、8位逐次逼近式A/D转换器，其性能指标良好，应用十分广泛。

ADC0809的结构和转换原理如图4.4所示。

ADC0809由三部分组成：

8路模拟量选通开关、8位A/D转换器和三态输出数据锁存器。

ADC0809允许8路模拟信号输入，由8路模拟开关选通其中一路信号。

模拟开关受通道地址锁存和译码电路控制。

当地址锁存信号ALE有效时，3位地址码CBA进入地址锁存器，经译码后使8路模拟开关选通某一路信号。

8位A/D转换器为逐次逼近式，由256R电阻分压器、树状模拟开关、电压比较器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

其基本工作原理是采用对分搜索方法逐次比较，找出最逼近于输入模拟量的数字量。

电阻分压器需外接正负基准电源VREF（+）和VREF（-）。

CLOCK端外接时钟信号。

A/D转换器的启动由START信号控制。

转换结束时控制电路将数字量送入三态输出锁存器锁存，并产生转换结束信号EOC。

三态输出锁存器用来保存A/D转换结果，当输出允许信号OE有效时，打开三态门，输出A/D转换结果。

（因输出三态门，便于与微机总结连接）

电路中信号连接情况说明如下：

（1）输出数据线的连接：

ADC08089的输出部分有三态锁存器，因此其输出数据线能直接与89C51的数据线相连。

（2）控制信号的连接：

图中将A/D转换器作为89C51的一个扩展I/O口，用高位地址线P2.7（结合

或

）经二输入或非门驱动后选通芯片。

模拟输入通道地址的译码输入信号A、B、C，由低位地址线P0.0~P0.2经过锁存器后提供。

启动信号START由P2.7结合

经或非逻辑驱动后提供。

ALE直接与START相连。

当89C51执行外部RAM写操作时，就能启动A/D转换。

转换结束信号EOC接到89C51的

，当转换结束EOC变高时，用来申请中断。

输出允许信号OE由P2.7结合

经或非逻辑驱动后提供，当89C51执行外部RAM读操作时，就能读取A/D转换结果。

（3）时钟的连接：

这个电路中，A/D的时钟信号CLOCK借用89C51的ALE，CLOCK由ALE经二分频后提供，ALE的频率为单片机时钟频率的1/6，即2MHz，经分频处理后为1MHz。

ADC0809引脚图如图4.5所示：

各引脚功能说明如下：

IN0~IN7——8路模拟信号输入端。

ALE——地址锁存器允许信号输入端。

当它为高电平时，地址信号进入地址锁存器中。

CLOCK——外部时钟输入端。

由ALE经分频后提供为1MHz

START——A/D转换信号输入端。

有效信号为一正脉冲。

在脉冲上升沿，A/D转换器内部寄存器均被清零，在其下降沿开始A/D转换。

EOC——A/D转换结束信号。

在START信号上升沿之后0~（2us+8个时钟周期）时间内，EOC变为低电平。

这一点在启动A/D转换后查询EOC信号时须加注意。

当A/D转换结束后，EOC立即输出一正阶跃信号，可用来作为A/D转换结束的查询信号或中断请求信号。

OE——输出允许信号。

当OE端输入高电平信号时，三态输出锁存器将A/D转换结果输出。

D0~D7——数字量输出端。

D0为最低有效位（LSB），D7为最高有效位（MSB）。

REF（+）、REF（-）——正负基准电压输入端。

基准电压的中心值即1/2（VREF（+）+VREF（-））应接近于1/2Vcc，其偏差值不应超过±0.1V。

正负基准电压的典型值分别为+5V和0V。

Vcc、GND——电源电压（+5V）输入端。

DGND——数字地。

AGND——模拟地。

4.3温度显示电路设计

4.3.1温度显示电路

图4.6温度显示电路

温度显示电路：

通道号及温度值采用LED显示。

由于显示器位数较多，为了简化电路，降低成本，采用动态显示方式。

即将所有位的字段线对应并联，由一个8位I/O口控制，而共阴极点由相应的I/O口线控制。

这样用两个8位I/O口能控制多位LED显示器。

如图4.6所示：

LED显示器所需的工作电流很大。

在静态显示方式下，一般每段需要几mA。

在动态显示方式下，为了要达到足够的亮度，瞬时电流约为静态方式的N倍（N是显示器的倍数即为4倍），共阴极点外的电流因要考虑4段同是导通其数值就更大，因此在LED接口电路中常接有驱动器。

这里采用7406（六反相缓冲/驱动器，OC门）、75452（双与非驱动器）。

图3.6中4位LED由8255的2个8位I/O口控制。

PB口经过驱动器后作为LED的字段线，即字段码口。

PA口经过驱动器后作为LED的字位线，即