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1、天津工业大学2007级测控系统原理与设计课程设计天津工业大学测控系统原理与设计课程设计说明书设计题目：八路温度巡检仪姓 名 学 院 机械电子学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 测控071班 学 号 指导教师 2010 年12月25日- 18 -目 录第一章 绪论- 1 -1.1 八路温度巡检仪简介- 1 -1.2 八路温度巡检仪的工作原理及其方案设计- 1 -1.2.1 工作原理- 1 -1.2.1 方案设计- 1 -第二章 具体设计内容- 2 -2.1 铂电阻电桥测温电路- 2 -2.2 A/D模数转换电路芯片原理与设计- 4 -2.2.1 内部结构和外部引脚- 4 -2.2.2 工作时序
2、与使用说明- 6 -2.3 显示模块的原理与设计- 7 -2.4 AT89C51单片机的特点及引脚说明- 8 -2.4.1 AT89C51单片机引脚功能说明- 9 -2.4.2 单片机最小系统- 11 -第三章 调试与仿真- 12 -3.1 Proteus与Keil Vision链接设置- 12 -3.2 在Keil中编辑程序并生成“HEX”文件- 13 -3.3 在Proteus ISIS中调试- 14 -第四章 感想与总结- 14 -第五章 程序代码与仿真电路- 15 -5.1 程序代码- 15 -5.2 Proteus仿真电路- 19 -第一章 绪论1.1 八路温度巡检仪简介在工业生产过
3、程中，温度检测和控制都直接和安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系。温度检测类仪表作为温度计量工具，也因此得到广泛应用。随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的要求越来越高，在很多场合，诸如啤酒、饮料、食品、白酒发酵生产线，中频热处理行业的水路温度保护，变电所各电节点的温度检测，农业大棚、鸡舍等，要求温度巡检仪能自动巡检，以达到无人看守，温度自动巡检的目的。随着单片机技术蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机的特点是体积小，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有
4、很强的扩展性，它具有强大的数据处理功能。所以单片机在工业应用中提高了工业设备的智能化。1.2 八路温度巡检仪的工作原理及其方案设计1.2.1 工作原理八路温度巡检仪首先要进行数据采集就是将一般的物理量通过传感器转换成模拟量，在经过A/D转换电路转换为数字量供给CPU进行处理。详细来说就是能监测并采集多路的温度信号，通过温度传感器将温度转换成电压信号输出电压，A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，从而得到与温度信号具有一定关系的数字量，单片机采集这些数字信号，进行一定的信号调理、软件算法、以及标度变换，从而得到一定量的温度值，再将这一温度值通过显示的方式显示出来，然后通过按键或定时的控制实现巡检，
5、就得到了一个八路温度巡检仪的系统。1.2.1 方案设计在系统方案设计中，主要以选择测温电路的方案为主，测温电路的方案选择可以直接的影响到测得温度值的准确性和要求达到的精度问题，测温电路要求能把环境温度通过传感器把温度信号转换为我们所需要的电压信号或电流信号，把得到相应的电信号送入A/D转换器，通过A/D转换器的转换，在通过单片机的控制和程序的处理最后得到准确的温度值，实现温度的检测。所以在测温电路中我们进行了认真的分析和最后方案的确定。如下框图所示：显示器A/D数据采集铂电阻电桥测温电路89C51单片机按键控制第二章 具体设计内容2.1 铂电阻电桥测温电路在设计过程中选取温度传感器要注意一下几
6、点：（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行项具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。（2）灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。
7、但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的串扰信号（3）频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。（4）线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定
8、的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。（5）稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。（6）精度精度是传感器的一个重
9、要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。综合考虑以上选取注意事项，本设计采用铂电阻温度传感器对温度信号进行采集。铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定
10、函数关系而制成的温度传感器, 由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200C650C)范围的温度测量中。测温传感器的测温电路采用典型的铂电阻电桥电路，如图所示。该测温仪的测温电路采用软件算法中的查表线性化方法,利用软件算法对电路参数进行自适应调整选取，在保证高分辨率的情况下，使得在给定的温度范围内各点的分辨率近似相等，误差可达到0.5级仪表的要求，提高了测温仪的整体性能。图中最后输出的U5将被送到A/D转换器转换为数字量,然后由单片机读入再进行处理。通过对温度测量电路的数学分析可以得出, U5 和Us 是完全成正比的。因此, 在设计中将Us设为A/D 转换过程中
11、的参考电压。这样, 即使Us有所变化, 也不会影响A/D 转换器的转换结果。由于将Us设为了参考电压, 为了最大化测量的分辨率, 希望U5的输出在温度低限时向0V靠拢, 而在温度高限时向Us靠拢。这样, 首先存在的一个问题便是运算放大器的输出问题。通常, 运算放大器的输出并不等于电源电压, 因为存在一个饱和问题, 这样便降低了整个电路的测量分辨率。在实际设计中, 使用的Rail- to- Rail的运算放大器, 即输出上限可以达到电源电压, 而下限可以达到0V。这一点对于整个电路来讲是非常关键的。 下面具体介绍测温电路参数自适应调整选取的设计过程。确定参数的原则是达到尽可能高的分辨率, 以及尽
12、量消除由于铂电阻的强非线性带来的各个温度段分辨率的明显差异。整个计算和赋值过程通过软件程序来实现。第一步, 通过输入获取温度最大值和最小值, 得出温度的范围。第二步, 通过输入获取电阻R1、R2、R4 的阻值。为了使节点的电压大于节点的电压( 因为放大电路是单电源供电的, 不可以输出负电压) , R1的值必须大于RT在温度测量范围内的最大值。同时, 为了保证桥路的灵敏度, R1的值仅需稍微大于(或等于)RT的最大值即可。同时明确放大电路中的要求R4=R5、R6=R7,而且为了降低功耗, 它们的取值通常都大于100k。本设计中取R2=100k, 作为它的临时计算初值; 取R4=R5=100k。第
13、三步, 确定剩下的参数值R6、R7。由于桥路的要求, R3=R2, R4R7的阻值比较大, 这里可以忽略它们的影响来计算节点和之间的电压差(U12)的变化范围, 从而求出R6、R7的阻值(R4 阻值乘以放大倍数K)。第四步, 计算RT取最大值和最小值时该电路的分辨率。由于此时已知R1R7 的所有电阻阻值, 因此可以计算出具备这些参数的电路在RT取最大值处的分辨率。例如当温度为- 30C时RT取最大值, 求出U5 的值;然后查铂电阻分度表得RT 在-29C时的电阻值, 再次求出另一个U5的值, 二者之差的绝对值即相对表示了该电路在此点的分辨率, 差值越大, 则分辨率越高。同理, 可以求得该电路在
14、RT最小值处的两个输出电压U5之差。最后, 输出电路各给定值以及得出的所有参数值和温度各点对应的A/D 转换数值。2.2 A/D模数转换电路芯片原理与设计尽管ADC芯片的品种、型号很多，其内部功能强弱、转换速度快慢、转换精度高低有很大差别，但从用户最关心的外特性看，无论哪种芯片，都必不可少地要包括以下四种基本信号引脚端：模拟信号输入端(单极性或双极性)；数字量输出端(并行或串行)；转换启动信号输入端；转换结束信号输出端。本次课程设计选用的是ADC0808或ADC0809芯片。ADC0808和ADC0809除精度略有差别外(前者精度为8位、后者精度为7位)，其余各方面完全相同。它们都是CMOS器
15、件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统” 。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。2.2.1 内部结构和外部引脚ADC0808/0809的内部结构和外部引脚分别如图11.19和图11.20所示。内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下： （1）IN0IN78路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。（2）D7D0A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。（
