基于单片机的多路温度巡检系统设计毕业设计说明书.docx

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基于单片机的多路温度巡检系统设计毕业设计说明书

摘要

温度检测仪是一种非常重要的测温设备，广泛应用于建筑工业场所，温度检测系统中的信息对城市供暖、新型建筑材料的特性检验、建筑节能、空暖与热网、空调系统、通风、排水网与燃气配管网等系统的特性与运行研究起着至关重要的作用，这也是本文研究温度检测系统的意义所在。

本文主要设计了一种多路温度巡检系统的方案。

该系统主要完成以单片机STC12C5A16AD系统为核心,采用8路K型热电偶传感器和多路开关CD4051，从而实现对8路温度巡回采集，并且采用MAX6675芯片完成对热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和A/D转换等功能。

将转换后的采样值送入单片机进行数据处理来确定其温度值。

单片机通过对数字信号处理，并在数码管上显示。

本文从硬件和软件两个方面介绍了设计的实现方法，其中硬件设计的重点是单片机最小系统、电源电路、温度检测电路、多通道切换电路、A/D转换电路、显示电路、按键电路、报警电路，软件设计的重点是系统总体流程设计、显示模块、按键模块、A/D转换模块、报警指示模块。

经过仿真测试结果表明，本系统测量速度快、测量精度高、测量范围广，达到了系统的指标要求，工作可靠，操作简单，用户界面友好。

关键词：

温度检测仪，单片机，热电偶，多通道切换

Abstract

Temperaturedetectorisakindofveryimportanttemperaturemeasuringequipment,whichiswidelyusedintheconstructionindustryplace,temperaturedetectionsystemintheinformationofurbanheating,newbuildingmaterialpropertytest,theconstructionofenergy-efficient,emptywarmandheatsupplynetwork,air-conditioningsystem,ventilation,drainagenetworkandgaspipingnetworksystemcharacteristicsandoperationofresearchplaysavitalroleandthesignificanceofwhichisthestudyofthetemperaturedetectionsystem.

Thispaperdesignedamulti-channeltemperaturemeasuringsystemscheme.ThissystemmainlycompletesSTC12C5A16ADmicrocontrollersystemasthecore,the8Ktypethermocouplesensorandmulti-channelswitchCD4051,soastorealizethetemperaturecircuitacquisition,andbyusingMAX6675chiptocompletethethermocoupleweaksignalamplification,coldjunctioncompensationandA/Dconversionfunction.ThesamplingvaluesintotheSCMdataprocessingtodeterminethetemperaturevalue.TheMCUthroughthedigitalsignalprocessinganddigitaltubedisplay.Thispaperdescribesthehardwareandsoftwareaspectsofthedesignimplementation,focusingonwherethehardwaredesignisthesmallestsingle-chipsystem,thepowersupplycircuit,thetemperaturedetectioncircuit,amulti-channelswitchingcircuit,A/Dconvertercircuit,displaycircuit,keycircuitalarmcircuit,focusingontheoverallsystemsoftwaredesignprocessdesign,displaymodule,buttonmodule,A/Dconvertermodule,alarmindicationmodule.

Accordingtothesimulationtestresultsshowthatthesystemfastmeasurementspeed,highmeasurementprecision,measurementrangewide,cansatisfytherequirementsofsystemofindicators,reliablework,simpleoperation,theuserinterfacefriendly.

Keywords:

Temperaturedetector,microcontroller,thermocouple,multi-channelswitch

第1章绪论

1.1系统背景

测量是运用专业的工具，根据生物、物理、化学等原理，通过计算与实验得到被测量的数据。

测量的目的是尽量准确的及时收集到被测量的状态信息，以便于对生产的过程进行准确的控制。

测量是人类认识和改造世界的一种不可缺少和代替的手段。

历史事实也已经证明：

科学的进步，生产的进步与发展是相互促进与依赖的。

测量技术反映一个国家的科学技术发展的水平。

测量水平的发展与科学技术的进步是密切相关的。

可以这么说，评价一个国家的科技水平，最简单方便的办法就是看这个国家的测量出的水平与测量出来的数据是如何被运用的。

在建筑测量的热工特性；暖通空调领域中，空调、供暖、制冷效果的检验；对建筑节能的研究；对新型建筑材料特性的检验；空暖与热网，空调系统、通风、排水网与燃气配管网等系统的特性与运行研究中，都需要对压力、温度等参数进行测量。

这些领域的测量具有本身具备的特点，例如在供暖网的系统中，它存在以下的特点：

（1）需要分时记录管网运行参数。

要对管网的运行进行分析与研究，管网的分时运行参数的测量和记录特别重要。

一般要求在管网运行时期，按规定的顺序检测与记录运行的参数。

（2）测量点分散，作用半径较大。

就拿一个城市的集中供暖网的系统来说，它的系统大，覆盖面广。

这样对供暖网不通点的运行参数进行测量时，测量点就相当分散。

除此之外还有节能建筑的效果检验，它需要对非节能建筑与节能建筑之间的功耗进行比较，这一样需要对建筑物内的房间进行分时的测量与记录。

但它也存在和供暖效果检验的一样困难。

另外一些其他的专业的科学实验中，温度也是一个特别重要测量参数。

综上所述，由于温度的测量存在上面所提到的问题，就需要由一种使用便利的测量仪表，能进行实时的检测，能进行对数据的记录，不需要人为干预其长期自动运行。

所以本文设计了一种方便使用的数码显示温度数据，采用热电偶温度传感器来将温度信号转换为电压信号，并运用冷端补偿的方法来消除热电偶的测量误差。

本温度传感器在设计的时候，为了满足多路巡检这个要求，采用了8路热电偶传感器轮流进行检测，从而实现对多路温度巡检的实时数据进行采集。

采用稳压电源来给位处理器进行供电，这样可以省去电池供电所带来的如电压不稳定、作用时间不长以及电压的下降而影响整个系统的工作精度于稳定性的问题。

1.2系统来源及现状

1.2.1系统的来源

温度是一个特别重要的物理参数，生活中任何物理、化学过程都与温度紧密地联系。

在工业生产的过程中，温度的控制与检测都和节约能源、安全生产、产品的生产效率等重大经济技术指标有直接的联系，所以在国民经济的各个领域里都受到了广泛的重视。

温度检测仪器作为温度计量的工具，所以也得到普遍的应用。

随着科技日新月异的发展，这类仪表的发展也同样迅猛。

尤其是随着计算机技术的迅速发展，以单片机为主的嵌入式系统已经普遍运用于工业控制领域方面，也就形成了智能化的测量控制仪器，从而使温度检测仪的结构进行了彻底的变革。

1.2.2温度检测仪表的现状

以前的温度检测仪表投入到工业生产过程中也有几百年的时间了。

通常它们都有表示温度的能力。

由于测温的原理不同，不一样的仪表在记录与远传等领域还是有很大的区别的。

如光学温度计的测量范围是300℃～3200℃，价格便宜，使用方便，但是它只能目测；另外热电阻温度计能够测量到－200℃～700℃,精度高，可用于温差或低温测量，能够指示远传、报警、控制变送，但维护工作量大并且还不能记录，也就是说你必须运用熟练才能测准，而且不能控制变送、远传等。

近年来随着计算机日益广泛的应用以及微电子技术的发展，智能化测量控制仪表也取得了很大的进步。

我国的单片机开发应用最早是在80年代，在这30多年中单片机应用发展迅速，技术也越来越成熟。

用单片机为主将传统仪器仪表的常规电子线路取而代之，可以轻松的将测量技术与计算机技术结合在一起。

智能仪表在测量自动化、测量结果的数据处理功能的多样化方面取得了很大的进步。

现在在研制高性能、高精度、多功能的测量控制仪表时，绝大多数考虑采用单片机让其成为智能仪表的。

拿技术背景来说，硬件集成电路的不断创新与发展也是一个特重要的因素。

所有集成电路芯片都在朝全CMOS、超大规模化的方向发展，所以用户具有了更大的选择范围，这些仪器可以解决许多传统仪器不易或不能处理的问题，并且还可以使仪表电路简化，降低仪表的成本，提高它的可靠性，并且加快了新型仪表的研发速度。

通过软件的控制，智能化控制仪表能够自动完成它的所有工作过程。

装在仪表内部的监控程序是通过许多程序模块构成的。

每个模块能够实现其指定的功能，如实现算法、获取和处理键盘输入指令等。

编写一些模块的完整的监控程序，能够代替某些硬件电路的功能。

这就为设计者改变或扩展仪表集体功能提供了方便。

在智能控制仪表引入单片机之后，已经对某些硬件电路降低了要求，但是测试电路仍然占有特别重要的位置，尤其是仍应对直接获取被测信号传感器部分给予足够的重视，有时提高整台仪器性能的关键仍然是是测试电路特别是对传感器的改善。

目前随着微电子技术的影响，传感器也在不停地改进变化。

传感器现在大都是固态、小型、功能较多与集成化高。

目前社会正致力于把单片机同传感器集成在一起，得到一种超小型、便宜的测量仪器。

同我国现有的多种多样的智能化测量控制仪表相比，其他国家的智能化测量控制仪表品种更多。

我国的规模相对较小，开发费用相对较高。

同国际相比还存在很大的差距。

1.3系统概述

对工业生产领域来说，温度的精确测量是一个经典课题，在温度检测的系统中，尤其是智能仪表中，测量变换电路起着至关重要的作用。

设计一个测量变换电路时，我们是从分析传感器的性能入手的，通过合适的补偿,得出一个较满足于期望指标的测量变换电路来。

目前，广泛使用的温度传感器有2类：

热电偶，热电阻，本文介绍的检测系统，采用的是热电偶元件测温。

热电偶具有精度高，性能稳定，测量范围广及使用方便等一系列优点，一直是工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件。

1.4本文的研究的主要内容

本文以工厂里的多路温度巡检系统为研究对象，实现对工厂室内温度进行定时、实时的检测与监视。

使温度检测仪器能够投入到工厂的生产实践中去，大大提高了工厂的生产效率以及对工厂温度的控制。

具体内容研究如下：

第一章介绍了论文研究的背景与意义，综述了传统的机械式检测仪表已经被时代所淘汰，以及目前智能化检测仪表的研究现状，展望了热电偶温度传感器的发展趋势，谈到了它在工业测控系统中的广泛使用，概述了本文的主要内容及系统的切入点。

第二章介绍了温度检测仪设计方案及工作原理，详细地对硬件的各个模块进行分析比较，从而确定了各个模块的具体型号、功能。

第三章介绍了系统硬件部分的方案设计及原理，详细地分析系统硬件电路，整个硬件系统是由单片机最小系统、电源电路、温度检测电路、多通道切换电路、A/D转换电路、显示电路、报警电路、按键电路组成。

系统选用STC12C5A16AD系统的MCU，保证了系统高速、稳定运行；MAX6675芯片用来转换采集来的电压信号。

第四章详细地介绍了系统软件部分是怎么设计的，软件系统主要包括：

系统主程序设计、显示子程序的设计、按键子程序的设计、A/D采集子程序的设计、报警子程序的设计。

第五章详细地介绍了系统软硬件的调试过程，阐述了调试过程中所遇到的问题和解决问题的办法。

通过调试，系统各部分功能正常，实现了预期设计目的。

第2章系统方案设计论证

2.1系统的基本设计方案

设计一个多路温度巡检系统，要求检测范围为0～1000℃，在测温系统中我们常常用到温度传感器，热电偶传感器能够达到较高的精度，本文中采用以STC12C5A16AD单片机作为系统的控制中心，利用K型热电偶作为温度传感器进行对远距离的多点温度进行检测，系统包括A/D转换、多通道切换、晶振、复位、显示、报警、按键、电源电路等模块，在温度测量系统中，采用精度高的抗干扰强的新型温度传感器是比较理想的选择，热电偶温度传感器具有测量精度高、测量范围广、构造简单与使用方便等特点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

根据本课题的设计目标以及硬件的特点，本系统的总体设计框图如图2.1所示。

图2-1系统的总体设计框图

2.2系统的工作原理

在本次设计中，首先采用K型热电偶对目标对象进行温度采集，将采集到的温度信号经过热电偶传感器的处理转换成电信号，然而我们得到的还是比较微弱的模拟信号，这就需要我们对温度信号进行放大、冷端补偿、A/D转换，本文采用MAX6675芯片对模拟信号进行放大、冷端补偿、A/D转换，将转换后的数字信号送入单片机进行数据处理来确定其温度值。

单片机通过对数字信号处理，并在数码管上显示温度值。

2.3系统的方案设计与比较

2.3.1单片机的选择

方案一：

采用传统8051单片机

单片机是一种集成电路芯片，又称微处理器，它作为计算机发展的一个领域，根据应用的不同也可以分为很多类，一般的最基本简单易懂的单片机的类型是80C51式通用型单片机，传统意义上的80C51通用型单片机虽然简单但是功耗是相对比较大的。

方案二：

采用STC12C5A16AD单片机

STC12C5A16AD器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有32个数字I/O引脚,是STC生产的机器周期（1T）/单时钟的单片机，是具有低功耗/高速/抗干扰强的新一代8051单片机，指令代码能够兼容传统8051，但速度比8051快8-12倍。

综上所述，由于STC12C5A16AD有着低功耗、超强抗干扰、速度快等优点，选用第二种方案比较适合这次的设计方案。

2.3.2温度传感器的选择

方案一：

采用PT100热电阻测温

热电阻是中低温区经常使用的一类温度检测器。

热电阻测温原理是通过金属导体的电阻值随温度的增加而增加这种特性来对温度进行测量的。

热电阻具有测量精度高，性能稳定等特点。

热电阻绝大多数是通过纯金属材料制成的，现在铂与铜是应用最多的，另外，目前锰、镍和铑等材料制作的热电阻也被用到生产实践中，金属热电阻经常使用的感温材料类别比较多种多样，铂丝是其中最常用的。

除铂丝外，工业测量还使用其它的金属热电阻材料，如镍、铜、铁—镍、铁等。

PT100的测量精度在热电阻中是最高的，它不但在工业测温中被广泛地运用，并且将它制造成一种标准的基准仪。

PT100热电阻一般采用三线制的接法。

因为三线制接法能够把连接导线电阻引起的测量误差给消除掉。

测量其电路通常是不平衡电桥。

热电阻作为电桥的一种桥臂电阻，它的连接导线也作为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的而且它会随着温度环境变化的，这就会产生一种误差。

使用三线制接法，电桥的电源端接着一根导线，其它两根各自接在热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。

PT100的国际测温标准为：

-40～450℃，可选环境温度为：

-40～70℃。

采用Pt100热电阻传感器设计测温电路，需要设计恒流源、线性校正电路、放大电路、A/D转换电路，过程比较繁琐，集成度低，虽然热电阻的测量精度高，但是它的测量范围小，灵敏度低。

不能满足本次设计的要求。

方案二：

采用K型热电偶测温。

热电偶是根据热电效应进行工作的，将两种不同的导体A与导体B连接在一起，形成一个闭合回路，这样就构成感温元件,当导体A与导体B的两个端点1与2之间存在着温差时，它们之间就会产生电动势，所以在闭合回路中会形成一定大小的电流，这种现象就是热电效应。

热电偶的工作端（热端）是将A、B两种导体焊接在一起，放在温度为t1的被测介质中。

热电偶的参比端（冷端）放于温度为t2的恒定温度下。

当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势会随着工作端发生变化，将热电势送入单片机进行数据处理，就会得到温度值。

K型热电偶的测量范围为0℃～1300℃，K型热电偶具有线性度好，灵敏度高，均匀性较好，稳定性与热电动势较大，价格便宜，抗氧化性能强等优点。

采用K型热电偶传感器设计测温电路,配合其专门的信号处理器件MAX6675完成测温系统。

由于MAX6675内部具有信号调节放大器、12位的模拟数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正,大大简化了电路，提高了集成度，而且热电偶的测量精度高、测量范围广、测量速度快、灵敏度高，能够满足本次系统的设计要求。

综上所述，本系统采用热电偶传感器设计测温电路,选用K型热电偶，配合其专门的信号处理器件MAX6675完成测温系统。

2.3.3多通道切换电路的选择

方案一：

采用多路开关CD4051

CD4051相当于一个单刀八掷开关，其中“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。

只有当“INH”=0时，才能选通某一通道，使开关接通。

开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。

当ABC输入000～111，分别对应0～7通道上的开关处于闭合状态。

方案二：

采用74LS138译码器

74LS138为3线－8线译码器，当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端（（/E1））和（/E2））为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在OUT0至OUT7对应的输出端以低电平译出。

比如：

A2A1A0=110时，则OUT6输出端输出低电平信号。

综上所述，本系统采用两个单八通道模拟开关CD4051来实现8路热电偶的切换更适合系统的要求。

2.3.4键盘的选择

方案1：

独立式键盘

独立式的按键指的是采用相应的I/O接口来组成相应的单个的按键电路，每一个按键所占用的是一个I/O口，其电路较灵活，软件的结构也很简单。

不过其采用的I/O口是比较多的。

如果系统中所用的按键不多，就可以使用独立式按键。

方案2：

矩阵式键盘

矩阵式键盘是把按键按照行和列组成一个矩阵，每行和每一个列都会有一个交点，这样的交点就是所要使用的按键，这种按键是扫描式的按键，按键设计成矩阵式的电路简单，而且节约了大量的I/O接口。

综上所述，由于本系统所需要的按键不多，故采用独立式按键。

2.3.5显示模块的选择

方案1：

数码管的静态显示

采用LED数码管的静态显示的方式电路简单，但是需要的每个数码管都要用一块74LS47来驱动显示，这样的话就增加了设计的复杂性，也提高了设计所需要的成本，并且需要占用单片机大量的I/O口。

方案2：

数码管的动态显示

采用LED数码管的动态的扫描显示的方式，只需要一块相应的数码管驱动的芯片就能够驱动数码管开始工作，数码管的动态显示价格便宜，操作简单。

能够节省大量的I/O口，并且功耗更低。

综上所述，选用数码管动态显示适合本次的设计要求。

2.3.6报警电路的选择

方案1：

采用闪光报警

闪光报警时一个非常基本的报警系统，它的设计简单，工作方式就是人们只有看到报警发出的信号灯，才知道系统有故障，所以应用范围不是很广。

方案2：

蜂鸣报警

蜂鸣报警在目前的报警系统中运用非常普遍，它的电路简单，人们可以通过对报警发出的声音就可以很轻易的发现系统故障。

所以应用范围广。

方案3：

语音报警

语音报警系统是智能化的报警系统，它可以实现语音报警提醒人们系统出现故障，因为是智能化的报警系统，所以设计要用到的电路、程序等都很复杂。

综上所述，本文采用蜂鸣报警，一旦工厂里的室内温度出现异样，蜂鸣报警器就会产生作用，提醒工作人员。

2.4方案的论证及确定

综上所述，通过各个模块功能的比较与选择，本系统的方案是采用基于STC12C5A16AD单片机为核心的温度巡检仪，采用8路K型热电偶温度传感器和多路开关CD4051，从而实现对8路温度巡回采集，并且采用MAX6675芯片完成对热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和A/D转换等功能。

本系统采用独立式键盘，数码管动态显示，蜂鸣报警。

2.5本章小结

本章首先阐述了系统的基本设计方案，说明了系统的工作原理，详细地对硬件的各个模块进行分析比较，从而确定了各个模块的具体型号、功能。

为下面硬件设计与软件设计奠定了基础。

第3章系统硬件设计

多路温度巡检系统是由硬件电路与软件配合来共同完成其功能的，硬件主要由单片机最小系统、电源电路、温度检测电路、多通道切换电路、A/D转换电路、显示电路、按键电路、报警指示电路组成。

下面将对多路温度巡检系统的硬件电路进行详细分析。

3.1单片机最小系统的设计

STC12C5A16AD器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有32个数字I/O引脚,是STC生产的机器周期（1T）/单时钟的单片机，是低功耗/高速/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码能够完全兼容传统8051，但速度比8051快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，引脚如图3-1所示。

本设计主要利用STC12C5A16AD运算速度快，从而达到优化系统设计的目的。

图3-1STC12C5A16AD单片机引脚图

下面列出了一些主要特性：

1、增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051

2、工作电压：

5.5V-3.5V（5V单片机）

3、工作频率范围：

0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz

4、片上集成1280字节RAM

5、用户应用程序空间16K

6、通用I/O口：

每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但是芯片最大不能够大于120mA

7、ISP（在系统中能编程）/IAP（在应用中能编程），不需要专用编程器与专用仿真器，能够在串口（P3.0/P3.1）直接可以下载程序，

8、有EEPROM功能

9、看门狗

10、内部集成MAX810独有的复位电路

11、外部掉电检测电路:

P4.6口中有一个低压门槛比较器

12、时钟源：

时钟晶体，内部R/C振荡器，在精度要求不高时候，可以选择内部时钟。

13、共4个16位定时器，两个同8051兼容的计数器/定时器,定时器T0与T1，无定时器2，再加上2路PCA模块可再得到2个16位定时器

14、2个时钟输出口，可通过T0的溢出在T0/P3.4输出时钟，可通