智能溫度采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)號：08091310562011-2012學(xué)年第1學(xué)期專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：智能溫度采集和顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)：電氣系通信工程班級：姓名：指導(dǎo)老師：崔雪英成績：電氣工程系2011年11月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：08091310設(shè)計(jì)名稱：智能溫度采集和顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)起止日期：2011年11月7日-2011年11月18日指導(dǎo)老師：崔雪英設(shè)計(jì)要求：某化工廠須要連續(xù)監(jiān)測8個(gè)反應(yīng)罐的溫度，反應(yīng)罐溫度允許范圍：101℃～199℃，假如溫度低于下限或高于上限已知：①溫度傳感器的靈敏度均為10mV/1℃，并且溫度為0℃時(shí)，傳感器的輸出電壓為0V，工作電壓為＋5V。②現(xiàn)場有較嚴(yán)峻的功能：①測量誤差≤±0.5℃，顯示精度1℃。②按2S間隔輪番顯示各通道溫度和通道號；③能通過按鍵選擇顯示任一通道的溫度；④系統(tǒng)具有自動零點(diǎn)校正和自動增益校正功能，⑤上下限報(bào)警溫度可以變更摘要為了解決在一些溫室測控系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)顯示方式單一,數(shù)據(jù)無法長期存儲、調(diào)用,系統(tǒng)接口過于困難的問題。在分折探討了當(dāng)前國內(nèi)、外溫室測控探討現(xiàn)狀,并結(jié)合現(xiàn)在最為熱門的嵌人式系統(tǒng),ARM處理器,單總線的溫度傳感器,提出了一種結(jié)構(gòu)簡潔、低功耗、便利好用的系統(tǒng)解決方案。本系統(tǒng)主要用于分布式智能型溫室計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中。近年來，電子電路開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域的深化和集成電路工藝水平的發(fā)展為電子技術(shù)課程注入了新的內(nèi)容，也為課程的試驗(yàn)﹑實(shí)訓(xùn)開拓了視野，創(chuàng)建了條件。老師應(yīng)深化鉆研教材內(nèi)容，涉獵相關(guān)學(xué)問，收集應(yīng)用信息，在做好理論教學(xué)和試驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)細(xì)心構(gòu)思實(shí)訓(xùn)方案，努力提高學(xué)生的綜合應(yīng)用實(shí)力。應(yīng)當(dāng)說運(yùn)用基本電路設(shè)計(jì)應(yīng)用電路是我們教學(xué)的基本目的和要求。特殊是對于高等職業(yè)技術(shù)教化來說因其本身是培育高等技術(shù)應(yīng)用性人才，而實(shí)踐教學(xué)體系是培育學(xué)生專業(yè)技能的主要途徑，因而實(shí)踐教學(xué)必需引起我們的足夠重視。我們知道實(shí)踐教學(xué)有試驗(yàn)﹑實(shí)習(xí)﹑實(shí)訓(xùn)等環(huán)節(jié)，而實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的確定,詳細(xì)方案的實(shí)施則至關(guān)重要?？茖W(xué)地支配實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié),針對不同的專業(yè)合理的布置實(shí)訓(xùn)題目這是指導(dǎo)老師頗費(fèi)心機(jī)的過程,詳細(xì)操作時(shí)要求我們必需細(xì)心構(gòu)思,仔細(xì)組織。溫度檢測與顯示應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)的方法也許多，從簡潔的水銀溫度計(jì)到微機(jī)數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)幾乎無處不在。我們這里介紹的系統(tǒng)是由模擬電路元器件，邏輯電路部件，存儲器電路和時(shí)序電路綜合搭建而成，它涉及的學(xué)問幾乎涵蓋了電子電路課全部內(nèi)容。目錄1系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì) 51．1設(shè)計(jì)原理 51.2系統(tǒng)框圖 51.3系統(tǒng)總體說明 62系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 62.1穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 62.1.1穩(wěn)壓電壓設(shè)計(jì)原理 62.1.2穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路 72.2傳感器與多路開關(guān)的選擇 82.2.1傳感器選用 82.2.2多路開關(guān)選擇 82.3信號處理電路設(shè)計(jì) 102.3.1減法電路 102.3.2放大電路 123系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 103.1系統(tǒng)主程序 113.2定時(shí)程序 113.3LED顯示程序 12參考文獻(xiàn) 14自我評價(jià) 15指導(dǎo)老師評語和成果……………161系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)1．1設(shè)計(jì)原理依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本次課設(shè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)包含以下7大模塊：傳感器部分、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)部分、聲光報(bào)警部分、四位顯示和撥碼盤輸入。由于給定的已知條件里面對于傳感器已經(jīng)給出了靈敏度這一指標(biāo)，所以我選用了能夠滿意這一指標(biāo)的PT100熱電阻溫度傳感器，詳細(xì)傳感器設(shè)計(jì)本次課設(shè)中沒有進(jìn)行。信號調(diào)理電路主要由：數(shù)據(jù)選擇器、陷波器、放大器和一個(gè)減法器組成，運(yùn)用數(shù)據(jù)選擇器是因?yàn)楣灿?路傳感器輸入信號具有共性且系統(tǒng)不要求同時(shí)采納處理，其中0-3和4-7分別可以共有數(shù)據(jù)輸入通道，節(jié)約系統(tǒng)硬件成本，同時(shí)是系統(tǒng)簡潔明白。A/D轉(zhuǎn)換電路采納8位ADC0809芯片來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，其中只有兩路輸入。顯示部分采納4為LED顯示，一位顯示代表反應(yīng)罐的號數(shù)，另外3位表示對應(yīng)反應(yīng)罐的溫度。鍵盤部分主要是用來設(shè)定溫度范圍，采納撥碼盤來實(shí)現(xiàn)。聲光報(bào)警部分由一個(gè)顯示燈和蜂鳴器組成，在溫度超出正常范圍時(shí)進(jìn)行自動報(bào)警。系統(tǒng)的核心是單片機(jī)部分，主要是將A/D轉(zhuǎn)換來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，正常就輸出顯示；異樣就進(jìn)行聲光報(bào)警；同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)其它部分的限制與調(diào)整，使整個(gè)系統(tǒng)正常工作。1.2系統(tǒng)框圖傳感器傳感器多路開傳感器傳感器多路開關(guān)減法電路陷波器放大電路A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)AT89C51LED顯示聲光報(bào)警撥碼盤···圖1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖1.3系統(tǒng)總體說明由于系統(tǒng)精度要求分別是0.5℃和0.3℃，因此必需對傳感器采集的信號進(jìn)行放大處理，因?yàn)橄到y(tǒng)給定的傳感器靈敏度均為10mV/℃，系統(tǒng)給定的溫度值分別是101℃—199℃和301℃—349℃，因此輸出電壓分別為1.01V-1.99V和3.01V-3,49V，這樣放大倍數(shù)最多2.5倍，由于50Hz的工頻信號的干擾，達(dá)不到要求的精度。為了解決這一問題，設(shè)計(jì)中采納兩個(gè)減法電路，分別減去1V和3V，然后再分別放大5倍和10倍，這樣就完全能夠達(dá)到系統(tǒng)須要的精度，也能夠被采樣，只須要在單片機(jī)處理程序里面分別在輸入數(shù)據(jù)上重新加上1V和3V即可。由于系統(tǒng)的8個(gè)反應(yīng)罐的溫度傳感器輸出值分為兩組，所以多路開關(guān)（數(shù)據(jù)選擇器）采納雙四選一的芯片74LS153來進(jìn)行傳感器選擇，后面的減法電路、陷波器和放大電路都是兩路。一路放大5倍，一路放大10倍。這兩路的最終輸出信號進(jìn)入ADC0809的兩個(gè)輸入端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采納4位七段LED來顯示反應(yīng)罐號碼和對應(yīng)的溫度，反應(yīng)罐號碼是由單片機(jī)限制循環(huán)限制顯示，同時(shí)系統(tǒng)的溫度采集也是對應(yīng)于此進(jìn)行的，3位LED顯示反應(yīng)罐的溫度，必將進(jìn)行取整處理，這是由軟件編程來實(shí)現(xiàn)。此外，依據(jù)系統(tǒng)須要還設(shè)計(jì)了鍵盤輸入和聲光報(bào)警裝置，來實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)罐上下限溫度值的設(shè)定和超出上下限溫度的自動報(bào)警顯示。還有一個(gè)不得不提的部分是穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，因?yàn)橄到y(tǒng)芯片須要供電，同時(shí)減法電路中須要1V和3V的電壓作為基準(zhǔn)的電壓進(jìn)行運(yùn)算處理，所以設(shè)計(jì)中特地設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電源，可以將220V工業(yè)電壓，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)須要的穩(wěn)壓直流電壓。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)2.1.1穩(wěn)壓電壓設(shè)計(jì)原理電源變壓器是將溝通電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗氁碾妷褐怠贤娊?jīng)過二極管整流后，方向單一了，但是大?。娏鲝?qiáng)度）還處在不斷變更之中。這種脈動直流一般不能干脆用來給集成電路供電，而是要通過整流電路將江流點(diǎn)變?yōu)橹绷麟妷?。由于此直流電壓還含有較大的紋波，必需通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。濾波的任務(wù)就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能的減小，改造成接近穩(wěn)恒的直流電。但是這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動（一般有±10%左右的波動），負(fù)載和溫度的變更而變更，因而在整流濾波電路之后，還須要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動，負(fù)載和溫度變更時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成。變壓器把市電溝通電壓變?yōu)樗璧牡蛪簻贤?。整流器把溝通電變?yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。2.1.2穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路依據(jù)以上理論分析，設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源如圖2.1所示。圖2.15V穩(wěn)壓電源電路工作原理：圖中為TR1電源變壓器，它的作用是將溝通電網(wǎng)電壓220V變?yōu)檎麟娐芬蟮臏贤妷篤2=sinwt，四只整流二極管D1—D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。先計(jì)算文件參數(shù)：二極管D1、D3和D2、D4兩兩輪番導(dǎo)通的，所以流經(jīng)每個(gè)二極管的平均電流為：二極管在截止時(shí)管子兩端承受的最大反向電壓可以從圖3.1中看出。在V2正半周時(shí)D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，此時(shí)D2、D4所承受的最大反向電壓均為V2的最大值，即。同理，在V2的負(fù)半周，D1、D3也承受到同樣大小的反向電壓。橋式整流電路的有點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因?yàn)殡娫醋儔浩髟谡?fù)半周內(nèi)都有電流給負(fù)載供電，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。濾波電路：我們采納電容濾波電路。因?yàn)楸菊n設(shè)中為小功率電源，初始時(shí)電容器兩端初始電壓為零，接入溝通電源后，當(dāng)V2為正半周時(shí)，通過D1、D3向電容C充電；當(dāng)V2為負(fù)半周時(shí)，通過D2、D4向電容C充電。充電時(shí)間常數(shù)為。包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管D正向電阻。由于一般很小，電容器很快就達(dá)到了溝通電壓的V2的最大值的。由于電容器無放點(diǎn)回路，故輸出電壓保持在V2，輸出為一個(gè)恒定的直流。2.2傳感器與多路開關(guān)的選擇2.2.1傳感器選用在本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求中，明確了傳感器的辨別率為10mV/℃。因此，我在設(shè)計(jì)中選用了PT100專業(yè)溫度傳感器，pt100是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變更而變更。PT后的100即表示它在0℃時(shí)阻值為100歐姆，在100℃時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的。至于溫度傳感器的工作運(yùn)用原理和詳細(xì)工作方式在本次課設(shè)中暫不探討，只是確定傳感器的輸出電壓值分別為1.01V—1.99V和3.01V—3.49V。課設(shè)中就是針對這些信號進(jìn)行處理和分析顯示。2.2.2多路開關(guān)選擇在本次課設(shè)的系統(tǒng)測量中采納了8個(gè)溫度傳感器，且其中也具有肯定的共性，同時(shí)不須要同步采樣。因此在課設(shè)中采納了多通道共享輸入通道，將8個(gè)傳感器輸出的測量信號通過雙四選一芯片74LS153分別進(jìn)行輸入信號選擇，再由兩路輸出通道分別進(jìn)行信號處理。采納多通道共享輸入結(jié)構(gòu)可以充分利用元器件的性能，提高性價(jià)比，削減硬件成本。因?yàn)橄到y(tǒng)中8個(gè)反應(yīng)罐的溫度測量在2個(gè)范圍內(nèi)：101℃-199℃和2.3信號處理電路設(shè)計(jì)信號處理電路主要包含減法電路、陷波器電路和放大電路3部分組成。2.3.1減法電路正如前面總體原理介紹中闡述的原理：由于系統(tǒng)精度要求分別是0.5℃和0.3℃，因此必需對傳感器采集的信號進(jìn)行放大處理，因?yàn)橄到y(tǒng)給定的傳感器靈敏度均為10mV/℃，系統(tǒng)給定的溫度值分別是101℃—199℃和301℃—當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，則：Uo=U1-U2通過該電路，將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成0.01V-0.99V和0.01V-0.49V的小信號，然后分別進(jìn)行5倍和10倍的放大，達(dá)到0.05-4.95V和0.1-4.9V的電壓信號，這樣保證信號能夠被ADC0809采樣，這樣能夠達(dá)到設(shè)計(jì)需求的精度要求0.5℃和0.32.3.2放大電路依據(jù)設(shè)計(jì)須要，分別要對陷波以后的信號進(jìn)行放大5倍和10倍，才能達(dá)到AD轉(zhuǎn)換的要求，因此須要設(shè)計(jì)兩路放大電路。但是在前面的減法電路中，假如選擇合適的電阻參數(shù)值，也可以實(shí)現(xiàn)對于信號放大的功能。因此，本著系統(tǒng)最優(yōu)化的原則，本次課設(shè)中沒有在單獨(dú)設(shè)計(jì)放大電路，而是借助于減法電路的放大功能來實(shí)現(xiàn)對于信號的放大。依據(jù)前面的公式：若R1=R3，R2=R4，則有：分別選擇R2=10R1=20k和R2=5R1=10k，即可實(shí)現(xiàn)對于輸出信號10倍和5倍的放大，從而削減了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的困難程度，也能滿意系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一切功能需求。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本次課設(shè)中的軟件設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)部分：輸入通道限制程序（包含A/D轉(zhuǎn)換和多路選通程序）、數(shù)字濾波程序、LED顯示程序、故障報(bào)警程序、撥碼盤輸入程序和定時(shí)程序。每一塊程序既能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能，也要在正在系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)肯定的其他功能。相互之間有肯定的關(guān)聯(lián)性。起先程序初始化波碼盤掃描程序（上下限溫度值確定）輸入選擇、啟動定時(shí)起先程序初始化波碼盤掃描程序（上下限溫度值確定）輸入選擇、啟動定時(shí)A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算溫度值超過上限？低于下限？數(shù)字濾波LED顯示程序聲光報(bào)警LED顯示聲光報(bào)警LED顯示YYNN圖3.1系統(tǒng)程序總框圖依據(jù)程序總框圖可知，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，單片機(jī)始終以2s為定時(shí)基準(zhǔn)進(jìn)行定時(shí)，每隔兩秒循環(huán)選通一路傳感器輸入給單片機(jī)處理和顯示；同時(shí)，在2s結(jié)束時(shí)，對于撥碼盤的輸入值進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)在線變更上下限報(bào)警溫度。3.2定時(shí)程序起先關(guān)中斷起先關(guān)中斷啟動定時(shí)2s結(jié)束？觸發(fā)中斷重新加載數(shù)據(jù)圖3.2定時(shí)程序流程圖YN3.3LED顯示程序課程設(shè)計(jì)中采納的是4位LED動態(tài)掃描顯示的方法，因此在編程中要有位選輸出信號和顯示斷碼信號。依據(jù)須要顯示的位對應(yīng)的輸出口引腳，動態(tài)選擇P2.0、P2.1、P2.2和P2.3，依次循環(huán)輸出低電平，這樣就點(diǎn)亮了對應(yīng)的LED顯示芯片；再將輸出數(shù)據(jù)對應(yīng)的段碼值通過P0口輸出，就完成了一位顯示。動態(tài)掃描頻率很高，所以最終顯示的是四位數(shù)據(jù)：一位反應(yīng)罐號和三位溫度顯示值。詳細(xì)流程圖如圖3.3所示。起先初始化設(shè)置地址設(shè)置位選字起先初始化設(shè)置地址設(shè)置位選字輸出位選字讀顯示數(shù)據(jù)查段選碼輸出段選碼延時(shí)4位顯示完?返回圖3.3顯示程序流程圖YN參考文獻(xiàn)【1】李廣弟、朱月秀、王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ).北京：北京航空航天高校出版社，2001.7【2】史健芳.智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，北京：電子工業(yè)出版社，2005.6【3】張