毕业设计(论文)-多路温度监控系统的研究和设计.doc
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1、1 概述11.1 目前温度监控系统的发展现状11.2 课题研究的目的和意义21.3 课题设计任务32 开发环境简介42.1硬件设计环境42.1.1如何进行原理图设计42.1.2 PCB设计62.2 软件设计环境63系统方案设计93.1 温度控制系统的要求93.2 控制方案的确定93.3 硬件和软件功能划分103.3.1 硬件系统组成103.3.2 软件功能103.4 系统结构框图104 系统硬件设计124.1处理器的选择和主机系统设计124.1.1主机系统设计124.1.2 采用总线一线连接方式134.1.3引脚说明144.1.4 CPU154.2 输入通道设计154.3温度显示电路设计204
2、.3.1 温度显示电路204.3.2 本系统8255的工作方式和控制字244.4 报警电路设计255 系统软件设计275.1软件设计的要求275.2 软件总体设计275.2.1 程序结构设计275.2.2程序模块划分275.3 各模块程序设计285.3.1 主程序285.3.2 定时中断0服务程序315.3.3定时中断1服务程序325.3.4 显示子程序345.3.5温度巡回检测程序365.3.6蜂鸣器启动子程序406 总结41致谢43参考文献441 绪论1.1 温度监控系统的发展现状温度的感知是很常见的事,也有很多种办法,比如,试水温时,手放入水中,觉得很凉时,表示在体温以下,觉得太热时,表
3、示在体温以上。但这都是人体的直接感知,不便于用来处理和监控,应用传感器来感知温度,标志着温度控制的发展已经进入了一个新的时代。目前而言,温度监控已经由单一的人力读表控制迈向了运用单片机、各种传感器等器件所组成的智能监控系统时代,大量节省了人力、物力、财力。另外在一些人类无法接触到的地方,或者对温度要求极高的地方,单一的人为控制,已经不能适应实际的要求。而以单片机为主要部分,组成的智能监控系统适应了时代的需要,在国民经济各部门发挥着重要的作用。新的监控系统层出不穷,有在线红外温度连续监控系统、多点多段温度监控系统、热网温度监控系统等等。如在线红外温度连续监控系统,它就是将非接触无源高精度红外温度
4、传感器IRt/c安装在接电设备内部。 如变电站开关柜,配电柜和变压器等,通过完善的硬件系统和软件系统可以完成在线连续的实时温升检测,达到温度连续监控。可以说,这些温度监控系统的功能非常强大,它们的出现满足了生产和生活的需要。但是也存在一些不尽如人意的地方,例如:体积大、功耗高,在一些场合中造成了浪费。多路温度监控是近年来极受欢迎的技术,应用极为广泛。在日常生活中多路温度监控系统已用于包装电冰箱、空调、电炊具、电暖器等电加热、电致冷类家电产品,也用于汽车、火车、轮船、飞机驾驶室,候车厅,宾馆,病房,实验室等对温度有一定要求的室内温度控制和显示;在农业方面可以用温度监控系统控制花期及植物的成熟期,
5、植物栽培、育种试验的专用恒温设备,尤其在粮仓库区粮堆温度分布的应用方面显得更为重要;在工业方面石油化工、食品酿造、冶金、橡塑注塑机料筒温度控制、机械车轴温度控制,奔跑的列车的轴承温度监控、柴油机燃油温度控制、电镀生产线温度控制,实际工程防止裂缝温度控制、对冻土层不同深度进行监控,合成树脂、电子部件和精密仪器的耐寒的检测及航空、航天等都离不开温度监控。1.2 课题的目的和意义系统有实时、快速的外部响应,能讯速采集到大量数据,做出逻辑与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制,又由于其体积小、速度快、功耗低、性能可靠等特点,因此在工业生产、科技教育以及日常生活等诸多领域,得到了广泛应用,使经典电子系
6、统讯速进化为全盘智能化的现代电子系统。而过程控制是对生产过程中各种工艺参数实施的控制,这是单片机控制系统的重要就用领域,温度监控系统是最常见的过程控制系统,温控系统在大量工农业应用环境中发挥作用,实际上有很多应用环境对温度监测对象的监测、控制要求雷同,这样就造成大量的重复开发,而且传统的温控办法费时费力,精度差,白白浪费人力物力及宝贵的时间。因此设计一个价格低廉、通用性较强的可编程温度控制器就成了当务之急,随着新技术的不断开发与应用,近年来,单片机发展十分迅速,为了满足多种多样检测控制对象的要求,构成各种专用控制器,单片机发展了各种传感器接口、工业对象的电气接口伺服驱动的功率接口、人机对话接口
7、、中断处理、模/数、数/模转换的速度和精度、位操作能力、功率驱动能力、程序运行监控能力和信号实时处理能力,上述性能的出现使得温度的采集和处理能够得到很好的解决,选用好的单片机和温度传感器,前端处理电路可以精确的采集数据,后端进行实时的处理,并能实时的进行监控,使温度监控成为一种智能化的实时控制。1.3 课题设计任务 系统采用微机检测系统对八路温度进行巡回检测并实时显示温度,每隔15s检测一路,每一路连续检测4次,温度检测由温度传感器转换成电信号,再经过放大到合适的幅度送A/D转换器转换成数字量,取其平均值经标度变换转为BCD码后送LED显示,同时检测温度是否超出要求温度范围(温度范围045 C
8、),当不能保证所要求温度范围时,发出声光报警信号。具体的实际内容包括:1、 单片机的主机系统及硬件接口设计。2、 温度测量电路,包括传感器、放大器、A/D转换及接口。3、 LED显示器硬件设计及软件设计。4、 单片机检测系统中数据巡检、A/D转换、数字滤波、标度变换等程序的设计和调试方法。5、 Protel进行原理图设计及印制电路板设计。6、 能根据原理图连接线路并进行调试。2 开发环境简介2.1硬件设计环境 硬件的设计在整个设计过程中起着关键性的作用,在这个系统的设计过程中,电路原理图的绘制、PLD的设计、PCB的设计,我都是利用Protel99软件设计和制作的,Protel99采用全新的管
9、理方式,即数据库的管理方式。Protel99 是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中,并显示在唯一的综合设计编辑窗口1。Protel99软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点,内部界面与Protel98大体相同,新增加了一些功能模块。Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术,在Protel99中集成了信号完整性工具,精确的模型和样板分析,帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。Protel99容易使用的特性就是新的“这是什么” 帮助。按下任何对话
10、框右上角的小问号,然后选择你所要的信息。现在可以很快地看到 特性的功能,然后用到设计中,按下状态栏末端的按钮,使用自然语言帮助顾问。2.1.1如何进行原理图设计(1)新建设计数据库文件在WINDOWS 95/98或NT界面下双击Protel 99 图标,点击File(文件)中new项,新建设计 数据库。 在Browse选项中选取需要存储的文件夹,然后点击OK即可建立自己的设计数据库。(a)设计组(Design Team) 可以先在Design Team 中设定设计小组成员,Protel 99可在一个设计组中进行协同 设计,所有设计数据库和设计组特性都由设计组控制。定义组成员和设置他们的访问权
11、限都在设计管理器中进行,确定其网络类型和网络专家独立性不需要求助于网络管理员 。(b)回收站( Recycle Bin)相当于Windows 中的回收站,所有在设计数据库中删除的文件,均保存在回收站中,可 以找回由于误造作而删除的文件(c)设计管理器(Documents) 所有Protel99设计文件都被储存在唯一的综合设计数据库中,并显示在唯一的综合设计 编辑窗口。在Protel99中与设计的接口叫设计管理器。使用设计管理器,可以进行对设计文件的管理编辑、设置设计组的访问权限和监视对设计文件的访问。 组织设计文件:过去组织和管理40个或更多的原理图、PCB、Gerber、Drill、BOM和
12、DRC文件,要花费几天的时间,而Protel99把设计文件全部储存在唯一的设计数据库。(2)打开和管理设计数据库(3)观看多个设计文档(4)多图纸设计(5)原理图连线设计(6)检查原理图电性能可靠性(7)同步设计:在Protel99中使得原理图与PCB同步是容易的。Protel99包含一个强大的设计同步工具, 使得非常容易地在原理图和PCB之间转移设计信息。同步设计是更新目标文件的过程,它基于参考文件中上一次的设计信息。当你执行同步时,通过以下选择告诉它要转换的方向:从原理图到PCB的更新;从PCB到原理图的更新;同步设计执行设计信息的初始化转移,还有正向和反向标注处理、替换创建的网络表-加载
13、网络表顺序、反向标注-在PCB设计中习惯使用的重标注顺序。(8)建立材料清单。(9)原理图仿真。(10)在原理图上标注汉字或使用国标标题栏。(11)生成网络表:当我们设计好原理图,在进行了ERC电气规则检查正确无误后,就要生成网络表,为PCB布线 做准备。网络表生成非常容易,只要在Design下选取Create Netlist对话框,设置为 那种格式的网络表。网络表生成后,就可以进行PCB设计了。2.1.2 PCB设计具体步骤如下:(1)板框导航。(2)建立PCB文件。(3)布局设计。(4)布线设计。(5)电气规则检查。(6)信号完整性分析。(7)建立新的PCB器件封装。(8)生成GERBER
14、文件。2.2 软件设计环境软件是系统的灵魂,没有软件的支持,所设计的电路就不能按我们设计好的思路工作。因此,编制一段好的程序对系统的运行效果有着至关重要的作用,它直接影响系统的运行速度和工作的效率。在公司,里我和同事采用的单片机开发系统软件,是由上海航虹高科技有限公司提供的AEDK51W单片机开发软件。AEDK51W单片机开发系统(也称为AEDK51W仿真机)是新一代单片机开发与实验系统。它由51W仿真器和EXP51实验板两部分组成,整机采用模块化设计,外围芯片丰富,功能完善,可进行MCS51系列单片微机系统开发和实验。EXP51实验板自带CPU和监控,具有独立运行和仿真功能。AEDK51W仿
15、真器的主要性能特点是:(1)全空间仿真和仿真RAM出借,直接对带有ROM的芯片(如8751,8752,89C51,89C52,89C1051,89C2051,W77E58,W78E58,DS87C520等)仿真,所有功能一箱化设计,仿真开发功能较强切价格低廉,是MCS-51系列单片微机开发的良好工具。(2)可仿真MCS-51/320系列单片机(包括ROM/EPROM型如8751,8762,80C552,89C51,89C52,89C1051,89C2051,W77E58,W78E58,DE87C520等),可仿真INTEL/PHILIPS/ATMEL/DALLAS/WINBOND等51/320
16、系列的单片机。(3)采用专用仿真CPU的双CPU仿真机。(4)全空间仿真:程序空间0FFFFH,数据空间0FFFFH全空间都可仿真。全空间仿真RAM出借:0FFFFH,能满足一般用户系统开发和教学实验的需要。(5)采用64K全空间硬件断点。单步使用仿真CPU提供的专用断点技术,而不使用外部中断。某些仿真机使用外部中断执行单步,虽称不占用,实际延长用户中断响应时间。(6)具有夭折处理功能,即执行用户程序后,按暂停热键能保存用户现场后返回监控,帮助查找程序走飞,死循环的原因。(7)采用零地址仿真,即程序起始地址0000H和中断入口地址都由用户使用,使之一次性仿真,脱机无须更改程序。(8)所有单片机
17、资源向用户开放,即使RESET引脚也对用户开放,便于调试含看门狗的用户系统。(9)支持高速CPU的仿真,普通型的可支持到16MHZ,高速型的可支持到40MHZ(51)/25MHZ(320)。(10)有操作与AEDK系列其他机型兼容,便于用户更新使用AEDK系列中的高档机。可以使用菜单窗口的LCA51源语句级调试汇编、C51、PL/M51程序,使单片机真正实用高级语言及支持高级语言教学。(11)仿真头有故障隔离措施,用户系统硬件故障不影响仿真器工作,可调试用户系统硬件。(12)可联IBM PC及其兼容机,可使用编辑、汇编、PL/M51、C51及嵌入式定点浮点运算库等软件。(13)支持符号化调试。
18、可对欲移植的程序反汇编后自动加上标号形成汇编文件,帮助用户仿制,修改样机。(14)上采用高速串口,自动检测适配波特率(2400115200)。不占用仿真CPU串口,支持单片机串口与系统机连接调试串口通讯程序。(15)箱化设计,封闭式机箱,可靠性高。(16)供电要求:工作电源直流+5V,开关机瞬间及正常工作时电源毛刺必须小于0.8V。+5V工作电流小于400MA。(17)外型尺寸:约19112727(毫米)(18)重量小于350克。(含仿真头)3系统的总体分析和设计3.1 温度控制系统的要求整个系统所包含的内容主要有以下几个部分,每个部分的要求具体如下:(1)温度测量:要有温度测量电路,被测量为
19、模拟量,要求微机具有相应的数据采集通道,每个通道能够对不同的数据进行采集和记录。微机能够准确迅速的采集到数据信号,为数据转化和处理做准备。 (2)模数转换:要有模数转换装置,转化电路,将温度测量电路采集到的温度模拟量准确无误的转化为数字量,为下一步的进行做好准备(3)温度显示:按设计要求和实际要求,实时的、准确的显示各路通道号及其温度值。(4)报警:要有报警装置,当温度超过要求的范围时,迅速发出声报警信号。3.2 控制方案的确定(1)系统要求:设计单片机检测系统,每隔15s巡回检测一次,并检测是否超过要求温度范围,如超过温度范围给出声报警信号。(2)确定输入通道结构和选择检测元件:本系统为8路
20、巡检,输入通道需由A/D转换器和多种模拟开关组成,现采用A/D的结构。由于检测精度不高,因此可以选择通用廉价的8位A/D转换器ADC0809。该芯片总的非调整误差为1LSB,相对值为0.39%,加上其量化误差以及测量电路的误差,能满足检测误差1%R 要求。(3)15s定时的实现方法:采用硬件和软件相结合的方法。设T0为定时方式1,定时15s中断方式。在中断服务程序中设置一记数器,初值为150(96H),每次减1,减到零时就实现了定时15s。在主程序中,即设置为每隔15s调用温度检测子程序 ,实现15秒定时。(4)2s定时的实现方法:采用硬件和软件相结合的方法。设T0为定时方式1,定时15s中断
21、方式。在中断服务程序中设置一记数器,初值为20(14H),每次减1,减到零时就实现了定时2s。3.3 硬件和软件功能划分3.3.1 硬件系统组成硬件系统主要的作用包括:采集模拟温度量、进行模拟数字转变2、对温度进行显示或报警。因此硬件系统主要由三个部分的电路组成:(1)温度测量电路,包括传感器、放大器、A/D转换及接口。(2)温度显示电路(3)报警电路。3.3.2 软件功能(1)温度检测,包括定时采样和软件滤波。(2)定时器实现15s定时,以满足温度检测的要求。(3)定时器实现2s定时,以满足显示温度显示的需要。(4)显示温度。(5)输出报警信息。3.4 系统结构框图根据应用系统的要求及软硬件
22、功能的划分,确定应用系统硬件结构和软件部分结构。用单片机作为系统的核心,传感器用来采集温度模拟信号3,单片机再对采集到的温度模拟信号进行模数转换,将在控制温度内的信号显示在LED显示器上,将超出温度范围的温度信号,报警装置将做连续30秒的报警。如图3.1所示。微机温度检测 传感器报 警温度显示数据采集图3.1 系统结构框图4 系统硬件设计4.1处理器的选择和主机系统设计4.1.1主机系统设计图4.1 主机系统如图4.1所示,根据本系统对控制精度和控制功能的要求,选择MCS-51系列的单片机中的89C51作为CPU。采用内部方式在XTAL1和XTAL2引脚上接定时元器件构成自激振荡电路,将外接石
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