温度测量系统设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流温度测量系统设计.精品文档.温度测量系统设计学校学院: 南华大学机械工程学院 班 级: 测 控 082 组 员: 学 号: 指导老师: 目 录摘 要3一、系统设计任务与分工41.1、设计任务41.2、设计要求4 1.3、任务分工4二、温度测量系统器件简介52.1、单片机52.2、数码管52.3、温度传感器(DS18B20)62.4、MAX23272.5、发光二极管82.6、三极管VT92.7、电阻和电容9三、系统的硬件设计113.1、温度测量系统硬件电路连接图1132 各电路模块分析123.2.1、最小外围电路123.2.2温度传感器DS18
2、B20电路123.2.3、数码管显示电路13四、系统的软件设计154.1温度测量系统软件流程图1542、温度测量系统各子模块154.2.1、 定时器设置部分154.2.2、 中断部分164.2.3 读取DS18B20温度部分16五、程序清单19六、设计总结22七、心得体会23八、参考文献24附 录 A25附 录 B26摘 要 随着现代工业的逐步发展,在工业生产中,温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中,温度是一个非常重要的过程变量。例如:在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域,都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而,用常规的控制方法,潜
3、力是有限的,难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点,而且可以大幅度提高被测温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。因此,单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。在人类的生活环境中,温度扮演着极其重要的角色。 温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关,因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。无论你生活在哪里,从事什么工作,无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来,工业发展对是否能掌握温度有着
4、绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业,可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。 温度测量系统的设计分为硬件电路设计和软件设计两部分,其中硬件部分使用Proteus进行搭建,在构成单片机最小系统的基础上进行功能扩展,并在其上进行电路的连接和仿真,实现系统的温度测量功能,软件部分则是用Proteus和Keil联调的方式最终完成软硬件的设计过程,在仿真的过程中,可以控制温度传感器DS18B20的温度值,模拟真实条件下,温度的测取工作。系统所显示的结果最终使用数码管进行显示,从而完成整个系统的设计过程。关键字: EDA设计 单片机 温度 传感器一、系统设计任务与分工1.
5、1、设计任务设计一个简单的单片机开发板。该单片机开发板主要由89C52芯片、DS18B20温度传感器、双位数码显示管、串行通信的接口电路及简单的外围电路等组成。1)采用单片机及温度传感器设计温度检测系统;2)温度检测结果采用两位数码管显示;3)必须具有上电自检功能及外接电源,公共地线接口。1.2、设计要求1)熟悉此电路工作原理。2)掌握组装与调试方法。3)画出Protel原理图,PCB图。4)用proteus仿真。5)测量范围099摄氏度,精度误差小于1摄氏度。6)一份设计说明书。7)做出所设计的系统的实物。1.3、任务分工邓明:分析电路原理、画Protel原理图、用proteus仿真、完成设
6、计说明书肖翊剑:焊接、调试二、温度测量系统器件简介2.1、单片机单片机是典型的嵌入式系统,从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的,能很好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可运行以及非凡的控制品质要求。STC89C52RC它完全兼容传统的8051,8031的指令系统,他的运行速度要比8051快最高支持达33MHz的晶体震荡器,在此系统中使用12MHz的晶振。STC89C52RC具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。空闲
7、模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。因此单片机是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。图2.1 单片机引脚图2.2、数码管数码管是在当有多位LED显示时,为了简化电路,降低成本,将所有位的段选线并连在一起,由一个8位I/O口控制。而共阴极(或共阳极)公共端K分别由相应的I/O口控制,实现各位的分时选通。其引脚排列如下图所示。连接时,只需将两个电源引脚结对即可,其他数码管的显示数字可由程序控制。图2.2 数码管引脚图2.3、温度传感器(DS18B20)美国DA
8、LLAS半导体公司数字温度传感器的DS1820是世界上第一片支持“一线总线”的温度传感器,“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰能力,适合于恶劣条件下温度的测量,其内部使用了on-board专利技术。新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活,充分发挥了“一线总线”的优点。其测温范围为-55+125,在-10+85范围内,精度为0.5,最差为2,支持3V5.5V的电压范围,分辨率(912位)可由用户设置。引脚如图1.3所示。GND:接地DQ:总线数据传输端图 2.3 DS18B20引脚图Vcc:电源输入低温度系数晶振高温度系数晶振=0比较计数器1预置计数器2温度寄存器斜率累加器
9、预置=0LSB置位/清除加1停止图2.4 DS18B20的基本测温原理低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送计数器1,高温度系数晶振随温度变换其振荡频率明显改变,产生的信号作为计数器2的脉冲输入,计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值,计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值加1计数器1的预置被重新装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度值。只要将温度寄存器的值写入EEPROM,读取EEP
10、ROM的数值即完成温度测量。2.4、MAX232MAX232是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC芯片,适用于各种EIA-232和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变压器,可以把输入的+5V电源电压变换成为RS-232C输出电平所需的+_10V电压。所以,采用此芯片接口的串口通信只需单一的+-5V电源就可以了。对于没有+-12V电源的场合,其适应性更强。加之其价格适中,硬件借口简单,所以被广泛使用。其芯片引脚如下图所示图2.5 MAX232引脚图2.5、发光二极管发光二极管按其使用材料可分为磷化镓(GaP)发光二极管、磷砷化镓(GaAsP)发光二极管
11、、砷化镓(GaAs)发光二极管、磷铟砷化镓(GaAsInP)发光二极管和砷铝化镓(GaAlAs)发光二极管等多种。按发光二极管的发光颜色又可人发为有色光和红外光。红外发光二极管也称红外线发射二极管,它是可以将电能直接转换成红外光(不可见光)并能辐射出去的发光器件,主要应用于各种光控及遥控发射电路中。红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近,只是使用 图2.6 LED原理图的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓(GaAs)、砷铝化镓(GaAlAs)等材料,采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。常用的红外发光二极管有SIR系列、SIM系列、PLT系列、GL系列、HIR系列和HG系列等。
12、鉴于电路中只需要发射红外线的二极管,所以选用常用的即可。2.6、三极管VT三极管VT选用8050中功率管,PCM =300mW,ICM=500mA,R2的功率不小于1/4W。8050和8550三极管在电路应用中经常作为对管来使用,当然很多时候也作为单管应用。8050 为硅材料NPN型三极管;8550 为硅材料PNP型三极管。 图2.7 三极管引脚图8050S 8550S S8050 S8550 参数:耗散功率0.625W(贴片:0.3W)集电极电流0.5A集电极-基极电压40V集电极-发射极击穿电压25V特征频率fT 最小150MHZ 典型值产家的目录没给出按三极管后缀号分为 B C D档 贴
13、片为 L H档放大倍数B85-160 C120-200 D160-300 L100-200 H200-3502.7、电阻和电容电阻元件的电阻值大小一般与温度有关,衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数,其定义为温度每升高1时电阻值发生变化的百分数。电阻是所有电子电路中使用最多的元件。很多电子产品中,电容器都是必不可少的电子元器件,它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源和退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。由于电容器的类型和结构种类比较多,因此,使用者不仅需要了解各类电容器的性能指标和一般特性,而且还必须了解在给定用途下各种元件的优缺点、机械或环境的限制条件等。电阻和电容的选择根据
14、单片机的电源是5V,再根据需要保护元器件的的额定电压或电流计算出相应的阻值。再根据需要电容值。电容在本次设计中主要起到滤波的作用。三、系统的硬件设计根据单片机温度控制要实现的功能,设计了基于ATMEL公司的AT89C52芯片的温度测量系统。这是一种低成本的利用单片机多余I/O口实现的温度检测电路。整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、单片机、I/O设备等.。温度控制部分用DS18B20、89C52单片机及LED的硬件电路完成对温度的实时检测及显示。3.1、温度测量系统硬件电路连接图图2.1系统电路设计连接图,由电源电路和系统电路搭建起温度测量系统的硬件部分。图3.1 温度
15、测量系统硬件连接图32 各电路模块分析3.2.1、最小外围电路最小外围电路即单片机能正常工作的最小系统。其包含时钟电路和复位电路并有电源供应电路。凡是用到单片机的场合,均需要最小外围电路,它是最基本的,也是不可缺少的。图3.2 最小外围电路3.2.2温度传感器DS18B20电路DS18B20数字传感器是一个3脚的芯片,1脚接地,2脚为数据输入输出,3脚为可选的VCC电源。通过一个单线接口发送或接收数据,因此单片机与DS18B20仅需一条数据连接线(除了地线)。DS18B20应用电路有下面几种:(1)寄生电源工作方式。优点:1)进行远距离测温时,无需本地电源2)可以在没有常规电源的条件下读取RO
16、M3)电路简洁,仅用一个I/O口缺点:多个温度传感器挂在一个I/O口上进行多点测温时,4.7K上拉电阻无法提供足够的能量,造成无法转换温度或误差较大。因此这种电路只适合于单一温度传感器测温下使用,不适用采用电池供电的系统中,且电源VCC必须保证在5V,电源电压下降时,寄生电源汲取的能量降低,使误差变大。(2)寄生电源强上拉供电方式。改进的寄生电源工作方式,为使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应,进行温度转换或拷贝到E2存储器时,用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可满足电流的供应,在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后,必须在最多10us内把I/O线转换到强上
17、拉状态,强上拉方式可以解决电流供应不足的问题,因此适用于多点测温,缺点是多占用一个I/O口进行强上拉切换。(3)外部电源供电方式。这种方式是DS18B20的最佳工作方式,工作温度可靠,抗干扰能力强,电路也简单,并且可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。图 3.3 外部电源供电方式综合比较,采用图3.3所示的外部电源供电方式应用电路进行设计。3.2.3、数码管显示电路单片机驱动LED数码管的方法很多,按照显示方法分为静态显示和动态显示。静态显示是指显示驱动电路具有输出锁存功能,要显示的数据送出后不再控制LED,直到下次直到下次显示时再传送一次新的显示数据。静态显示的数据稳定,占用的CPU时间少。
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- 温度 测量 系统 设计
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