單片機(jī)溫度巡檢儀設(shè)計(jì)(doc畢設(shè)論文)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 路，由單片機(jī)控制通道A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)時對電壓信號進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。這種方案是單片機(jī)處理非電量信號的典型方法，它的優(yōu)點(diǎn)是測溫范圍廣，選用合適的測溫元件可以檢測－300℃～3000℃的溫度. 由于本課題的溫度巡檢儀主要是面向較高溫度。所以前面兩種方案由于測溫范圍的限制，我們將采用第三種方案，而且第三種方案是比較成熟的技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)上也比較容易。．顯示器 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED(Light Emitting Diode)。液晶顯示器，簡稱LCD(Liquid Crystal Display),和CRT 顯示器。 LED的發(fā)光頻率和顏色取決于制造的材料，一般常用紅色，偶爾也用黃色或綠色。發(fā)光二極管LED是智能化測量控制儀表中簡單而常用的輸出設(shè)備，通常用來指示機(jī)器的狀態(tài)或其他信息。它的優(yōu)點(diǎn)是耗電省，配置靈活，接口方便，價格低，壽命長，對電流電壓的要求不高及容易實(shí)現(xiàn)多路等，因而在智能化測量控制儀表中獲得了廣泛的應(yīng)用。 LCD是一種被動顯示器，它本身并不發(fā)光，只是調(diào)節(jié)光的亮度。目前常用的LCD是根據(jù)液晶的扭曲－向列效應(yīng)原理制成的，可得到黑底白字或白底黑字的顯示形式。對于采用電池供電的便攜式智能化測控儀表，考慮到低功耗的要求，常常需要采用液晶顯示器，它體積小，重量輕，功耗極低，因此在儀器儀表中的應(yīng)用十分廣泛。但是必須借助外來光顯示。 CRT顯示器可以進(jìn)行圖形顯示，但是接口較復(fù)雜，成本也較高。 在16路溫度巡檢儀中只需要顯示5位數(shù)字形式的溫度和路數(shù)，可以不必使用價格較高的CRT；四位LED的工作電流位240mA左右，由于使用交流電源供電，足以提供LED顯示器所需要的功率，對于LED而言，僅有五位，體積也很小，這樣比較LED和LCD的諸多特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇LED顯示器。 鍵盤是一組按鍵的組合，它的主要作用是控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)和命令，有編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤兩類。編碼式鍵盤除了按鍵之外，還包括了產(chǎn)生鍵碼的硬件電路、去抖動電路和多鍵、竄鍵保護(hù)電路。每按下一個鍵，能自動產(chǎn)生這個鍵的鍵碼，與此同時，產(chǎn)生一個脈沖信號，通知CPU接收。這種鍵盤使用方便，接口程序簡單，但是需要較多的硬件電路，價格較貴，一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)較少使用。非編碼式鍵盤僅由排成行、列矩陣形式的按鍵組成，按鍵的作用只是簡單的實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)的接通或斷開，鍵的去抖動、鍵的編碼的形成和鍵識別等均由軟件來完成。由于它經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛采用。經(jīng)過以上對比，可以采用非編碼式鍵盤。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵根據(jù)以上所述的總體設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)中需解決的技術(shù)關(guān)鍵性問題是：第一， 這種巡檢儀的檢測點(diǎn)有十幾個，所以在傳感器的選擇和使用上，要求盡量的消除誤差，并盡量使使用方便。第二， 為保證本系統(tǒng)高可靠性的運(yùn)行，儀器本身要具備很強(qiáng)的抗干擾能力，為此應(yīng)在硬件及軟件設(shè)計(jì)上引入各種抗干擾措施。特別是系統(tǒng)中傳感器采集的數(shù)據(jù)的放大和濾波處理就顯得尤為重要。第三， 由于硬件電路上沒有線性化及冷端補(bǔ)償措施，那么軟件勢必功能很強(qiáng)大，在軟件設(shè)計(jì)時也應(yīng)尋找盡可能簡單完善的思路，保證程序易于修改、調(diào)試。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)根據(jù)上一章所選的總體方案確定的思路，下面將進(jìn)行具體的系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖見圖3－1。 圖3－1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖溫度傳感器主要用來進(jìn)行溫度信號的采集，并經(jīng)過濾波和放大電路以后，送入多路開關(guān)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化器之后變成數(shù)字信號進(jìn)入單片機(jī)，并在單片機(jī)內(nèi)完成對熱電阻信號的溫度線性化。數(shù)字式溫度傳感器AD590主要是采集每個測試熱電偶所對應(yīng)的環(huán)境溫度，并在其內(nèi)部將采集到的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī)，用來進(jìn)行對熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。 鍵盤在本系統(tǒng)種是操作員控制巡檢儀的唯一途徑，是安裝調(diào)試的必備手段，當(dāng)希望更改當(dāng)前的顯示路數(shù)時，就可以通過鍵盤來選擇穩(wěn)壓電源為單片機(jī)、溫度傳感器、放大濾波器、多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器等提供直流電壓。 溫度巡檢儀的硬件構(gòu)成目前國內(nèi)市場上可供選擇的單片機(jī)的類型有很多種，以MCS－5MCS96為主流系列。其中MCS51系列性能價格高，開發(fā)用的仿真機(jī)研究較早并日趨完善，生產(chǎn)廠家較多，支持芯片種類繁多，適合不同應(yīng)用場合的新機(jī)種不端涌現(xiàn)，使得MCS51系列單片機(jī)在國內(nèi)成為開發(fā)中小型嵌入式系統(tǒng)的首選。在我國，最受歡迎的8位機(jī)要Philips公司的80C51及其系列產(chǎn)品，因其具有體積小、功能全和價格低等一系列優(yōu)點(diǎn)。所以在本設(shè)計(jì)中我選擇了8751，具體來說，它有如下一些優(yōu)點(diǎn)：① 最適于控制用的8位CPU；② 強(qiáng)化的布爾（單位邏輯）能力；③ 32位可按位尋址的雙向I/O線；④ 128個字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM。⑤ 兩個16位的遞增定時/計(jì)數(shù)器；⑥ 全雙工的通用異步接收/發(fā)送器；⑦ 兩個優(yōu)先級別的五源中斷結(jié)構(gòu)；⑧ 片內(nèi)時鐘振蕩器；⑨ 4K字節(jié)片內(nèi)程序存儲器；⑩ 64字節(jié)程序存儲器地址空間；? 64K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器地址空間；? 有片內(nèi)的EPROM。 溫度傳感器及接口電路 熱電阻。利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器，它主要用于對溫度和與電阻有關(guān)的參量進(jìn)行技能型檢測。按熱電阻的性質(zhì)分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，前者通常稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。熱電阻是由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部分組成的。其中，電阻體是熱電阻的最主要部分。A．鉑電阻鉑電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。這是因?yàn)殂K在氧化性介質(zhì)中，特別是在高溫下其物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。在1927年就把鉑電阻作為復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的基準(zhǔn)器，當(dāng)前仍是作為精密溫度計(jì)的一種主要傳感器。制作測溫電阻的材料鉑，當(dāng)其純度≥%時是最佳的材料，它有以下的優(yōu)點(diǎn)：①純度越高，電阻—溫度特性越穩(wěn)定；②純度越高，電阻的溫度系數(shù)越高。目前，國內(nèi)主要生產(chǎn)的兩種型號的鉑電阻R。＝（46177。0。046）歐和R。＝（100177。）歐，使用的范圍是200℃～＋650℃。當(dāng)溫度t＝0℃～650℃時，鉑電阻的電阻Rt與溫度t的關(guān)系接近于線性并有 Rt=R0（1＋At+B） 31當(dāng)溫度t=200℃～0℃時，有Rt=R。[1+At+B+C(t100℃)] 32這里，A＝/℃ B=/。C=/當(dāng)溫度為0℃以上且較低時，可近似的表示為 Rt=R。（1＋at） 33式中溫度系數(shù)a=/℃ 用鉑電阻測溫的基本誤差為－200℃～0℃時，△t=177。(℃+6t) 340℃～650℃時，△t=177。(℃+t) 35B．銅電阻 由于銅電阻隨溫度變化而引起的變化值較小，例如，鉑電阻在零溫度時的阻值R。＝100歐，銅電阻在零溫度時的R。＝50歐，因此，在傳感器與測量儀器之間的引線過長會引起較大的測量誤差。在實(shí)際應(yīng)用時，通常使熱電阻或放大器采用兩線、三線或四線制的接線形式。兩線制的引線電阻：銅電阻不得超過R。％，鉑電阻不超過R。％。采用三線制、四線制可消除連接引線過長而引起的誤差。①二線制接法。二線制接法如圖3－2所示： 圖3－2 熱電阻的二線制解法R2和R3是固定電阻，電阻值較大，且R2=R3。R1是為保持電橋平衡而選用的調(diào)零電位器，Rt為熱電阻，RR5為導(dǎo)線等效電阻。假設(shè)R4=R5=r,R1與R2電阻值相對RR3電阻值較小，可以認(rèn)為I1=I2=I（恒流源）。 V=I1 (R4+Rt+r) =I(r+Rt+r) =IRt+2Ir 36 V=I2R1=IR1 37因此， V0====IRt+2IrIRt=I(RtR1)+2Ir 38當(dāng)r不為零時，可能產(chǎn)生較大的誤差。 ②三線制接法。三線制接法如圖3－4所示，該電路是最實(shí)用的精確測量方式。 圖3－3 熱電阻的三線制接法RR5和R6為導(dǎo)線電阻。假設(shè)R4=R5=R6,I1=I2=I(恒流源)。 V=I1 (R4+Rt) + (I1+I2)R6=I(r+Rt)+(I+I)=IRt+3Ir 39 V=I2 (R1+R5) + (I1+I2) R6=I (R1+r) + (I+I) r=IR1+3Ir 310 V=V=VV=IRt+3IrIR13Ir=I(RtR1) 311式3－（8）11與導(dǎo)線電阻沒有關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了精確測量。 綜上所述，經(jīng)比較，我選擇了鉑電阻作為熱電阻傳感器，并且采用了三線制接法來消除導(dǎo)線的誤差。 熱電偶。熱電偶是溫度測量中使用最廣泛的傳感器之一，其測量溫區(qū)寬，一般在－180℃～2800℃的溫度范圍內(nèi)均可使用；測量的準(zhǔn)確度和靈敏度都較高，尤其在高溫范圍內(nèi)，有較高的精度。因此，國際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，℃～℃的溫度范圍內(nèi)，用熱電偶作為復(fù)現(xiàn)的熱力學(xué)溫標(biāo)的基準(zhǔn)儀器，熱電偶在一般的測量和控制體系中，常用于中高溫區(qū)的溫度檢測。 把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接，構(gòu)成如圖（3－5）所示的閉合回路，若使兩個結(jié)點(diǎn)保持不同溫度時，將產(chǎn)生熱電動勢，即賽貝克（Seebeck）效應(yīng)。 3－4 熱電偶的工作原理熱電動勢由兩部分組成：接觸電動勢和溫差電動勢。接觸電動勢產(chǎn)生的原因是：當(dāng)兩種導(dǎo)體接觸時，由于二者電子密度不同，電子密度大的導(dǎo)體的電子向另一導(dǎo)體擴(kuò)散的速率高，結(jié)果丟失電子多的導(dǎo)體帶正電荷，得到電子的導(dǎo)體帶負(fù)電荷，這樣就形成接觸電動勢。其大小取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸電阻的溫度。溫差電動勢產(chǎn)生的原因是：同一導(dǎo)體兩端因溫度不同（如tt0）而產(chǎn)生的。高溫端的電子能量比低溫端的電子能量大，因此從高溫端流向低溫端的電子數(shù)目比從低溫端流向高溫端的多，結(jié)果丟失電子的高溫端帶正電荷，得到電子的低溫端帶負(fù)電荷。根據(jù)熱電偶的中間溫度定則，有 E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0) 312 其中，E(t,0)為被測溫度對應(yīng)熱電動勢； E(t,t0)為實(shí)測溫度對應(yīng)熱電動勢； E(t0,0)為補(bǔ)償熱電動勢 熱電偶在使用中的一個重要問題就是如何解決自由端溫度補(bǔ)償，因?yàn)闊犭娕嫉妮敵鰺犭妱觿莶粌H與工作端的溫度有關(guān)，而且也與自由端的溫度有關(guān)。平常使用時，熱電偶兩端輸出的熱電動勢對應(yīng)的溫度值只是相對于自由端溫度的一個相對溫度值，而自由端的溫度又常常不為零度。因此該溫度值已經(jīng)疊加了一個自由端溫度。為了使熱電偶與被測溫度間呈單值函數(shù)關(guān)系，需把冷端恒溫或用下述幾種方法來處理：1． 補(bǔ)償導(dǎo)線 為使熱電偶冷端保持恒定（最好為0℃）：通常做法是用一種導(dǎo)線（稱補(bǔ)償導(dǎo)線）將熱電偶冷端延伸出來（見圖3－6） 圖3－5 補(bǔ)償導(dǎo)線在測溫回路中的連接這種導(dǎo)線使在溫度范圍內(nèi)（0～100℃）具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能。廉價金屬制成的熱電偶，可用其本身的材料作補(bǔ)償導(dǎo)線，將冷端延伸到恒定的地方。必須指出，只有當(dāng)新移接點(diǎn)處的冷端溫度恒定或配用的儀表本身具有冷端溫度自動補(bǔ)償裝置時，應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線才又意義。2．冰浴法為避免經(jīng)常校正的麻煩，可采用冰浴法使冷端溫度保持為恒定的0℃。在實(shí)驗(yàn)室條件下采用冰浴法，通常是把冷端放在盛有絕緣油的試管中，然后在將其放入裝滿冰水混合物的保溫容器中，使冷端保持0℃。3．補(bǔ)償電橋法圖3－7使利用不平衡電橋進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)姆椒?。其中Rt為一熱電偶，由于冷端溫度變化而導(dǎo)致電橋輸出電壓變化，該電壓的極性與熱電偶輸出熱電動勢相反，而大小則取熱電偶冷端作為工作端，而零度作為自由端時的輸出電壓值，從而達(dá)到冷端補(bǔ)償?shù)淖饔?。圖3－6 電橋補(bǔ)償法4．計(jì)算機(jī)補(bǔ)償法 在計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中，往往采取下述的冷端補(bǔ)償方法： 即單獨(dú)讓一路A/D測量熱端溫度(如用AD590)按熱電偶分度表計(jì)算出對應(yīng)的毫伏數(shù)，與已經(jīng)取得的熱電偶毫伏數(shù)相加，此時再查熱電偶分度表，即可得到測量溫度t，完成了熱電偶的冷端補(bǔ)償。此種方法非常簡單，再整個測量系統(tǒng)中，只需要測量出一個熱端溫度，就可以完成對熱電偶的冷端補(bǔ)償。 經(jīng)過以上幾種法的綜合比較，我選擇了熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線和計(jì)算機(jī)補(bǔ)償相結(jié)合的方法，即用鉑銠10－鉑的熱電偶綜合運(yùn)用AD590來進(jìn)行熱電偶的冷端補(bǔ)償。 多路模擬開關(guān)用來切換模擬信號。對于A/D通道來說，需要用多路輸入、一路輸出的模擬開關(guān)，使輸入的多路模擬信號輪流與A/D轉(zhuǎn)換器接通。這種電路已經(jīng)有集成的電路產(chǎn)品，如CD405CD405CD4097都是可以進(jìn)行雙向切換的多路開關(guān)，他們既可以作多路輸入、一路輸出的模擬開關(guān)，也可以作一路輸入、多路輸出的模擬開關(guān)。本設(shè)計(jì)中我所選用的是CD4051 。 圖3－8為CD4051的引腳圖 圖3－7 CD4051的引腳圖其中引腳為選通端，只有當(dāng)為低電平時，才能選通某一通道，使開關(guān)接