基于单片机的多路温度巡检系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于单片机的多路温度巡检系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

时、实时的检测与监视。 使温度检测仪器能够投入到工厂的生产实践中去，大大提高了工厂的生产效率以及对工厂温度的控制。 具体内容研究如下： 第一章介绍了论文研究的背景与意义，综述了传统的机械式检测仪表已经被时代所淘汰，以及目前智能化检测仪表的研究现状，展望了热电偶温度传感 器的发展趋势，谈到了它在工业测控系统中的广泛使用，概述了本文的主要内容及系统的切入点。 第二章介绍了温度检测仪设计方案及工作原理，详细地对硬件的各个模块进行分析比较，从而确定了 各个模块的具体型号、功能。 第三章介绍了系统硬件部分的方案设计及原理，详细地分析系统硬件电路，整个硬件系统是由单片机最小系统、电源电路、温度检测电路、多通道切换电路、 A/D 转换电路、显示电路、报警电路、按键电路组成。 系统选用 STC12C5A16AD 系统的 MCU，保证了系统高速、稳定运行； MAX6675 芯片用来转换采集来的电压信号。 第 四章详细地介绍了系统软件部分是怎么设计的，软件系统主要包括：系统主程序设计、显示子程序的设计、按键子程序的设计、 A/D 采集子程序的设计、报警子程序的设计。 第五章详细地介绍了系统软硬件的调试过程，阐述了调试过程中所遇到的问题和解决问题的办法。 通过调试，系统各部分功能正常，实现了预期设计目的。 4 第 2 章 系统方案设计论证 系统的基本设计方案 设计一个多路温度巡检系统，要求检测范围为 0～ 1000℃，在测温系统中我们常常用到温度传感器，热电偶传感器能够达到较高的精度，本文中采用以 STC12C5A16AD单片机作为系统的控制中心，利用 K 型热电偶作为温度传感器进行对远距离的多点温度进行检测，系统包括 A/D 转换、多通道切换、晶振、复位、显示、报警、按键、电源电路等模块，在温度测量系统中，采用精度高的抗干扰强的新型温度传感器是比较理想的选择，热电偶温度传感器具有测量精度高、测量范围广、构造简单与使用方便等特点，在实际应用中取得了良好的测温效果。 根据本课题的设计目标以及硬件的特点，本系统的总体设计框图如图 所示。 STC12C5A16AD电 源 输 入数 码 管 显 示报 警 电 路按 键 输 入A / D 转 换多 通 道 切 换晶 振 电 路复 位 电 路 图 21 系统的总体设计框图 系统的工作原理 在本次设计中，首先采用 K 型热电偶对目标对象进行温度采集，将采集到的温度信号经过热电偶传感器的处理转换成电信号，然而我们得到的还是比较微弱的模拟信号，这就需要我们对温度信号进行放大、冷端补偿、 A/D 转换，本文采用 MAX6675 芯片对模拟信号进行放大、冷端补偿、 A/D 转换，将转换后的数字信号送入单片机进行数据处理来确定其温度值。 单片机通过对数字信号处理，并在数码管上显示温度值。 5 系统的方案设计与比较 单片机的选择 方案一：采用传统 8051 单片机 单片机是一种集成电路芯片，又称微处理器，它作为计算机发展的一个领域，根据应用的不同也可以分为很多类，一般的最基本简单易懂的单片机的类型是 80C51 式通用型单片机，传统意义上的 80C51 通用型单片机虽然简单但是功耗是相对比较大的。 方案二：采用 STC12C5A16AD 单片机 STC12C5A16AD 器件是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片，具有 32 个数字 I/O引脚 ,是 STC 生产的机器周期（ 1T） /单时钟的单片机，是具有低功耗 /高速 /抗干扰强的新一代 8051 单片机，指令代码能够兼容传统 8051，但速度比 8051 快 812 倍。 综上所述，由于 STC12C5A16AD 有着低功耗、超强抗干扰、速度快等优点，选用第二种方案比较适合这次的设计方案。 温度传感器的选择 方案一：采用 PT100 热电阻测温 热电阻是中 低温 区经常使用的一类温度 检测器。 热电阻测温原理是通过金属导体的电阻值随温度的增加而增加这种特性来对温度进行测量的。 热电阻具有测量 精度 高，性能稳定等特点。 热电阻绝大多数是通过纯金属材料制成的，现在铂与铜是应用最多的，另外，目前锰、镍和铑等材料制作的热电阻也被用到生产实践中，金属 热电阻经常使用的感温材料类别比较多种多样，铂丝是其中最常用的。 除铂丝外，工业测量还使用其它的金属热电阻材料，如镍、铜、铁 — 镍、铁等。 PT100 的测量精度在热电阻中是最高的，它不但在工业测温中被广泛地运用，并且将它制造成一种标准的基准仪。 PT100 热电阻一般采用三线制的接法。 因为三线制接法能够把连接导线电阻引起的 测量误差 给消除掉。 测量其电路通常是不平衡电桥。 热电阻作为电桥的一种桥臂电阻，它的连接导线也作为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的而且它会随着 温度环境变化的，这就会产生一种误差。 使用三线制接法，电桥的 电源 端接着一根导线，其它两根各自接在热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线 线路 电阻带来的测量误差。 PT100 的国际测温标准为： 40～ 450℃，可选环境温度为： 40～ 70℃。 采用 Pt100 热电阻传感器设计测温电路，需要设计恒流源 、线性校正电路、放大电路、 A/D 转换电路，过程比较繁琐，集 成度低，虽然热电阻 的测量精度高，但是它的测量范围小，灵敏度低。 不能满足本次设计的要求。 方案二：采用 K型热电偶测温。 热电偶是根据热电效应进行工作的，将两种不同的导体 A 与导体 B 连接在一起，形成一个闭合回路，这样就构成感温元件 ,当导体 A 与导体 B的两个端点 1 与 2 之间存 6 在着温差时，它们之间就会产生电动势，所以在闭合回路中会形成一定大小的电流，这种现象就是热电效应。 热电偶的工作端（热端）是将 A、 B 两种导体焊接在一起，放在温度为 t1 的被测介质中。 热电偶的参比端（冷端）放于温度为 t2的恒定温度下。 当工作端的被测 介质温度发生变化时，热电势会随着工作端发生变化，将热电势送入单片机进行数据处理，就会得到温度值。 K 型热电偶的测量范围为 0℃～ 1300℃， K 型热电偶具有线性度好，灵敏度高，均匀性较好，稳定性与热电动势较大，价格便宜，抗氧化性能强等优点。 采用 K 型热电偶传感器设计测温电路 ,配合其专门的信号处理器件 MAX6675 完成测温系统。 由于 MAX6675 内部具有信号调节放大器、 12 位的模拟数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正 ,大大简化了电路，提高了集成度，而且热电偶的测量精度高、测量范围广、测量 速度快、灵敏度高，能够满足本次系统的设计要求。 综上所述，本系统采用热电偶传感器设计测温电路 ,选用 K 型热电偶，配合其专门的信号处理器件 MAX6675 完成测温系统。 多通道切换电路的选择 方案一：采用多路开关 CD4051 CD4051 相当于一个单刀八掷开关， 其中“ INH”是禁止端，当 “ INH” =1 时，各通道均不接通。 只有当“ INH” =0 时，才能选通某一通道，使开关接通。 开关接通哪一通道，由输入的 3 位地址码 ABC 来决定。 当 ABC 输入 000～ 111，分别对应 0～ 7 通道上的开关处于闭合状态。 方案二 ：采用 74LS138 译码器 74LS138 为 3 线－ 8 线 译码器 ，当一个选通端（ E3）为高电平，另两个选通端（ (/E1))和 (/E2)）为低电平时，可将地址端（ A0、 A A2）的 二进制编码 在 OUT0 至 OUT7 对应的输出端以低电平译出。 比如 ： A2A1A0=110 时，则 OUT6 输出端输出低 电平信号。 综 上所述，本系统采用两个单八通道模拟开关 CD4051 来实现 8 路热电偶的切换更适合系统的要求。 键盘的选择 方案 1：独立式键盘 独立式的按键指的是采用相应的 I/O 接口来组成相应的单个的按键电路，每一个按键所占用的是一个 I/O 口，其电路较灵活，软件的结构也很简单。 不过其采用的 I/O口是比较多的。 如果系统中所用的按键不多，就可以使用独立式按键。 方案 2：矩阵式键盘 矩阵式键盘是把按键按照行和列组成一个矩阵，每行和每一个列都会有一个交点，这样的交点就是所要使用的按键，这种按键是扫描式的按键，按键设计成矩阵 式的电 7 路简单，而且节约了大量的 I/O 接口。 综上所述，由于本系统所需要的按键不多，故采用独立式按键。 显示模块的选择 方案 1： 数码管的静态显示 采用 LED 数码管的静态显示的方式电路简单，但是需要的每个数码管都要用一块74LS47 来驱动显示，这样的话就增加了设计的复杂性，也提高了设计所需要的成本，并且需要占用单片机大量的 I/O 口。 方案 2：数码管的动态显示 采用 LED 数码管的动态的扫描显示的方式，只需要一块相应的数码管驱动的芯片就能够驱动数码管开始工作，数码管的动态显示价格便宜，操作简单。 能够节省 大量的 I/O 口，并且功耗更低。 综上所述，选用数码管动态显示适合本次的设计要求。 报警电路的选择 方案 1：采用闪光报警 闪光报警时一个非常基本的报警系统，它的设计简单，工作方式就是人们只有看到报警发出的信号灯，才知道系统有故障，所以应用范围不是很广。 方案 2：蜂鸣报警 蜂鸣报警在目前的报警系统中运用非常普遍，它的电路简单，人们可以通过对报警发出的声音就可以很轻易的发现系统故障。 所以应用范围广。 方案 3：语音报警 语音报警系统是智能化的报警系统，它可以实现语音报警提醒人们系统出现故障，因为是智能 化的报警系统，所以设计要用到的电路、程序等都很复杂。 综上所述，本文采用蜂鸣报警，一旦工厂里的室内温度出现异样，蜂鸣报警器就会产生作用，提醒工作人员。 方案的论证及确定 综上所述，通过各个模块功能的比较与选择，本系统的方案是采用基于STC12C5A16AD 单片机为核心的温度巡检仪，采用 8 路 K 型热电偶温度传感器和多路开关 CD4051，从而实现对 8 路温度巡回采集，并且采用 MAX6675 芯片完成对热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和 A/D 转换等功能。 本系统采用独立式键盘，数码管动态显示，蜂鸣报警。 8 本章小结 本章首先阐述了系统的基本设计方案，说明了系统的工作原理，详细地对硬件的各个模块进行分析比较，从而确定了各个模块的具体型号、功能。 为下面硬件设计与软件设计奠定了基础。 9 第 3 章 系统硬件设计 多路温度巡检系统是由硬件电路与软件配合来共同完成其功能的，硬件主要由单片机最小系统、电源电路、温度检测电路、多通道切换电路、 A/D 转换电路、显示电路、按键电路、报警指示电路组成。 下面将对多路温度巡检系统的硬件电路进行详细分析。 单片机最小系统的设计 STC12C5A16AD 器件是完 全集成的混合信号系统级 MCU 芯片，具有 32 个数字 I/O引脚 ,是 STC 生产的机器周期（ 1T） /单时钟的单片机，是低功耗 /高速 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码能够完全兼容传统 8051，但速度比 8051 快 812 倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路， 2 路 PWM， 8 路高速 10位 A/D 转换，引脚如图 31 所示。 本设计主要利用 STC12C5A16AD 运算速度快，从而达到优化系统设计的目的。 图 31 STC 12C5A16AD 单片机引脚图 下面列出了一些主要特性： 增强型 8051CPU， 1T， 单时钟 /机器周期，指令代码完全兼容传统 8051 工作电压： （ 5V 单片机） 工作频率范围： 0～ 35MHz，相当于普通 8051 的 0～ 420MHz 片上集成 1280 字节 RAM 用户应用程序空间 16K 10 通用 I/O 口：每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但是芯片最大不能够大于120mA ISP（在系统中能编程） /IAP（在应用中能编程），不需要专用编程器与专用仿真器，能够在串口（ ）直接可以下载程序， 有 EEPROM 功能 看门狗 内部集成 MAX810 独有的复位电路 1外部掉电检测电路 : 口中有一个低压门槛比较器 1时钟源：时钟晶体，内部 R/C 振荡器，在精度要求不高时候，可以选择内部时钟。 1共 4 个 16位定时器，两个同 8051 兼容的计数器 /定时器 ,定时器 T0 与 T1，无定时器 2，再加上 2 路 PCA 模块可再得到 2个 16 位定时器 1 2 个时钟输出口，可通过 T0的溢出在 T0/ 输出时钟，可通过 T1 的溢出在 T1/ 输出时钟 1 7 路外部中断 I/O 口 ,传统的低电平触发中断 ,而且新增了上升沿中断的 PCA模块 ， Power Down 模式可通过外部中 , /T1, /RXD, /CCP0, 1 PCA(2 路）（ 2路可编程计数器阵列） 也能当 2 路 D/A 使用 也能再得到 2个定时器 也能再得到。