智能温度采集与显示系统设计

2011 - 2012学年第 1 学期

专业综合课程设计报告

题目：智能温度采集和显示系统设计

专业：电气系通信工程

班级：

姓名：

指导教师：崔雪英

成绩：

电气工程系

2011年11月

课程设计任务书

学生班级：学生姓名：学号：08091310

设计名称：智能温度采集和显示系统设计

起止日期：2011年11月7日-2011年11月18日指导教师：崔雪英

摘要

为了解决在一些温室测控系统中,数据显示方式单一,数据无法长期存储、调用,系统接口过于复杂的问题。在分折研究了当前国内、外温室测控研究现状 , 并结合现在最为热门的嵌人式系统,ARM处理器,单总线的温度传感器,提出了一种结构简单、低功耗、方便实用的系统解决方案。本系统主要用于分布式智能型温室计算机测控系统中。

近年来，电子电路开发应用领域的深化和集成电路工艺水平的发展为电子技术课程注入了新的内容，也为课程的实验﹑实训开拓了视野，创造了条件。教师应深入钻研教材内容，涉猎相关知识，收集应用信息，在做好理论教学和实验教学的同时精心构思实训方案，努力提高学生的综合应用能力。应该说运用基本电路设计应用电路是我们教学的基本目的和要求。特别是对于高等职业技术教育来说因其本身是培养高等技术应用性人才，而实践教学体系是培养学生专业技能的主要途径，因而实践教学必须引起我们的足够重视。我们知道实践教学有实验﹑实习﹑实训等环节，而实训内容的确定,具体方案的实施则至关重要。科学地安排实训环节,针对不同的专业合理的布置实训题目这是指导教师颇费心机的过程,具体操作时要求我们必须精心构思,认真组织。

温度检测与显示应用广泛，实现的方法也很多，从简单的水银温度计到微机数据采集显示系统几乎无处不在。我们这里介绍的系统是由模拟电路元器件，逻辑电路部件，存储器电路和时序电路综合搭建而成，它涉及的知识几乎涵盖了电子电路课所有内容。

目录

1 系统整体框图设计 (5)

1．1设计原理 (5)

1.2系统框图 (5)

1.3 系统总体说明 (6)

2 系统硬件设计 (6)

2.1 稳压电源设计 (6)

2.1.1 稳压电压设计原理 (6)

2.1.2 稳压电源设计电路 (7)

2.2 传感器与多路开关的选择 (8)

2.2.1 传感器选用 (8)

2.2.2 多路开关选择 (8)

2.3 信号处理电路设计 (10)

2.3.1 减法电路 (10)

2.3.2放大电路 (12)

3 系统软件设计 (10)

3.1 系统主程序 (11)

3.2 定时程序 (11)

3.3 LED显示程序 (12)

参考文献 (14)

自我评价 (15)

指导老师评语和成绩 (14)

1 系统整体框图设计

1．1设计原理

根据设计任务要求，本次课设的系统设计中应该包含以下7大模块：传感器部分、信号调理电路、A/D转换电路、单片机部分、声光报警部分、四位显示和拨码盘输入。由于给定的已知条件里面对于传感器已经给出了灵敏度这一指标，所以我选用了能够满足这一指标的PT100热电阻温度传感器，具体传感器设计本次课设中没有进行。信号调理电路主要由：数据选择器、陷波器、放大器和一个减法器组成，使用数据选择器是因为共有8路传感器输入信号具有共性且系统不要求同时采用处理，其中0-3和4-7分别可以共有数据输入通道，节省系统硬件成本，同时是系统简洁明了。A/D转换电路采用8位ADC0809芯片来实现A/D转换，其中只有两路输入。显示部分采用4为LED显示，一位显示代表反应罐的号数，另外3位表示对应反应罐的温度。键盘部分主要是用来设定温度范围，采用拨码盘来实现。声光报警部分由一个显示灯和蜂鸣器组成，在温度超出正常范围时进行自动报警。系统的核心是单片机部分，主要是将A/D转换来的数据进行分析，正常就输出显示；异常就进行声光报警；同时进行系统其它部分的控制与调节，使整个系统正常工作。

1.2系统框图

按照上面的原来说明，具体的系统框图如图1.1所示。

图1.1 系统设计框图

1.3 系统总体说明

由于系统精度要求分别是0.5℃和0.3℃，因此必须对传感器采集的信号进行放大处理，因为系统给定的传感器灵敏度均为10mV/℃，系统给定的温度值分别是101℃—199℃和301℃—349℃，因此输出电压分别为 1.01V-1.99V和3.01V-3,49V，这样放大倍数最多2.5倍，由于50Hz的工频信号的干扰，达不到要求的精度。为了解决这一问题，设计中采用两个减法电路，分别减去1V和3V，然后再分别放大5倍和10倍，这样就完全能够达到系统需要的精度，也能够被采样，只需要在单片机处理程序里面分别在输入数据上重新加上1V和3V即可。

由于系统的8个反应罐的温度传感器输出值分为两组，所以多路开关（数据选择器）采用双四选一的芯片74LS153来进行传感器选择，后面的减法电路、陷波器和放大电路都是两路。一路放大5倍，一路放大10倍。这两路的最终输出信号进入ADC0809的两个输入端进行A/D转换。

根据系统设计要求，采用4位七段LED来显示反应罐号码和对应的温度，反应罐号码是由单片机控制循环控制显示，同时系统的温度采集也是对应于此进行的，3位LED显示反应罐的温度，必将进行取整处理，这是由软件编程来实现。此外，根据系统需要还设计了键盘输入和声光报警装置，来实现对反应罐上下限温度值的设定和超出上下限温度的自动报警显示。

还有一个不得不提的部分是稳压电源的设计，因为系统芯片需要供电，同时减法电路中需要1V和3V的电压作为基准的电压进行运算处理，所以设计中专门设计了稳压电源，可以将220V工业电压，转换成系统需要的稳压直流电压。

2 系统硬件设计

2.1 稳压电源设计

2.1.1 稳压电压设计原理

电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值。交流电经过二极管整流后，方向单一了，但是大小（电流强度）还处在不断变化之中。这种脉动直流一般不能直接用来给集成电路供电，而是要通过整流电路将江流点变为直流电压。由于此直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而

得到平滑的直流电压。滤波的任务就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能的减小，改造成接近稳恒的直流电。但是这样的电压还随电网电压波动（一般有±10%左右的波动），负载和温度的变化而变化，因而在整流滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。变压器把市电交流电压变为所需的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电变为稳定的直流电压输出。

2.1.2 稳压电源设计电路

根据以上理论分析，设计的稳压电源如图2.1所示。

图2.1 5V 稳压电源电路

工作原理：图中为TR1电源变压器，它的作用是将交流电网电压220V 变为整流电路要求的交流电压

sinwt ，四只整流二极管D1—D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。

先计算文件参数：

二极管D1、D3和D2、D4两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为：

二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图3.1中看出。在V2

210.452

D C L U I I R =

=

正半周时D1、D3导通，D2、D4截止，此时D2、D4所承受的最大反向电压均为

V2的最大值，即2RM V =。同理，在V2的负半周，D1、D3也承受到同样大小的反向电压。

桥式整流电路的有点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因为电源变压器在正负半周内都有电流给负载供电，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。

滤波电路：我们采用电容滤波电路。因为本课设中为小功率电源，初始时电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当V2为正半周时，通过D1、D3向电

容C 充电；当V2为负半周时，通过D2、D4向电容C 充电。充电时间常数为int c

R C τ=。int R 包括变压器副绕组的直流电阻和二极管D 正向电阻。由于int R 一般很小，电

容器很快就达到了交流电压的V2。由于电容器无放点回路，故输

V2，输出为一个恒定的直流。

2.2 传感器与多路开关的选择

2.2.1 传感器选用

在本次课程设计的任务要求中，明确了传感器的分辨率为10mV/℃。因此，我在设计中选用了PT100专业温度传感器，pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT 后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。至于温度传感器的工作使用原理和具体工作方式在本次课设中暂不讨论，只是确定传感器的输出电压值分别为1.01V —1.99V 和3.01V —3.49V 。课设中就是针对这些信号进行处理和分析显示。

2.2.2 多路开关选择

在本次课设的系统测量中采用了8个温度传感器，且其中也具有一定的共性，同时不需要同步采样。因此在课设中采用了多通道共享输入通道，将8个传感器输出的测量信号通过双四选一芯片74LS153分别进行输入信号选择，再由两路输出通道分别进行信号处理。采用多通道共享输入结构可以充分利用元器件的性能，提高性价比，减少硬件成本。

因为系统中8个反应罐的温度测量在2个范围内：101℃-199℃和301℃-349℃，因此在设计中采用了74LS153芯片。74LS153是一种双四选一数据选择器，有选通输入端。74153里面有两个地址码共用的4选1数据选择器。

2.3 信号处理电路设计

信号处理电路主要包含减法电路、陷波器电路和放大电路3部分组成。

2.3.1 减法电路

正如前面总体原理介绍中阐述的原理：由于系统精度要求分别是0.5℃和0.3℃，因此必须对传感器采集的信号进行放大处理，因为系统给定的传感器灵敏度均为10mV/℃，系统给定的温度值分别是101℃—199℃和301℃—349℃，因此输出电压分别为1.01V-1.99V 和3.01V-3.49V ，这样放大倍数最多2.5倍，由于50Hz 的工频信号的干扰，达不到要求的精度。为了解决这一问题，设计中采用两个减法电路，分别减去1V 和3V ，然后再分别放大5倍和10倍，这样就完全能够达到系统需要的精度，也能够被采样。由叠加原理（叠加原理是指在线性电路中，任一支路的电路是每一个电源单独作用时在该支路所产生的电流代数和），U1、U2共同作用时（两者叠加），输出电压为：

当R1=R2=R3=R4时，则：

Uo=U1-U2

通过该电路，将传感器输出信号转换成0.01V-0.99V 和0.01V-0.49V 的小信号，然后分别进行5倍和10倍的放大，达到0.05-4.95V 和0.1-4.9V 的电压信号，这样保证信号能够被ADC0809采样，这样能够达到设计需求的精度要求0.5℃和0.3℃。

2.3.2 放大电路

根据设计需要，分别要对陷波以后的信号进行放大5倍和10倍，才能达到AD 转换的要求，因此需要设计两路放大电路。但是在前面的减法电路中，如果选择合适的电阻参数值，也可以实现对于信号放大的功能。因此，本着系统最优化的原则，本次课设中没有在单独设计放大电路，而是借助于减法电路的放大功能来实现对于信号的放大。

'''2241134

1(1)2o O O R R R U U U U U R R R R =+=-+++

根据前面的公式：若R1=R3，R2=R4，则有：分别选择R2=10R1=20k 和

R2=5R1=10k ，即可实现对于输出信号10倍和5倍的放大，从而减少了系统硬件设计的复杂程度，也能满足系统设计的一切功能需求。

3 系统软件设计

本次课设中的软件设计主要包含以下几个部分：输入通道控制程序（包含A/D 转换和多路选通程序）、数字滤波程序、LED 显示程序、故障报警程序、拨码盘输入程序和定时程序。每一块程序既能够实现相应的功能，也要在正在系统中承

担一定的其他功能。相互之间有一定的关联性。

'''2241134

1(1)2o O O R R R U U U U U R R R R =+=-+++2(21)1

O R U U U R =-

3.1 系统主程序

图3.1 系统程序总框图

根据程序总框图可知，在系统运行过程中，单片机一直以2s为定时基准进行定时，每隔两秒循环选通一路传感器输入给单片机处理和显示；同时，在2s 结束时，对于拨码盘的输入值进行扫描，实现在线改变上下限报警温度。

3.2 定时程序

课程设计中采用软件延时定时程序来实现2s 的定时，当2s 定时结束时，会产生一个中断信号，对应的中断服务程序包含：传感器输入选通控制程序和拨码盘扫描程序。

3.3 LED 显示程序

课程设计中采用的是4位LED 动态扫描显示的方法，因此在编程中要有位选输出信号和显示断码信号。根据需要显示的位对应的输出口引脚，动态选择P2.0、P2.1、P2.2和P2.3，依次循环输出低电平，这样就点亮了对应的LED 显示芯片；再将输出数据对应的段码值通过P0口输出，就完成了一位显示。动态扫描频率很高，所以最终显示的是四位数据：一位反应罐号和三位温度显示值。具体流程图如图3.3所示。

图3.2 定时程序流程图

N

N

图3.3 显示程序流程图

参考文献

【1】李广弟、朱月秀、王秀山.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，2001.7 【2】史健芳.智能仪器设计基础，北京：电子工业出版社，2005.6

【3】张国雄.测控电路.北京：机械工业出版社，2002

【4】韩启纲等.智能化仪表原理与使用维修.北京:中国计量出版社，2002.9

【5】王念旭等. DSP基础与应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，2001. 【6】张雄伟，曹铁勇. DSP芯片的原理与开发应用.第二版. 北京：电子工业出版社，2000. 【7】苏奎峰，吕强，耿庆锋，陈圣俭.TMS320F2812原理与开发.第2版.北京:电子工业出版社，2006

【8】苏奎峰，吕强，耿庆锋，陈圣俭.TMS320X281XDSP原理及C程序开发. 北京:电子工业出版社，2008

【9】孙传有、孙晓斌、汉泽西、张欣.测控系统原理与设计.北京:北京航空航天大学出版社，2004.9

自我评价

经过两周的课程设计让我学到了好多东西，把平时从课本里的知识运用到实践中去。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

当然，本次课程设计中也暴露出了我自身学习中存在的一些不足，对于所学知识没有很好的形成体系，缺乏对于专业知识的深入专研，所以在课程设计的编程和硬件设计上面只是根据所需要求和对应芯片进行简单的组合。对应芯片选择和系统优化等方面还存在很多的不足。我将以此为契机，继续努力，真正收获知识。

最好要感谢在课程设计过程中给予我帮助的崔老师和同学，他们给我提供查资料的网站还帮我收集有用的资料，如果没有他们的帮助此次设计的完成将变得非常困难。