温度采集系统设计(2015-6-28 18-53-55)

1、课程设计(论文)题 目 名 称 温度采集系统设计 课 程 名 称 智能仪器 学 生 姓 名 龙宇豪 学 号 1241203042 系 、专 业 电气工程系12测控技术与仪器 指 导 教 师 王跃球 2015年 6月 25日邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业12测控学生姓名龙宇豪学 号1241203042题目名称温度采集系统设计设计时间2015年6月15日2015年6月26日课程名称智能仪器设计课程编号1212012010设计地点智能仪器及开发实验室创新实验室（214）（305）一、 课程设计（论文）目的课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。现代测控技术课程设

2、计，要求学生更多的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 智能仪器设计课程设计是继电子技术、和单片机原理与应用课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程“电子技术基础”、“智能仪器设计”的基本知识，独立进行智能仪器设计及开发工作。二、 已知技术参数和条件运用所学单片机及智能仪器设计知识，设计一个花木温室的温度采集系统。三、 任务和要求设计一个花木温室的温度采集系统。每10分钟测温一次，24小时连续采集，数据存入内存。每隔24小时把数据输出给电平记录仪并画出24小时中的温度变化曲线，接着再进行下一次测温循环。注：1此表由指导教师填写，经系、

3、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）已学的数字电子技术、模拟电子技术、单片机技术、智能仪器设计创新实验室智能仪器及开发实验室五、进度安排2015年6月15日-17日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求总体方案设计2015年6月18日-21日：硬件电路设计2015年6月22日-23日：软件设计2015年6月23日-24日：系统调试改进2015年6月25日：整理书写设计说明书2015年6月26日：答辩并现场考核六、教研室审批意见教研室主任（签名）： 年 月 日七|、主管教学主任意见 主

4、管主任（签名）： 年 月 日八、备注指导教师（签字）： 学生（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名 龙宇豪 学 号 1241203042 系 电气工程系 专业班级 12测控技术与仪器 题目名称 温度采集系统设计 课程名称 智能仪器 一、学生自我总结通过这次课程设计，我学习到许多，同时，也加深了同学友谊。而且这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，仅有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正做出具有实际使用价值的东西，才不至于只是纸上谈兵。当然，在设计的过程中也发现了自己的一些不足之处，像对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固等。

5、0;    在设计中我遇到过很多的问题，最后在王老师的辛勤指导下，都迎逆而解。在此，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师表示忠心的感谢！ 学生签名： 年 月 日 二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权 重304030单项成绩指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。摘要现代社会是一个自动化程度高度集中的时代，我们的日常生活、生产不开各种各样形形色色的机器，温度是影响机器运转的一个很重要的参

6、数，它影响着各种仪器的使用，它的测量与控制对人类日常生活、工业生产、农业生产、气象预报等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时获得目标的温度信息是十分重要的。近年来，温度控制领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向，现在温度控制智能化正处于起步阶段，所以，设计一个温度控制系统具有广泛的应用价值与实际意义。本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。温度是我们日常生产和生活中实时在接触到的物理量，但是它是看不到的，仅凭感觉只能感觉到大概的温度值，传统的指

7、针式的温度计虽然能指示温度，但是精度低，使用不够方便，显示不够直观，数字温度计的出现可以通过将模拟信号转化为数字信号，通过单片机对温度的实时测量让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少度。关键词： A/D转换、智能仪器、单片机 目录摘要.1绪论.1 1.1课题研究背景.1 2总体设计.22.1系统设计.22.2LED显示路.32.3温度测量电路.33硬件设计.43.1电路设计.43.2主控制板模块.53.3显示模块.73.4温度采集模块.83.5报警模块.114仿真.124.1仿真的概述.124.2仿真结果.12总结.14参考文献.15程序.161绪论1.1课题研究背景温度与人们的

8、生存生活生产息息相关。从古人类的烧火取暖，到今天的工业温度控制，处处都体现了温度控制。随着生产力的发展，人们对温度控制精确度要求也越来越来高，温度控制的技术也得到迅速发展。各种温度控制算法如：PID温度控制，模糊控制算法，神经网络算法，遗传算法等都应用在温度控制系统中。传统的温度控制器多由继电器组成的，但是继电器的触点的使用寿命有限，故障率偏高，稳定性差，无法满足现代的控制要求。而随着计算机技术的发展，嵌入式微型计算机在工业中得到越来越多的应用。将嵌入式系统应用在温度控制系统中，使得温度控制系统变得更小型，更智能。随着国家的“节能减排”政策的提出，嵌入式温度控制系统能够降低能耗，节约成本这一优

9、点使得其拥有更加广阔的市场前景，而PLC就是最具代表性的一员。目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极重要的实际意义。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪50年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难以控制滞后

10、、复杂、时变温度系统。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。 国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。2总体设计2.1系统设计花木温室温度采集系统的组成基于两个方面：单栋花木温

11、室温度采集系统和连栋花木温室温度采集系统。后者建立在前者的基础之上，前者适用于个体经营的现状。对于小规模花木温室温度采集系统，设置了独立的控制和显示等功能，并设置了RS-232和RS-485通讯口，以便和上位机通讯，实现了集散控制系统，其模式如下图。另外，在设计过程中考虑到农业生产的特点，每个温室生产重建和生产场地的变化，也增加了系统的通用性，扩大了适用范围。整个花木温室温度采集系统框图如2.1。根据题目要求系统模块可以划分为：键盘模块、温度测量模块、显示模块、报警模块。为实现各模块的功能，分别设计各模块的方案进行控制。温室采集系统内部结构如图2.1所示。图2.1 温室内部温度采集系统结构温度

12、采集系统整体设计如图2.2所示。图2.2温度采集系统整体设计2.2 LED显示电路（1）使用静态显示，这种方法不需要外加驱动，直接与单片机接口相连，不需要单独的程序来完成显示，但需要的I/O口较多。（2）使用动态显示，节约了I/O口，但需要外加驱动，增加输出电流来更好地驱动数码管显示，电路简单，成本稍高，需要特定的编程来完成动态刷新。本设计中选用动态显示，因为没有太多的输出口来完成静态显示。2.3温度测量电路(1)传统的利用物体热胀冷缩原理的方法。 (2)利用热电效应的方法。此方法制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方

13、便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。它的缺点是线性不好，冷端需要温度补偿。 (3)利用热阻效应的方法。 (4)利用热辐射原理。  (5)利用声学原理的测量方法。 (6)晶体管测温器件。 (7)光纤温度检测技术。 (8)激光温度检测技术。 (9)微波温度检测器是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。 (10)在单片机电路设计中，大多使用的是传感器，所以选用温度传感器。通过几种温度测量电路的比较可以看出方案十不仅电路简单，而且软件设计也相对比较简单。故温度测量电路采用方案十。3硬件设计3

14、.1电路设计在本设计中控制器采用单片机AT89C51，温度传感器选用DS18B20，用4位LED数码管以并口循环点亮来显示温度。总体电路设计如图3.1。图3.1 总体电路设计其中，P1.0至P1.7口连接四位数码管的ABCDEFG，DP口。P2.0至P2.3分别连接四位数码管的片选电路。P2.4口连接温度传感器的串行数据口。3.2 主控制模块3.2.1单片机AT89C51展示本方案的主控制模块是由AT89C51单片机控制。单片机如图3.2所示图3.2 单片机AT89C51AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定

15、时/计数器，一个5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，AT89C51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的工作，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它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.2.2单片机最小模块单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。振荡电路原理图如图3.3所示。(1)振荡电路单片机最小系统振荡电路如图3.3所示。图3.3 单片机最小系统振荡电路(2)复位电路复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。上电复位：S

16、TC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。单片机最小系统电路如图3.4所示：图3.4 单片机最小系统复位电路如图3.5所示：图3.5 单片机最小系统复位电路3.3 显示模块3.3.1 LED显示电路LED显示模块采用四位的数码管显示

17、，分别显示检测到的温度数据，保留小数点后两位。数码管显示电路如图3.6所示。 图3.6 四位数码管显示7段数码管由八个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二级管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。如图3.7所示图3.7 7段数码管的结构与工作原理3.3.2 LED片选模块本方案由于有四位数码管，因此必须有选择性的程序或器件。我们在本设计中，我们采用PNP三极管。LED片选电路如图3.8所示。图3.8 LED片选电路3.4温度采集模块温度采集模块电路图如图3.9所示。图3.9 温度采集电路DS18B20概述(1) DS18B20性能DS18B20的外形及管脚排列如下图3.10。图3

18、.10 DS18B20的外形及管脚排列DS18B20引脚定义如下：DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图3.11 DS18B20内部结构图(2)DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值

19、将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。(4) DS18B20特点DS18B20独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源 测量温度范围为-55 ° C至+125 。华氏相当于是-67 ° F到257华氏度 -10 ° C至+85

20、 ° C范围内精度为±0.5 ° C温度传感器可编程的分辨率为912位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置，应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计、或任何热敏感系统描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数)。由于DS18B20是一条口线通信，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。 因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用

21、途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。DS18B20采用一线通信接口。因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先提供以下功能命令之一：1 )读ROM，2 )ROM匹配，3 )搜索ROM，4 )跳过ROM，5 )报警检查。这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有的设备。若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。测量结果将被放置在DS18B20内存中，并可以让阅

22、读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM 的数据。如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。通过缓存器读寄存器。所有数据的读，写都是从最低位开始。3.5 报警模块本设计中的报警装置采用蜂鸣器报警。报警电路如图3.12所示。图3.12 蜂鸣器报警电路 (1)蜂鸣器发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流

23、/方波）等。这些都可以根据需要来选择。(2)续流二极管蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管提供续流。否则，在蜂鸣器两端会产生几十伏的尖峰电压，可能损坏驱动三极管，并干扰整个电路系统的其它部分。(3)滤波电容滤波电容C1的作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可改善电源的交流阻抗，如果可能，最好是再并联一个220uF的电解电容。(4)三极管三极管Q1起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM 输出口直接驱动，另一种是利用I/O 定时翻转电平产生驱动波形

24、对蜂鸣器进行驱动。4仿真4.1仿真的概述PROTEUS是英国Labcenter Electronics公司开发的多功能EDA软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。由于PROTEUS丰富的元器件模型、对处理器的支持、多样的虚拟仪器、强大的图表分析功能和与第三方集成开发环境的无缝集成，已被公认为电类教学与实验的巨大资源，得到越来越多的高校的认同，并在教学实践中取得了明显效果。 4.1.1

25、0;Proteus软件的构成  Proteus包括Proteus VSM（Proteus虚拟系统模型）和Proteus PCB Design（Proteus印制电路板设计）两大部分。该软件运行于Windows操作系统上，主要特点是： 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：80

26、51/52系列、 支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil、C51、uVision2、MPLAB、IAR等软件。具有强大的原理图绘制功能。 总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。4.1.2 单片机的作用 一、配合集成开发环境使用仿真器可以对单片机程序进行单步跟踪调试，也可以使用断点、全速等调试手段，并可观察各种变量、RAM及寄存器的实时数据，跟踪程序的执行情况。同时还可以对硬件电路进行实时的调试。 二、利用单片机仿真器可以迅速找到并排除程序中的逻辑错误，大大缩短单片机开发的周期。在现场只利用烧录器反复烧写单片机，而通过肉眼观察结果进行开

27、发的方法大大增加了调试的难度，延长了整个开发周期，且不易发现程序中隐含的错误。 三、对初学者来说，降低了调试与开发难度。非常有利于初学者学习。4.2 仿真结果单片机加载如程序之后（程序如附录所示），仿真结果如图4.1所示。(a)采集的温度为14.93°图4.1花木温室温度采集系统仿真(b)采集的温度为15.12°总结这次课程设计设计让我受益匪浅。通过这次设计我对自己在这一学期时间里所学的知识得到了全面的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对课程设计的思考及书面表达能力，最终完成了这份论文。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和

28、解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。通过这次课程设计设计我发现，只有理论水平提高了，才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。这个设计十分有意义 我获得很深刻的经验。通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结

29、合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。参考文献1  高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京: 电子工业出版社, 2002.2  康华光. 电子技术基础(模拟部分, 第4版). 北京: 高等教育出版社, 1999.3  康华光. 电子技术基础(数字部分, 第4版). 北京: 高等教育出版社,

30、60;1999.4  张国雄. 测控电路. 北京: 机械工业出版社, 2000.5  常用电子元器件简明手册.程序ORG 0000HLJMP STARTORG 001BHLJMP CLOCKORG 0100H DISBUF EQU 30H ;显示数字缓冲首地址 SECBUF EQU 21H ;秒缓冲 MINBUF EQU 22H ;分缓冲 HOUBUF EQU 23H ;时钟缓冲 BUF EQU 20H ;0.1S 秒缓冲START:MOV BUF,#00H ;0.1S 秒缓冲清 0 MOV MINBUF ,# 0

31、0H MOV SECBUF ,#00H MOV HOUBUF,#00H ;时钟设置 MOV TMOD ,#10H ;设置 T1 工作于定时方式 2 MOV TL1,#0B0H MOV TH1,#3CH ;写 0.1S 的时间常数 SETB EA ;开放 CPU 中断 SETB ET1 ;开放 T1 中断 SETB TR1 ;允许 T1 工作DISP1:MOV R0,#DISBUF ;显示数字存放首地址 MOV A, SECBUF ;取小时高为数字 ANL A, #0FH MOV R0, A ;小时高位数字存放 INC R0 ;指向下一个单元 MOV A, SECBUF ANL A, #0F0H SWAP A MOV R0 ,A ;小时低位数字存放 INC R0 MOV A, MINBUF ANL A, #0FH MOV R0 , A ;分钟高为数字存放 INC R0 MOV A, MINBUF ANL A, #0F0H SWAP A MOV R0, A ;分钟高为数字存放 INC R0 MOV A, HOUBUF ANL A, #0FH MOV R0 ,A ;秒钟高为数字存放 INC R0 MOV A, HOUBUF ANL A ,#0F0H SWAP A MOV R0 ,A ;秒钟高为数字存放 LCALL DISPLAY SJMP DIS