基于单片机的智能温度巡检仪设计毕业设计
基于单片机的智能温度巡检仪设计
对于工业过程小型测控设备或者专用的智能化仪表，自动化工作者一般是采用以单片微型计算机为核心，配以相应接口电路的模式来实现。单片机本身只是一个微控制器芯片，只有当它和外围电路有机地组合在一起，并配臵适当的工作程序后，才能构成为一个单片机智能应用系统。
本章以工业生产过程中最基本的温度参数测量为例，说明一台智能温度巡检仪的设计思路、硬件配臵、软件编程、系统结构及调试考核过程。
2.1 设计任务
2.1.1 主要功能
为了满足工业生产过程监控的要求，设计的智能温度巡检仪应当具有如下功能：能与常用温度传感器配合检测多路温度，本例是与温度传感器Pt100型铂热电阻配合，巡回检测8路温度；可选择定点显示方式，也可选择巡回显示方式；在全量程内，可设定超限报警值，当实测温度超过设定值时，发出报警信号且有常开接点输出；将检测的每路温度转变为与之线性对应的4～20mA电流输出；支持RS-485通信方式，方便组成局域监控网络，使实测温度、温度超限设定值等参数在网络中共享。
2.1.2 技术指标
?测量范围： 200℃～850℃。
?测量精度：优于0.5级。
?温度巡检周期：1s。
?巡回显示周期：以秒为单位，可选定。
?工作环境温度：0℃～50℃。
?相对湿度：小于85%。
?供电电源：220V AC，±10%，50Hz。
?结构形式：盘装式。
?外形尺寸：160mm（长）×80mm（宽）×160mm（深）。
开孔尺寸：152mm×76mm。
2.2 总体设计
首先要确定实现主要功能与技术指标的硬件、软件的总体设计方案。必须遵守以下三个设计理念。
①智能温度巡检仪是以单片机为核心的嵌入式系统，有些功能既可以通过软件编程实现，也可以通过硬件配臵实现，应当遵守“能软不硬”的理念，即凡是能够用软件方案实现的功能就不用硬件方案实现，其目的是降低制造成本。软件方案只需在软件开发设计中一次性投入，一旦开发成功，在制造过程中将降低材料成本和安装成本，同时能够提高整机的可靠性。任何电子元器件都有老化失效的问题，整机的可靠性与采用元器件的数量成反比，减少使用的元器件数量，就相当于提高了整机的可靠性。
②设计过程应当兼顾技术指标与经济指标，技术指标再高的仪表设备，如果制造成本高、售价高，将不会有市场前景。
③在设计过程中，选用的元器件与材料的市场供应渠道必须畅通。电子元器件、电子材料的发展日新月异，必须选用目前市场敞开供应的元器件与材料，否则将给日后的制造与维护带来很多麻烦。如果设计中选用了一些早已淘汰的元器件，将无法实现样机的研发。即便样机开发成功，以后生产制造中的材料采购也十分困难。
1.硬件总体方案
主机电路采用以8位单片机为核心的方案，片内要有足够多的资源，尽量减少扩展外部功能芯片，减小体积，降低造价。单片机要有如下资源：
1.足够的片内程序存储器，容量不小于20KB
2.足够的片内数据存储器，容量不小于256B
3.定时器/计数器不少于3个。（通讯和A/D转换要求）。
4.中断源不少于3个
5.有串行通讯接口
6.有通用I/O接口
为保证测量精度，前向通道A/D分辨率不低于12位。为了降低造价，8路温度通道通过多路开关技术，公用一个放大器、一个Ａ／Ｄ转换器。
后向通道的多路模拟量输出，采用一个D/A转换器，８路保持器，利用软件定时刷新的方法实现多路模拟量输出。
人机接口的显示器采用LED数码管，其亮度高，有效观测距离远，成本低。按键采用薄膜按键，手感好，寿命长。
通讯接口采用RS-485传输技术，方便按照总线式网络拓扑组成局域测量网络，而且RS-48５传输技术成熟，成本低。
2．软件总体方案
软件任务比较简单，不需要嵌入操作系统，主要包括监控程序、人机服务程序、数据采集处理程序、通信服务程序几部分。为了保证实时性要求，提高运行效率，采用ASM51汇编语言编制。
3．外形结构方案
按盘装仪表结构设计，其外形结构尺寸、安装尺寸、安装方式、接线方式与常规测试仪表保持一致，便于替代传统测试仪表。
2.3 硬件系统及驱动程序设计
8路温度巡检仪的硬件由主机电路、前向
通道、后向通道、人机接口电路、通信接口及
供电电源几部分组成，如图所示。其中，主机电
路由CPU、数据存储器、程序存储器、EEPROM
存储器、定时器/计数器、通用异步串行收发器、
中断控制器、WDT定时器及通用并行接口等部件
组成；前向通道电路由Pt100转换电路、滤波电
路、多路模拟开关电路、放大电路、A/D转换电路组成；后向通道电路由D/A转换电路、多路模拟开关电路、V/I转换电路、继电器驱动电路组成；人机接口电路由按键和LED数码管组成；通信接口电路由RS-485接口电路组成；供电电源电路分别向系统数字电路提供逻辑5V电源，向模拟电路提供±12V与±5V模拟电源。
2.3.1 主机电路设计
主机电路设计的核心是选择一款恰当的嵌入式处理器，其处理速度、内含的存储器容量、内含的功能部件尽可能满足系统要求，同时，市场售价满足整机硬件成本要求。
系统对处理速度的要求：根据设计任务中关于温度巡检周期为1s，巡检8路的要求，处理器应当在1/8s，即125ms内完成1路温度的数据采集、标度变换、线性化处理、显示等各项任务。在一般情况下，以上所列任务在８位微处理器中可以通过执行２０００条指令实现，以执行每条指令需要２ｕｓ来计算，共需要４０００ｕｓ，即４ｍｓ。比起系统要求的１２５ｍｓ来说明相差甚远。所以，对８路温度巡检仪这样一个系统来讲，一般８位微处
理器的处理器的处理速度完全可以满足需要。
系统对程序存储器的要求：就设计任务中规定的功能及技术指标而言，软件任务的复杂程度一般，当采用汇编语言编程实现时，一般5000条指令可以完成全部编程任务。以ＭＣＳ５１指令代码效率推算，每条指令平均占有２Ｂ，共需１００００Ｂ即１０ＫＢ的程序存储器容量。
系统对数据存储器的要求：数据存储器主要作为计算缓冲区、堆栈区、实时数据存储区、中间数据存储区使用，对本设计任务而言，一般200～300B可以满足需要。
系统对EEPROM存储器的要求：EEPROM存储器的使用性能是指，程序运行时可以向其中写入数据或擦除数据，当系统关机或掉电时，写入的数据能够可靠长久的保留。它主要用来存储使用者存储的数据，如巡回检测的路数（8路温度巡检仪在使用中可以根据需要设定巡检路数）、超限报警值、巡回显示周期。也可以存储系统标定数据，如各路温度Ａ／Ｄ转换的零点值与满度值、零点迁移值等，这些数据都是以微处理器为核心的智能仪表基本的系统数据。对本设计任务而言，一般２００～３００Ｂ能够满足要求。
系统对定时器/计数器的要求：8路温度巡检仪属于实时性很强的嵌入式系统，实现实时性操作的硬件基础是定时器。对本设计任务来讲，需要1路定时器来产生时钟节拍，实现实时操作；需要1路定时器来作为串行通信的波特率产生器；需要1路定时器来实现A/D 转换操作，因此至少需要3路定时器/计数器。
系统对中断控制的要求：根据设计任务要求，软件任务主要有：通信服务、每路A/D 转换完成时的数据采集与打开下一输入通道、温度计算、人机接口服务共4项任务。其中，通信服务、A/D转换服务的实时性很强，需要通过2个中断源，2级中断管理实现。系统时钟需要通过中断提供实时操作。因此，必须有不少于3个中断源、2级中断的中断控制机制，以便根据各项任务的实时性要求进行抢占式调度。
系统对通用异步串行收发器（UART）的要求：为了支持RS-485通信，必须有1路UART。
系统对硬件抗干扰的要求：迄今为止，看门狗定时器（WDT，Watchdog Timer）是微机系统唯一完全有效的硬件抗干扰措施，因此系统必须采用WDT。
系统对通用并行接口（GPIO）的要求：为了实现主机电路与前向通道、后向通道、人机接口部分的硬件接口，主机电路应当具备20～30个GPIO。
综合上述各项要求，采用以ＭＣＳ－５１为内核的美国ＡＴＭＥＬ公司生产的ＡＴ８９Ｃ５５ＷＤ单片机比较适宜。
1．AT89C55WD 单片机的片内资源及性能
与MCS-51系列单片机指令系统兼容，引脚兼容。
内部具有可重复编程的20KB的Flash型程序存储器，重复编程次数达1000次。
工作电压范围：4～5.5V。
时钟频率：静态到33MHz，当时钟频率选择33MHz时，以每条指令执行时间平均为2个机器周期进行计算，CPU处理速度达1.375MIPS，即每秒可执行137.5万条指令，处理速度非快。256B数据存储器。 32根可编程I/O口线。
3个16位定时器/计数器。 6个中断源，2级中断优先级。
1个可编程的UART。
具有闲臵方式与掉电方式两种省电工作方式。
1个WDT硬件定时器。
2个数据指针。
2．X5045 性能简介
由于选定的单片机AT89C55WD内部没有EEPROM存储器，而单片机上电时必须有自动复位
电路，因此主机电路中除了单片机外，必须扩展EEPROM存储器和上电复位电路。美国XICOR 公司生产的X5045集成芯片，集4项功能于一身，除了内部具有EEPROM存储器外，还有上电复位功能、WDT功能、电源电压监控功能。具体指标如下：
①内部具有WDT电路，可以编程选择WDT超时周期。
②具有低电压监测和强制复位功能。
③具有上电复位控制功能。图2-2 X5045的引脚布臵
④内含4Kbit的EEPROM存储器，可以编程选定进行分块保护，
保证重要数据存储的可靠性
⑤支持高达33MHz的时钟频率。
⑥功耗低，工作电流小于50 A，便于电池供电。
（1）引脚描述
Ｘ５０４５的引脚布臵图如上图所示，由于Ｘ５０４５采用ＳＰＩ接口，因此使用有限几条Ｉ／Ｏ口线，就能实现与单片机的接口。各引脚功能说明如下。
串行输出（ＳＯ）：ＳＯ是串行数据输出引脚。在读周期内，数据在此引脚上移出，数据由串行时钟的下降沿同步输出。
串行输入（ＳＩ）：ＳＩ是串行数据输入引脚。所有操作码、字节地址及写入存储器的数据均在此引脚上输入。数据由串行时钟上升沿锁存。
串行时钟（ＳＣＫ）：串行时钟用于数据输入和输出的串行总线定时。操作码、地址或出现在ＳＩ引脚上的数据在时钟输入的上升沿锁存，而ＳＯ引脚上的数据在时钟输入的下降沿之后发生改变。
片选信号（CS）：当CS为高电平时，Ｘ５０４５不被选择，ＳＯ输出引脚处于高阻状态。
写保护（WP）：当WP为低电平时，向Ｘ５０４５的写操作被禁止，但是器件的其他功能仍正常。当WP保持高电平时，所有的功能，包括写操作，都正常。
复位（ＲＥＳＥＴ）：Ｘ５０４５的ＲＥＳＥＴ高电平有效。漏极开路的输出端，只要Ｖｃｃ下降至低于最小Ｖｃｃ检测电平，ＲＥＳＥＴ变为高电平。它将保持高电平直至Ｖｃ
ｃ上升到最小Ｖｃｃ检测电平２００ｍｓ为止。如果允许看门狗定时器工作且保持低电
平的时间大于看门狗超时周期，那么ＲＥＳＥＴ也变为高电平。CS的上升沿将复位看门狗定时器。
Ｖｃｃ、Ｖｓｓ为ｘ５０４５的电源引脚和地引脚。
（2）指令集
X5045的各种操作，包括写使能锁存器的臵位与复位、读/写状态寄存器、读/写EEPROM，都是通过向X5045发出有关指令进行的。指令集如表2-1所示。
表2-1 Ｘ５０４５指令集
（3）写使能锁存器
X5045包含一个写使能锁存器。在内部完成写操作之前，此锁存器必须被设臵（SET ）。WREN 指令可设臵锁存器而WRDI 指令将复位锁存器。在上电情况下和字节、页或状态寄存器写周期完成之后，该锁存器自动复位。如果变为低电平，则锁存器也被复位。
（4）状态寄存器
RDSR 指令提供对状态寄存器的访问。在任何时候都可以读状态寄存器，即使在写周期也如此，状态寄存器的格式如表2-2所示。
状态寄存器各位的意义说明如下 WIP （Write_In_Process ）:该位表示“正在写”状
态。当该位为“l ”时，写操作正在进行；当该位为“0”
时，没有写操作在进行。在写期间，所有其他位全臵为“l ”。WIP 位是只读的。 WEL （Write_Enable_Latch ）：该位表示“写使能锁存”状态。当该位为 “1”时，锁存器臵位；当该位为“0”时，锁存器复位。WEL 位是只读的，它由WREN 指令臵位，由WRDI 指令复位，或者在成功地完成了写周期后
复位。
BL0、BL1：块保护位，用于选择EEPROM 被保护的范围。这两位由发出WRSR 指令来设臵，允许用户选择4种保护方式之一。被选择保护的部分只允许读，不允许写。EEPROM 的保护范围如表2-3
所示。 WD0、WD1：这两位用于选择看门狗定时器（Watchdog Timer ）的超时周期，选择范围如表2-4
所示。通过发出WRSR 指令来设臵WD0、WD1。
3．主机电路硬件原理
主机电路中主要包括
AT89C55WD 单片机和X5045芯片，
就可以满足系统对硬件资源的
需求，硬件电路原理如图2-3所
示。
上电复位：若图２－３中电阻Ｒ１取１０ K ，
0 0 无
0 1 180H ～1FFH 1 0 100H ～1FFH 1 1 000H ～1FFH
当系统上电时，将在Ｘ５０４５的引脚７产生一个高电平有效的复位信号，该信号接到单片机的复位引脚ＲＳＴ，实现单片机的上电复位。
电源电压监测：Ｘ５０４５工作时，监视Ｖｃｃ跌落到一个确定的数值时，ｘ５０４５的复位引脚７将发出一个高电平有效的复位信号，使单片机复位。只要Ｖｃｃ跌落到一个确定的数值以下，并保持在１Ｖ以上时，Ｘ５０４５能够发出单片机需要的５Ｖ高电平的复位信号，保证单片机可靠复位。这就保证在Ｖｃｃ一旦跌落到单片机允许的工作电压以下时，单片机处于复位状态，否则单片机此时可能执行某些错误的指令，产生不可预料的结果。选定Ｖｃｃ跌落到多大数值时，产生复位信号，可以通过对Ｘ５０４５编程决定，一般采用Ｘ５０４５出厂时默认的数值即可。
ＷＤＴ超时周期选择：Ｘ５０４５内部的ＷＤＴ超时周期有３个数值可以编程选定，即２００ｍｓ、６００ｍｓ、１．４ｓ。ＷＤＴ的超时周期决定了单片机从“死机”状态恢复为重新运行所需的时间。理论上讲，这个时间越短越好，但对于慢速系统来讲，太短的时间不是很有实际意义。时间选得越短，单片机正常运行时，访问Ｘ５０４５的时间间隔也越短，会增加ＣＰＵ的负担。
4．驱动程序
（1）WDT驱动程序
X5045中WDT的驱动程序有两个，一个用于在单片机正常工作时访问WDT，使WDT不产生复位信号，注意，这个程序应当每隔一个确定的时间间隔运行一次，该时间间隔应当小于WDT超时周期；另一个驱动程序设定WDT的超时周期。
访问WDT驱动程序：根据X5045的使用规则，只要其引脚发生从高电平到低电平的跳变，就实现对内部WDT定时器的复位，因此，根据图2-3所示，只要在连接X5045引脚的P1.4输出一个低电平脉冲即可，即做一次输出低再变高的操作。
程序如下：CS BIT P1.4
RST_WDT:CLR CS
SETB CS
RET
设定WDT超时周期的驱动程序：根据X5045的使用要求，通过设定X5045的
状态寄存器实现超时周期的设臵。本系统选定WDT的超时周期为600ms，X5045
的状态寄存器中WD1、WD0两位分别设臵为0、1。不考虑保护EEPROM时，状态寄
存器内容可以设臵为10H（参见X5045状态寄存器的格式）。在设臵状态寄存器之
前，需要先完成两个操作：设臵写使能寄存器和发送写状态寄存器命令。设臵流
程如图2-4所示。
驱动程序：
WREN_INST EQU 06H ；状态存储器写使能命令为06H
WRSR_INST EQU 01H ；写状态寄存器命令为01H
CS BIT P1.4 ；连接5045之CS引脚的I/O口线为P1.4
SCK BIT P1.5 ；连接5045之SCK引脚的I/O口线为P1.5 SI BIT P1.6 ；连接5045之SI引脚的I/O口线为P1.6
SO BIT P1.7 ；连接5045之SO引脚的I/O口线为P1.7
SET_WDT：
LCALL WREN_CMD ；设臵写使能寄存器
CLR SCK ；准备发送写状态寄存器命令
CLR CS
MOV A，#WRSR_INST ；发送写状态寄存器命令
LCALL OUTBYT
MOV A，#10H ；发送状态寄存器内容
LCALL OUTBYT
CLR SCK ；退出设臵WDT
SETB CS
RET
以上设臵WDT的子程序“SET_WDT”，用到了两个底层的子程序“WREN_CMD”和“OUTBYT”。“WREN_CMD”是一个设臵写使能寄存器的子程序，“OUTBYT”是一个发送1B内容子程序。这两个子程序是根据X5045“写使能锁存时序”和“写状态寄存器操作时序”编写的。由于篇幅所限，X5045的相关操作时序不在这里介绍，请读者参阅有关的技术手册。两个子程序如下:
WREN_CMD:
CLR SCK ;准备发送写使能寄存器命令
CLR CS
MOV A，#WREN_INST ；将写使能寄存器命令送A
LCALL OUTBYT ；将1B命令发送出去
CLR SCK ；退出发送
SETB CS
RET
OUTBYT：
MOV R0，#8 ；1B，需要发送8个BIT位
OUTBYT1：
CLR SCK ；在SCK的上升沿，通过SI将内容送入X5045
RLC A
MOV SI，C
SETB SCK
DJNZ R0，OUTBYT1 ；循环发送
CLR SI ；退出发送
RET
图
2-5 EEPROM写入流程
2）EEPROM写入程序
根据X5045的使用规则，向EEPROM内写入内容，按图2-5所示的流程进行。
；******************************************************************
；子程序名：PAGE_WRITE
；功能：将R1中的内容为首地址的单片机内部RAM的不超过1页的内容写入以DPTR内容为首地址的EEPROM中
；底层子程序调用：OUTBYT、WREN_CMD
；入口条件：（R1）= 待写入到EEPROM中的内部RAM中内容的首地址
；（DPTR）= 待写入的EEPROM的首地址
；（R2）= 要写入的字节数，不大于1页（4B）
；使用的寄存器：A、DPTR、R1、R2
；****************************************************************** WRITE_INST EQU 02H ；写数据命令为02H
PAGE_WRITE：
LCALL WREN_CMD ；设臵写使能寄存器
CLR SCR ；准备发送写数据命令
CLR CS
MOV A，DPH ；将EEPROM地址的最高位连同写数据命令一起发送
MOV C，ACC.0
MOV A，#WRITE_INST
MOV ACC.3，C
LCALL OUTBYT
MOV A，DPL ；发送EEPROM的低8位地址
LCALL OUTBYT
PAGE_WRITE1：
MOV A，@R1 ；发送1B内容
INC R1
LCALL OUTBYT
DJNZ R2，PAGE_WRITE1 ；循环发送
CLR SCK ；退出发送
RET
（3）EEPROM读出程序
；******************************************************************
；子程序名：SEQU_READ
；功能：将DPTR中内容为首地址的EEPROM中的内容读出到以R1中内容为首地
；址的单片机内部RAM中
；底层子程序调用：OUTBYT、INBYT
；入口条件：（R1）= 单片机内部RAM的首地址
；（DPTR）= EEPROM的首地址
；（R2）= 要读出的字节数
；使用的寄存器：A、DPTR
；******************************************************************
READ_INST EQU 03H ；读数据命令为03H
SEQU_READ:
CLR SCK ；准备读数据
CLR CS
MOV A,DPH ；将EEPROM 地址的最高位连同读数据命令一起发送
MOV C,ACC.0
MOV A,#READ_INST
MOV ACC.3,C
LCALL OUTBYT
MOV A,DPL ；发送EEPROM的低8位地址
LCALL OUTBYT
SEQU_READ1:
LCALL INBYT ；读出1B内容
MOV @R1,A ；将读出的1B数据存入单片机RAM中
INC R1
DJNZ R2,SEQU_READ1 ；循环读数据
CLR SCK ；推出读数据
SETB CS
RET
“SEQU_READ”子程序用到了一个底层子程序“INBYT”，该子程序用于从EEPROM中读出1B内容，程序如下：
INBYT:
MOV R0,#8 ；1B，8个BIT位
INBYT1:
SETB SCK ；准备读出
CLR SCK
MOV C,SO ；读出内容存于C中
RLC A ；将C中内容存于A中
DJNZ R0,INBYT1 ；循环读出
RET
2.3.2 前向通道电路设计
前向通道的任务是接收温度传感器Pt100铂电阻的信号，将其转变为单片机能够进行处理的数字信号，由信号转换电路、动态稳零电路、多路模拟开关、阻抗匹配电路、放大电路、A/D转换电路等几部分组成。原理框图如图所示，硬件电路如图2-7所示。
1．信号转换电路
信号转换电路由图2-7中的9个惠斯登电桥组成（由于图面所
限，图中仅绘出第1个、第2个和第9个），实现将8路Pt100温度传
感器输出的电阻信号转换为电压信号。其中，第1个惠斯登电桥没有外接Pt100传感器，设臵它的目的是为动态稳零电路提供零信号（详见5.动态稳零电路）。余下8个惠斯登电桥的工作原理完全一致，这里以第2个电桥为例，它由R5、R6、R7、C3、C4组成。来自Pt100温度传感器发出的电阻信号以3线形式接到a1、b1、c1处，a1接Pt100的一端，b1、c1接Pt100的另一端，于是由Pt100、R5、R6、R7构成一个惠斯登电桥，如图2-8所示。当检测到温度变化时，Pt100的阻值发生变化，在A 、B 点对应产生一个变化的电压AB V 。实现了R/Ｖ（电阻/电压转换）转换。电路中标有r 的3个电阻，是Pt100从现场三线连接到仪表的线路电阻。
采用惠斯登电桥的方式进行R/V 转换的主要优点是，利用桥路的对称平衡特点，有效地克服供电电源V a 波动，克服Pt100引线电阻影响，克服桥路电阻温漂问题。下面做一个简单分析。
① 克服桥路供电电源V a 波动影响，克服桥路电阻温漂影响。,在图2-8的电路中，忽略引线电阻影响，认定r =0，则
R pt 为Pt100的阻值，当取R 6=R 7，R 5=R pt 时，0=-=B A ab V V V 。 。
Pt A a Pt 6=+R V V R R 5B a 57
=+R V V R R
只要桥路4臂电阻对应相等，则桥路输出电压与桥路供电电源波动无关。当桥路电阻R 5、R 6、R 7随周围环境温度发生变化，即出现温漂时，只要R 6与R 7漂移幅度、方向一致，R 6=R 7 >>R 5，则桥路输出电压受温漂影响很小。
② 克服Pt100引线电阻影响
如图2-8所示，当安装在现场的Pt100传感器通过三线连接到仪表时，要求三线长度、线径、材质一致，这样做可以保证三线的线路电阻相等为r ，当r< 下面讨论各参数的选取，一般取76R R =。希望当检测温度为0℃时，桥路输出Vab=0V ，因此取R5=100Ω，与Pt100在0℃时的输出值相等。 R6、R7阻值的选取主要考虑两个因素。第一，在给定Va 的情况下，应保证Pt100中流过的电流，也就是桥臂电流，不会在Pt100中产生自热温升，对一般封装形式的Pt100，要求选取R6、R7的阻值满足下式： mA R R V Pt a 26≤+ R6、R7的阻值值不能选取过大。当桥臂电流小于2mA 时，桥路的灵敏度将降低。 第二，考虑Pt100引线电阻的影响问题，当检测温度不是0℃时，引线电阻r 引入到桥路中会减小桥臂电流。r 大小是不确定的，和具体的应用场合有关，无法在仪表出厂时通过标定克服。一般要求具体使用时，保证r ≤5Ω。R6、R7选取时，要考虑，当桥臂中引入0～5Ω电阻时，所产生的误差不应超过设计任务规定的技术指标。如果希望r ≤5Ω时，桥路实现R /V 转换造成的误差小于等于0.1%，则满足：%1.056 ≤R ，即R6≥5K Ω。综合以上因素，在Va=5V 时，可取R6=R7=10K Ω。 当检测温度不是0℃时，即R5≠Rpt 时，R5、R6、R7的温度漂移、Va 的波动和温度漂移都会给桥路的R /V 转换带来误差。要求R5、R6、R7及Va 的温漂系数小于等于50ppm 。满足上述要求，则由惠斯登电桥实现的R /V 转换，在0℃～50℃的环境温度下，可保证0.1%的精度。 上述结论，可自行推导或实验验证。 由于R5取100Ω，Pt100在测量范围内阻值不大，因此，R /V 转换电路的输出阻抗较小（小于100Ω），后后级放大电路的输入阻抗只要满足大于前级输出阻抗3个数量级，就能够满足精度要求。放大电路的输入阻抗越小，对干扰就越不敏感，因此C3、C4取0.1uF ，可以获得较好的滤波效果。 2．多路模拟开关 图2-7中的CD4052（U1、U2、U3）是一个双端4路（相当于双刀四掷）的模拟开关，由A 、B 、INH 三个控制引脚选择将X 、Y 切向0、1、2或3通道。控制引脚状态与导通通道关系如表2-5所示。三个CD4052的输出X 、Y 分别并接在一起，然后接入后级的运放，三个A 引脚均接单片机AT89C55的P2.0，三个B 引脚均接单片机AT89C55的P2.1，三个INH 引脚分别接3/8译码器74HC138的Y0、Y1、Y2高低电平又受其控制引脚A 、B 的控制，A 、B 接在单片机AT89C55的P2.2、P2.3上。这样，利用单片机P2.0 、P2.1、P2.2、P2.3这4 Pt A a Pt 6=++R V V R R r 5B a 57=++R V V R R r 675Pt ,==R R R R 0 =-=ab A B V V V 个I/O 口，控制三个多路开关和3/8译码器，分时将9个R/V 转换桥路的输出接通后级放大电路和A/D 转化电路。4个I/O 口状态与接通电阻桥路的关系如表2-6所示。通过上述控制电路，使9个R/V 转换电路，分时公用1路放大器和A /D 转换器，可以降低硬件成本。 表2-5 控制引脚状态与导通通道关系 表2-6 4个I/O 口状态与接通电阻桥路的关系 3．阻抗匹配电路 阻抗匹配电路由图2-7中的U4A 、U4B 两个运算放大器组成跟随器实现。如果没有这一级阻抗匹配电路，测量桥路的输出阻抗与多路模拟开关的导通电阻以串联形式接到运算放大器的输入端，作为运算放大器的输入电阻存在。由于8路测量桥路测量的温度不可能完全一样，多路模拟开关各通道导通电阻不一致，决定了运算放大器在接通不同通道信号时，其输入电阻不一致，因而增益不一致，产生误差。为了解决这一问题，引入阻抗匹配电路。各路信号通过阻抗匹配电路接到运算放大器时，各路信号的输出阻抗统一为两个跟随器的输出阻抗，解决了不同通道信号输出阻抗不一致的问题。 4．放大电路 在图2-7中，由U4D 、R29、R30、R31、R32构成反相放大器，增益A 由下式确定： 式中， 为测量上限桥路输出电压。 A/D 转换器ICL7135满码输出对应的模拟电压（模拟输入信号上限）为2V ，考虑动态稳零的需要，这里取1.8V 。Pt100的测量上限温度为850℃，对应的阻值为R Ptmax=390.26Ω。根据图2-8的测量桥路，当R 6=R 7=10k Ω，R 5=100Ω时，忽略引线电阻影响，测量上限桥路输出电压： ab max 1.8V =A V ab max V 取R 29=1k Ω，R 32=13k Ω，反相放大器增益为13。 5．动态稳零电路 作用：抑制温漂和时漂电压 工作原理： 模拟运算放大器由于制造工艺的限制，总存在一定的失调电压。失调电压随环境温度的变化而变化，定义为温漂系数。在温度稳定情况下，失调电压随时间的变化也变化，定义为时漂系数。由于运算放大器温漂与时漂的存在，当被测参数不变时，运放的输出却在变化，后级显示参数也随着变化，造成对检测参数的可信度产生怀疑。这是运放放大直流小信号存在的致命弱点，必须加以克服。动态稳零电路采用基于硬件与软件相结合的技术，其工作原 理如图2-9所示，运放U4D 与R 29、R 30、R 31、R 32构成反相放大器，其增益： ， 运放的输出为V o 。开关SW 切向上，接通V ab 有效输入信号；开关SW 切向下，接通零输入信号。 当SW 切向下时，放大器输出为： 式中， 为运算放大器的失调电压。 当SW 切向上时，放大器输出为： 式中IO V 为运算放大器的失调电压。将两次输出相减： 上式说明，如果运放在每次测量有效信号之前，先接通零信号测 量出运放的失调电压，再接通有效信号，将得到的输出减去失调电 压作为运放的有效输出，就从根本上克服了失调电压的影响。 回到图2-7所示的前向通道硬件电路图，图中R1、R2、R3、R4组成了动态稳零电路的标准零信号，取R1=R2=10K Ω、R3=R4=100K Ω时，桥路输出为0.在软件控制下，每测量一轮8路温度之前，先通过多路开关将放大器接通零信号，通过A /D 转换将其输出存在在单片机的内部RAM 中，以后每测量一路有效信号后，利用软件减去零信号，实现了动态稳零的效果。稳零桥路的电阻值、规格型号、生产批次与测量桥路的电阻参数完全一致，如此利用动态稳零技术不仅克服运算放大器的失调电压影响的问题，也能有效地克服测量桥路电阻阻值的温度漂移问题。 6．A/D 转换电路 A/D 转换电路设计的核心是A/D 转换器的选择，选择时主要考虑三项技术指标：转换精度、转换速度和对单片机接口资源的耗用。 影响A/D 转换精度的指标一般有分辨率、量化误差和线性度。从目前市场供应的A/D 转换器来看，量化误差与线性度两个指标一般都很高。转换精度主要取决于分辨率，对于n 位的A/D 转换器，转换精度为 ；如果希望A/D 转换电路的精度达到0.1%以上时，选取的A/D 转换器的分辨率应高于10位。 转换速度选取的依据是测量信号的变化频率。根据香农定理，采样周期（主要取决于A/D 转换时间）至少是测量信号变化周期的1/2以下。对于本设计任务而言，测量的是工业过程的温度参数，其变化缓慢，一般场合，在1秒内很少有超过0.5℃的变化，因此可以选择转换精度较高，速度较慢的双向积分式A/D 转换器，而且在A/D 转换器之前不必加采样保持器。 对于测量8路温度的温度巡检仪而言，根据上述分析，选择转换速度为16次/秒的A/D 转换 Pt max 5abmax a 6Pt max 75390.2610050.1383V 10000390.2610000100????=-=-?= ? ?++++????R R V V R R R R 1.8130.1383==A 3229=-R A R O2IO ab ( )=+V A V V O2O1ab -=?V V A V O1IO =?V A V IO V 12n 器，可以满足要求。 单片机的I/O接口资源有限，要满足与前向通道、后向通道、人机界面、通信电路的接口需要，因此I/O资源非常紧张。为了使整机硬件电路尽量紧凑，要尽量不对单片机进行外部I/O扩展。在选择A/D转换器和设计A/D转换电路时，应当尽量少占用单片机的资源。 根据以上三方面的考虑以及经济成本的考虑，在本设计中，选用美国Intersil公司生产的ICL7135 双向积分生式A/D转换器。ICL7135的主要技术指标如下： ●转换精度为1/19999； ●双极性转换，数字满码输出为19999； ●自动稳零技术，保证0V信号输入时，数字码0输出； ●高输入阻抗，输入1pA漏电流； ●差分输入； ●零点极性检测； ●仅需单一参考电源； ●具有过量程与欠量程指示，便于实现自动量程转换； ●所有输出电平符合TTL电平标准； ●具有并行与串行两种输出信号形式。 （1）ICL7135输出方式选择 为了尽量减少对单片机I/O资源的使用，需要仔细研究ICL7135的两种输出方式。 ICL7135的引脚布臵图如图2-10所示。经A/D转换后的数字码有两种输出时序：串行输出时序与分时并行输出时序，分别如图2-11和图2-12所示。从图2-11所示的时序可以看到，一个完整的测量周期包括三个阶段：自动稳零（即AZ）阶段，信号积分（即SI）阶段，参考电压积分（即RI）阶段。在AZ阶段结束后，ICL7135的21引脚BUSY开始跳变为高电平。在整个SI阶段，BUSY一直维持高电平，直到RI阶段积分回零后再经过一个时钟周期为止，BUSY重新恢复为低电平。如果BUSY信号与时钟输入信号进行逻辑与，那么，在BUSY为高电平时所记录下的时钟周期数，将包括两部分的信息：信号积分阶段所占用的固定的10000个时钟周期，与模拟输入信号线性对应的时钟周期，再加上1.由此可见，经A/D 转换后的数字码，就是在BUSY信号为高电平时，用计数器记录下所经过的时钟周期数减去10001个数后剩余的数。 根据以上的分析，只要将ICL7135的时钟信号接入AT89系列单片机的计数器，记录BUSY 为高电平时所经历的时钟周期，将所记录的时钟周期数减去10001后就是A/D转换的数字码。读取A/D转换结果的时间为：执行读计数器中的计数、做简单的减10001的减法指令的时间。一般10条左右指令可以完成上述操作。当单片机的晶体振荡频率取12MHz时，约20us即可完成。 图2-11 串行输出时序图 图2-12 分时并行输出时序图 在图2-12所示的时序里，经A/D转换后的 数字码，通过D1、D2、D3、D4、D5、B1、B2、 B4、B8这9个引脚分时输出。当D1为高电平时， B1、B2、B4、B8输出个位BCD码；类似地，当 D5为高电平时，B1、B2、B4、B8输出万位BCD 码。 据此，如果单片机要接到ICL7135分时输 出的BCD码，至少要占有9条I/O线。从读出时 间上分析，从D1到D5的高电平输出要占用1000 个时钟周期，ICL7135一个完整的A/D转换需 40002个时钟周期。当选择时钟频率为250KHz 时读取A/D转换结果的时间为：1000/250000=4ms。对于一个实时系统来讲，这个读取时间是最佳的。 （2）硬件接口电路 根据图2-11所示时序设计的A/D转换硬件接口电路如图2-13所示。ICL7135仅通过两根线与AT89C55相接，仅占用AT89C55 T1、T2两个计数器及外部中断INT1。 ① ICL7135时钟信号提供 ICL7135的时钟信号直接来自AT89C55的P1.0。 P1.0是AT89C55 的复用口，当AT89C55的T2计数 器工作于方波产生器方式（Programmable Clock Out）时,通过该引脚可输出连续的方波信号，其占 空比为50%，频率可通过编程确定，如图2-14所示。 这就省去了另外设计时钟电路的麻烦。另外，为了保证A/D转换的稳定性，需要A/D转换器的工作频率与交流供电的50Hz频率保持精度的倍数关系。常见的时钟电路要取得精确的低频信号通常是很困难的。而通过AT89C55的T2计数器编程确定输出频率很方便。 ② A/D转换结果的读取 ICL7135的时钟信号源于AT89C55的T2计数器方波输出，同时接至AT89C55的T1，利用T1计数器记录BUSY为高电平时的时钟周期数。BUSY信号接至AT89C55的外部中断INT1，其意图有两个。第一，控制T1计数。当T1计数器工作于方式1时，通过软件设臵GATE控制位为“1”时，T1计数受INT1控制，当INT1（既BUSY）为高电平时，T1可对来自外部的脉冲（既ICL7135的时钟周期）计数；INT1为低电平时，停止计数。第二，在BUSY 信号由高电平跳变为低电平瞬间，以中断形式通知CPU，以读出A/D转换后的数字码。 （3）驱动程序 ① A/D转换结果的读取 ICL7135的时钟信号源于AT89C55的T2计数器的方波输出，让AT89C55 通过P1.0引脚，为ICL7135提供250kHz时钟信号时，编程设定AT89C55 的T2工作于方波产生器方式。当AT89C55 晶体振荡器取12MHz时，编程如下： MOV T2CON，#04H ；T2工作于方波产生器方式 MOV T2MOD，#02H MOV RCAP2H，#0FFH ；输出方波频率为250kHz MOV RCAP2L，#0F4H ② A/D转换结果读出程序 如图2-13所示，当BUSY信号由高跳变到低时，将触发INT1中断，在INT1中断服务程序中将A/D转换结果读出，存放于内部RAM 30H、31H中。 INT1_ISR： PUSH PSW ；保护现场 PUSH ACC MOV A,TL1 ；T1计数减去10001（2711H）后送30H，31H中 CLR C SUBB A,#11H MOV 31H,A MOV A,TH1 SUBB A,#27H MOV 30H,A MOV TL1,#0 ；清零T1 MOV TH1,#0 POP ACC POP PSW RETI 2.3.3 后向通道电路设计 后向通道电路由4～20mA模拟量输出电路与超限报警开关量输出电路两部分组成。1． 4～20mA模拟量输出电路 该电路是将所检测的每路温度都对应地输出一个与之成线性关系的4～20mA电流信号，以便根据需要供给调节器、记录装臵或DCS系统。硬件电路设计如图2-15所示。 在图2-15所示的电路中，U1 TLC5615是串行输入方式的10位D/A转换器，引脚SCLK 用于连接串行时钟输入，引脚DIN用于连接串行数据输入，引脚CS是低电平有效的片选信号，引脚REF是参考电压输入端，引脚OUT是D/A转换模拟电压输入端。数字码满码输出的V2。SCLK、DIN、CS分别是与单片机的P1.1、P1.2、P1.3连接。单片机这模拟电压是 ref 三个引脚，根据TLC5615的输出时序，利用软件编程进行D/A输出。 图2-15 多路4～20mA输出电路 图2-15中采用1个D/A转换器TLC5615、1个8路模拟开关CD4051及8套模拟保持电路构成了8路模拟量输出电路。其中，第1套模拟保持电路由C1、U3A、VT2、R1组成，连接到CD4951引脚X0上另外7套模拟保持电路电路与之完全相同，分别连接到CD4051的引脚X1～X7上（由于篇幅所限，图中未画出）。 多路模拟开关CD4051的控制导通关系如表2-7所示，通过单片机P2.4、P2.5、P2.6三个引脚高低电平的不同输出，可以将D/A转换的模拟电压输出到与前向8路通道相对应的输出通道保持电路中。例如，当P2.4、P2.5、P2.6 三个引脚均为低电平时，TLC5615的模拟输出电压通过CD4051而接通通道X0，向输出保持电容C1充电，当C1取0.01uF时，可在10us内完成充电。当P2.4、P2.5、P2.6三个引脚电平改变时，开关切换到其他通道时则该输出回路对电压信号起保护作用。实验测试数据证明，当一次接通每路输出保持器2ms， ，完全满足精度指标要求。 该模拟保持电路还同时兼有电压/电流转换功能。转换输出电流I在OUT+与OUT-（外接负载）之间输出，I与D/A转换输出电压V out之间的关系由式确定，D/A转换器满量程输出电压V out与D/A转换器的参考电压由式V out=2V ref确定。因此，当取V ref = 1V，R1 = 100Ω时，D/A转换满量程输出电流为： 根据TLC5615的输入时序可以编写其驱动程序。输入时序如图2-16所示，当片选CS为ref 221 20mA 100 ? === V I R 低时，输入数据在DIN端随时钟信号SCLK移入内部输入寄存器，输入数据时，高位在前低位在后，在SCLK的上升沿移入；CS端电平由低到高的跳变造成输入寄存器的数据传输到DAC寄存器中；当CS为高电平时，数据不能移入。 图2-16 TLC5615的输入时序 根据图2-15与图2-16设计驱动程序，调用驱动程序的入口条件是，欲通过D/A转换器输出的10位数字码以二进制数的形式存于R1间址的内部RAM的2字节单元中，最高2位在前，低8位在后，最高2位存在字节单元得最低和次低BIT位。D/A 转换驱动程序编制如下： OUT_5615： CS BIT P1.3 DIN BIT P1.2 SCLK BIT P1.1 MOV A，@R1 ；取出最高2位 SWAP A ；将最高位移入C中 RLC A RLC A RLC A CLR SCLK ；时钟信号设臵为低 CLR CS ；CS设臵为低，准备输入数据 MOV DIN，C ；输入最高位 SETB SCLK ；在时钟上升沿移入数据 CLR SCLK ；时钟信号设臵为低，准备下一个时钟 RLC A ；将次高位移入C中 MOV DIN，C ；输入次高位 SETB SCLK ；在时钟上升沿移入数据 CLR SCLK ；时钟信号设臵为低，准备下一个时钟 MOV R2，#8 ；准备输入低8位数据 INC R1 MOV A，@R1 OUT_56151：；循环输入低8位数据 RLC A MOV DIN，C SETB SCLK CLR SCLK DJNZ R2，OUT_56151 SETB SCLK ；在时钟上升沿移入最低位数据 CLR SCLK SETB CS ；将输入寄存器数据传输到DAC寄存器中 RET 8路D/A输出采用动态刷新的方式进行，即每隔2ms打开一路D/A输出，从第0路到第7路周而复始地不停进行。驱动程序的设计思路是，启动单片机内部的T2定时器工作于定时方式，每2ms溢出一次，溢出触发中断，在中断服务程序中刷新各路的D/A输出。驱动程序如下： INIT_T2： MOV T2CON，#04H ；规定T2工作于自动重装方式 MOV RCAP2H，#0F8H ；每2ms溢出一次（晶体振荡频率为12MHz） MOV RCAP2L，#30H SETB ET2 ；溢出触发中断 SETB EA RET 在T2中断服务程序中实现动态刷新输出驱动程序。 T2_ISR： CHAN_NO EQU 30H ；用于记录输出通道号 OUT_BUF EQU 40H ；每通道输出的数字码存于40H开始的16字节单元 PUSH PSW ；保护现场 PUSH A PUSH B LCALL INC_CHA_NO ；输出通道号加1 MOV A，CHAN_NO ；根据出通道号找到对应的数字码 RL A ADD A，#OUT_BUF MOV R1，A LCALL OUT_5615 ；启动本通道的D/A转换 LCALL OPEN_CHANNEL；将本通道的D/A转换模拟信号输出到保持器中 POP B ；恢复现场 POP A POP PSW RETI ；中断返回 “INC_CHAN_NO”是输出通道号加1子程序 INC_CHAN_NO: INC CHAN_NO ；输出通道号加1 MOV A，CHAN_NO ；输出通道与8比较 CLR C SUBB A，#8 JNC INC_CHAN_NO1；若输出通道号小于8，则返回；否则臵为0 RET INC_CHAN_NO1： MOV CHAN_NO，#0 RET “OPEN_CHANNEL”是根据图2-15编制的本通道D/A转换模拟信号输出到保持器子程序：OPEN_CHANNEL： MOV A，CHAN_NO ；将表示输出通道号得BIT0、BIT1、 BIT2这3位数据 ；左移到BIT4、 BIT5、BIT6位（由图2-15电路决定）SWAP A MOV B，A ；暂存于B MOV A，P2 ；将P2口的P2.4、P2.4、P2.6位臵换成B中数据 ANL A，#8FH ORL A，B MOV P2，A ；输出到输出保持器中 RET 2．超限报警开关量输出电路 当某路温度超过设定的报警值时，输出一个机械接点信号， 便于连接声、光报警装臵，进行报警提示。如图2-17所示， 利用单片机P3.6引脚控制上限报警接点输出，P3.7控制下限 报警接点输出。以上限报警为例，当温度超过上限报警值时， 令P3.6为“0”，则三极管导通，继电器J1得电，使接点动作； 当温度低于上限报警值时，令P3.6为“1”，则关闭上限报警。 2.3.4 人机接口电路设计 人机接口电路由按键接口电路与显示器接口电路组成。 1．按键接口电路及驱动程序 通过仪表前面板上的按键操作，可以查看检测的温度、报警设定值等参数， 也可以向仪表内输入一些数据。例如，输入报警设定值、转换输出20mA时对应 的温度值、巡回显示时间间隔等数据。仪表按键接口电路如图2-18所示。 由于仪表在结构上属于盘装仪表结构，整个人机接口的按键与显示器均需安 装在仪表的前面板上，前面板的有效尺寸仅为80×160，因此，在按键的设计选 用上应当考虑在满足需要的前提下，尽量减少按键的个数。本设计中，仅用3 个按键，即可实现各种操作需要。由于按键个数少，不需要对按键进行编码访问，直接连接在单片机的P1.5、P1.6、P1.7上即可。单片机的P1口内部具有上拉电阻，因此，当无按键按下时，对应的I/O口为高电平；当有按键按下时，对应的I/O口为低电平，据此可识别按键的按下与否。 设计按键驱动程序时应考虑各种按键方式的需要，并加以识别。对于3个按键而言，最多可以有8种按键方式。图2-18所示的3个按键，从左到右分别称为键△、键◇与键□。8中按键方式为： ①键△单独按下； ②键◇单独按下； ③键□单独按下； ④键△与键◇同时按下； ⑤键△与键□同时按下； ⑥键◇与键□同时按下； ⑦键△、键◇与键□同时按下； 湖南工学院 课程设计说明书 课题题目：温度测量仪 专业名称：xxxxxxxxx 学生班级：xxxxxxxxx 学生姓名：xxxxxxxxx 学生学号：xxxxxxxxx 指导教师：xxxxxxxxx 报告时间：xxxxxxxxx 小组人员：xxxxxxxxx 课程设计任务书 一设计目的 1、通过对温度测量电路的设计、安装和调试了解温度传感器的性能，学会 在实际电路中应用； 2、进一步熟悉集成运放的线性和非线性应用。 二设计要求和技术指标 1、技术指标： 要求设计一个温度测量器件，其主要技术指标如下： （1）测温范围：室温～50℃； （2）被测温度达到50℃时，指示灯亮（或蜂鸣器工作）； 2、设计要求 （1）设计一个能满足要求的温度测量及报警电路； （2）要求绘出原理图，并用Protel画出印制板图（选做）； （3）根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数； （4）在万能板、PCB板上或面包板上安装好电路并调试； （5）拟定测试方案和设计步骤； （6）撰写设计报告、调试总结及使用说明书。 3、设计扩展要求 （1）能显示输出温度； 目录 第1章绪论 (1) 1.1电子技术的发展趋势 (1) 1.2 本人的主要工作 (2) 第2章温度测量仪的电路设计 (3) 2.1 温度测量仪总体框图 (3) 2.2 AD590集成温度传感器 (3) 2.3 K—℃变换器 (4) 2.4 放大器 (5) 2.5 比较器 (5) 2.6 报警设备 (6) 2.7 电路原理图 (7) 第3章仿真与制作 (8) 3.1 电路的仿真 (8) 3.2 仿真结果及其分析 (12) 3.3 温度测量仪的调试 (12) 第4章总结报告 (13) 附录A元件清单 (14) 附录B实物图 (15) 参考文献 (16) 毕业设计（论文）题目：智能温度巡测仪 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日 智能仪器原理及应用题目一：智能温度检测仪 学生姓名 专业 学号 同组同学 指导教师 学院 二〇一六年十一月九号 2016-2017学年第一学期成绩： 一、设计要求 1.1、题目任务要求 选用温度传感器PT100，恒流源电路、放大电路、A/D转换电路和数码管，采用MCS-51 系列单片机实现温度信号的采集、处理和显示。 1.2、设计具体功能要求 1、三线制PT100及恒流源驱动电路设计； 2、放大和比较电路设计，实现-10°C~+100°C转换为0~+5V电压输 出； 3、ADC芯片的选取及和单片机接口设计； 4、多位数码管动态显示设计； 5、编写数据处理程序和标度变换程序。 二、设计题目介绍及分析 温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温传感器就会相应产生。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。 由于PT100热电阻的温度与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，湿度采集范围是0%～100%。pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。此次我们利用MCS-51系列单片机结合温度传感器技术设计这一智能温度检测仪。实现-10°C~+100°C温度范围内的温度检测。 智能巡检仪 使用说明书 江苏中科仪表有限公司智能巡检仪 目 一、智能巡检仪表性能特点 (2) 二、技术指标 (2) 三、仪表参数设置 (5) 四、仪表接线方法 (13) 概述 本系列智能数字巡检仪表采用专用的集成仪表芯片，测量输入及变送输出采用数字校正及自校准技术，测量精确稳定，消除了温漂和时漂引起的测量误差。本系列仪表采用了表面贴装工艺，并设计了多重保护和隔离设计，并通过EMC电磁兼容性测试，抗干扰能力强、可靠性高，具有很高的性价比。 本系列智能数字巡检仪表具有多类型输入可编程功能，一台仪表可以配接不同的输入信号（热电偶/热电阻/线性电压/线性电流/线性电阻/频率等）, 同时显示量程、报警控制等可由用户现场设置，可与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量显示、调节、报警控制、数据采集和记录，其适用范围非常广泛。 智能数字显示仪表以双排四位LED显示测量值（PV）和通道值（CH），以双色发光管进行各个通道测量值报警显示，还具有零点和满度修正、冷端补偿、数字滤波、通讯接口、多种报警方式，可选配继电器报警输出，还可选配变送输出，或标准通讯接口（RS485或RS232C）输出等。 一、智能巡检仪性能特点 1、专用的集成仪表芯片，具备更为可靠的抗干扰性及稳定性。 2、万能信号输入，通过菜单设置即可配接常用热工信号。 3、可在线菜单修改显示量程、变送输出范围、报警值及报警方式。 4、软、硬件结合的抗干扰模式，有效抑制现场干扰信号。 5、数字化校准技术，无电位器等可调部件。 6、热电偶冷端温度及热电阻引线电阻自动补偿。 7、可分别设置每一通道的测量量程及上下限报警值。 8、具有快速巡检和定点监视功能，巡检时间可设。 9、通过来自输入、输出及电源端的电磁兼容（EMC）测试。 二、技术指标： 1、显示方式：双排四位LED显示测量值（PV）和通道号（CH）。 2、显示范围：-1999～9999。 3、测量准确度：±0.2%FS±1字或0.5%FS±1字；±0.1%FS±1字（需特殊订制）。 4、显示量程和分辨率：各通道可根据需要分别设置显示范围和小数点位数； 5、输入信号： 唐山学院 Protel DXP 课程设计 题目基于单片机的温度监测电路 系 (部) 信息工程系 班级 姓名 学号 指导教师 2013年12月 16日至 2013年 12月 27日共 2 周 2013年 12 月 30 日 《Protel DXP》课程设计任务书 课程设计成绩评定表 目录 1引言 (1) 2 设计任务 (2) 2.1设计容 (2) 2.2设计要求 (2) 3原理图设计 (3) 3.1电路的总体工作原理 (3) 3.2 单片机最小系统的设计 (4) 3.3 电源电路 (5) 3.4 温度传感电路设计 (5) 3.5 键盘电路的设计 (7) 3.6 显示电路的设计 (8) 3.7 温度控制电路的设计 (10) 4 系统的软件设计 (11) 4.1 系统的主程序设计 (11) 4.2 中断程序的设计 (11) 6 设计总结 (13) 致 (14) 参考文献 (15) 附录 (16) 1引言 在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域：消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械…等设备温度过热检测。温度检测系统应用十分广阔。 本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用RS-232串行通讯标准，通过上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值既可以送回主控PC进行数据处理，由显示器显示。也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。 下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械…等。 《智能仪器》实验报告 实验项目温度测量 实验时间 同组同学 班级11111 学号1111111 姓名11111 2014年4月 实验二温度测量 一、实验目的 了解常用的集成温度传感器（AD590）基本原理、性能；掌握测温方法以及数据采集和线性标度变换程序的编程方法。 二、实验仪器 智能调节仪、PT100、AD590、温度源、温度传感器模块，传感器实验箱（一）；“SMP-201 8051模块”、“SMP-204 块块模块”、“SMP-101 8位A/D模块”、“SMP-401 块块块示模块”。三、实验原理 集成温度传感器AD590是把温敏器件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。其特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠；不足的是测温范围较小、使用环境有一定的限制。AD590能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，在一定温度下，相当于一个恒流源，一般用于－50℃－＋150℃之间温度测量。温敏晶体管的集电极电流恒定时，晶体管的基极-发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管U b电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。本实验仪采用电流输出型集成温度传感器AD590，在一定温度下，相当于一个恒流源。因此不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，具有很好的线性特性。AD590的灵敏度（标定系数）为1 A/K，只需要一种＋4V～＋30V电源（本实验仪用+5V），即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为传感器调理电路单元中R2=100Ω）即可实现电流到电压的转换，使用十分方便。电流输出型比电压输出型的测量精度更高。 在实验一的基础上进行电压测量、标定、线性变换，最后显示出对应温度。 图2-1 温度传感器模块原理图 四、实验内容与步骤 1．参考“附录实验PT100温度控制实验”，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入集成温度传感器AD590。 2．将±15V直流稳压电源接至实验箱(一)上，温度传感器实验模块的输出Uo2接实验台 版本号：5700-130601 NHR-5700系列多回路数字显示控制仪使用说明书 一、概述 NHR-5700系列多回路数字显示控制仪采用了表面贴装工艺，全自动贴片机生产，具有很强的抗干扰能力。本仪表支持多种信号类型输入，可与各类传感器、变送器配套使用，实现对温度、压力、液位、速度、力等物理量的测量显示，可巡回检测8～16路测量信号，带8路或16路“统一报警输出”、“16路分别报警输出”、统一变送输出”、“8路分别变送输出”功能、485/232通讯等输出功能，适用于需要进行多测量点巡回检测的系统。 二、技术参数 输入 输入信号电流电压电阻电偶 输入阻抗≤250Ω≥500KΩ 输入电流最大限制30mA 输入电压最大限制＜6V 输出 输出信号电流电压继电器24V配电或馈电输出时允许负载≤500Ω≥250 KΩ （注：需要更高负载能力时须更换 模块） AC220V/2A DC24V/2A ≤30mA 综合参数 测量精度0.2%FS±1字 设定方式面板轻触式按键数字设定；参数设定值密码锁定；设定值断电永久保存。 显示方式-1999～9999测量值显示、设定值显示，发光二级管工作状态显示 使用环境环境温度：0～50℃；相对湿度：≤85%RH；避免强腐蚀气体。 工作电源AC 100～240V（开关电源）（50-60HZ）；DC 20～29V （开关电源）。 功耗≤4W 结构标准卡入式 通讯采用标准MODBUS通讯协议，RS-485通讯距离可达1公里；RS-232通讯距离可达：15米。 注：仪表带通讯功能时，通讯转换器最好选用有源转换器 三、仪表的面板及显示功能 1 外形尺寸开孔尺寸 160*80mm（横式）152*76mm 80*160mm（竖式）76*152mm 96*96mm（方式）92*92mm 2）显示窗 PV显示窗：显示测量值；在参数设定状态下，显示参数符号 SV显示窗：显示通道数；在参数设定状态下，显示设定参数值 第2章基于单片机的智能温度巡检仪设计 对于工业过程小型测控设备或者专用的智能化仪表，自动化工作者一般是采用以单片微型计算机为核心，配以相应接口电路的模式来实现。单片机本身只是一个微控制器芯片，只有当它和外围电路有机地组合在一起，并配置适当的工作程序后，才能构成为一个单片机智能应用系统。 本章以工业生产过程中最基本的温度参数测量为例，说明一台智能温度巡检仪的设计思路、硬件配置、软件编程、系统结构及调试考核过程。 2.1 设计任务 2.1.1 主要功能 为了满足工业生产过程监控的要求，设计的智能温度巡检仪应当具有如下功能：能与常用温度传感器配合检测多路温度，本例是与温度传感器Pt100型铂热电阻配合，巡回检测8路温度；可选择定点显示方式，也可选择巡回显示方式；在全量程内，可设定超限报警值，当实测温度超过设定值时，发出报警信号且有常开接点输出；将检测的每路温度转变为与之线性对应的4～20mA电流输出；支持RS-485通信方式，方便组成局域监控网络，使实测温度、温度超限设定值等参数在网络中共享。 2.1.2 技术指标 ?测量范围：-200℃～850℃。 ?测量精度：优于0.5级。 ?温度巡检周期：1s。 ?巡回显示周期：以秒为单位，可选定。 ?工作环境温度：0℃～50℃。 ?相对湿度：小于85%。 ?供电电源：220V AC，±10%，50Hz。 ?结构形式：盘装式。 ?外形尺寸：160mm（长）×80mm（宽）×160mm（深）。 开孔尺寸：152mm×76mm。 2.2 总体设计 首先要确定实现主要功能与技术指标的硬件、软件的总体设计方案。必须遵守以下三个设计理念。 ①智能温度巡检仪是以单片机为核心的嵌入式系统，有些功能既可以通过软件编程实现，也可以通过硬件配置实现，应当遵守“能软不硬”的理念，即凡是能够用软件方案实现的功能就不用硬件方案实现，其目的是降低制造成本。软件方案只需在软件开发设计中一次性投入，一旦开发成功，在制造过程中将降低材料成本和安装成本，同时能够提高整机的可靠性。任何电子元器件都有老化失效的问题，整机的可靠性与采用元器件的数量成反比，减少使用的元器件数量，就相当于提高了整机的可靠性。 ②设计过程应当兼顾技术指标与经济指标，技术指标再高的仪表设备，如果制造成本高、售价高，将不会有市场前景。 ③在设计过程中，选用的元器件与材料的市场供应渠道必须畅通。电子元器件、电子材料的发展日新月异，必须选用目前市场敞开供应的元器件与材料，否则将给日后的制造与维护带来很多麻烦。如果设计中选用了一些早已淘汰的元器件，将无法实现样机的研发。即便样机开发成功，以后生产制造中的材料采购也十分困难。 1.硬件总体方案 主机电路采用以8位单片机为核心的方案，片内要有足够多的资源，尽量减少扩展外部功能芯片，减小体积，降低造价。单片机要有如下资源： 1.足够的片内程序存储器，容量不小于20KB 2.足够的片内数据存储器，容量不小于256B 开封大学 《智能仪器原理及应用》 课程设计 学生姓名：王明霞 学号：2011061745 学院：电子电气工程学院 专业：应用电子技术 班级：（11）应电班 题目：智能型温度测量仪 指导教师：董卫军 职称：教师 截止日期：2013.11.25~2013.12.1 2013 年11月27 日 智能型温度测量仪 一、设计目的 智能仪器是一种典型的微处理器应用系统，它是计算机技术、现代测量技术和大规模集成电路相结合的产物，无论是在测量速度、精确度、灵敏度、自动化程度，还是在性价比等方面，都是传统仪器不可比拟的。通过对本次的课程设计来使同学们掌握如何去选择元器件来适应不同的电路的设计，从而对更多的元件功能及性能有更多的了解。更重要的是培养学生基于单片机应用系统的分析和设计能力和专业知识综合应用能力，同时提高学生分析问题和解决问题的能力以及实际动手能力，为日后工作奠定良好的基础。 二、设计任务和设计要求 ⑴．功能要求 ①．配合温度传感器，实现温度的测量； ②．具有开机自检、自动调零功能； ③．具有克服随机误差的数字滤波功能； ④. 使用220V/50Hz交流电源，设置电源开关、电源指示灯和电源保护功能。 ⑵．主要技术指标 ①．测量温度范围：0～150℃ ②．测量误差：≤1% ⑥．显示方式：4位LED数码管显示被测温度值。 三、总体方案论证与选择 方案一：AD590传感器→转换器→ADC0809→AT89C51→四位数码管显示 方案二:热电阻温度传感器→转换器→ADC0809→AT89C51→四位数码管显示方案三：DS18B20→转换器→ADC0809→AT89C51→四位数码管显示这三种方案的不同之处主要是传感器的不同：方案一中的传感器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。它的测温范围为-55℃～+150℃， 1. Summary YK-19 series intelligent Channels Measurement instrument is intelligent, high accuracy controller for temperature, pressure or level measurement. When use it to equipped with temperature, pressure or level sensor, we can consist temperature, pressure or level measurement control system for various type and range. provide RS232 or RS485 to communication with computer or PLC。The instrument has a real-time clock for user get date and time。 2.T echnical specifications Input signal: Resistance temperature Detector Pt100, Cu50, Cu100,3 wires conncet Measurement accuracy : 0.2％FS±1 digit Alarm Output: buzzer communication: isolation RS485, baud 1200～9600bps。 transmit: isolation 4-20mA for the first channel,<250Ω Display : double 4 digit LED display. Power suply: 220V AC. Power c onsumption: 2W Temperature: 0～50℃ Ambient humidity: <85％RH Front panel dimension : 160mm×80mm Installation dimension : 152mm×76mm 3. Operation Key-press Description Press the KEY to mute the Buzzer. at setting parameters state, press the key return to work state. At work state, press the key to switch cycle display and static display. While at cycle display state,the bottom LED are display –xx-, at static display 。 Press the SET key to enter setting status.，After chang the current parameter at setting parameters state, press ▲key making parameter increase one. and hold the ▲key, value will increase or decrease quickly and release for stop. At static display state, press ▲key will change to next channels value display. at setting parameters state, press▼key making parameter decrease one. and hold the ▼key, value wil decrease quickly and release for stop. At static display state, press the key will change to next channels value display. 基于PT100的多路温度巡检仪设计 【摘要】本文介绍了基于PT100型铂热电阻的多路温度巡检仪的软硬件设计。PT100信号通过电桥接入、放大，进而通过单片机控制多路模拟开关选择不同通道采样；软件处理中则采用复合滤波法处理数据，平滑采样数据；通过将PT100的分度表分段线性化与采样值对比，可得出实际检测温度。该温度巡检仪采用数码管显示，可同时显示8路温度、时钟，并且具有语音报警功能。 【关键词】PT100；动态显示；分段线性；复合滤波 1.引言 PT100在-50～600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等[1]，正是基于此，PT100在各个行业中受到广泛应用。本文设计了一款基于PT100的多路温度巡检仪，可同时测量8路PT100信号，通过数码管同时显示时钟、8路温度值；具有4个按键输入，用于出场调校、报警值设定，并且最终调校参数可保存在单片机自带的EEPROM中；另外，巡检仪还具有语音报警功能。 2.巡检仪硬件电路设计 硬件电路主要由信号前置变换、放大电路，按键电路，显示驱动电路，语音报警电路，时钟电路几部分组成。 2.1信号前置变换电路 巡检仪采用惠斯通电桥接入PT100信号，考虑现场接线时导线的长度不可忽略[2]，采用三线制接法，如图1所示。 图1中V1，F1，F2起保护作用，可防止现场强干扰或接线错误而导致元器件损坏。IN1A、IN1B之差与PT100阻值变化呈线性关系，通过将IN1A、IN1B 变化值采样再对应P100刻度表即可换算得到实测温度。图1中R2，R3，R4均采用低温漂的精密电阻。 REF1为给电桥供电的基准源，将PT100变化的阻值信号转换为电压信号。考虑到PT100电阻变化值小，所转换成的差值电压在毫伏级，因此电源波动对最终采样精度影响很大。基于此，采用LM4040-2.5V精密基准源给电桥供电。 2.2信号放大电路 由IN1A、IN1B两引脚所产生的压差信号非常微弱，直接采样影响精度，因此需要将其放大后再引进单片机采样脚。图2为信号放大电路。8路PT100信号通过多路模拟开关选择轮流采样，D4，D5为8通道模拟开关，CTRL0、CTRL1、 智能仪器原理及应用 题目一：智能温度检测仪 学生姓名 _____________________________ 专业 _________________________ 学号 _________________________ 同组同学 _____________________________ 指导教师 _____________________________ 学院 _________________________ 二O—六年十一月九号 2016-2017学年第一学期成绩： 一、设计要求 仁仁题目任务要求 选用温度传感器PT100,恒流源电路、放大电路、A/D转换电路与数码管，采用MCS-51系列单片机实现温度信号得采集、处理与显示。 仁2、设计具体功能要求 1、三线制PT100及恒流源驰动电路设计； 2、放大与比较电路设计，实现T0° C>100° C转换为0~+5V电压输出; 3、ADC芯片得选取及与单片机接口设计； 4、多位数码管动态显示设计； 5、编写数据处理程序与标度变换程序。 二、设计题目介绍及分析 温度就是自然界中与人类打交道最多得物理参数之一，无论就是在生产实验场所，还就是在居住休闲场所，温度得采集或控制都十分频繁与重要，而且，网络化远程釆集温度并报警就是现代科技发展得一个必然趋势。由于温度不管就是从物理量本身还就是在实际人们得生活中都有着密切得关系，所以温传感器就会相应产生。传感器主要用于测量与控制系统，它得性能好坏直接影响系统得性能。温度传感器从使用得角度大致可分为接触式与非接触式两大类，前者就是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者就是使温度传感器与待测物体离开一定得距离，检测从待测物体放射出得红外线，达到测温得目得。 由于PT100热电阻得温度与阻值变化关系，人们便利用它得这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。它就是集温度湿度采集于一体得智能传感器。温度得采集范围可以在-200°C?+200°C,湿度采集范围就是0%?100%o pt100温度传感器就是一种将温度变量转换为可传送得标准化输出信号得仪表。主要用于工业过程温度参数得测量与控制。带传感器得变送器通常由两部分组成：传感器与信号转换器。传感器主要就是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理与转换单元组成（由于工业用热电阻与热电偶分度表就是标准化得，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。此次我们利用MCS-51系列单片机结合温度传感器技术设计这一智能温度检测仪。实现T0° C>100° C温度范围内得温度检测。 三、设计方案论证 智能温度检测仪得设计，包括硬件与软件得设计。具体包括：三线制PT100 及恒流源驱动电路设计、放大与比较电路设计，实现T0° C~+100° C转换为0~+5V电压输出、ADC芯片得选取及与单片机接口设计、多位数码管动态显示设计、编写驱动程序、编写 数据处理程序与标度变换程序。在本设计中，就是以电阻PT100作为温度传感器，釆用恒流测温得方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号得采集。 本设计系统主要包括温度信号采集单元、单片机数据处理单元、温度显示单元。系统得总结构框图如图3-1所示。 MCS-51单片机 智 能 温 度 测 量 仪 课 程 设 计 报 告 专业：电气工程及其自动化 班级：10级电气1班 姓名：柴冬 学号：14894029 Pt100温度传感器 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如PT100、PT1000等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等， 这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如DS18B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55～+125℃，而且温度的测量精度都不高，好的才±0.5℃,一般有±2℃左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。 非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。 本设计的要求是采用“PT100”热电阻，测温范围是-200~+600℃，精度0.5%，具体的型号选为WZP型铂电阻。 AT89C51单片机 AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 LCD显示器 液晶显示器是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和CRT 显示器相比，LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定。LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。 智能装置课程设计指导书 一、设计题目智能温度巡检仪 二、设计目的 1. 深入了解PIC16F877单片机的工作原理，熟练掌握汇编语言程序设计方法，熟 练使用MPLAB-ICD仿真器及MPLAB-IDE仿真调试软件。 2.通过该课程设计使学生初步掌握以单片机为核心的智能装置设计的简单原则、 步骤和方法。 3.熟悉智能装置设计中有关的硬件设计调试，如人机界面等。 4.熟悉智能装置设计中相关软件的设计、编程和调试。 三、设计内容 1.以16F877单片机为核心，结合给出的其他原器件和实验系统原有的内容设计 智能温度巡检仪硬件电路。 2.利用实验板上的半导体温度传感器和两个可调电位器提供的信号作为温度信 号，温度传感器按其原理进行采集，电位器1-5v代表0-500℃。1v以下是出错 3.将采集的温度值循环显示在LED数码管上，每隔20S显示一路，利用放光二极 管做通道指示。 4.可选择一个独立按键进行通道切换，其余三个独立按键进行每个通道上下限报 警值设定。 5.利用EEPROM保存上下限报警值（选作） 四、设计要求 1.根据实验指导书的设计内容及和智能装智实验系统所给出的元件，设计智能温 度显示仪的硬件原理图。 2.按照设计好的硬件原理图在实验系统上用导线搭建硬件电路。 3.用万用表检查硬件电路连接是否正确，检查无误后上电并编制简单的测试程 序分步调试各部分功能。 4.在各部分功能实现后，编制完整的智能温度显示仪系统软件，并进行软硬件联 调，直到达到设计要求。 5.按照设计内容要求测试仪表误差并做分析，给出仪表精度，完成后由教师进行 验收检查。 五、实验设备 1.MPLAB-ICD模块与仿真头 2. 智能装置实验系统 3. 安装了MPLAB-IDE开发软件的计算机 4. 数字万用表 5. 导线若干 六、实验项目 1. 设计智能温度显示仪硬件电路 ⑴采用16F877单片机，利用实验板上提供的TMP36温度传感器模拟温度采集。 ⑵利用实验板上的可调电位器模拟温度采集。电位器输出电压为1-5VDC，对应的温度 范围为0-100度，1v以下是出错。 ⑶采集的温度值循环显示在液晶显示器上，每隔20S显示一路。 ⑷可选择一个按键进行不同通道温度定点显示切换。 2.硬件电路连接与检查 ⑴将设计好的电路由指导老师检查完毕后，在实验板上用导线将实际的电路连接出 来。 ⑵接线完成后对照原理图用万用表逐根连线检查电路连接是否正确，特别是电源 VCC和VDD有无短路。 ⑶检查无误后连接仿真头后通电。 3.编制软件对硬件电路分步调试 ⑴首先对显示电路调试，编制简单的程序实现将固定单元的数在液晶显示。 ⑵编制A/D转换程序，实现对模拟电压进行转换，并将结果在液晶上显示出来。 ⑶编制简单的按键扫描程序，检查按键的硬件连接是否正确。 ⑷每部分编制结束并调试通过后，与前面的程序依次连接成大程序并调试出结果， 最终完成整个程序的编制与调试。 3.仪表软硬件联调实现要求的功能 ⑴将各部分程序进行组合，逐项实现设计要求的功能。 ⑵功能完成后用万用表对照液晶的显示数据上、下量程各取10个点检查显示误差并分析。 ⑶编制仪表的使用说明。 ⑷将误差分析结果、使用说明及运行中的实验板经指导教师验收合格后，完成课程 第33卷第3期2015年 7月 沈阳师范大学学报(自然科学版) J ournal o f Shen y an g Normal Universit y(Natural Science Edition) Vol.33No.3 Jul.2015 文章编号:16735862(2015)03040904 智能温度检测系统的研究 张玉梅1,周腾蛟2,曲延华1,秦宏1 (1.沈阳工程学院自动化学院,沈阳 110136;2.沈阳师范大学教务处,沈阳 110034) 摘要:提出一种基于射频技术的无线温度检测系统,以智能温度传感器和C y cloneⅡ系列 芯片实验平台为基础,通过对控制系统的软件调试和硬件检测等多种操作方式,设计出最优的智 能温度检测系统三这种智能温度检测系统具有可自动调节二多点采集二传输距离远二精准度高二使 用便捷等特点三目前,对此系统的研究具有非常重要的理论意义和实践价值三因此,智能温度检 测系统应用越来越广泛,特别适用于蔬菜大棚二居室二办公室等室内场所三 关键词:温度采集;温度检测系统;智能控制;温度传感器 中图分类号:TM13文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.16735862.2015.03.020 0 引言 温度是表现物体冷热程度最直接的物理量,它与人们的日常生活二生产关系密不可分三随着温度监测技术的飞速发展,它已被广泛应用于工业生产二科学研究等领域中,在各种领域中,温度亦是非常重要的运行参数,能直接关系到生产的正常进行和安全保障三所以,温度的多点检测及控制技术在工业生产和日常生活中占据极其重要的地位,准确的智能温度检测及控制技术的研究亦越发成为现代温度控制系统发展的主流方向三特别是近年来,无线温度检测及基础控制已渐渐与人们的日常工作二生产生活密不可分,基于这样的前提,设计一个良好的温度检测控制智能系统具有一定的必要性三本文设计了硬件与软件想结合,通过采集检测电路二控制系统的比例因子来进行基础控制的无线测温系统,拟采用现场可编程门阵列二单片机等核心芯片来进行温度信号的检测和控制[1]三此程序简单二所需资源少,系统响应快,性能指标能达到很好的效果[2]三 1系统的整体思路 要开发出好的智能温度控制系统,首先要对整个系统进行总体设计,在设计中基于几个原则: 1)整体方案设计二局部细节完善三将所想设计的温度检测控制系统分为多个功能模块来进行设计三总的电路系统划分成多个功能独立二结构简单二互相之间又有电气关系联系的功能模块三分别加以实现,最后进行电气连接形成整合温控系统三 2)广范围适用二超高性价功能目的设计三设计电路适合于工用及普遍民用生活领域,结构简单,操作性强,比较容易实现,在达到性能指标精度的前提下,追求电路系统的超高性价比三 3)稳定性二可靠性实现三在软硬件支持的前提下,具有掉电保护功能,检测仿真研究中尽可能多模拟多组参数,提高参数的有效性三采用知名公司先进的芯片作为处理器三提高整个系统的稳定性二可靠性三 4)易实现性三考虑到应用的场合领域,尽量完善整个温度检测系统,使其操作简单,界面简单易懂,即使是家用,对于老人与小孩亦不需要像操作人员那样具备多精深的领域技术知识[36]三 收稿日期:20150510三 基金项目:辽宁省教育厅科学研究一般项目(LJ2013287);沈阳工程学院科技项目(LGYB1405)三 作者简介:张玉梅(1977),女,辽宁葫芦岛人,沈阳工程学院讲师,硕士三 文件编号 JK-1008U多路温度巡检仪操作规程版本/修订A/0 一操作说明: 1.突出通道显示设置：按右方向键组号或通道号闪烁，上下键修改通道，再按右方向键或等待几秒后停止闪烁，退出设置； 2.切换显示内容：大号字体显示时，修改突出显示的通道号，可切换到另一组温度显示。小号字体显示时，配置多余4组的情况下，按上下键切换到下一屏； 3.菜单操作：按“菜单”键进入设置菜单，按方向键选择需要设置的项，按“菜单”键进入该项的设置：左右键选择设置项；上下键修改设置项；“确认”键保存设置项；“返回”项：返回上级菜单；“退出”：退出设置，返回到温度显示窗口；闪烁显示项：表示该项为待设置项：按“菜单”键进入该项或者该项的子编辑项 4.组/通道开关：上下键选择组，按“菜单”键进入设置改组/通道的开关，上下键设置开关，按“菜单”键返回上一级 5.温度上下限：最多可设置8个温度上下限，分别用于不同的通道，但各温限之间有包含覆盖功能 5.1温限1：上下键修改温限号，“菜单”键进入设置改组的开关，上下键设置开关，按“菜单”键返回上一级； 5.2应用范围：按“菜单”键选择应用范围，上下键选择，“菜单”键进入设定，左右键切换组/通道设置，上下键选择第几组或第几通道，“菜单”键返回上一级 5.3.上限，下限：按“菜单”键进入设定温限数值，左右键选择要修改的位，上下键修改该位的数值。温度上限要大于下限。 6.存储设置： 6.1存储类型：上下键选择存储类型，显示已用存储空间百分比； 6.2间隔：存储时间间隔最大可设置9时59分59秒；按“菜单”键进入时间间隔设定，按方向键修改数值；巡检时间间隔最小为N*1.5秒，N为配置组数；定点间隔最小为1S 6.3注意： A.U盘存储过程中，若想取下U盘，先按左方向键，防止数据丢失； B.每次开始存储，仪器将删除上次存储的信息，请拷贝防止数据丢失； 7.热电偶型号：JK-8U最多可配置8组，每组热电偶的型号可以不同，可以选择K，J，T 三种型号的热电偶，未配置热电偶的组显示为“—” 8.热电偶检测：主菜单中选择热电偶检测，按“菜单”键开始检测，检测结束后显示检测结果：前面是通道号，后面是组号 9.波特率：波特率需要根据上位机软件支持的波特率设置；上下键选择，左右键选择其他 10.温度选择：按方向键切换显示华氏/摄氏温标 11.时间设置：上下键选择设置项；按“菜单”键进入设置项，左右键选择位，上下键修改选择位；按“菜单”键返回上一级 12.仪器调试：（返回勿动） 13.注意事项： A.若个别通道出现测量异常，可通过仪器检测热电偶是否开路； B.环境温度-20-70℃ C.仪器周围不应有温度变换频换的温度源，影响仪器的测量准确度 D.热电偶相互之间的电位差不应超过300V 毕业论文声明 本人郑重声明： 1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。 3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。 4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。 学位论文作者（签名）： 年月 关于毕业论文使用授权的声明 本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、实验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属华北电力大学。本人完全了解大学有关保存，使用毕业论文的规定。同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。本人毕业后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为大学。本人完全了解大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存或汇编本学位论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入学校有关数据 库和收录到《中国学位论文全文数据库》进行信息服务。在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 论文作者签名：日期： 指导教师签名：日期：温度测量仪课程设计[1]
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