【正文】 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 1 1 緒論 課題來源 隨著社會的進步和工業(yè)技術的發(fā)展，人們越來越重視溫度因素，許多產(chǎn)品對溫度范圍要求嚴格，而目前市場上普遍存在的溫度檢測儀器大都是單點測量，同時還有溫度信息傳遞不及時、精度不夠的缺點，不利于工業(yè)控制者根據(jù)溫度變化及時做出決定。在這樣的形式下，開發(fā)一種能夠同時測量多點，并且實時性高、精度高，能夠綜合處理多點溫度信息的測量系統(tǒng)就很有必要。 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最基本的參數(shù)之一，在日常生活和工業(yè)控制過程中，經(jīng)常需要進行多點溫度測量，并對溫度的結(jié)果進行 存儲、顯示、打印和 分析，以做出相應的處理 ,這對 于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等都有重要的作用。 多通道溫度采集系統(tǒng)設計由此應用而生，它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、精度高、存儲和顯示等優(yōu)點。 本課題以 AT89C51 單片機系統(tǒng)為核心，能對多點的溫度進行實時巡檢。各檢測單元（從機）能獨立完成各自功能，同時能夠根據(jù)主控機的指令對溫度進行定時采集，測量結(jié)果不僅能在本地顯示，而且可以利用單片機串行口，通過 RS232 總線及通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送到主 控機，進行進一步的存檔、處理。主控機負責控制指令的發(fā)送，控制 從機進行溫度采集，收集測量數(shù) 據(jù)，并對測量結(jié)果（包括歷史數(shù) 據(jù)）進行整理、顯示和存儲。主控機與 從機之間能夠相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，從而達到系統(tǒng)整體統(tǒng)一、和諧的效果。 課題的 意義和應用前景 基于溫度采集控制系統(tǒng)在現(xiàn)實生活中的重要性，國內(nèi)外一直在對溫度采集控制系統(tǒng)進行究，相應的也研發(fā)了出了各種類型的溫度采集控制芯片，同時也有了很多實際的產(chǎn)品投入生產(chǎn)應用。在溫度采集控制系統(tǒng)中，溫度傳感器是一個很重要的部分。溫度傳感器直接決定了所采集溫度數(shù)據(jù)的精確性和靈敏度，所以隨著對溫度采集控制系統(tǒng)的研究，溫度傳感器也得到了快速的發(fā)展。如今在溫度采集系統(tǒng)中，大都采用智能型溫度傳感器。 智能溫度傳感器也叫做數(shù)字溫度傳感器 [1]， 它的內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D 傳感器、信號處理器、存儲器（或寄存器）和接口電路。它具有測溫精度高、轉(zhuǎn)換時間快、分辨率高等優(yōu)點，同時智能溫度傳感器更適用于各種微處理器接口組成的自動溫度控制系統(tǒng)，具有可以克服模擬傳感器與微處理器接口時需要信號調(diào)理電路和 A/D 轉(zhuǎn)換器的弊端等優(yōu)點，能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配于各種微控制器（ MCU），并且可以通過編程來設置傳感器的功能。智能溫度傳感器被廣泛基于 PC 機的多通道溫度采集系統(tǒng)設計 2 應用于工業(yè)控制、電子測溫計、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中。其中，比較有代表性的傳感器有 DS18B MAX657 DS172 MAX6635 等。 目前，國內(nèi)外的各種溫度采集控制系統(tǒng)的技術已經(jīng)很成熟，在實際應用中也非常普遍?；趹媚康牡牟煌?，有各種類型的溫控系統(tǒng)，如：有基于微機的溫控系統(tǒng)、有基于 DSP 芯片的溫控系統(tǒng)、有基于單片機的溫度控制系統(tǒng)。雖然這些系統(tǒng)不盡相同，但它們的基本原理和完成的功能都大致一樣，主要由溫度傳感器負責采集溫度，經(jīng)過信號放大、濾波等處理后進行 A/D 轉(zhuǎn)換，把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)字信號最后送入控制系統(tǒng)進行相應的處理和顯示，系統(tǒng)根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出相應的控 制信號。近些年來，單片機技術的迅速興起并蓬勃發(fā)展，單片機具有快速、精確、抗干擾能力強等特點，所以在實際應用中，更多的是采用基于單片機的溫度控制系統(tǒng)。例如以 AT89S51 單片機為核心的加熱爐溫度采集系統(tǒng)、基于 Atmega8 的加熱控制系統(tǒng)、基于 C8051 單片機溫度采集系統(tǒng)的設計等，都是用單片機作為控制核心。 課題設計的主要內(nèi)容 以聯(lián)想 PC 機為處理器，利用數(shù)字式測溫儀 DS18B20[2]實現(xiàn)對 8 路溫度檢測；利用液晶顯示模塊 HS1286411 漢字顯示 8 路溫度，并能實現(xiàn)溫度超限報警，便于送到計算機處理系統(tǒng)， 進行必要的控制。 課題設計任務 （ 1） 采集路數(shù)， 8 路； （ 2） 溫范圍 55℃ ～ +125℃ ， 在 10～ +85℃ 時精度為 177。℃ ； （ 3） 采樣時間，每隔一秒采樣一次； （ 4） 可以通過鍵盤設置系統(tǒng)參數(shù)，用 兩 行漢字顯示溫度； （ 5） 溫度可存儲，并可實現(xiàn)和微機接口。 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 3 2 系統(tǒng)的總體設計 電氣系統(tǒng)控制方法的 選擇 微處理 器 控制 微處理器又叫中央處理部件 （ CENTRAL PROCESSING UNIT） [3]。由控制器和計算器組成。 CPU 是計算機的 “ 大腦 ” ，能控制指揮各個部件的工 作。它是一種能夠解釋指令、執(zhí)行指令并控制順序的硬件設備。 個人計算機有很強的數(shù)據(jù)處理功能和圖形顯示功能，有豐富的軟件支持，但是它們是為辦公自動化和家庭設計的，對環(huán)境的要求很高，抗干擾能力不強，一般不被用于工業(yè)現(xiàn)場控制，而且高品質(zhì)的微機價格往往很高。這也是一個不利條件。 DSP 控制 DSP（ digital signal processor） 是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為 0 或 1 的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把 數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。 DSP 芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求， DSP 芯片一般具有如下主要特點： （ 1）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； （ 2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同 時訪問指令和數(shù)據(jù)； （ 3）片內(nèi)具有快速 RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問； （ 4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； （ 5）快速的中斷處理和硬件 I/O 支持； （ 6）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器； （ 7）可以并行執(zhí)行多個操作； （ 8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 當然，與通用微處理器相比， DSP 芯片的其他通用功能相對較弱些。 信號處理的 程序 算法 復雜 繁多，這給編程帶來困難，價格相對較高。 不利于本次課 題設計。 基于 PC 機的多通道溫度采集系統(tǒng)設計 4 單 片機控制 在對電氣控制方式設計時考慮到單片機 [4]具有以 下突出特 點 : (1) 集成度高 。 單片機盡可能把實際應用所需要的 CPU、 RAM、 ROM、 I/O口及定時器 /計數(shù)器都集成在一塊芯片內(nèi)，使之成為名副其實的單片機。內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連接，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。與常規(guī)的計算機系統(tǒng)相比，具有體積小、集成度高的特點。 (2) 存儲容量大 。 采用了 16位地址總線的 8位單片機 8051可尋址外部 64KB數(shù)據(jù)存儲器和 64KB程序存儲器。有的單片機為了提高速度和執(zhí)行效率，采用了 RISC 流水線和 DSP的設計技術，使單片機的性能明顯優(yōu)于同類微處理器，單片機的尋址已突破 64KB的限制 ， 8位和 16位單片機尋址可達 1MB和 16MB。 (3) 外部擴展能力強 。 在單片機內(nèi)部的各種功能部分不能滿足應用需求時，均可在外部進行擴展 (如擴展 ROM、 RAM、 I/O口、定時 /計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等 )，給應用系統(tǒng)設計帶來極大的方便和靈活性。 (4) 控制功能強 。 采用面向控制的指令系統(tǒng)，能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制任務。為滿足控制的需要，單片機有很強的邏輯控制能力，特別是具有很強的位處理能力。單片機的邏輯控制功 能及運行速度均高于同一檔次的微型計算機?？梢苑奖愕貙崿F(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。 (5) 低電壓、低功耗 。 單片機大量應用于便攜式產(chǎn)品和家用電器產(chǎn)品，低電壓和低功耗的特性尤為重要。采用 CHMOS制造工藝，集 HMOS的高速、高集成度和 C MOS的低功耗技術于一體，使單片機的功耗進一步 降 低， 適 應電壓 范圍更 寬 (～6V)。 (6) 性能 價格 比高 。 單片機 另 一個顯 著 特點是成本低，運用靈活， 易 于產(chǎn)品 化 ，能方便地 組 成各種智能 化 的控制設 備 和儀器， 做 到機電一體 化 。因此 世界 上各大 公司在提高單片機 性能的同時，進一步 降 低 價格 ，提高性能 價格 比是各 公司競爭 的主要 策略 。 (7) 可靠性高 。 抗干擾能力強， 適 用 溫 度 范圍 寬，在各種 惡劣 的 環(huán)境 下都能可靠地工作， 這 是其 他 類 型計算機 無法 比 擬 的。 故采用單片機控制的主電路來對各個模塊進行控制 ，這也正好符合 熟悉匯編語言的編程方法和技巧 的要求。 由于 AT89C51單片機的設計時間有限其精度不是很高，它的測溫范圍在 0～ 100℃ 之間，可以直接應用在對溫度精度要求不高的各種現(xiàn)場。除此之外，考慮到測控 系統(tǒng) 會用于工業(yè)生產(chǎn)當中，可靠性要求比較重要，并要具有抗干擾能力和避免、消除干擾的能力，以 保證邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 5 系統(tǒng)平穩(wěn)工作。 溫度傳感器 的 選擇 傳感器是信號輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關鍵環(huán)節(jié)之一。由于傳感技術的發(fā)展非常迅速，各種各樣的傳感器應運而生 ，所以對傳感器的正確選用顯得尤為重要。而對微機化測控系統(tǒng)有較大影響的有： (1) 大 信 號輸出傳感器。為了與 A/D輸入要求相適應，傳感器廠家設計制造一些專門與 A/D相配套的 大 號輸出傳感器。通常是把放大電路與傳感器做成一體，使傳感器能直接輸出 0～ 5V、 0～ 10V或 0～ ，把傳感器與相應的變送器電路做成一體，構(gòu)成能輸出 4～ 20mA直流標準信號的變送器。對于大電流輸出，只要經(jīng)過簡單 I/V轉(zhuǎn)換即可變?yōu)榇蛐盘栯妷狠敵觥τ诖笮盘栯妷嚎梢越?jīng) A/D轉(zhuǎn)換，也可以經(jīng) V/F轉(zhuǎn)換送入微機，但后者響應速度較慢。 (2) 集成傳感器。集成傳感器 [1]是將傳感器與信號調(diào)理電路做成一體。例如，將應變片、應變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號調(diào)理任務。簡化通道結(jié)構(gòu)。 (3) 光纖傳感器。這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸都是通過 光導纖維實現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信號輸入通道中采用光纖傳感 器可以從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。 (4) 數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器一般都采用頻率敏感效應器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù) R、 L、 C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng) V/F轉(zhuǎn)換等，因此，數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測量精度高、抗干擾能力強，便于遠距離傳送等優(yōu)點。 鑒于數(shù)字式溫度傳感器突出的優(yōu)點，此次設計采用數(shù)字式溫度傳感器對 被測 號 進行采集。 顯示器 的 選擇 測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有：發(fā)光二極管（簡稱 LED）和液晶顯示器（簡稱 LCD） [5],在不帶微機的測控系統(tǒng)中，這些數(shù) 字顯示器通常與 BCD碼輸出的 A /D轉(zhuǎn)換器鏈接，而在微機化測控系統(tǒng)中，這些 數(shù)字顯示器通常與微機接口連接。 LED顯示器的結(jié)構(gòu)與原理 LED數(shù)碼顯示器是由若干個發(fā)光二極管組成的，當發(fā)光二極管導通時，相應的基于 PC 機的多通道溫度采集系統(tǒng)設計 6 點或線段發(fā)光， 將這些二極管拍成一定的圖形，控制不同組合的二極管導通，就可以顯示出不同的字形。單片機應用系統(tǒng)中常用的 LED顯示器為七段顯示器，再加上有一個小數(shù)點，因此可以把它稱為八段顯示器。結(jié)構(gòu)形式有共陰極和共陽極兩種，它的結(jié)構(gòu)如圖 。 共陰極是把所有的發(fā)光二極管的陰極連起來，通常接地，通過控制每一只發(fā)光二極管的陽極電平來使其發(fā)光或熄滅，陽極為高電平發(fā)光，為低電平熄滅；共陽極是把所有發(fā)光二極管的陽極連起來，通常為高電平， 通過控制每一只發(fā)光二極管的陰極電平來使其發(fā)光或熄滅，陰極為低電平發(fā)光，為高電平熄滅。 圖 (c)當中的 端在應用時作為位選端， 8只發(fā)光二極管被分為兩組，所以有兩個 端，在使用時把他們并聯(lián)起來。 abcdefgd p abcdefgdp+5V abbcdeeffggomp●12345678910 (a)共陰極 （ b）共陽極 （ c）外形圖 圖 LED 顯示器結(jié)構(gòu) 必須注意的是，在圖中的電阻并非是數(shù)碼管內(nèi)部就有的電阻，他們是需外接的限流電阻，如果不限流將造成發(fā)光二極管的燒毀。限流電阻的取值一般使流經(jīng)發(fā)光二極管的電流在 10～ 20mA,由于高亮度數(shù)碼管的使用，電流還可以取得小一些。 液晶顯示器 液晶顯示器是一種功耗極低的顯示器件。近年來，液晶顯示技術發(fā)展十分迅猛，市面上出現(xiàn)了各種各樣的 LCD顯示板。液晶顯示器具有低壓微功耗、平 板型結(jié)構(gòu)、顯示信息量大、沒有地磁輻射、壽命長等特點，已經(jīng)越來越廣泛地用在各種智能儀器儀表中。 液晶顯示器主要有筆端型，點陣字符型和點陣圖形型等三種形式。筆端型通常有 7段、 8段、 9段、 14段和 16段等，主要用來顯示數(shù)字、西文字母或某些字符，這邵陽學院畢業(yè)設計（論文）