游泳池水温测试系统

1、课程设计说明书 题目：室内游泳池水温测试系统院（系） 机电工程学院 专 业 机械制造及其自动化 课 程 工程测试课程设计 班 级 120202 姓 名 淡琳尧 学 号 120202103 导 师 强怀博 2015年 6 月 18日工程测试技术课程设计任务书（ 20142015学年 第 2 学期）课 题 名 称 室内游泳池水温测试系统设计适用专业机械设计制造及其自动化班级120202课程设计时间 2015年 6 月 15日起 2015年 6 月 19 日止1 课题内容简介及要求完成*测试系统总体设计及测试信号处理部分设计。主要内容是：（1） 总体方案的确定。仔细分析给出的系统功能与参数，拟定总体

2、方案。（2） 传感器的选择。根据被测量的要求合理选择传感器，根据需要进行传感器的结构设计或安装布局设计。（3） 信号调理电路设计。根据传感器输出信号的特点对信号进行处理，将信号转换成数字信号，完成电路原理图的设计，并按要求撰写说明书。 设计扩展要求： （1） 显示电路的设计；（2）输出控制电路的设计。2. 主要设计参数此款系统主要针对室内游泳池水温检测控制，检测水温25到28摄氏度。3 进度安排 设计准备0.5天 (包括题目讲解说明1小时) 总体方案设计1天 传感器的选择1天(包括传感器的结构设计或安装布局设计) 测试电路的设计1天 撰写设计说明书0.5天 答辩1天4. 工作量要求说明书字数：

3、0.8-1万字图纸工作量：传感器结构示意图或安装布局示意图1张 电路图1张指导教师 强怀博 2015 年 6 月 15 日目录1. 绪论-1 1.1.目的背景意义-1 1.2.发展状况-2 1.3.设计研究内容-32. 设计-4 2.1.总体方案设计-4 2.2.1.传感器的选择-5 2.2.2.传感器电路模块-6 2.2.3.A/D变换电路模块-10 2.2.4.报警与控制电路设计-13 2.2.5.LED显示电路设计-14 2.2.6.温度检测电路设计-163.结论-174.参考文献-181 绪论1.1温度控制系统的背景目的及其意义： 随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应

4、用，智能化已是现代温度测试系统发展的主流方向。温度检测系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。温度检测系统应用十分广阔。温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。 测量控制的作用是

5、从生产现场中获取各种参数，运用科学计算的方法，综合各种先进技术使每个生产环节都能够得到有效的控制，不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。所以，测量控制技术已经被广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和纺织等行业。  单片机以其集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉等优势，在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到了广泛的应用，特别是单片机技术的开发与应用，标志着计算机发展史上又一个新的里程碑。作为计算机两大发展方向之一的单片机，以面向对象的实时控制为己任，嵌入到如家用电器、汽车、机器人、仪器仪表等设备中，使

6、其智能化。目前国内外各大电气公司，大的半导体厂商正在不断的开发、使用单片机，使其无论在控制能力，减小体积，降低成本，还是开发环境的改善等方面，都得到空前迅速的发展。单片机通常是通过输入信道将温度传感器感受到的被控对象当前温度转变为数字量并输入到单片机内，单片机求出输入的当前温度值与设定值的偏差，并根据该偏差进行PID运算，最后根据PID运算的结果，本系统是利用单片机来实现温度的控制,针对于现在城市中室内游泳池水温的控制。1.2游泳池水温测试系统发展状况： 现如今人们的生活水平日益提高，注重生活质量，通过调查走访，发现如今在城市里大多数室内游泳池温度检测采用传统水 银温度计或是直接采用人的感觉，

7、这样做要么很不规范，要么麻烦，又或者采集数据不准确，费时费力反而达不到预期方案。针对此问题本次设计着手设计一款适合于室内游泳池的温度检测系统，此款游泳池温度监测系统结构简单，是一款既实用又廉价的控制系统。1.3设计研究内容： （1）、本设计系统采用单片机系统进行采集与控制，温度信号有热电阻温度传感器采集输入单片机，主要控制器能对各温度监测器通过LED进行显示。 （2）、该温度测试系统实现的功能：利用温度传感器DS18B20采集到当前游泳池中当前水温，通过单片机进行控制，最后通过LED数码管以串行口数据实现当时水温数据显示。可通过按键输入一个温度范围，大约为25到28摄氏度。（标准游泳池水温一般

8、在25摄氏度到28摄氏度） （3）、将当时游泳池内水环境温度数据与所设置数据进行比较，当水温低于设置温度，该系统控制加热系统对游泳池内水进行加热，是温度到达设置值内，加热停止，当水温高于设置温度，该系统控制加热系统停止加热。2 系统设计 2.1总体方案设计： 温度测量模块主要为温度测量电桥，当温度发生变化时，电桥失去平衡，从而在电桥输出端有电压输出，但该电压很小。经过集成放大器放大，将放大后的信号输入AD转换芯片，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。 图2.1结构框图 该温度传感器系统硬件原理图如上图所示，由热电阻传感器测的外界温度

9、，经过信号放大，然后送给模数转换，将原有的模拟信号转换为可以贝单片机识别和运算的数字信号，然后在通过软件编程通过显示电路显示出来当前所测得的温度。它的各部分电路说明如下： （1）、测温模块：该部分电路主要使用测温电桥，当温度变化时，电桥处于不平衡状态，从而输出不平衡电压，为测温的基础。 (2)、信号处理部分：该部分电路包括电压信号的放大和AD转换，实现模数变换，以及硬件滤波。 (3)、单片机部分：本实验采用8051单片机，其工作在最小模式下，主要任务有：控制AD0809进行模数转换、形成必要的时序、进行数据计算以及控制数码管显示。 (4)、电源电路部分：该部分电路负责将输入的9V12V直流电，

10、分别转换为稳定的9V、5V、-9V直流电，给传感器，放大电路，单片机，AD0809等供电。 (5)、显示电路：显示电路的作用是将测量的温度利用动态数码管实时显示出来。2.2.1传感器的选择：  测量温度的传感器很多，常用的有热电偶，热电阻，集成温度传感器。 方案一：采用热敏电阻，热敏电阻的主要特点是： （1）、灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化； （2）、工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-273-55； （3）、体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及

11、生物体内血管的温度； （4）、使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择； （5）、易加工成复杂的形状，可大批量生产； （6）、稳定性好、过载能力强。可满足水温的测量，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差，对于检测1的温度信号是不使用的。 方案二：采用温度传感器AD590.AD590具有较高精度和重复性（重复性优于0.1）。它的输出为与开氏温度成正比的恒流信号，灵敏度为1µA/K。 方案三：采用热电偶。其优点为： （1）、测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 （2）、测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（

12、如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 （3）、构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 方案四：采用数字可编程温度传感器作为温度检测元件。 数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。不需要将 温度传感器的输出信号接到A/D转换器上，减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积。美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。“一线总线”独特而且经济的特点，

13、使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C+125°C，在-10+85°C范围内，为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小它还有

14、很多特性：适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，寄生电源方式下可由数据线供；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温范围55125，在-10+85时精度为±0.5；可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12

15、位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 本系统采用方案一热敏电阻。2.2.2传感器电路模块：  （1）测温电桥及信号放大电路图： 图2.2 测温电桥及信号放大电路图上图是一个比较常用的温度测量电路，大致分为电源，电阻电桥，运放，输出部分。电源由R4，R6，C1，U1B组成，R4，R6为分压电路，C1主要滤除VCC中纹波，U1B为LM324运算放大器，工作于电压跟随器方式，其特点是具

16、有高输入阻抗低输出阻抗，为后级电桥提供较稳定的电流。电桥由R1，R2，R3，R13及热敏电阻组成，通过调节R13使电桥平衡，当温度发生变化时，热敏电阻变化，电桥产生电压差。运放电路由R7，R8，R9，R10及U1A组成，调节R14可以调节输出电压幅值。D1主要用于防止输出负电压，保护后级A/D电路。 （2）电桥的分析： 图2.3 电桥原理图 1)电桥输出电压： 2）电桥平衡条件： 当各桥臂发生微小变化时，电桥失去平衡，其输出为：    实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，往往取桥臂电阻相等。  （3）放大电路：  最后

17、经过放大部分，为压力传感器的微弱电压输出的放大电路。分析它是一个差分放大电路,其放大倍数为放大后的电压值为和温度T有一定的线性关系，A/D转换器的最大输入电压为5v,因此对应A/D输出的电压，与热敏电阻感知的外界温度具有一定的线性关系。 图2.4 放大电路2.2.3  A/D变换电路模块  ADC0809是M美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。 主要特性： （1）8路输入通道，8位

18、A/D转换器，即分辨率为8位 具有转换启停控制端 转换时间为100us(时钟为640kHZ时），130us(时钟为500KHZ时）（4）它由单一+5V电源供电，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，ADC0809可对0V5V的双极性模拟信号进行转换。 （5）引脚图如图4.2.1 所示。各引脚功能说明如下：8位数字量输出引脚，由最低引脚到最高引脚。IN0IN7:8路模拟量输入引脚。 Vcc：+5V工作电压。 GND：地。REF（+）：参考电压正端。 REF（）：参考电压负端。 START：A/D转换启动信号输入端。 ALE：地址锁存允许信号输入端。以上两个信号用于启动A/D转换。 EOC：转换结束

19、信号输出引脚。开始转换时为低电平，转换结束时为高电平。 OE：输出允许控制端。用以打开三态数据输出锁存器。 CLK：时钟信号输入端。ADDA、ADDB、ADDC：地址输入线。经译码后可选通IN0IN7 8个通道的一个通道进行转换。 图2.5 ADC0809引脚图实验电路及接线如下图示 ： 图2.6 接线框图 A/D转换器的结构及连线图如上图所示，AD0809的工作过程如下：首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX DPTR,A时，产生一个启动信号给START引脚送入脉冲，开始对选中通道转换。当转换结束后发出结束信号，置EOC引脚信号为高电平，该信号可以作为中断申请信号，当读允许

20、信号到，OE端有高电平，则可以读出转换的数字量，利用MOVX A,DPTR把该通道转换结果读到累加器A中。转换电压为05V，调节桥路中的电位器，使其输出电压为05V，可以在较小范围内波动，当满量程输出时对应八个1的输出，由于前边计算的电压变化和电阻变化成正比关系，而且电阻变化和应变成正比，进而得出的压力和电压是成正比的。传感器桥路输出的电压经过比例变换后转换成二进制码的形式送入P0口。其程序框图如下： 图2.7 AD转换电路程序框图2.2.4报警与控制电路设计： 在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其

21、方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数设定值进行比较，如果高于设置值1度（或低于设置数1度）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。同样水箱内的温度超出低高设定的温度范围内时当P1.4输出高电平“0”时，晶体管导通，电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫，出报警声音；单片机的P1.1输出低电平，此时红色指示灯亮，直到低于设定的最低温度时，P1.4输出高时，三极管截止，蜂鸣器停止发声，P1.1输出电平高电平，发光二极管灭，报警和控制电路而下图所示： 图2.8    2.2.5.LED显示电路设计： LED数码管是

22、一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字。可以显示：时间、日期、温度等可以用数字代替的参数。 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。动态

23、驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，通过由各自独立的I/O线控制，当单片机的P0口输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对P2.0-P2.3位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在本设计中采用了四位八段数码管，用动态驱动来显示温度的值，如图所示： 图2.9显示器（四位

24、八段显示管）2.2.6温度检测电路设计： 本次设计所采用的温度传感器为热敏电阻传感器，它是世界上支持“一线总线”接口的温度传感器。“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为±0.5。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。 热敏电阻传感器与HT49R47单片机接口电路的设计数字温度计提供9位(二进制)温度读数，指示器件的温度信息经单线接口送入温度采集部分或从温度采集部分送出，因此从主机CPU到温度采集系统仅一

25、条线，当热敏电阻接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。 当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。 HT49R47单片机的连接热敏电阻支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C-+125°C，在-10-+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接

26、以“一线总线”的数字16方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。 此款温度采集系统的特点     （1）只要求一个端口即可实现通信。 （2）在温度采集部分中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4）测量温度范围在-55°C- +125°C之间。 （5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。 （6）内部有温度上、下限设置。 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。主要首先温度采集系统提供以下功能命令之一：读ROM，ROM匹配，搜索ROM，跳过ROM，报警检查。若指令成功地完成温度测量，数据存储在HT49R47的存储器。一个控制功能指挥指示传感器