基于单片机的多路温度采集系统

1、基于单片机的多路温度采集系统摘要 :本文是以 MCS-51单片机系统为基础的,通过热电阻的阻值随温度的变化 而得到的模拟信号进行采集,连接多路模拟开关实现多路模拟信号的采集,并通过 A/D转换器对模拟信号进行数模转换, 把转换得到的数字信号按照顺序分别送入单片机或把 指定的那路信号送入单片机,通过单片机进行控制操作。本文通过单片机报警系统来实 现热电阻传感器测量的温度范围 -50-100摄氏度,若超出这个温度范围则报警。以单片 机为核心完成温度检测、 数据处理 . 显示及上下限报警功能。 本系统设计简单, 性能稳定, 能够通过单片机灵活编程进行各种功能的设定和修改。关键词 :A/D转换器 ;

2、热电阻 ; 单片机Abstract: It is based on MCS-51 one-chip computer system for this text to design, is it gather to go on through thermal resistance changer to analog signal that thermal resistance receive with change of temperature, join many way analog switch realize many way collection of analog signal ,

3、is it count through A/D converter to analog signal mould change to go on, Send digital signal received to change according to order into one-chip computer or designated those distance signal send into the one-chip computer separately, carry on control operation through one-chip computer. This text r

4、ealizes 200700 degrees Centigrade of temperature ranges that the thermal resistance sensor measure at the same time through the warning system of the one-chip computer, if beyond the scope of this temperature to report to the police. Regard one-chip computer as the core and finish temperature and pa

5、trol examining , data processing. Show and the warning function of upper and lower limits.Key words: A/D converter; thermal resistance changer; an one-chip computer目 录1 引言 . 12 硬件部分设计 . 22.6 系统的电源设计 . 71 引言温度是一个非常重要的物理量,因为它直接影响燃烧、化学反应、烘烤、煅烧、蒸 馏、结晶、空气流动以及温度漂移等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安 全、产品质量、产品产量以及生活安全等

6、一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来 越大。 温度采集控制系统在工业生产、 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。本文是基于单片机的多路温度采集控制系统设计, 其利用单片机作为系统的主要控 制器,通过温度传感器检测环境温度信号,再经 A/D转换后,将数字信号,送入到单片 机中进行数据处理,经过一定的控制算法后,通过单片机的输出 I/O口,来控制

7、继电器 的闭合,达到弱电控制强电的目的,从而实现对了对环境温度的调节。 本人的主要工 作是运用单片机作为主控制单元及数据处理单元,控制四个开关管的接通与闭合,从而 实现输出电压的变化,并通过在输出端串接一段康铜丝对输出电流进行实时检测,并输 出充退磁信号,以实现远程控制。2 硬件部分设计2.1 系统总体框架结构 图 1 系统总体框图如图 1所示本系统以 AT80C51单片机为基础,通过温度采样电路对环境温度采样, 然后将采样后的模拟信号送入 A/D转换器转换为数字信号后送入单片机, 采样后的温度 信息通过单片机控制显示电路进行输出, 实时显示, 同时当环境温度超过系统允许值时, 报警电路工作,

8、进行报警。 2.2温度采样输入电路(1 AD590是电流型温度传感器,通过对电流的测量可得到所需要的温度值。其 电路外形如图 2所示,它采用金属壳 3 脚封装,其中 1脚为电源正端 V +; 2脚为电流 输出端 I 0; 3脚为管壳,一般不用。集成温度传感器的电路符号如图 3所示。 图 2 AD590的外形 图 3 AD590的电路符号AD590的主特性参数如下:工作电压:430V ; 工作温度:-55+150;保存温度:-65+175;正向电压:+44V ;反向电压:-20V ;灵敏度:1A/K 。(2温度采样电路如图 4,在设计测温电路时,首先应将电流转换成电压。由 于 AD590为电流输

9、出元件,它的温度每升高 1K ,电流就增加 1A。当 AD590的电流 通过一个 10k的电阻时, 这个电阻上的压降为 10mV , 即转换成 10mV /K 。 图 4所示 是一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路,其中运算放大器 U1A 被接成电压跟 随器形式,以增加信号的输入阻抗。而运放 U1B 的作用是把绝对温标转换成摄氏温标, 给 A2的同相输入端输入一个恒定的电压 (如 1. 235V , 然后将此电压放大到 2. 73V 。 这样, A1与 A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。 U1C 是一个减法器将 A1与 A2相减后输出。图 4 温度采样输入电路ADC0809是带有

10、8位 A/D转换器、 8个模拟量输入通道,有通道地址译码锁存器, 输出带三态地址锁存器。启动信号为脉冲启动方式,最大可调误差为 1LS 。 ADC0809内部设有时钟电路,故 CLK 时钟需要由外部输入,clkf 允许范围为 500Khz-1MHz ,典 型值为 640KHz 。引脚结构:ADC0809采用双列直插式封装,共有 28条引脚。其引脚结构图如图 5所示。 IN0-IN7: 8条模拟量通道。 ADC 0809对输入模拟量要求:信号单极性 , 电压范围是 0-5v ,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模 262728123451612IC 3ADC 0

11、808拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。图 5 ADC0809引脚图地址输入和控制线:4条。 ALE 为地址锁存允许输入线 , 高电平有效。当 ALE 现为 高电平时,地止锁存与译码器将 ADDA 、 ADDB 和 ADDC 三条地址输入线,用于选通 IN0IN7上的一路模拟量输入。数字量输出及控制线:11条。 START 为转换启动信号。当 START 上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时,开始进行 A/D转换;在转换期间, START 应保持低电平。 EOC 位转换结束信号。当 EOC 为高电平时,表明转换结束;否则,表明正在进行 A/D转换。 OE 为输出允许信号,用于控制三

12、态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OE=1,输出转换得到的数据; OE=0,输出数据线呈高阻状态。 D7-D0为数字数出线。电源线及其他:5条。 CLOCK 为时钟输入信号线。因 ADC0809的内部没有时钟电 路,所需时钟信号必须有外界提供,通常使用频率为 500KHz 的时钟信号。 Vcc 为 +5V电源线。 GND 为地线。 Vref(+和 Vref(-为参考电压输入,参考电压用来与输入的模拟 信号进行比较,作为逐次逼近的基准。本系统中 ADC0809通过单片机程序选择多路输入中的一路模拟信号,并将将采样 的模拟信号转换为数字信号送入单片机。2.3 键盘控制的设计键盘按结构的不同

13、可分为独立式按键和行列式键盘两类,每类按译码方式的不同又 分为编码式和非编码式两种。本设计采用独立式按键方式,如图 6所示,主要通过 4个 键, S1、 S2、 S3、 S4来实现指定显示某一电路,当 S1断开时,为巡回检测电路,当 S1闭合时,指定显示电路的通道数与 S2、 S3、 S4的关系见下表 1。 表 1 S键对应的通道数S4 S3 S2对应通道数0 0 0 #0 0 0 1 #1 0 1 0 #2 0 1 1 #3 1 0 0 #4 1 0 1 #5 1 1 0 #6 111#7“ 1 ”表示键闭合, “ 0”表示键断开。2.4 显示系统的设计显示系统是单片机控制系统的重要组成部分

14、,主要用于显示各种参数的值,以便使本文采用 YH310401K 三位一体数码管,如图 7所示,采用 12脚双列直插式封装, a-g 、 dp 为段引脚, SEG1-3为位引脚, 采用共阳结构。 本文中的显示精度为一位小数点。4356 图 7 SR410561K数码管外形及电路符号LED 的显示有静态显示方式和动态显示方式。 在静态显示方式下, N 块显示器件都 处于选通状态;每一块显示器件的段选线和一个 8位的并行口相连,只要控制显示位的 段选码,就可显示出相应的字幅。由于显示器件由不同的 I/O控制,所以静态显示方式 中的每一位都可以独立显示,在同一时刻每一位显示的字符可以各不相同。LED

15、动态显示就是将所有显示位的段选线并联在一起,有一个 8位 I/O口控制,而 位选线则有其他的 I/O口控制,通过程序控制,不断循环输出相应的段选码和位选码, 由于人的视觉暂留效应,就可以获得视觉稳定的显示状态。本设计选用的是串行口动态扫描显示,其电路图如 8所示。 74LS164为串行输入 /8位并行输出的移位寄存器。由于单片机输出的电流驱动能力较小,为此,使用了未级驱 动三极管作为地址驱动。 图 8 串行动态 LED 扫描电路2.5 报警系统的设计 图 9 报警系统的电路图 报警系统的电路图如图 9所示。报警是单片机控制系统的一项重要功能,主要用于 保证设备正常运行和安全等。在工作过程中控制

16、系统实时检测环境温度,当超出允许范 围时,控制系统便会发出报警信号,引起操作者的注意以便采取相应的处理措施。 2.6 系统的电源设计稳压电源是单片机测控系统的重要组成部分,它不仅为测控系统提供多路电源电 压,还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。近年来,传统的线性稳压电源正逐步 被高效率的开关电源所取代。 特别是单片开关电源的迅速推广应用, 为设计新型、 高效、 节能电源创造了良好的条件。线性集成稳压器分固定式输出、 可调式输出两种类型, 本文中选用 78L05和 78L09, 其电路图如图 10所示。此系统中除了提供主系统电源外,还需要提供 +9V电源。 T1220V30u F3 系统软件

17、设计3.1 温度检测程序设计温度检测程序主要由以下几个方面构成:(1 采样周期 T 的确定:如果对控制系统的速度要求不高,且计算机的工作任务 较少,采样周期可通过软件程序实现;否则应通过扩展时钟芯片实现。(2采样开关通道号的控制:控制采样开关选择要监测数据的通道。(3 A/D转换:实现模拟量到数字量的转换。图 11 主程序程序流程图主程序流程图如图 11所示,其功能为:设置定时器 0、外部中断 0、和外部中断 1的中断程序入口; 设置定时器 0的工作方式为 1; 定时时间为 100ms ; 设置计数单元 (30H 初值。初始化程序完成后启动定时器,等待中断。此程序等待中断处为死循环,当中断 程

18、序完成后,装入定时器初始值,继续等待中断,如此一直重复下去,直到关闭主电源 为止。定时器 0中断功能:实现 8秒定时, 通过检测计数单元的数据判断定时事件是否到 8秒, 8秒时间到,触发外部中断 0,执行数据采样程序。定时器中断程序流程框图 12所示。图 12 定时器中断程序流程图数据采样程序功能:温度检测通道, 控制存放数据的地址和采样次数。 数据检测的 方式是先对 8个通道各采样一次,然后再采集第二次共采集五次。采样程序采用中 断方式。在设置通道初值、通道数、采样次数和存放数据的开始地址后,启动 A/D转换, 随后检测标志位状态。 标志位被清零, 标志着本通道的 A/D转换已经结束, 在修

19、改通道 号和数据存放地址后,对下一通道继续检测。当 8个通道的检测工作完成后,判断 5次 采样是否全部完成,若没完成,则对 8个通道继续采样,直至完成 5次采样工作。数据 采样程序流程框图如 3-3所示。 图 13 数据采样程序流程图A/D转换完成中断功能:将标志位清零, 读取转换后的温度数据并存放在 RAM 中。 A/D转换完成中断程序流程图如图 14所示。程序说明:程序实现 5次采样,每次检测 8个通道。 图 14 A/D 3.2 LED显示程序设计动态显示程序流程图如图 15所示。图 15 动态显示程序流程图3.3 报警系统的程序设计报警处理程序一般都需要根据系统的要求编写, 如有的报警

20、系统要求能够发出声光 报警信号、记录报警时间参数或进行自动处理等。虽然不同的系统的报警处理程序是不 一样的,但报警程序的设计基本思想是相同的。报警程序主要有以下几个步骤组成: (1 采样被测参数。 图 16 报警程序流程框图(2比较采样值和给定的上下限。(3根据比较结果执行相应的处理程序。报警程序的设计思想是预设允许的连续 异常的次数为 N , 将采样值和预先设定的报警值进行比较, 如果发现采样值超过报警值, 则判断上一次采样值是否正常。如果正常,则重置允许的连续不正常的次数 N ,并设置 本次采样不正常标志, 然后继续采样。 如果上一次采样值不正常, 则判断是否连续 N 次 采样异常,不是则

21、设置本次采样不正常标识以及计算允许的连续异常次数,然后继续采 样;否则发出执行报警处理程序。设上限报警值存放在 Amax 单元,下限报警值存放在 Amin 单元, 采样值存放在 SAMP 单元, 允许的连续异常次数存放在 NUM 单元。 FLAG 为上次采样异常标志位, FLAG=0,上次采样正常; FLAG=1,上次采样异常。报警程序流 程框图 16所示。 总结本文以 MCS-51单片机系统为基础,通过热电阻 AD590的阻值随温度的变化而得 到的模拟信号进行采集,连接 ADC0809实现多路模拟信号的采集,并通过 A/D转换器 对模拟信号进行数模转换,把转换得到的数字信号送入单片机 , 通

22、过单片机进行控制操 作。本文测量的温度范围为零下 40到 120摄氏度,若超出这个温度范围则报警。以单 片机为核心完成温度检测、 数据处理 . 显示及上下限报警功能。 本系统设计简单, 性能稳 定,能够通过单片机灵活编程进行各种功能的设定和修改。参考文献:1 余锡存 , 曹国华 . 单片机原理与实用技术 M. 西安 : 西安电子科技大学出版社 , 2007.9.2 王为青 , 程国刚 . 单片机 Keil Cx51应用开发技术 M. 北京 : 人民邮电出版社 , 2006.12:223-226. 3 陈学平 . protel2004快速上手 M. 北京 : 人民邮电出版社 , 2005.9.4

23、 康华光 . 电子技术基础摸拟部分 M. 北京 : 高等教育出版社 , 2006.1.5 康华光 . 电子技术基础数字部分 M. 北京 : 高等教育出版社 , 2006.1.6 郁有文等 . 传感器原理及工程应用 M. 西安 : 西安电子科技大学出版社 , 2008.7:215-238.附录 1:程序清单初始化程序清单:ORG 0000HAJMP STARTORG 0003HAJMP SAMPLEORG 0013HAJMP EOCSTART :MOV TMOD, #01H MOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HMOV 30H, #00HSETB IT0SETR IT1SETB

24、EX0SETB ET0SETB EASETB TR0HERE :AJMP HERE定时器中断程序程序清单:TIME0:CLR EAINC 30HMOV A, 30HXRL A, #50HJZ S_8AJMP RECOUNS_8:SETB P3.2NOPCLR P3.2NOPRECOUN :MOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HSETB EARET1数据采样程序程序清单:SAMPLE :SETB 00HMOV DPTR, #0F00HMOV R6, #08HMOV R7, #05HMOV R0, #40HTRANS :MOVX DPTR,AWAIT :JB 00H,WAITSET

25、B 00HINC DPTRINC R0INC R0INC R0INC R0INC R0DINZ R6,#TRAN_SMOV DPTR,#0F00HINC R0DJNZ R7,TRAN_SRETIA/D转换完成中断程序程序清单:EOC 中断处理程序 EOC :MOVX A,DPTRMOV R0,ACLR 00HRETI串行显示的程序清单:ORG0100HMOV SCON,#00 H MAIN:MOV R3,#OOH LOOP:MOV R4,#0E8H DELAY:ACALL DISPLAY DJNZ R4,DELAYINC R3CJNE R3,#0AH,LOOPAJMP MAINDISPLAY:

26、CLR P3.2CLR P3.3ACALL DISPACALL DELAY1SETB P3.2ACALL DISPACALL DELAY1SETB P3.3CLR P3.2ACALL DISPACALL DELAY1SETB P3.2SETB P3.3ACALL DISPACALL DELAY1DISP:MOV A, R3MOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV BUFF, AWAIT:JNB TI,WAITCLR TIRETDELAY1:MOV R6,#10HLOOP1:MOV R7,#38HLOOP2:DJNZ R7,LOOP2DJNZ R6,LOOP1RETTABL

27、E:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H, DB 92H,82H, 0F8H,80H,90H END报警程序清单:MOV NUM,#03H CHECK: CLR CMOV A,AmaxSUBB A,SAMPJC ABNORMAL MOV A,AminSUBB A,SAMPJNC ABNORMAL AJMP RETU ABNORMAL: JB FLAG ,ABNOR-L MOV NUB,#03H SETB FLAGAJMP RETUABNOR-L: MOV A,NUMJZ ALARM DEC NUMSERB FLAGAJMP RETU ALARM1: RETU: RETNAND2

28、 IC 3 IC 2 10 6 9 ref(+ ref(- IN-7 ADD-C ADD-B ADD-A IN-6 IN-5 EOC IN-4 IN-3 IN-2 IN-1 IN-0 28 27 26 1 2 3 OUT5 OUT4 OUT3 OUT2 OUT1 OUT0 4 OUT6 5 OUT7 16 C LOCK START ENAB LE ALE 22 IC 1 +5V 12 Q5 LED Q5 R 22 1 11 OE LE 74LS 373 VCC 7 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 23 24 25 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 1 2 3 4 5 6 7 8 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 39 38 37 36 35 34 33 32 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 3 4 7 8 13 14 17 18 2 5 6 9 12 15 16 19 附录 2：电路原理图 4K7 PNP 13 12 INT1 INT0 +5V C 4 15 14 T1 T0 NOT 20P 31 EA/VP