基于PT100智能温度测量仪表的软件电路设计

目录前言1第1章智能温度测量仪表方案设计与论证3第2章智能温度测量仪表的硬件设计5第3章软件设计9第4章温度控制系统的安装与调试16第5章设计体会与小结17参考文献18附录19前言本课程设计是一个应用比较广泛的温控系统，知识的综合性比较强，但实际上不难，主要有四局部内容组成，第一章，论述其功能，通过方案的比较，确定最终方案，第二章简单的对硬件局部进行阐述，第三章重点的论述软件实现其功能局部，第四章对实际电路进行调试，第五章总结此次课程设计的心得体会。此温控系统是基于AT89C51单片机对温度进行控制的，采用PT100温度传感器采集温度数据，通过仪用放大器将温度信号放大，然后再送入A/D转化器，将模拟信号转变成便于单片机处理的数字信号，当所采集到的温度值大于设定的阀值时，可在PC上进行告警提示，并通过串口向单片机发送指令，单片机收到指令后控制蜂鸣器发音。同时可以使用外界键盘随时修改温度设定值，到达不同的需求。表达出了系统的智能性。第1章智能温度测量仪表方案设计与论证1.1功能与要求功能：温度传感器采集温度数据，通过单片机控制，将采集到的实时温度值在数码管上显示，同时将温度数据通过串口线传送到上位PC机；上位机在屏幕上显示温度数据，当假设温度超过设定值，在显示屏上进行报警提示，并通过串口向单片机发送指令，单片机收到指令后控制蜂鸣器发音。还可以使用外界键盘随时修改温度设定值，到达不同的需求。要求：1、测温范围100—300。C；2、能够进行调零；3、可以利用外界键盘随时修改温度设定值；4、可以进行报警提示。1.2方案论证与比较方案一：采用DS1820数字传感器采集温度数据。单片机的接口信号是数字电信号，要想用单片机获取温度这类非电信号的信息，必须使用温度传感器。温度传感器的作用是将温度信息转换为电流或电压输出，如果转换后的电流或电压输出是模拟信号，还必须进行A/D转换，以满足单片机接口的需要。因此采用DS18B20数字温度传感器可以使得电路结构更加简单。方案二：采用Pt100铂热电阻温度传感器采集温度数据，Ptl00铂电阻具有抗震性能好、测温范围广、测量精度高、机械强度高、耐压性能好等特点,且电阻率较大。实际测量中有良好的重复性。PT100温度传感器0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃方案比较：由于PT100是一种广泛应用的测温元件,在-50℃~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比较的优势,包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等优点。DS18B20虽为数字温度传感器，具有可编程、A/D转换等优点但是它的测温范围为－55℃～＋1.3方案确实定经过两种方案的比较，最终选定PT100作为温度传感器。由于Pt100电阻值小，灵敏度高，所以引线的阻值不能忽略不计，采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差,故采用PT100三线制接法做温度采集电路。第2章智能温度测量仪表的硬件设计2.1系统硬件框图如图1所示上位机温度传感器上位机温度传感器数码管蜂鸣器单片机键盘仪用放大调零A/D转换其工作过程为：温度传感器采集温度信号，然后送入仪用放大电路对信号进行放大，再经过调零电路减小误差，再经过A/D转换将模拟信号转变成便于单片机处理的数字信号，同时可以将温度值在数码管上进行显示，同时可以将采集到的温度值与上位机软件设定值进行比较，假设超过设定值，可以驱动蜂鸣器报警，用外界键盘也可以修改温度设定值，表达其智能功能。2.2温度采集与放大电路的设计采用PT100三线制接法作为温度采集局部，放大器电路，选用仪表放大器AD626差分放大器。电路如图2所示图2.温度采集与放大电路图2.3A/D转换电路的设计将模拟电压信号送入A/D转换器，经过A/D转换之后将其变成数字信号再输入到单片机内进行处理，采用AD0809做为A/D转换器，电路图如图3所示：图3.A/D转换电路2.4单片机最小系统的设计要使单片机工作起来，主要是给单片机增加上电复位电路和外接一个晶振。电路如图4所示：图4.单片机最小系统2.5人机接口电路的设计它主要由四位一体数码显示管、4*4矩阵键盘和CH451芯片构成，用于实现系统的温度显示与温度设定功能。在该人机接口电路的设计中，CH451为该模块电路的核心器件，功能相对完善。CH451不仅能有效的将采集到的温度值通过数码管进行实时显示；并且还能控制矩阵键盘，读取通过按键获得的温度设定值，一方面可将设定值直接显示，另一方面还能传输给单片机。人机接口电路如图5所示：图5.人机接口电路图第3章软件设计3.1主流程图的设计3.1.1上位机程序流程图的设计上位机程序主要完成与下位机的串口通信，显示并存储下位机传送来的温度数据，并将下位机送来的温度数据与已经设置好的温度值进行比较，假设大于设定值，在上位机屏幕上显示告警提示，同时向下位机发送控制命令，下位机收到控制命令后，控制蜂鸣器发音进行警示。其具体的工作过程为：开始初始化，单片机通过串口向上位机发送温度数据，如果没有收到，那么继续等待。如果PC机收到该数据可以将该温度显示在PC机显示屏上，同时将收到的数据存储在存储器中，然后读取设定的温度值，必将设定值与存入的温度值进行比较，如果大于设定值，那么PC机通过串口向单片机发送报警指令，使得报警电路的蜂鸣器响起，如果小于设定值，那么PC机继续接收单片机发送来的温度数据。上位机程序流程图如图6所示：图6.上位机程序流程图、下位机主程序流程图的设计下位机主要完成从温度传感器上采集数据，将采集的数据在LED数码管上显示，同时将采集的温度数据传送到上位机，并根据上位机的命令驱动蜂鸣器发出警报。其工作过程为:上电之后，首先对CH451进行初始化，然后在数码管上显示当前读的实时温度值，然后开中断，再判断按键标志位是否为1，如果为1，进入温度设定值子程序，如果为0，那么进入实时温度与设定温度值比较子程序，如果大于设定值，那么单片机控制继电器动作，使其断开，并且进入报警电路子程序，如果小于设定值，那么继续对温度进行采集。下位机主程序流程图如图7所示：图7.下位机主程序流程图3.2A/D转换程序流程图的设计采集到的温度数据是模拟信号，而单片机接口所需要的是数字信号，因此需要借助A/D转换电路将模拟电压信号转换成便于单片机处理的数字信号。次A/D转换电路使用的是AD0809转换器。子程序流程图如图8所示：图8.A/D转换电路流程图3．3数据通信子程序的设计串口发送数据程序流程图的设计串口数据的发送主要是完成每隔2s向上位机传送一次采集到的温度数据，采用和数据采集模块同一个定时器T1。发送数据的程序流程图如图9所示：图9.串口发送数据程序流程图串口发送数据程序流程图的设计串口数据的接收主要完成接收上位机发来的控制命令，因上位机每2s从下位机读取温度值进行判断，假设高于其设定值，那么向下位机发送控制命令，因此下位机从上位机读取控制命令也最多2s一次。下位机单片机读串口数据程序流程图如图10所示：图10.串口接收数据程序流程图3.4键盘/显示子程序流程图的设计从硬件电路可知，P1.0—P1.6主要用来控制数码管的7个管脚，输出字形码；数码管显示采用动态显示方式，因此显示程序采用中断方式。中断是通过单片机内部的定时器T0产生的，即每隔50ms刷新显示一次，中断效劳程序的流程图如图11所示:图11.数码管显示温度值中断效劳程序流程图3.5蜂鸣器报警子程序流程图的设计该模块主要完成当Alarm标志为1时，将P1.7管脚驱动为高电平，使蜂鸣器发音，起到报警作用；每隔50ms刷新驱动一次，和数码管显示模块使用同一个中断T0。其程序流程图如图12所示：图12.报警电路程序流程图第4章温度控制系统的安装与调试4.1硬件调试.安装首先按电路图焊接好电路，在上电之前，用万用表检查线路是否焊接正常，检测是否存在虚焊或短路的点，然后将芯片插到相应的管脚上，将单片机最小系统与焊接的电路用杜邦线连接好，再将数据线插到电路的PC机上。.调试调试主要是用万用表检查线路是否连接是否正确，是否存在短路与虚焊的点。要是这些故障都能够排除在外，再将芯片插到相应的管脚上，硬件调试完毕。4.2软件调试可以先使用仿真器进行程序调试，通过查看存放器的状态变化及端口输出的情况，以确认程序设计与预期结果一致。在程序调试、编译和链接成功后，通过烧录软件将程序烧录到单片机中，随后将单片机插入电路板，给电路板加电运行，观察结果。4.3系统整体调试整个系统在经过软硬件调试成功并正常加载程序运行后即可按流程来调试。调试过程中需观察到数码管上显示正确的温度值，以及可以用键盘修改设定的温度阀值，同时继电器能够根据不同的温度阀值进行相应的动作。在调试过程中，出现了两个问题，第一个：数码管的f段一直处于高电平状态，导致显示的。C这个字符错误，经过对硬件电路的检测，发现有个连接数码管的电阻被短接了，故障得以排除，数码管的温度显示正常，第二个：当修改温度的设定值后，继电器不发生动作，经过对硬件电路的检查，发现继电器二脚没有连接8550的集电极，故障得以排除，最终电路处于正常的工作状态，一切功能都能够实现，系统的整体调试完毕。第5章设计体会与小结在老师精心的教导及引导之下，我们终于完成了约2周的课程设计，虽然其中困难重重，疑惑很多，但是在老师和同学的帮助下还是完成了任务，虽然不是很完美，但是由于知识有限，能力不及，有很多缺陷。在这次课程设计中，我们用了许多以前学的专业知识，这次课程设计让我们把理论联系到实际中去了，以前很多模糊的知识在实践中也变的清晰了，这是课程设计的一大收获。在设计程序中，整个程序不可能一次就设计好，经过屡次修改和查证资料，经过分析遇见的问题，从中学到的知识让我们受益终身。发现提出分析解决问题的能力也提高了，这些经验为我们以后的学习工作和生活都很有用处。课程设计的过程就是一个理论到实际应用的过程，和伙伴的合作，探讨，探索，发现，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的，通过这次的课程设计作品的制作让我对单片机的理论有了更加深入的了解，同时在具体的制作过程中我们发现现在书本上的知识与实际的应用存在着不小的差距，书本上的知识很多都是理想化后的结论，忽略了很多实际的因素，或者涉及的不全面，可在实际的应用时这些是不能被忽略的，我们不得不考虑这方的问题，这让我们无法根据书上的理论就轻易得到预想中的结果，有时结果甚至很差异很大。通过这次实践使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，我们在今后的学习工作中会更加的注重实际。参考文献【1】华中科技大学电子技术课程组编，康华光主编.电子技术根底〔数字局部〕.第五版.北京：高等教育出版社，2006【2】李群芳等.单片微型计算机.北京：电子工业出版社，2007【3】李志全等.智能仪表设计原理及其应用.北京：国防工业出版社，2000【4】赵茂泰.智能仪器原理及应用.北京：国防工业出版社，1998【5】孙传友等.测控系统原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，2005附录Pt100热电阻分度表

温度

℃0123456789电阻值〔Ω〕0

10

20

30

40100.00

103.90

107.79

111.67

115.54100.39

104.29

108.18

112.06

115.93100.78

104.68

108.57

112.45

116.31101.17

105.07

108.96

112.83

116.70101.56

105.46

109.35

113.22

117.08101.95

105.85

109.73

113.61

117.47102.34

106.24

110.12

114.00

117.86102.73

106.63

110.51

114.38

118.24103.12

107.02

110.90

114.77

118.63103.51

107.40

111.29

115.15

119.0150

60

70

80

90119.40

123.24

127.08

130.90

134.71119.78

123.63

127.46

131.28

135.09120.17

124.01

127.84

131.66

135.47120.55

124.39

128.22

132.04

135.85120.94

124.78

128.61

132.42

136.23121.32

125.16

128.99

132.80

136.61121.71

125.54

129.37

133.18

136.99122.09

125.93

129.75

133.57

137.37122.47

126.31

130.13

133.95

137.75122.86

126.69

130.52

134.33

138.13100

110

120

130

140138.51

142.29

146.07

149.83

153.58138.88

142.67

146.44

150.21

153.96139.26

143.05

146.82

150.58

154.33139.64

143.43

147.20

150.96

154.71140.02

143.80

147.57

151.33

155.08140.40

144.18

147.95

151.71

155.46140.78

144.56

148.33

152.08

155.83141.16

144.94

148.70

152.46

156.20141.54

145.31

149.08

152.83

156.58141.91

145.69

149.46

153.21

156.95150

160

170

180

190157.33

161.05

164.77

168.48

172.17157.70

161.43

165.14

168.85

172.54158.07

161.80

165.51

169.22

172.91158.45

162.17

165.89

169.59

173.28158.82

162.54

166.26

169.96

173.65159.19

162.91

166.63

170.33

174.02159.56

163.29

167.00

170.70

174.38159.94

163.66

167.37

171.07

174.75160.31

164.03

167.74

171.43

175.12160.68

164.40

168.11

171.80

175.49200

210

220

230

240175.86

179.53

183.19

186.84

190.47176.22

179.89

183.55

187.20

190.84176.59

180.26

183.92

187.56

191.20176.96

180.63

184.28

187.93

191.56177.33

180.99

184.65

188.29

191.92177.69

181.36

185.01

188.66

192.29178.06

181.72

185.38

189.02

192.65178.43

182.09

185.74

189.38

193.01178.79

182.46

186.11

189.75

193.37179.16

182.82

186.47

190.11

193.742