【正文】 高精度溫度巡檢儀設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄1 緒論 1 課題研究的背景及目的 1 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 2 論文的主要研究?jī)?nèi)容： 32 方案設(shè)計(jì)與選擇 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 4 設(shè)計(jì)方案 4 4 方案二 4 方案三 4 方案比較論證 53 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 6 單片機(jī)主控制模塊 6 單片機(jī)選型 6 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 9 溫度信號(hào)處理模塊 10 溫度傳感器選型 10 Pt100測(cè)溫原理 10 溫度信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 11 多路選擇器模塊 11 多路選擇器選型 11 多路選擇器電路設(shè)計(jì) 12 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 12 A/D轉(zhuǎn)換器選型 12 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 19 溫度顯示模塊 21 報(bào)警及鍵盤輸入模塊 22 電源模塊 224 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 25 主程序設(shè)計(jì) 25 溫度信號(hào)處理子程序設(shè)計(jì) 27 顯示子程序設(shè)計(jì) 28 八位數(shù)據(jù)倒序處理子程序設(shè)計(jì) 28 A/D7705讀出子程序設(shè)計(jì) 29 A/D7705初始化子程序設(shè)計(jì) 29 單通道溫度查詢顯示子程序設(shè)計(jì) 295 調(diào)試與仿真 30結(jié) 論 32致 謝 33參考文獻(xiàn) 34附 錄 35附錄A 35附錄B 49附錄C 501 緒論 課題研究的背景及目的隨著“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段——傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。很多機(jī)械部件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種非常溫環(huán)境下負(fù)載運(yùn)行。特別是航空、航天、核工程、化工和動(dòng)力等部門的很多設(shè)備、機(jī)械處于高溫或低溫下工作，特別在高溫環(huán)境中，測(cè)量條件很惡劣，一般的變形測(cè)量?jī)x表難于接近高溫，采用專門的電阻傳感器在非常溫環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量是現(xiàn)實(shí)可行的一種方法。傳感器能把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的測(cè)量裝置，滿足信息的記錄、顯示、傳輸、處理和控制等要求。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和控制的首要環(huán)節(jié), 在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、 航空航天、能源交通、土建結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護(hù)及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域,各種傳感器在檢測(cè)各種參數(shù)方面起到十分重要的作用。此外，用于工廠自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的機(jī)械手或機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)高精度在線測(cè)量，保證產(chǎn)品的質(zhì)量,因此國(guó)內(nèi)外已普遍重視各種傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用。傳感器技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中溫度的測(cè)量具有本身獨(dú)特的特點(diǎn)：（1）溫度的測(cè)量環(huán)境惡劣，常伴有巨大的沖擊力或高溫氣體的高速流動(dòng)，測(cè)量技術(shù)難度非常大。（2）測(cè)溫環(huán)境半徑大，覆蓋面廣，系統(tǒng)大，造成了測(cè)點(diǎn)分散。（3）許多工業(yè)產(chǎn)品對(duì)溫度范圍要求嚴(yán)格，對(duì)溫度不僅要不斷地測(cè)量而且還要進(jìn)行控制。特別是遇到溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，要求系統(tǒng)會(huì)報(bào)警。在溫度巡檢儀沒(méi)有普及之前，溫度計(jì)測(cè)溫被人們運(yùn)用在大多數(shù)溫度測(cè)量場(chǎng)合。由于溫度計(jì)本身的結(jié)構(gòu)和功能所限，它只能對(duì)一些要求精度不高的地方進(jìn)行粗略檢測(cè)，對(duì)于一些要求嚴(yán)格控溫的場(chǎng)合沒(méi)有辦法檢測(cè)。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和對(duì)生產(chǎn)管理的自動(dòng)化水平的高要求，人們開(kāi)始關(guān)注具有溫度自動(dòng)巡檢功能的多路溫度巡檢儀。多路溫度巡檢儀的出現(xiàn)和發(fā)展順應(yīng)了時(shí)代和工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的革新。它是由溫度傳感元件、轉(zhuǎn)換元件、顯示元件和控制元件構(gòu)成。其測(cè)溫原理是：多個(gè)傳感器的輸出電參數(shù)跟隨溫度的變化而變化，輸出并變換成統(tǒng)一規(guī)格的電信號(hào)，由多路數(shù)據(jù)選擇器選通，以采樣、量化、編碼和必要的輔助運(yùn)算方法將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。再經(jīng)數(shù)字電路或微處理器及外圍電路處理后，在顯示元件上輸出對(duì)應(yīng)的溫度值。重復(fù)上述過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)輪流周期性地采集被測(cè)信號(hào)并顯示。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際需求，也可以進(jìn)行單通道溫度的查詢與顯示。 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)我國(guó)儀器儀表行業(yè)總體的技術(shù)水平與國(guó)際水平相差l0～15 年, 少數(shù)產(chǎn)品接近或達(dá)到了國(guó)際水平。近年來(lái)。我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng), 儀器儀表產(chǎn)品需求旺盛, 行業(yè)發(fā)展迅速。但在高技術(shù)、高附加值的產(chǎn)品方面和國(guó)外相比還有較大差距, 其主要體現(xiàn)在流程工業(yè)用儀器儀表和自動(dòng)化系統(tǒng)方面。信息技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的向前發(fā)展, 近年來(lái), 計(jì)算機(jī)科學(xué)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及, 導(dǎo)致了儀表的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等都發(fā)生了突破性的變化, 形成了一類具有普通儀表的基本功能,又有一般儀表所沒(méi)有的特殊功能的高檔低價(jià)儀表。工業(yè)自動(dòng)化儀表重點(diǎn)發(fā)展基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主控系統(tǒng)裝置及智能化儀表、特種和專用自動(dòng)化儀表。 全面擴(kuò)大服務(wù)領(lǐng)域, 推進(jìn)儀器儀表系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化, 完成自動(dòng)化儀表從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變。 智能化。從工業(yè)自動(dòng)化儀表的發(fā)展趨勢(shì)看, 智能化是其核心部分, 所謂智能化表現(xiàn)在其具有多種新功能。在工控方面, 過(guò)去控制的算法, 只能由調(diào)節(jié)器或DCS 來(lái)完成, 如今一臺(tái)智能化的變送器或者執(zhí)行器, 只要植入PID模塊, 就可以與有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)儀表在一起, 在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。 從而實(shí)現(xiàn)控制的徹底分散, 從而減輕了DCS 主機(jī)的負(fù)擔(dān), 使調(diào)節(jié)更加及時(shí), 并提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。 高精度化。由于工業(yè)生產(chǎn)對(duì)成品質(zhì)量的要求日益提高, 國(guó)家的政策和法令對(duì)節(jié)能減排也有具體的要求和規(guī)定, 因此提高測(cè)量?jī)x表與控制系統(tǒng)的精度就被提上了議事日程。 總線化。過(guò)程控制系統(tǒng)自動(dòng)化中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通常稱為現(xiàn)場(chǎng)儀表?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用, 使組建集中和分布式測(cè)試系統(tǒng)變得更為容易。目前現(xiàn)場(chǎng)總線已成為全球自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的重要表現(xiàn)形式, 它為過(guò)程測(cè)控儀表的發(fā)展提供了千載難逢的發(fā)展機(jī)遇, 并為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的高精度、高穩(wěn)定、高可靠、高適應(yīng)、低消耗等方面提供了巨大動(dòng)力和發(fā)展空間。 網(wǎng)絡(luò)化?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù), 使自動(dòng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò), 成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層, 可使智能儀表的作用得以充分發(fā)揮。 開(kāi)放性。現(xiàn)在的測(cè)控儀器越來(lái)越多采用以Windows/CE、Linux、VxWorks 等嵌入式操作系統(tǒng)為系統(tǒng)軟件核心和高性能微處理器為硬件系統(tǒng)核心的嵌入式系統(tǒng)技術(shù), 未來(lái)的儀器儀表和計(jì)算機(jī)的聯(lián)系也將會(huì)日趨緊密,Agilent 公司表示儀器儀表設(shè)備上應(yīng)當(dāng)具備計(jì)算機(jī)的所有接口, 如USB 接口、打印機(jī)接口、局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口等, 測(cè)量的數(shù)據(jù)也應(yīng)通過(guò)USB 接口存儲(chǔ)在可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中, 使用這樣的儀器儀表設(shè)備和操作一臺(tái)簡(jiǎn)易電腦簡(jiǎn)直是如出一轍。齊備的接口可連接多種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀表或執(zhí)行器設(shè)備, 在過(guò)程控制系統(tǒng)主機(jī)的支持下, 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形成具有特定功能的測(cè)控系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了多種智能化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備的開(kāi)放式互連系統(tǒng)。 論文的主要研究?jī)?nèi)容：第一章 對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)做了概覽介紹，討論了課題研究的意義，國(guó)內(nèi)外研究的動(dòng)態(tài)。第二章 介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)方案與方案選擇。第三章 首先介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，接著詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的硬件選型、硬件介紹與硬件電路設(shè)計(jì)，最后給出了系統(tǒng)連接圖，并分析了系統(tǒng)的工作原理。第四章 在軟件方面首先對(duì)主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并繪制流程圖。接著詳細(xì)介紹各模塊的程序設(shè)計(jì)，并繪制流程圖。第五章 系統(tǒng)調(diào)試。2 方案設(shè)計(jì)與選擇 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求8路溫度巡檢儀可以測(cè)量0～300℃范圍內(nèi)的8路輸入溫度值，并能在5位LED數(shù)碼管上輪流顯示，最高位顯示通道數(shù)?！妗］喠黠@示8通道溫度，可以查詢單通道溫度并顯示。 設(shè)計(jì)方案 方案一采用熱電偶溫差電路測(cè)量溫度，溫度檢測(cè)部分可以使用低溫?zé)崤?，熱電偶由兩個(gè)焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種金屬的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成。通過(guò)將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測(cè)量該電壓，便可推斷出檢測(cè)結(jié)點(diǎn)的溫度。數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有 A/D 通道的單片機(jī)，在將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過(guò)來(lái)，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來(lái)。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，且體積小，但是一般的 A/D 輸入通道都只能接收大信號(hào)，所以還要設(shè)計(jì)相應(yīng)的放大電路。此方案的軟件簡(jiǎn)單，但硬件復(fù)雜，且檢測(cè)點(diǎn)數(shù)追加時(shí)，各敏感元件參數(shù)的不一致，都將會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，難以完全清除，而且成本會(huì)有較大增長(zhǎng)幅度[1]。 方案二采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20 測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路。DS18B20 的最大優(yōu)點(diǎn)是之一是采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì) DS18B20 和微控制器 AT89S52 構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，可直接與計(jì)算機(jī)連接。這樣，測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單，體積也不大。采用 52 單片機(jī)控制，軟件編程的自由度大，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便[2]。 方案三采用熱電阻Pt100的電橋電路測(cè)量溫度，數(shù)據(jù)采集部分使用八選一數(shù)據(jù)選擇器CD4051，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換使用A/D轉(zhuǎn)換器A/D7705。電橋?qū)㈦娮璧淖兓D(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，換算出相應(yīng)溫度。Pt100溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：精度高，測(cè)溫范圍廣，一般可測(cè)200℃～650℃，在工業(yè)測(cè)溫上應(yīng)用廣泛，而且可以通過(guò)引線將鉑電阻置于需要測(cè)量溫度的環(huán)境中，滿足不同點(diǎn)不同溫度測(cè)量的需求。同時(shí)，A/D7705解決了對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行放大和數(shù)字處理，而不需要另外增加信號(hào)放大濾波電路[3]。 方案比較論證從以上三種方案，很容易看出方案一的測(cè)溫裝置可測(cè)溫度范圍寬，但是線性誤差較大，外圍電路復(fù)雜。方案二電路簡(jiǎn)單、精確度較高、信號(hào)易于處理、傳送和自動(dòng)控制，但是DS18B20傳感器測(cè)溫范圍為55℃～+125℃，測(cè)溫范圍偏窄。方案三外圍電路不是太復(fù)雜，測(cè)溫范圍廣，Pt100的電阻—溫度線性關(guān)系好。故本次設(shè)計(jì)采用方案三。五位LED數(shù)碼管八路Pt100鉑熱電阻電橋CD4051八選一數(shù)據(jù)選擇器AT89S52單片機(jī)A/D7705模數(shù)轉(zhuǎn)換元件SS2按鍵控制 系統(tǒng)總體方框圖該系統(tǒng)主要由七個(gè)模塊組成，分別為AT89S52單片機(jī)主控制模塊、溫度信號(hào)處理模塊、多路選擇器模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、溫度顯示模塊、按鍵輸入模塊和電源模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由集成電路A/D7705組成，數(shù)據(jù)選擇開(kāi)關(guān)由CD4051組成，由地址線決定對(duì)哪一路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。擴(kuò)展的外圍芯片采用串行接口芯片,使整個(gè)系統(tǒng)體積小、功耗低，有極好的可維護(hù)性和較強(qiáng)的抗干擾性能。單片機(jī)晶振為12M，A/D7705的時(shí)鐘線接單片機(jī)的ALE端，它將產(chǎn)生2M的時(shí)鐘。單片機(jī)P0口為數(shù)碼管的段碼，P2口為位選，采用串行通信的方式0進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀入。3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)主控制模塊 單片機(jī)選型單片機(jī)選用AT89S52。AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器，8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash[4]。AT89S52單片機(jī)有2根主電源引腳，2根外接晶振引腳，4根控制引腳，32根可編程輸入/輸出引腳，總共40根引腳。每根引腳都具備指定的功能。 主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源。GND(Pin20)：接地線 外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：內(nèi)部振蕩器反向放大器的輸入端，當(dāng)采用外接振蕩源時(shí)，此引腳接地。XTAL2(Pin20)：內(nèi)部振蕩器反向放大器的輸入端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)采用外接振蕩源時(shí)，此引腳接外部振蕩信號(hào)。 控制引腳（4根）RST(Pin9)：當(dāng)振蕩器工作時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平（由低到高跳變），使單片機(jī)復(fù)位。在VCC掉電期間，該引腳可接上備用電源，由VPD向內(nèi)部RAM提供備用電源，以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。ALE/PROG (Pin30)：地址鎖存允許輸出。在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器工作時(shí)，ALE為低8位地址鎖存允許輸出信號(hào)。在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器未工作時(shí)，ALE輸出頻率為振蕩頻率1/6的固定頻率，可以用于外部時(shí)鐘或外接定時(shí)器。但當(dāng)執(zhí)行片外數(shù)據(jù)存取指令時(shí)，將少一個(gè)ALE脈沖。對(duì)于內(nèi)置了EPROM的單片機(jī)，在寫(xiě)EPROM時(shí)，通過(guò)ALE接收編程脈沖（PROG 功能）PSEN (Pin29)：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端。在讀取片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的指令時(shí)，PSEN 在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)2次有效，但每次訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，要少2個(gè) PSEN 脈沖；在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的指令時(shí)，PSEN 無(wú)效。EA/VPP (Pin31)：當(dāng)EA/VPP為高電平且PC值小于0FFFH（4KB）時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中的程序；當(dāng)EA /VPP為低電平時(shí)，CPU執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器中的程序。 可編程輸入/輸出引腳（32根）P3口（Pin10～Pin17）：是一個(gè)帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，～?？梢则?qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載，不用外接上拉電阻即可驅(qū)動(dòng)MOS輸入。除此以外，P3口還提供了一些第二功能， AT89S52單片機(jī)P3口的第二功能引腳第二功能說(shuō)明RXD串行數(shù)據(jù)接收TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送INT0外部中斷0請(qǐng)求INT1外部中斷1請(qǐng)求T0定時(shí)器0外部事件計(jì)數(shù)輸入T1定時(shí)器1外部事件計(jì)數(shù)輸入WR外部RAM寫(xiě)選通RD外部RAM讀選通P2口（Pin21～Pin28）：是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向I/O口，～。 引腳上拉電阻同P1口，在結(jié)構(gòu)上P2口比P1口多一個(gè)輸出控制部分。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口作