多点温度巡回检测系统的设计

内容摘要随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多产品对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时有温度信息床底不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时作出决定。在这样的形势下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。本课题以AT89C51单片机系统为核心，能对多点的温度进行实时巡检。AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器。AD590输出电流信号传输距离可达1km以上。作为一种高阻抗的电流源，最高可达20MQ,所以它不必选择开关或COMS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。输出电流模拟信号经ADC0809进行A/D转换后直接送入单片机，节省硬件设施且使编程简单，为实现多路巡回检测，通过P0.0—P0.2控制74LS373来达到设计目的。索引关键词：温度检测单片机多点温度巡回检测目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章 绪论 1本设计的意义 1国内外现状分析 1\o"CurrentDocument"第二章 系统总体方案设计 1\o"CurrentDocument"第三章 多点温度巡回检测硬件设计 2AT89C51介绍 2\o"CurrentDocument"传感器模块部分设计 3\o"CurrentDocument"数模转换部分硬件设计 4\o"CurrentDocument"LED显示电路设计 5\o"CurrentDocument"报警电路设计 7整体电路图 8第四章 软件部分设计 8A/D转换程序流程图 8\o"CurrentDocument"显示程序流程图 9\o"CurrentDocument"报警程序流程图 9\o"CurrentDocument"主程序流程图 10\o"CurrentDocument"第五章 程序调试运行 11模拟调试 11在线调试 11\o"CurrentDocument"后记 12\o"CurrentDocument"参考文献 13\o"CurrentDocument"附录 14多点温度巡回检测系统第一章绪论1.1本设计的意义温度测量的领域十分广泛，其实，不仅在工业领域，而且在民用领域、军用领域，温度的测量随处可见。在工业领域，电力系统的安全运行关系到整个工业的发展和人民生活的稳定，其中一个重要的方面是电气设备自身的安全运行，由于绝大多数的电气设备采用封闭式结构，散热效果差，热积累大，并长期处于高压、大电流和满负荷运行，其结果造成热量集结加剧，温升直接危害电气设备的绝缘，这就要求对电气设备的温度状况进行测量控制。如发电厂的电机组随着电压增高和容量增大，解决定子铁心和绕组温升的问题就日益突出。在民用领域，超市的食品架内温度、人们生活空间环境的温度、空调的控置温度、冰箱的温度检测等等。随着计算机的发展，程序控制也逐渐成为了工业生产中的主要角色，各种各样的检测系统应运而生。基于单片机的温度监测系统具有以前温度检测无法具有的优点，因为系统为程序控制，所以实现形势非常灵活，而且可以实现很多新功能，而且对于日益复杂化的工业生产，对于多点温度检测的需求也很大的程度上提高了。单片机具有体积小，功耗小的特点，而且可以对采集的数据进行软件处理，所以用单片机进行多点温度巡回检测，具有非常实际的意义。1.2国内外现状分析随着世界进入信息化时代，自动化、信息化成为世界各国发展重要方向之一。现代传感器技术集约了多种学科的尖端成果、是国际上发展最迅速的高新技术之一；是传统产业技术改造和升级的“功效倍增器”，成为衡量一个国家科技发展的重要指标。温度传感器从传统类型向集成化、微型化、多功能发展，且随着材料行业对传感器敏感材料进一步的发展，传感器新敏感材料不断推出，高新材料已广泛应用于新型传感器制造研发中，如光纤传感器等，我国与国外先进国家相比，还在处于落后的、状态。本设计主要涉及到微控制器和温度传感器的应用。二者的发展直接影响着温度检测方面的设计和应用。第二章系统总体方案设计本设计共有五部分组成（如图2-1所示）：温度采集、A/D转换、单片机、显示电路、报警电路，其中温度采集主要由AD590组成，把热力学温度信号转换成电流信号，然后放大，经电阻分压获得电压信号，送入A/D转换电路即ADC0809后得到8位数字温度信号，送入单片机，由单片机的TXD、RXD串行（高位在前，低位在后）送入显示电路显示，并且判断是否超出设定范围，若超出设定范围，由单片机启动报警电路，报警。

超出范围送显示超出范围送显示▽肯警图2-1本设计是模拟温度的显示，温度经过AD590转换为电流信号，经放大器放大后转换成电压信号，进入ADC0809进行A/D转换成数字量，送入单片机后输出到静态显示部分，显示温度值。该设计中，显示部分采用74LS164串联组成驱动LED部分，这样既达到显示的目的又节省了1/O口，使设计简单明了。复位电路设计为上电复位。ADC0809进行A/D转换后，输出的是并行8位数据，直接送入单片机节省硬件设施且使编程简单，为实现多路巡回检测，通过P0.0-P0.2控制74LS373来达到设计目的。第三章多点温度巡回检测硬件设计3.1 AT89C51介绍AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个4KB的FLASH可编程、可擦除只读存储器。它采用了COMS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。因此AT89C51/LV51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。一、引脚功能说明如图3-1所示laisB益laisB益B-gw矣图3-1主电源引脚有：VCC（电源端）、GND（接地端）;外接晶体引脚XTAL1和XTAL2；控制或其他电源复用引脚RST、ALE//PR0G（地址锁存允许）；/EA/VPP（外部访问允许端）；输入/输出引脚:P0.0—P0.7,P1.0—P1.7,P2.0—P2.7,P3.0—P3.7。其中P3端口还用于一些恢复功能。

3.2传感器模块部分设计AD590是美国模拟软件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为3—30V,输出电流223口A(-50°C)—423口A(+150°C),灵敏度为l^A/°C。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为输出电压。注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。AD590输出电流信号传输距离可达到1KM以上。作为一种高阻电流源，最高可达20MQ，所以它不必考虑选择开关或COMS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度巡回检测的控制。AD590主要特性AD590的测量范围为是-50°C—+150°C；电源范围为3V—30V；测量精度高。在本设计中，使用AD590对温度进行采集，即通过AD590把温度信号转换成电流信号,经电阻分压，最终转换成电压信号，送到ADC0809。其电路如图3-2示VCC-wv||卜AESVCC-wv||卜AES图3-2R1用来调节运算放大器的输入电压，经运算放大器放大后达到ADC0809的转换电压。二、与ADC0809接口AD590作为温度采集器件，把热力学温度转化成电流信号，送入运算放大器放大，然后静电阻转换成电压信号，送入ADC0809。图3-3给出一路温度采集电路与ADC0809连接的方式。要实现多路温度的采集，只需要在ADC0809的输入端连接多路温度采集电路即可。21JSLkJ17AL£D^ABI-ESTARTtLO亡廿AEOCMPGCflO?R輕J21JSLkJ17AL£D^ABI-ESTARTtLO亡廿AEOCMPGCflO?R輕JREFl：+：l0-I33-I567图3-33.3数模转换部分硬件设计为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，A/D与D/A转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器，它们具有越来越先进的技术指标。这里采用ADC0809芯片来进行模数转换。―、ADC0809介绍ADC0809是8位CMOS逐次逼近式A/D转换器。内部有8路模拟量输入和8位数字量输出的A/D转换器，它是美国国家半导体公司的产品，是目前国内最广泛的8位通用的A/D转换的芯片。其结构如图3-4所示S.TART图3-4二、ADC0809各管脚功能ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚，如图3-5所示。IN-4m-iIN-5m-oEN-<5EN--ADD-A呂TAltTAPD-CEOCALED3D7OED6CXOCKD5VCCD4REF(+)DOONDREF(-)Di1)2sI25779T7T图3-5IN0—IN7:IN0—IN7为8路模拟典电压输入线，用于输入被转换的模拟电压；ADDA,ADDB,ADDC:三位地址输入端；八路模拟信号转换选择同由A,B,C决定；A为低位，C为高位。CLOCK:时钟信号；最高允许值为640KHz；D0—D7:数字量输出端，A/D转换的结

果由这几个端口输出；OE：A/D转换结果输出允许控制端，当OE端为高电平时，允许将A/D转换结果从D0—D7端输出；ALE:地址锁存允许信号；八路模拟通道地址由A,B,C输入在ADC0809的ALE端，信号有效时，将该八路地址锁存；START：启动A/D转换信号；当START端输入一个正脉冲时，立即启动ADC0809惊醒A/D转换；EOC：A/D转换结束信号，是芯片的输出信号；转换开始后，EOC信号变低；转换结束时，EOC返回高电平；这个信号可以作为A/D转换器的状态信号来查询，也可以直接用作中断请求信号；VREF+,VREF-:正负基准电压输入端；VCC,GND:正电源电压端和地端。三、硬件连接电路ADC0809与AT89C51连接可采用查询方式，也可采用中断方式。如图3-6示为终端方式连接电路图。由于ADC0809片内有三态输出锁存器，因此，可直接与AT89C51接口相连。这里将ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口，采用线选法寻址。由P2.0和/WR联合控制启动转化新号端(START)和ALE端，低三位地址线加到ADC0809的ADDA、ADDB和ADDC端，所以，选中ADC0809的INO通道的地址为OFEFBH。ADC08509的时钟信号取自AT89C51的ALE经二分频后的信号。当A/D转换完毕，AT89C51读取转换后的数字量时，必须用“MOVXA,@DPTR”指令。这样就完成了ADC0809与AT89C51的连接及工作过程。图3-61*10VIIP13V14PISPltiP17IHT1IHTBT1心TOtKrvp-3CTJIL1图3-61*10VIIP13V14PISPltiP17IHT1IHTBT1心TOtKrvp-3CTJIL1RESETMOElWr7PSIFWPi+PJ4PJTVCCG-HEi-JLLETFPSEKnTnr需盟盟£3.4LED显示电路设计在单片机应用分系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。-、LED数码管LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图3-7(a)为0.5inLED数码管的外形和引脚图，其中七只管脚分别对应a—g段，另一只管脚则对应DP点作为小

数点。因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管。LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共阳型两大类，如图3-7（b、c）共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共段COM，接高电平，a一g、DP各段通过限流电阻接控制端。某段控制端为低电平时，该段发光，高电平时则不发光。共阴型是将各段发光二极管的负极连在一起，作为公共段COM，接地。某段控制端为高电平时，该段发光，低电平时则不发光。&外形和引脚图3-7&外形和引脚图3-7二、 LED数码管编码方式当LED数码管与单片机相连时，一般将LED数码管的各段引脚按某一顺序接到单片机某一并行I/O口，当该I/O口输出某一特定数据时，就能使LED数码管显示出某个字符。本设计采用共阴极数码管编码方式。三、 LED数码管显示方式和典型应用电路LED数码管显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示方式和动态显示方式。在本设计中，使用的是静态显示方式，这里主要介绍静态显示方式及电路连接。静态显示如图3-8所示。图3-8

图3-8一般情况下，在静态显示方式下，每一位显示器的字段需要一个8为1/O口控制，而且该I/O口须有锁存功能，N位显示器就需要N个8位1/O口，公共端可直接接+5V（共阳型）或接地（共阴型）。显示时，每一位字段码分别从I/O控制口输出，保持不变至CPU刷新显示为止。也就是各段的亮灭状态不变。此种情况下，静态显示方式编程较简单，但占用I/O口线多，即软件简单、硬件成本高，一般适用显示位数较少的场合。但是，利用74LS164串入并处的特点设计的静态显示，可以轻而易举的解决静态显示占用I/O口多的问题，同时，编程也没动态显示那么复杂。3.5报警电路设计报警在设计电路中，被广泛应用，简单实用。当温度、压力、转速等等超出了设定的限度，有可能对设备、人员或者其他造成危害；所以，当检测到温度、压力、转速等大于设定值范围时，由相关电路触发三极管的基极，使三极管导通，继电器吸合，指示灯亮，同时蜂鸣器响，发出报警信号。如图3-9所示。图3-9本设计中，报警电路与单片机的连接如图3-10所示，单片机把接收来的数字温度信号

与所设置的温度信号比较，一旦发现超出了设定范围，由单片机的P3.4引脚置高电平，驱

动三极管（9013），使继电器吸合，二极管亮，同时蜂鸣器响，发出报警信号。该电路设计简单、成本低。pFppD-a-0-Bnioil!•D■&

DPPPFD'PPPITKNTtSHTO>35To简单、成本低。pFppD-a-0-Bnioil!•D■&

DPPPFD'PPPITKNTtSHTO>35ToXtALlP37vccALEbd?图3-11第四章软件部分设计3.6整体电路图3.6整体电路图4.1A/D转换程序流程图数模转换由ADC0809完成，启动系统后，首先对其进行初始化，然后由单片机的P0口送出通道地址，74LS373锁存同时送给ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC来选通采集温度的通道号；接着单片机发出启动A/D转换信号，开始转换。转换完毕，ADC0809的EOC发出转换完成信号，告诉单片机，单片机进入中断系统。循环往复，流程图如4-1所示。

图4-14.2显示程序流程图图4-1图4-2当数字信号送入单片机后，计算偏移量，查表，然后执行串行传送指令，把数字温度信号一位一位的发送到串行并出的74LS164，驱动LED显示采集的温度。其流程图如4-2所示。图4-24.3报警程序流程图ADC0809把模拟温度信号转换成数字信号送到单片机存储后，程序中报警子程序把数字温度信号（即当前温度信号）与设定的温度信号进行比较，如当前温度超出了设定范围,启动报警电路，即由单片机的P3.4输出高电平，使晶体管工作，从而使继电器吸合，报警指示灯亮，蜂鸣器响。其流程图如4-3所示。

歼竝二:旦击览值图4-3歼竝二:旦击览值图4-34.4主程序流程图本设计中，系统正常运行之前，单片机要首先把程序初始化，使各个模块处于待工作状态，准备相关工作。然后，单片机的P0口送出通道地址，对ADC0809初始化，74LS373锁存通道号，单片机发出启动A/D转换信号，开始模数转换，转换结束后得到8位数字温度信号，此时，ADC0809向单片机发出转换结束信号。由单片机把数字温度信号接收到设置的存储位置。接着，由报警程序实现当前温度与预先设定的温度值进行比较，当超出了设定范围，启动报警电路，报警，或者，根据当前温度值计算出偏移量，查表，获得与之相对应的译码值；最后由P3.3口在P3.4提供提供位移脉冲下把译码值一位一位的送到74LS164中，驱动相应的LED显示。单片机循环发出通道号巡回得到相关通道的温度信号,然后显示出来。这样就完成了整个流程。其流程图如图4-4所示。〔匕匕较是杳洁出说鉅賀]__—rm奂jaz|

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I.i〔匕匕较是杳洁出说鉅賀]__XI4Iit饰俯用电I上人、厅码心艾伐N. 2[“mu]图4-4第五章程序调试运行5.1模拟调试一、进入运行环境。二、设定给定温度，加热传感器探头，观察系统能否根据温度变化按设计要求报警。三、撤销加热，观察系统能否根据温度的降低而恢复初始状态。如果效果不理想，需要找原因，重新修改控制程序直到满意。5.2在线调试一、连接各模块电路，与上位机相连并且上电。二、电路正常工作，显示电路显示当前温度；手动设置给定温度，分别依次加热各温度传感器探头，加热温度都超过给定值，显示电路依次显示各温度传感器探头温度，蜂鸣器随之报警。三、依次撤销加热，显示电路依次显示到正常温度，报警电路处于待工作状态，蜂鸣器置于初始状态。如果效果不理想，需要找原因，重新修改控制程序直到满意。后记本设计中，主要是对多点温度进行巡回检测，而且在单片机作为主控单元下，进行一些智能操作，如温度显示、多点温度巡回检测、超量报警等。研究内容主要分为数据采集模数转换、单片机系统设计、软件编程等几个方面。针对这几方面，在逻辑上按先后顺序研究对每个模块进行分别的研究，并对每一个模块进行独立测试，待各模块测试达到要求后，再将所有模块整合为一体，进行总体测试，最终完成整个设计方案。在设计过程当中虽然遇到很多问题，如初始阶段设计思路不清晰；ADC0809与单片机硬件连接后，进行软件测试时，无法使二者协同工作；温度超出设定值时，报警电路不报警；在编程过程中，求数据偏移量时不知从何下手；温度采集模块采集到温度信号为电压信号，不清楚如何设置才能和ADC0809配合使得转换的结果更准确等等，但是最后在老师的指导和小组的努力下，都一一得以解决。参考文献李朝清，单片机原理及接口技术（第三版）[M].北京：北京航空航天大学出版社.2005张靖，刘少强，检测技术与系统设计[M].北京：中国电力出版社.2002赖寿宏，微型计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社.2004刘祖润，胡俊达，毕业设计指导[M].北京：机械工业出版社.1996何立民，单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社.1993沙占友，智能化集成温度传感器原理与应用[M].北京：机械工业出版社.2002李兰友，王勇才，傅景义，单片机开发应用十例[M].北京：电子工业出版设.1994余发山，王福忠，单片机原理及应用技术[M].江苏：中国矿业大学.2003张西，基于MCS-51系列单片机的测温系统[D].测量控制与设备学报.2002马江涛，单片机温度控制系统的设计及实现[M].计算机测量与控制学报.2004Vol（12）胡汉才，单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社.1996何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京：航空航天大学出版社，1990高鹏，安涛，寇怀成，Prote1999入门与提高[M].北京：人民邮电出版社.2000张靖，刘少强，检测技术与系统设计[M].北京：中国电力出版社.2002

附录源程序：LOWTEMPEQU-50A/D0HIGHTEMPEQU150A/D255ADPORTEQUOFEFBHA/D端口地址LEDBUFEQU30H置存储区首址TEMPEQU40H置缓冲区首址CURTEMPEQU60HDINBIT0B0H置串行输出口CLKBIT0B1H置时钟输出口ORG0000HLJMPSTARTLEDMAP:DB3FH,6,5BH,4FH,66H,6DH0,1,2,3,4,5,DB7DH,7