毕业设计论文基于专用温度传感器的温度检测系统模板.docx
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毕业设计论文基于专用温度传感器的温度检测系统模板
摘要
在现代工业领域，温度检测系统是指用某种方式显示出当前的环境温度。
传统使用PTC或NTC电阻作为温度传感器的方式在使用过程中存在着很多不足之处，比如所采集温度的精度比较低、系统的可靠性差、设计难度较大、整体设计成本较高等缺点，已经无法满足现代工业生产中高精度温度控制的需求。
而采用专用温度传感器，则可以在克服以上缺点，很大程度上提高温度检测系统的性能。
本文阐述了一个基于专用温度传感器AD590的高精度温度检测系统的设计和实现过程。
整个设计包括：
使用AD590的模拟温度采集传感器，专用仪表放大器AD620的信号处理系统，由ADC0804构成的模数转换电路，采用AT89C52组成的单片机系统，数码管显示系统和整机所需的供电系统。
关键字：
温度检测系统；AD590；AT89C52
Ⅰ
Abstract
Thetemperaturechecksysteminmodernindustryisthatusessomespecialmethodtoprocessanddisplaytheenvironmentaltemperature.TraditionusesPTCorNTCresistancetobeusingprocesstotherebeexistingmuchdefectsasthetemperaturesensorway,supposesthatwhatbedetectedthetemperaturehasabadaccuracy,systematicreliabilityisbad,hasmuchdifficultiestodesign,andthecostofentiresystemisexpensive.Tousethismethodalreadyunablesatisfiedmodernindustryproducestheneedbeinghitbythehigh-accuracytemperatureunderthecontrol.Usethespecialtemperaturetransducercouldimprovethesystematicfunctionoftemperaturedetecting.
Thisarticleelaboratedthehigh-accuracytemperaturehavingsetforthabecauseofspecialtemperaturetransducerAD590checksthemainbodyofabooksystematicallydesigningandrealizingprocess.Entiredesignisincluded:
UsetheAD590temperaturetransducertodetecttheanalogtemperature,instrumentationamplifierAD620signalprocesssystem,changetheanalogsignaltodigitalsignalcircuitofADC0804,theAT89C52MUCsystemandthepowersystem.
Keyword：
temperaturechecksystem；AD590；AT89C52
Ⅱ
摘要.............................................................Ⅰ
Abstract............................................................Ⅱ
目录.............................................................Ⅲ
1绪论..............................................................1
1.1简介..........................................................2
1.2温度控制系统的国内外现状......................................2
1.3温度控制系统方案..............................................2
1.4论文的主要任务和所做的工作....................................2
2设计方案以及论证..................................................4
2.2温度传感部分..................................................4
2.3A/D转换部分..................................................5
2.4数字显示部分..................................................6
3电路设计.........................................................8
3.1硬件电路设计.................................................8
3.1.1温度采集电路...............................................8
3.1.2AD转换电路.................................................8
3.1.3单片机电路.................................................10
3.1.4显示电路...................................................14
3.1.5电源电路...................................................16
3.2软件系统设计.................................................16
3.2.1主程序设计.................................................16
3.2.2AD转换程序.................................................17
3.2.3温度采样...................................................18
3.2.4温度标度转换算法...........................................19
3.3特殊元器件介绍..............................................22
4总结.............................................................24
参考文献.........................................................25
附录.............................................................26
1绪论
1.1简介
当代社会，温度检测系统被广泛应用于社会生产、生活的各个领域。
在工业、环境检测、医疗、家庭等多方面均有应用。
同时单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛。
在很多电子产品中也将其用到温度检测和温度控制。
目前温度测量系统种类繁多，功能参差不齐。
有简单的应用于家庭的如空调，电饭煲、太阳能热水器，电冰箱，等家用电器的温度进行检测和控制。
采用AT89C51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在日常生活中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
因此，单片机对温度的控制问题是一个日常生活中经常会遇到的问题。
本论文以上述问题为出发点，设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。
以AD590为采集器，AT89S51为处理器，空调相应电路为执行器来完成设计任务提出的温度控制要求。
设计过程流畅，所设计的电路单元较为合理。
该设计在硬件方案设计，单元电路设计，元器件选择等方面较有特色。
1.2温度控制系统的国内外现状
通过网上查询、翻阅图书了解到目前国内外市场以单片机为核心的温度控制系统很多，而且方案灵活，且应用面比较广，可用于工业上的加热炉、热处理炉、反应炉，在生活当中的应用也比较广泛，如热水器，室温控制，农业中的大棚温度控制。
以上出现的温度控制系统产品，根据其系统组成、使用技术、功能特点、技术指标。
选出其中具有代表性的几种如下：
1.虚拟仪器温室大棚温度测控系统在农业应用方面虚拟仪器温室大棚温度测控系统是一种比较智能，经济的方案，适于大力推广，改系统能够对大棚内的温度进行采集，然后再进行比较，通过比较对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析，如果超过温度限制，温度报警系统将进行报警，来通知管理人员大棚内的温度超过限制，大棚内的温控系统出现故障，从而有利于农作物的生长，提高产量。
本系统最大的优点是在一台电脑上可以监测到多个大棚内的温度情况，从而进行控制。
该系统LabVIEW虚拟仪器编程，通过对前面板的设置来显示温室大棚内的温度，并进行报警，进而对大棚内温度进行控制。
该系统有单片机，温度传感器，串口通信，和计算机组成。
计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等；温度传感器是对大棚内温度进行测量，显示；单片机是对温度传感器进行编程，去读温度传感器的温度值，并把半温度值通过串口通信送入计算机；串口通信作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输作用。
2.电烤箱温度控制系统
该方案采用美国TI公司生产的FLASH型超低功耗16位单片机MSP430F123为核心器件，通过热电偶检测系统温度，用集成温度传感器AD590作为温度测量器件利用该芯片内置的比较器完成高精度AD信号采样，根据温度的变化情况，通过单片机编写闭环算法，从而成功地实现了对温度的测量和自动控制功能。
其测温范围较低,大概在0-250之间，具有精度高，相应速度快等特点。
3.小型热水锅炉温度控制系统
该设计解决了北方冬季分散取暖采用人工定时烧水供热，耗煤量大，浪费人力，温度变化大的问题。
设计方案硬件方面采用MCS-51系列8031单片机为核心，扩展程序存储器2732，AD590温度检测元件测量环境温度和供水温度，ADC0809进行模数转换，同向驱动器7407、光电耦合器及9103的功放完成对电机的控制。
软件方面建立了供暖系统的控制系统数学模型。
本系统硬件电路简单,软件程序易于实现。
它可用于一台或多台小型取暖热水锅炉的温度控制,可使居室温度基本恒定,节煤,节电,省人力。
1.3温度控制系统方案
结合本设计的要求和技术指标，通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计，考虑价格因素。
选定AT89S51单片机作为系统的主要控制芯片，8位模数转换器AD0804，采用AD509进行温度采集，温度设定范围为-10℃~45℃，通过温度采集系统，对温度进行采集并作A/D转换，再传输给单片机。
以空调机为执行器件，通过单片机程序完成对室内温度的控制。
1.4论文的主要任务和所做的工作
本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温度测量、温度显示、温度控制于一体的单片机温度控制系统的理论设计。
包括硬件电路和主要的软件设计。
研究的关键问题是：
室温的精确测量；温度采集器AD590温度控制电路设计；单片机与A/D转换电路、显示电路以及软件设计。
根据本设计所要完成的任务本论文完成了如下工作：
1介绍了研究和设计的背景和意义，调查并综述了当前温度控系统市场的国内外现状，
2提出了符合设计要求的高精度温度控制系统方案，并阐述了其工作原理。
3完成了硬件电路的设计，它包括温度采集系统电路；包含89S51单片机，模数转换器ADC0804等芯片的接口电路；通过AD590实现的温度控制采集电路;键盘接口和LED显示电路。
4基本完成了软件部分设计，它包括主程序流程图，A/D转换子程序，显示子程序，主程序清单。
2设计方案以及论证
2.1设计方案
经过查阅国内外相关资料，现代工业控制的温度采集系统虽然传感器种类不同，但总体框架比较类似。
通过仔细比较绘制出整体框架图如下：
2.2温度传感部分
方案1：
基于PTC或NTC电阻的设计；
热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。
热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用温度引起电阻变化。
若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导为：
σ=q（nμn+pμp）
因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线．这就是半导体热敏电阻的工作原理．
热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（CTR）。
使用热敏电阻设计而成的温度检测系统利用“惠更斯”电桥，提取出温度的变化，然后通过高共模抑制比的仪表放大器将信号放大，把模拟信号信号送入模数转换电路进行模拟到数字信号的转变，从而将信号送入单片机进行处理，最终由数码管显示出当前的温度值。
整体框图如下：
但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不适用于检测小于1℃的信号；而且线性度很差，不能直接用于A/D转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。
方案2：
采用集成温度传感器，如常用的AD590和LM35。
AD590是电流型温度传感器。
这种器件是以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度敏感度是1µA/K.它是二端器件，使用非常方便，作为一种高阻电流源，他不需要严格考虑传输线上的电压信号损失噪声干扰问题，因此特别适合作为远距测量或控制用。
另外，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。
由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光微调技术校准，使得AD590具有很高的精度。
并且应用电路简单，便于设计。
方案选择：
选择方案2。
理由：
电路简单稳定可靠，无需调试，与A/D连接方便。
2.3A/D转换部分
模/数转化器是一种将连续的模拟量转化成离散的数字量的一种电路或器件模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过程。
针对不同的采样对象，有不同的A/D转换器（ADC）可供选择，其中有通用的也有专用的。
有些ADC还包含有其他功能，在选择ADC器件时需要考虑多种因素，除了关键参数、分辨率和转换速度以外，还应考虑其他因素，如静态与动态精度、数据接口类型、控制接口与定时、采样保持性能、基本要求、校准能力、通道数量、功耗、使用环境要求、封装形式以及与软件有关的问题。
ADC按功能划分，可分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又有逐次分级转换、积分式转换等类型。
A/D转换器在实际应用时，除了要设计适当的采样/保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还应根据实际选择的具体芯片进行模拟信号极性转换等的设计。
方案1：
采用分级式转换器，这种转换器采用两步或多步进行分辨率的闪烁式转换，进而快速地完成“模拟-数字”信号饿转换，同时可以实现较高的分辨率。
例如在利用两步分级完成n位转换的过程中，首先完成m位的粗转换，然后使用精度至少为m位的数/模转换器（ADC）将此结果转换达到1/2的精度并且与输入信号比较。
对此信号用一个k位转换器（k+m<=n）转换，最后将两个输出结果合并。
方案2：
采用积分型A/D装换器，如ICL7135等。
双积分型A/D转换器转换精度高，但是转换速度不太快，若用于温度测量，不能及时地反应当前温度值，而且多数双击分型A/D转换器其输出端多不是而二进制码，而是直接驱动数码管的。
所以若直接将其输出端接I/O接口会给软件设计带来极大的不方便。
方案3：
采用逐次逼近式转换器，对于这种转换方式，通常是用一个比较输入信号与作为基准的n位DAC输出进行比较，并进行n次1位转换。
这种方法类似于天平上用二进制砝码称量物质。
采用逐次逼近寄存器，输入信号仅与最高位（MSB）比较，确定DAC的最高位（DAC满量程的一半）。
确定后结果（0或1）被锁存，同时加到DAC上，以决定DAC的输出（0或1/2）。
逐次逼近式A/D转换器，如ADC0804、AD574等，其特点是转换速度快，精度也比较高，输出为二进制码，直接接I/O口，软件设计方便。
由于ADC0804设计时考虑到若干种模/数转换技术的优点，所以该芯片非常适合于过程控制、微控制器输入通道的结合口电路、智能仪器和机床控制等应用场合，并且价格低廉，降低设计成本。
方案选择：
选择方案3。
理由：
用ADC0804采样速度快，配合温度传感器应用方便，价格低廉，降低设计成本。
2.4数字显示部分
通常用的LED显示器有7段或8段“米”字段之分。
这种显示器有共阳极和共阴极两种。
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。
同样，共阳极LED显示器的工作原理也一样。
方案1：
采用静态显示方式。
在这种方式下，各位LED显示器的共阳极（或共阴极）连接在一起并接地（或电源正），每位的段选线分别与一8位的锁存器输出相连，各个LED的显示字符一旦确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止，正因为如此静态显示器的亮度都较高。
若用I/O口接口，这需要占用N*8位I/O口（LED显示器的个数N）。
这样的话，如果显示器的个数较多，那使用的I/O接口就更多，因此在显示位数较多的情况下，一般都不用静态显示。
方案2：
采用动态显示方式。
当多位LED显示时通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。
而各位的共阳极或共阴极分别有相应的I/O口线控制，实现各位的分时选通。
其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用N个I/O口（N为LED显示器的个数）。
由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位选线都处于选通状态的话，那LED显示器将显示相同的字符。
若要各位LED能显示出与本为相同的字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。
方案选择：
选择方案2。
理由：
非常节约I/O口，亮度高，节约CPU的使用率。
3电路设计
3.1硬件系统设计
3.1.1温度采集电路
温度采集系统主要由AD590、AD620组成，如图所示：
选用温度传感器AD590，AD590具有较高精度和重复性（重复性优于0.1℃，其良好的非线形可以保证优于0.1℃的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线形补偿，可以达到0.1℃测量精度）。
由AD590采集到的温度信号通过AD620,一款低功耗、高进度的仪表放大器进行线性放大，在AD620的外部，只需要通过一只电阻即可将放大倍数从1-1000倍进行调整。
在本电路系统中，我们需要将输出最大值和最小值调整在0-5V之间，便于A/D进行转换，以提高温度采集电路的可靠性。
集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。
电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出为2.982V。
电流输出型的灵敏度为1µA/K。
这样便于A/D转换器采集数据。
3.1.2AD转换电路
在学习和实验过程当中，对于AD转换芯片，通常使用美国国家半导体公司生产的AD0809芯片进行模拟信号到数字信号的转换。
AD0809相关资料齐全，使用广泛，但是对于本设计略显奢侈，AD0809可以同时转换8路模拟输入，但本设计中只需要转换一路模拟输入。
因此，我放弃使用AD0809，转而使用美国国家半导体公司的同类产品AD0804，一款与AD0809同类型的模数转换芯片。
在达到系统要求的同时，降低了电路的成本，减小了电路的体积，简化了电路的复杂程度。
用单片机控制ADC时，多数采用查询和中断控制两种方式。
查询法是在单片机把启动命令送到ADC之后，执行别的程序，同时对ADC的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经完成，如查询到变换已结束，则读入转换完毕的数据。
中断控制是在启动信号送到ADC之后，单片机执行别的程序。
当ADC转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后返回到原程序。
这种方法单片机无需进行转换时间管理，CPU效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC。
本设计采用查询方式进行数据收集。
由于ADC0804片内无时钟，故运用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。
因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHz,则ALE信号的频率为1MHz，经二分频后为500kHz，与AD0804时钟频率的典型值吻合。
由于AD0804具有三态输出锁存器，故其数据输出引角可直接与单片机的总线相连。
并将A/D的ALE和START脚连在一起，以实现在锁存通道地址的同时启动ADC0804转换。
启动信号由单片机的写信号和P2.7经或非门而产生。
在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.7经或非门加工得到的正脉冲作为OE信号去打开三态输出锁存器。
根据所选用的是查询、中断、等待延时三种方式之一的条件去执行一条输入指令，读取A/D转换结果。
ADC0804是一个8位逐次逼近的A/D转换器。
AD0804的转换时间为100µs。
在CPU启动A/D命令后，便执行一个固定的延时程序，延时时间应略大于A/D的转换时间；延时程序一结束，便执行数据读入指令，读取转换结果。
本设计选用Motorola公司的基准源TL431产生参考电压2.50V，即一位数字量对应10mV即1℃。
所以用起来很方便。
具体电路如下：
3.1.3单片机电路
单片微型计算机简称单片机。
它在一块芯片上集成了各种功能部件：
中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器和各种输入/输出（I/O）接口（如并行I/O口、串行I/O口和A/D转换器）等。
它们之间相互连结，构成一个完整的微型计算机。
单片机的发展经历了四个阶段：
第一阶段（1971～1974年），主要是美国INTEL公司从早先的第一台MCS-4微型计算机，到后来功能较强的8位微处理器Intel8008和FAIRCHILD公司的F8微处理器。
这些微处理器虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。
第二阶段（1974～1978），初级单片机阶段，以INTEL公司的MCS-48为代表。
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