智能仪表原理与设计综合训练报告

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1、智能仪表原理与设计综合训练报告题 目： 温度采集仪的设计 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 江苏理工学院电气信息工程学院2015 年 11 月 13 日目 录前言 .1第 1 章 课程设计任务和要求21.1 设计任务.21.2 技术指标.2第 2 章 系统设计方案32.1 温度采集仪总体设计方案.32.2 各模块设计方案.3第 3 章 系统硬件电路设计53.1 单片机 STC89C52 简介和最小系统53.1.1 STC89C52 单片机简介 53.1.2 STC89C52 单片机最小系统 53.2 数字温度传感模块设计.73.2.1 数字温度传感器 DS18B20 简介.7

2、3.3 显示模块设计.93.3.1 LCD1602 液晶显示器的工作原理 .93.3.2 LCD1602 液晶显示器的设计 103.4 报警模块设计113.4.1 蜂鸣器简介113.5 温度上下限值电路设计123.6 串口输出电路的设计133.6.1 波特率的计算133.6.2 MAX232 芯片实现串行通信的电平转换 .13第 4 章 系统软件电路设计.154.1 LCD 液晶显示软件设计 154.2 主控模块软件设计174.3 温度采集软件设计194.4 报警电路软件设计24第 5 章 系统软硬件调试结果分析.265.1 软硬件联调结果如表 1-3 所示265.2 VB 界面显示如图 2.

3、7 所示 .265.3 软硬件联调结果分析27参考文献.28致 谢.29附录 A 硬件原理图 30附录 B 实物图 32附录 C 元器件清单 34前言在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，目前使用最广泛的温度测量系统一般由温度测量元件、温度变送器和温度指示仪表三个部分组成。这种结构存在两个方面的缺点：一是三个部分相互分离，不便于随身携带和进行临时性的测量；二是整个系统不易取得较高的性能价格比。传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。本文提出的一种由单片集成电路构成的温

4、度传感器的种类多，测量的精度高，响应时间短，使用方便无需变换电路等。该测温仪本身就是一个完整的温度测量系统，它不仅可以将代表被测温度值的电信号转换成温度值并显示出来，而且还将处理后的温度数值转换成电流或电压信号输出，以供计算机或其他仪表使用，即完成温度变送器的功能。近年来，美国 DALLAS 公司生产 DSI8B20 为代表的新型单总线数字式温度传感器以其突出优点广泛使用于仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中。DSI8B20 集温度测量和 A/D 转换于一体，直接输出数字量，传输距离远，可以很方便地实现多点测量。温度采集仪增加 PC 机与单片机之间的通信，可以对实时温度进

5、行远程监测与存储，此仪器可用于蔬菜大棚的监控或者工厂中的锅炉温度的采集等场合应用广泛。 第 1 章 课程设计任务和要求1.1 设计任务本次课程设计要求设计出智能化温度测量仪表，要求该测量仪表能够通过温度传感器采集温度，并将温度传到单片机进行处理，并通过液晶显示，同时以单片机为核心的主控单元通过对按键的操作，设定上下限报警温度与实测温度进行比较，并判断是否报警，且与 PC 机通信将监测的温度发送到 PC 机。温度监测界面可用 VB 进行编程设计实现上位机人机界面的设计，要求上位机发送的命令下位机能及时的给与响应，并且上位机能够实时准确的显示下位机所上传数据以及电机设备的运行状态；使用汇编语言完成

6、下位机程序驱动，并且要尽量保证系统的稳定性和可靠性以及使用性。1.2 技术指标1.可以对 0125温度进行实时采集并能（通过液晶）显示； 2.可以通过按键人工设定上下限报警温度并判断是否报警（蜂鸣器发出响声）； 3.实现下位机与 PC 机之间的串行通信（在 PC 机上用 VB 所编写界面显示实测温度值）。第 2 章 系统设计方案2.1 温度采集仪总体设计方案单片机控制电路中使用 STC89C52。温度采集电路中采用数字温度传感器DS18B20（该传感器具有测温范围广、测温准确的优点，其精确度可达到 0.1 摄氏度，可测量的温度范围从-55125 摄氏度）。将采集到的温度数据送到单片机，通过单片

7、机控制的温度报警模块判断是否报警，最终将实测温度发送到液晶显示器 LCD1602 显示，同时很方便的完成单片机与 PC 机之间的串行通信（利用 MAX232 芯片实现电平转换功能，在 VB 程序编写的界面上显示监测温度）。温度采集仪设计如图 1.1 所示。温 度 采 集 电 路单 片 机 控 制 电 路显 示 电 路报 警 电 路按键电路PC机RS232图 1.1 图温度采集仪设计2.2 各模块设计方案本设计是一个基于单片机的温度采集仪，利用单片机的功能强大且体积小、价格低、抗干扰性好等特点，根据需要完成的功能需要在本设计中实现温度的采集、显示、上下限报警温度值设定、报警和与 PC 机的串行通

8、信等功能。本设计中主要分硬件与软件的设计，硬件包括：主控模块 、温度传感模块、显示模块、按键模块、报警模块、通信模块等，软件包括：温度采集、按键与报警、显示、PC 机上的温度界面等。（1）主控模块：可以选用 STC89C 系列的单片机，这里采用的 STC89C52 单片机，价格便宜，使用方便，STC89C52 的片内 RAM 已能满足存放要求。（2）温度传感模块：由于本设计中单片机除了要完成数据采集、处理、控制和显示任务外，还要完成按键值的采集、处理。如果用常规的数字加模拟电路实现就会相对困难一些。本设计选用的数字式集成温度传感器 DS18B20。DS18B20 是 DALLAS 半导体公司（

9、现属MAXIM 公司）设计生产的单总线数字温度传感器，其测量温度范围为55125，在-10+85时精度为0.5。这个传感器最大的特点就是能够从一根总线直接输出二进制的温度信号，不需要 A/D 转换和信号放大。这样的选择使得整个电路的硬件设计更为简化，节省了单片机的资源。 （3）显示模块：可以使用数码管或者液晶显示，两者皆可。在本设计中，主要使用液晶，焊接简单且程序调用方便。（4）按键模块：本设计采用三个按键分别用来设定上限、下限温度。 （5）报警模块：就是当设定的温度在门限温度之外，就会报警，蜂鸣器发出响声。 （6）通信模块：RS-232 电平与单片机 TTL 电平之间的转换方式，可以使用分立

10、元件焊接而成，也可以直接使用集成芯片 MAX232 芯片。从电路使用方便的角度来看直接采用集成芯片，适应性更强，加之其价格适中，硬件接口简单。 第 3 章 系统硬件电路设计3.1 单片机 STC89C52 简介和最小系统3.1.1 STC89C52 单片机简介本设计采用的是 STC 公司的 STC89C52 单片机。其特性如下： （1)工作频率：080MHz； （2)3 个标准 16 位定时/计数器； （3)可编程 I/O 口线 32 条，中断源 5 个； （4)8K 字节快闪 ROM，128 字节 RAM； （5)工作电压：35V； （6)40 引脚，DIP 封装； STC89C52 引脚图

11、如图 1.2 所示。图 1.2 STC89C52 引脚图3.1.2 STC89C52 单片机最小系统最小系统包括单片机的电源、时钟电路和复位电路。 1.时钟电路时钟电路 STC89C52 单片允许的时钟频率的典型值 12MHz 或 11.0592MHz，也可以是6MHz。本设计要使用串行通信，所以应采用 11.0592MHz。 接到晶振两端的瓷片电容作用是使振荡器起振和对 f 微调补偿，典型值为 30PF，本设计中选用 30PF 瓷片电容。当单片机加电以后延迟约 10ms 的时间振荡器产生时钟，不受软件控制（XTAL2 输出幅度为 3V 左右的正弦波）。单片机时钟电路如图 1.3 所示。图 1

12、.3 单片机时钟电路2.复位电路复位电路 计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器 CPU 和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位引脚是 RST，当振荡器起振后，该引脚上出现 2 个周期的高电平，是器件复位，只要 RST 保持高电平，单片机保持复位状态。单片机复位方式有二种：上电复位（如图 1.4 所示）、人工复位（如图 1.5 所示）。本设计中两种方法都采用。 图 1.4 上电复位电路 图 1.5 上电复位和开关复位注：RST 与 Vss 之间的那个电阻在 NMOS 型单片机中需要接，但是在 CMOS 型单片机中不接，本设计电路中就可以不接。3.2

13、数字温度传感模块设计3.2.1 数字温度传感器 DS18B20 简介 美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。1. DS18B20 的主要特性的主要特性 （1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0V5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。 （2）独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 （3）DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元

14、件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 （4）温度范围55125，在-10+85时精度为0.5。 （5）可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，可实现高精度测温。 （6）在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在750ms 内把温度值转换为数字，速度更快。 （7）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。 （8）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2. DS18B20 的外形、内部结

15、构及引脚定义的外形、内部结构及引脚定义 （1）DS18B20 的外形及管脚排列如图 1.6 所示。a. DQ 为数字信号输入/输出端； b. GND 为地线； c. VDD 为外界供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 图 1.6 DS18B20 的外形及管脚排列 （2）DS18B20 的内部结构图如图 1.7 所示。图 1.7 DS18B20 的内部结构图3. DS18B20 与单片机连接电路与单片机连接电路 DS18B20 与单片机连接电路如图 1.8 所示。图 1.8 DS18B20 与单片机连接电路3.3 显示模块设计显示模块部分主要采用 LCD1602 液晶显示。主要实现的功能是通过单片机读取温度传感器转换的温度值，再将其所读取的十六进制数转换成十制数，通过静态显示，最后在LCD 显示出温度数值。本设计液晶显示器选用 LCD1602，将单片机输出的数据进行动态显示。将采集的温度以直观化的形象显示，与能显示作报警温度的上下范围，这样方便与实际温度进行比较，实用价值更高。3.3.1 LCD1602 液晶显示器的工作原理 字符型液晶显示模块是专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式的 LCD，目前常用的是 16*1、16*2，20*2 和 40*2 行等。本次设计中采用的 1602 字符型液晶显示器，一行是用来实测温度，另一行是用来显示报警温度的上下限。 1.