智能温度巡测仪Word格式文档下载.docx

1、 （3）完成巡测仪的软、硬件设计。四、接受任务学生： 班 姓名 五、开始及完成日期： 自 年 月 日 至 年 月 日六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 院长（系主任） 签名xxxx 年 xx月 xx 日摘要温度测量与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。利用单片机技术的温度测控系统以其体积小，可靠性高而被广泛采用。本文对该测控系统进行了分析设计。首先，本文针对系统所使用的单片机的性能和发展情况做了简单介绍；对系统使用的模/数转换芯片AD7715做了性能方面的简单说明；同时对测量温度在-55150之间的集成型恒流测温元件AD590做

2、了介绍。其次，本文重点对测控硬件、软件的组成进行了分项、模块化逐步分析设计。对各部分的电路一一进行了介绍，最终实现了该系统的硬件电路。绘制了电路原理图，绘制了印制电路板图，并将制成的线路板焊接上了元件，完成了硬件调试。根据硬件的设计和测控系统所要实现的功能，本设计对软件也进行了一一设计，并经过反复的模拟运行、调试，修改简化了软件系统，最后形成了一套完整的程序系统。关键词：单片机；AD7715；AD590；软件系统；硬件系统AbstractTemperature measurement and control in industry, agriculture, national defense

3、and other industries have a wide range of applications. Use of microcomputer technology, temperature measurement and control system for its small size, high reliability and are widely used. This article analyzes the control system design. First, this paper used by the system microcontroller performa

4、nce and a brief description of the development; on the system using the analog / digital conversion chip AD7715 performance made simple instructions; the same time, measure the temperature in the integration between -55 150 Constant temperature device AD590 type have been described. Secondly, this p

5、aper focuses on the measurement and control hardware and software components are also sub-modular analysis and design phase. On the part of the circuit were introduced one by one, and ultimately the system hardware. Draw the circuit diagram, draw a printed circuit board and soldering on circuit boar

6、ds made of the component, the completion of the hardware debugging. According to the hardware design and control system functions to be achieved, the design of software for the 11 design, and after repeated simulation run, debug, modify, simplify the software system, and finally form a complete proc

7、ess system. Keywords: microcontroller; AD7715;AD590;software;hardware system1 绪论1.1 内容概要温度的测量与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。单片机的温度测控系统由于其体积小，可靠性高而被广泛采用在各个领域。这个智能温度巡测仪内部工作的主要过程是：首先由8279接的键盘键入的路数送入89C52单片机，89C52再通过锁存器（74LS273）、译码器（74LS138）选择路数，然后进行数据采集，检测到的信号进入放大器进行信号放大，再用模拟多路转换开关（4052）进行采样，然后再经A/D转换器（AD7715）

8、转化为数字信号进入单片机（AT89C52）处理，通过键盘编码器（8279）接的LED液晶屏显示温度1、二极管进行报警，以及用打印机进行打印。1.2 热电偶测温原理简介热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测温范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制，正应为此，所以我选用热电偶为主要测温元件。热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效应，又称为塞贝克效应。闭合回路中产生的热电势有两种电势组成；温差电势和接触电势。温差电势是指同

9、一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以他们产生的电势也不相同，而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时，因为他们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散，当他们达到一定的平衡后所形成的电势，接触电势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度。目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范，国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为B，R，S，K，N，E，J和T，其测量温度的最低可测零下270摄氏度，最高可达1800摄氏度，其中B，R，S属于铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属，所以他们又被称为贵金属热电偶而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电偶的结构有两种，

10、普通型和铠装型。普通性热电偶一般由热电极，绝缘管，保护套管和接线盒等部分组成，而铠装型热电偶则是将热电偶丝，绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。但是热电偶的电信号却需要一种特殊的导线来进行传递，这种导线我们称为补偿导线。不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作用就是与热电偶连接，使热电偶的参比端远离电源，从而使参比端温度稳定。补偿导线又分为补偿型和延长型两种，延长导线的化学成分与被补偿的热电偶相同，但是实际中，延长型的导线也并不是用和热电偶相同材质的金属，一般采用和热电偶具有相同电子密度的导线代替。补偿导线的与热电偶的连线一般都是很明了，热电偶的正极连接补

11、偿导线的红色线，而负极则连接剩下的颜色。一般的补偿导线的材质大部分都采用铜镍合金。1.3 单片机简介单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器

12、）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计

13、算机应用与智能化控制的科学家、工程师。1.4 总体设计方案这次设计主要由硬件电路和软件电路两部分组成。其中软件主要用汇编语言编写的，而硬件电路主要有模拟和数字两部分组成。从功能模块上来分有：键盘控制系统、数据采集、信号放大系统、模数转换、存储、温度控制系统和液晶显示系统。2 硬件设计部分2.1 硬件设计总体方案下图为该系统的逻辑框图，在此电路原理图中,为了使硬件的结构尽量简单,所以我使用了带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器2-AT89C51, 温度警报控制系统。扫描式键盘编码器芯片8279如图2.1所示：图2.1 系统逻辑框图先通过键盘进行线路设置，选通线

14、路控制开关，进行数据采样，经高精度、低漂移放大器放大后进入A/D转换，并将转换结果送入P1口，同时由单片微机控制进行各通道的自动巡测，最后在微机控制下，由LED显示器依次显示各通道及所测的温度值，若某通道温度超限，将产生的报警信号用二极管来显示。2.2 应用到的模块信息2.2.1 温度信号采集模块集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。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2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端

15、感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：式中： Ir流过器件（AD590）的电流，单位为mA;T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710M。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点温度差

16、、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高价格低不需辅助电源线性好，常用语测温和热电偶的冷端补偿。AD590是电流型集成温度传感器,其输出电流与环境绝对温度成正比,所以可以直接制成绝对温度仪。AD590有I、J、K、L、M等型号系列其主特性参数如下：工作电压：430V；工作温度：55150；保存温度：65175；正向电压：44V；反向电压：20V；焊接温度（10秒）：300；灵敏度：1AK。AD590集成温度传感器各引脚功能如表2-1所示：表2-1 AD590引脚功能 引脚编号 符号 功能引脚编号符号功能1U+电源正端2U-电源输出端3金属管外壳，一般不用AD

17、590内部电路由2只P-N结对管组成的温度敏感器件和恒流源等组成，如图2.2所示：图2.2 感温部分的核心电路基本特性和应用如图2.3：图2.3 AD590内部的电路图2.3所示是AD590的内部电路， T1T4相当于图2.2中的T1、T2，而T9，T11相当于图2.2中的T3、T4。R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1T4是为热效应而设计的连

18、接方式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的13。T9和T11的发射结面积比为8。2.2.2 信号放大模块实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏，而且其中包含工频，静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益，低噪声和高输出阻抗，因此宜采用测量放大电路。测量放大电器又称数据放大器，仪表放大器和桥路放大器，它的输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，而它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且温漂较小。由于时间温漂小，因而测量放大器的稳定性好。具体电路如图2.4所示:

19、图2.4 信号放大电路当选通电路对第n路选通后，进行测量，测量信号通过两个电压跟随器后，进入放大器进行信号放大，由AA，BB对模拟多路转换开关4052进行选择，对不同的温度环境进行温度的放大比例的选择2.2.3 A/D转换模块 经过信号放大器放大后的电压信号为模拟信号，需要转化为数字信号才能为单片机所识别，在本系统中我采用的是美国模拟器件公司（ADI）出品的AD7715进行数摸转换。AD7715采用16脚DIP或SOIC两种封装形式，工作温度范围可达-4085，其引脚排列与TTL器件相同。各引脚的功能如图2.5：图2.5 数模转换器AD7715SCLK：串行时钟，逻辑输入；MCLK IN：器件

20、的主时钟信号。可由晶振提供，也可由与CMOS兼容的时钟驱动，此时MCLK OUT引脚悬空。无论采用哪一种时钟，其频率必须是1MHz或2.4576MHz；MCLK OUT：当器件的主时钟信号由晶振提供时，此引脚与MCLK IN引脚和晶振两引脚相连。如果MCLK IN为外部时钟引脚，MCLK OUT引脚能提供一个反向的时钟信号，供外电路使用；CS：片选信号，逻辑低有效；RESET：逻辑输入，低电平有效。有效时，可将片内的控制逻辑、接口逻辑、校准系数、数字滤波器以及模拟调制器复位到上电状态；AVDD：模拟正电源，AD77153为3V，AD77155为5V；编程增益：AIN，AIN：模拟输入，分别为片

21、内可放大器差动模拟输入的正、负端；REF IN（）：参考输入，AD7715参考差动输入的正端，该端电位必须大于REF IN（）。REF IN（）可连接在AVDD与AGND之间；REF IN（）：参考输入，AD7715参考差动输入的负端，REF IN（）可连接在AVDD和AGND之间，但REF IN（）必须小于REF IN（）；AGND：模拟地。正确操作时，其它引脚的电压相对AGND应不低于30mV；DRDY：逻辑输出。低电平表明来自AD7715数据寄存器新的输出字是有效的。当完成全部16位的读操作时，此引脚变成高电平。在输出更新期间，如果没有数据被读出，此引脚将持续500倍Tclk in时钟周

22、期，然后返回高电平。当DRDY为高时，能进行读操作，或者说，当数据正在更新时，应当避免从数据寄存器中读数。数据更新结束后，DRDY将再次返回低电平；DOUT：从片内输出移位寄存器中读出串行数据的串行输出端。此输出移位寄存器可含有来自设定寄存器、通讯寄存器或数据寄存器的信息，具体是哪一个寄存器，取决于通讯寄存器中的寄存器设定位；DIN：写到片内输入移位寄存器串行数据的串行输入端。此数据是移到设定寄存器还是通讯寄存器，取决于通讯寄存器中的寄存器设定位；DVDD：数字电源。正常情况是3V或5V；DGND：数字地。2.2.4 89C52单片机模块AT89C52采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制

23、造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。片内的Flash存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失存储器编程器来编程。它是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此我选择AT89C52。主机选用89系列单片机AT89C52来实现，他提供了8K字节FLASH闪存， 256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT

24、89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。可达到运算速度快，控制功能完善。不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单、实用。其具体特点为：1 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容2 8K字节可重擦写FLASH闪存3 1000次擦写周期4 全静态操作：0Hz-24MHz5 三级加密程序存储器6 256X8字节内部RAM7 32个可编程I/O口线8 3个16位定时/计数器9 8个中断源10 可编程串行

25、UART通道11 低功耗空闲和掉电模式AT89C52提供以下标准功能：8K字节FLASH闪存，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。AT89C52的芯片管脚图如图2.6所示：图2.6 AT89C52的芯片管脚图各引脚的功能为：VCC电源电压GND地P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用

26、，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表2-2。FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表2-2 P1.

27、0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出P1.1T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）P2口P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些

28、控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能,参见表2-3。表2-3 （P3.0-P3.7）的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INTO（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4TO（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）此外，P3口还接收一些用于FLAS

29、H闪存编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP