智能仪器课程设计反应器的智能温控仪表设计.docx
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智能仪器课程设计反应器的智能温控仪表设计
太原理工大学现代科技学院
智能仪器设计课程设计
设计名称反应器的智能温控仪表设计
专业班级
学号
姓名
指导教师
摘要
温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量，也是工业控制中主要的被控制参数之一,对温度的测量与控制在现代工业中也是运用的越来越广泛。
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
本课程设计基于CU50传感器和STC89C51单片机的智能测温仪表。
智能测温仪表电路主要由STC89C51单片机、按钮、数码管、LED显示、串行通信接口、电源、ADC、E2PROM等电路组成，其以51单片机为核心控制部件，利用CU50阻值随温度变化的特点，将其和其他三个电阻构成非平衡电桥，因而，温度的变化可转化成电桥输出微弱电压信号的变化，电压信号经集成运放电路放大后送到A/D转换器，将模拟信号变换成数字信号。
单片机根据输入量和设定量进行运算，将结果送到数码管显示，完成对温度的测量。
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软件电路和硬件电路的设计，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对该温度仪表的未来发展进行了展望。
微电子技术和通信技术的发展极大地促进了智能测量控制仪表的发展。
单片机技术、通信技术及各种功能芯片的广泛使用为智能仪表的设计提供了新的方案，使智能仪表成为了现代测控技术的主要工具。
本文以电阻炉为控制对象、智能仪表为控制工具、热敏电阻为温度传感器、移相触发模块为执行元件、RS-485串口通信设计温度控制系统。
关键词：
温度测量多功能智能化单片机
第一章国内外温度检测技术的发展动向
随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温度检测技术的要求也愈来愈高，一般可以归纳以下几方面。
（1）扩展检测范围。
现在工业上通用的温度检测范围为一200^30000C，而今后要求能测量超高温与超低温。
尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如IOK以下的温度检测是当前重点研究课题。
（2）扩大测温对象。
温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。
应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。
（3）发展新型产品。
利用老的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足于用户需要。
同时利用新的检测技术制造出新的产品。
（4）适应特殊环境的测温。
在许多场合中的温度检测器有特殊要求，例如防爆、防硫、耐磨等性能要求;又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度检测等。
（5）显示数字化。
温度仪表向数字化方向发展。
其最大优点是直观、无度数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。
（6）标定自动化。
应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器。
根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展。
（1）继续生产量大面广的传统温度检测元件，如:
热电偶、热电阻、热敏电阻等。
（2）加强新原理、新材料、新工艺的开发。
如近来己开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。
（3）向智能化、集成化、适用化方向发展。
新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展。
随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：
（1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。
（2）利用热电效应技术制成的温度检测元件。
利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。
（3）利用热阻效应技术制成的温度计。
用此技术制成的温度计大致可分成以下几种:
电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。
第二章设计要求
（1）反应器由800W电加热器加热，最高温度为100°C。
（2）反应器的温度可以设置，恒温控制过程为设置的温度，温度控制误差≤±1°C。
（3）可以实时显示设置温度和实际温度，显示精度为1°C。
（4）当实际温度超出设置温度±2°C时发出报警
（5）采用STC89C51单片机和12Hz的晶振；
（6）采用位式控制、并用晶闸管过零驱动电加热器（电源电压为AC220V）。
（7）传感器为热敏电阻。
第三章设计原理
根据系统的设计要求，本方案采用单片机系统为核心，采用热敏电阻CU50作为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，经单片机检测处理温度信号，通过存储器对温度数据进行存储，并通过8位数码管对温度进行显示，还可以通过功率驱动电路用单片机驱动具有交流220V电压的电阻性负载，如果需要输出与温度成正比的4～40mA电流，则需要D/A转换芯片将单片机处理的数字信号变成模拟信号。
原理设计方框图如下：
第四章设计内容
主要由硬件电路和软件电路两部分，其中硬件电路由电源电路、主控芯片STC89C51的接口连接、数码LED显示电路、I2C接口存储器和蜂鸣器的电路连接、AD和DA转换电路等等。
软件设计主要包括主程序、报警程序、数据扫描程序和按键处理程序。
4.1硬件电路的设计
由题目的设计要求可知，本设计主要采用STC89C51单片机为主芯片，再加上电源电路、LED显示电路，AD和DA转换、蜂鸣器、4-20mA电流输出电路、功率输出电路、热电阻CU50信号调理电路组成。
4.1.1主控芯片STC89C51的接口连接
单片机采用11.059MHz的时钟，单片机的P0口作为I/O使用时，需要外接上拉电阻，在本系统中，上拉电阻的阻值为1KΩ
4.1.2电源电路
电路电源输入是220VAC输入，输出为为+12V和+5V电压。
4.1.3LED显示电路
为了节省I/O空间，本系统采用两个8D锁存器74HC373分时锁存段码和位码，锁存器74HC373的功能为：
OE是输出使能控制，OE=1时，输出高阻，OE=1时，输出等于锁存器输出；LE为锁存控制端，LE=1时，锁存器输出与输入相同，LE=0时，锁存器锁存输入信号。
两排各4个数码管显示，分别显示测量值与设定值。
数码LED显示电路
4.1.4AD转换器ADC0809的电路连接
ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺。
0809是采用逐次比较的方法完成A/D转换的。
由单一的+5V电源供电。
片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道。
0809完成一次转换需100微秒左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS-51的数据总线上。
通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。
ADC0809的内部逻辑结构如图6所示。
ADC0809的内部逻辑结构
如图中所示，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。
地址锁存于译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，如表1所示。
表1通道选择表
C
B
A
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
8位A/D转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及256R电阻阶梯网络等组成。
输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。
（6）A/D0809信号引脚介绍
ADC0809芯片为28引脚双列直插是封装，其引脚排列见图4-7：
对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下:
①IN7～IN0:
模拟量输入通道。
ADC0809对输入模拟量的要求主要有：
信号单极性，电压范围0～5V，若信号过小还需进行放大。
另外，在A/D转换过程中模拟量输入的值不应变化太快，因此，对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。
②A、B、C：
地址线。
A为地位地址，C为高位地址，用于对模拟通道进行选择。
上图中为ADDA、ADDB和ADDC，其地址状态与通道相对应的关系见表3。
③ALE:
地址锁存允许信号。
在对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
ADC0809引脚图
④START；转换启动信号。
START上跳沿时，所有内部寄存器清零；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。
⑤D7～DO:
数据输出线。
其为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接连接。
⑥OE：
输出允许信号。
其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=0时，输出数据线呈高电阻；OE=1时，输出转换得到的数据。
⑦CLOCK:
时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHZ的时钟信号。
⑧EOC：
转换结束状态信号。
EOC=0，正在进行转换；EOC=1,转换结束。
该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。
⑨VCC:
+5V电源。
⑩VREF:
参考电源。
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。
其典型值为+5V（VREF（+）=+5V,VREF（-）=0V）。
（7）ADC0809应用说明
1）．ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。
2）．初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
3）．送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
4）．在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
5）．是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
6）．当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
（8）ADC0809的工作过程
1）当模拟量送至某一输入通道INT后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。
2）地址锁存允许ALE锁存这三位地址信号，启动命令START启动A/D转换。
3）转换开始,EOC变低电平，转换结束，EOC变为高电平。
EOC可作为中断请求信号。
4）转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，打开三态缓冲器把转换的结果输入到DB，一次A/D转换便完成了。
（9）ADC0809与CPU的接口技术
由于ADC0809输入端具有可控的三态输出门，所以它既能同微处理器直接相连，也能通过并行接口芯片同微处理器连接。
4.1.5DA转换器TLC5615的电路连接
TLC5615是一个串行10位DAC芯片，性能比早期电流型输出的DAC要好。
只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器（单片机/DSP）进行接口，适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。
其内部框图如下：
（1）其主要特点如下：
·单5V电源工作·3线串行接口·高阻抗基准输入端（见上框图）
·DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压·上电时内部自动复位
·微功耗，最大功耗为1.75Mw·转换速率快，更新率为1.21MHz
（2）主要引脚功能参数如下：
DIN：
串行数据输入端；DOUT：
用于级联时的串行数据输出端；
SCLK：
串行时钟输入端；AGND：
模拟地；REFIN：
参考电压输入端；
：
芯片选择端，低电平有效；OUT：
DAC模拟电压输出端；VDD：
正电源端。
（3）主要时序图
TLC5615的时序图
（4）STC89C51单片机与TLC5615之间的接线图
TLC5615采用+5V模拟电压作为参考电压，通过电位器RPD1可以精确调整参考电压，单片机的引脚P1.3、P1.4、和P1.5和TLC5615连接，JDAC连接器用于输出模拟信号，DAC输出电压范围可达0.25V～4.75V。
4.1.6I2C接口存储器24C02和蜂鸣器的电路连接
24C02系列E2PROM芯片地址的固定部分为1010，E2、E1、E0引脚接高、低电平后得到确定的3位编码，形成的7位编码即为该器件的地址码，由于这里只寻址1个24C02，三个地址输入脚都接地，所以该芯片的地址为1010000x，x为读写位。
24C02用于保存设定值，其串行数据引脚SDA接单片机的P3.6，时钟引脚SCL接单片机的P3.7。
蜂鸣器用于报警，三极管的基极接单片机的P3.2，高电平有效。
4.1.74-20mA电流输出电路
由于负载电阻与RS5在同一支路,忽略三极管基极产生的电流，则该电路的电路输出范围为0～24mA。
4～20mA电流输出电路
电路接收10位DAC芯片TLC5615输出的模拟信号，信号范围为0～4.6V。
若TLC5615输出电压为4.6V，由于RS2=2.32kΩ，因此流过RS2的电流IRS2=2mA；该电流流过RS3与电位器RPS1的串联电路，产生的压降1.2V，因此流过RS5的电流为
4.1.8功率输出电路
该电路采用光隔离过零型晶闸管驱动电路MOC3063Q驱动双向晶闸管BTA12，在驱动20A触点的接触器驱动2000W点加热器。
单片机输出低电平时，接触点闭合，使加热器接通220V电源，开始加热。
本系统采用单片机过零型晶闸管驱动电路，用单片机驱动具有交流220V电压的电阻性负载，这种情况，相当于单片机控制一个交流功率开关，控制负载得电与失电，特别是开关的接通时间在交流点过零瞬间，因此对电网冲击小，电磁波辐射小
4.1.9热电阻CU50信号调理电路
在本系统里，调理电路采用的是电桥法，调理电路如下图所示。
本电路采用TL431稳压电路向Cu50电桥供电，由于电桥只有连接Cu50电阻的桥臂电阻发生变化（50Ω~77.83Ω），因此属于有原理误差电桥电路。
为了减少Cu50电阻变化引起桥臂电流变化产生的误差，将电桥电阻RT2、RT3的阻值选择3kΩ。
在温度为0℃时，Cu50的阻值为50Ω，电桥通过RPT1调零后，电桥输出电压为0，假若TL431稳压值为2.5V，则流过Cu50的电流为
在温度为130℃时，Cu50阻值为77.83Ω，则Cu50的阻值变化了28.83Ω，假若忽略电阻改变引起的电流变化，则电桥的输出为
该信号采用LM258（UT2A）实现放大，由UT2A组成的差动放大器的放大倍数为18，则UT2A输出电压为
再由UT2AB组成的同向放大器放大8.2倍后，UT2B输出电压为
主要是LM258在5V电源时，最大输出电压为3.6V左右，调节RPT2，可实现满幅值调度。
若ADC采用4.096V电压作为参考电压，则ADC输出的每个数字代表
，对于3.3V的电压输入，ADC输出的数字为
，对于130℃的测温温度，每个ADC数字代表为
℃。
4.2软件电路的设计
进行微机测量控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个测量对象的实际需要设计应用程序。
因此，软件设计在微机测量控制系统设计中占重要地位。
对于本系统，软件设计更为重要。
软件设计主要是对温度进行采集、显示,通过按键操作，进行时间的设置与修改。
因此，软件是单片机运行的程序，程序通过单片机与单片机的引脚指挥各个硬件电路部分，进而控制各种各样的对象，实现对象控制的自动化与智能化。
软件处理的任务主要有AD转换、数据处理、数据显示、键盘输入、保存数据，报警等。
在单片机测量控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。
数据处理包括：
数据的采集、数字滤波、标度变换、非线性校正、PID等各种控制算法、按键处理、数据扫描等等。
过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便达到测量控制目的。
4.2.1主程序
#defineuintunsignedint//宏定义
#defineucharunsignedchar
sbitAD_CLK=P1^0;//定义ADC的时钟引脚
sbitAD_DOUT=P1^1;//定义ADC的数据引脚
sbitAD_CS=P1^2;//定义ADC的片选引脚
uintreadadc（void）//读取ADC数据的函数
{
uinttemp=0;
uchari;
AD_CS=1;
_nop_（）;
AD_CS=0;//开始读出10位数据
for（i=0;i<10;i++）
{
AD_CLK=0;
temp=（temp<<1）|AD_DOUT;
AD_CLK=1;
_nop_（）;//两次转换间隔大于21us
}
AD_CS=1;
return（temp）;//返回ADC结果
}
4.2.2读写程序
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineWDA0xa0//定义器件在总线中的地址读写为为0
#defineRDA0xa1//定义器件在总线中的地址读写为为1
sbitSDA=P3^6;//定义24c02的SDA信号
sbitSCL=P3^7;//定义24c02的SCL信号
voidstart（）//启用总线，当SCL为高电平时，使SDA产生一个负跳变
{
SCL=0;//SCL为低电平
SDA=0;//SDA为低电平
SCL=1;//SCL为高电平
SDA=1;//SDA上升沿停止总线}
voidstop（）//停用总线，当SCL为高电平时，使SDA产生一个正跳变
{
SDA=1;//SDA为高电平
SCL=1;//SCL为高电平
SDA=0;//SDA下降沿启动总线
SCL=0;//SCL返回低电平
}
voidnoack（）//无应答信号
{
SDA=1;//SDA为高电平
SCL=1;//SCL为高电平
SCL=0;//在SCL下降沿，SDA=1，表示ack无效
}
bittestack（）//检测ack信号
{
bitEB;
SDA=1;//SDA为高电平
SCL=1;//SCL为高电平
EB=SDA;//在SCL下降沿，SDA=0，表示返回ack有效
SCL=0;
return（EB）;//返回测试位
}
write8bit（ucharinput）//写8个二进制位到24c02的函数
{
uchartemp1;
for（temp1=8;temp1!
=0;temp1--）//循环8次，写入8位
{
SDA=（bit）（input&0x80）;//将输入数据的高位赋于SDA
SCL=1;
SCL=0;//使SCL出现下降沿，表明该位数据写入完毕
input=input<<1;//input数据左移1位，低位向高位移动
}
}
viodwrite24c02（ucharch1,ucharaddress1）//写入一个字节到24c02中字节地址
{
start（）;
write8bit（WDA）;//发送器件的地址
testack（）;
write8bit（address1）;//发送写入字节的地址
testack（）;
write8bit（ch1）;//发送写入的数据
testack（）;
stop（）;
delayms（10）;//延时10ms
}
ucharread8bit（）//从24c02中读出8个数据位的函数
{
uchartemp2,rbyte=0;
for（temp2=8;temp2!
=0;temp2--）//循环8次，读出8位
{
SCL=1;
rbyte=rbyte<<1;//rbyte变量左移
rbyte=rbyte|（（uchar）（SDA））;
SCL=0;//使SCL出现下降沿，表明该位数据写入完毕
}
return（rbyte）;//返回读到8位数据
}
ucharread24c02（ucharch2,ucharaddress2）//从24c02地址中读一个字节的函数
{
start（）;
write8bit（WDA）;//发送器件的地址写
testack（）;
write8bit（address2）;//发送读出字节的地址
testack（）;
start（）;//发送器件的地址读
write8bit（RAD）;
testack（）;
ch2=read8bit（）;//读出8位数据
noack（）//无应答信号
stop（）;
return（ch2）;//返回读出的数据
}
4.2.3报警程序
#defineucharunsignedchar//宏定义
#defineuintunsignedint//宏定义
sbitRS=P1^0;//24c02定义I/O的硬件接口
sbitRW=P1^1;//24c02定义I/O的硬件接口
sbitE=P1^2;//24c02定义I/O的硬件接口
sbitkey_1=P1^3;//按键1定义I/O的硬件接口////Alarm_Value;//温度报警值+1度
sbitkey_2=P1^4;//按键2定义I/O的硬件接口////Alarm_Value;//温度报警值-1度
sbitkey_3=P1^5;//按键3定义I/O的硬件接口
sbitkey_4=P1^6;//按键4定义I/O的硬件接口
sbitAD590_2=P1^7;//A定义I/O的硬件接口,通道选择//C、D接地
sbitkey_6=P3^7;//按键6定义I/O的硬件接口//控制温度报警标志位
sbitST=P3^0;//ST和ALE接在一起
sbitOE=P3^1;
sbitEOC=P3^2;
sbitCLK=P3^3;
sbitSPK=P3^4;//喇叭，蜂鸣器报警
sbitLED1=P3^5;//LED报警
sbitLED2=P3^6;
#defineDPDRP2//并行数据输出接口定义
#defineDPDR_1P0//并行数据输入接口定义
uchartemp;//最终温度值
unsignedlongtemp2;//平均温度
unsignedlongtemp1;//温度1，
unsignedlongtemp2;//温度2，，
ucharAlarm_Valu
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