多路温度采集控制系统

《专业综合课程设计》设计说明书设计题目：多路数据（温度）采集系统的设计学生学号：学生姓名：专业班级：指导教师：起止日期：成绩评定：嘉兴学院机电工程学院-1-指导教师评语及成绩评定指导教师评语:年月日成绩指导教师(签字):-2-设计题目：多路数据（温度）采集系统的设计1引言在科学研究中，运用数据采集系统可以获得大量的动态信息，这也是获取科学数据和生成的重要手段之一。无论在哪个应用领域中，数据采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。随着计算机的发展，数据采集系统对通信起到了巨大的推动作用。计算机和通信紧密结合构成了灵活多样的通信控制系统，也构成了强有力的信息处理系统。数据采集，从严格的意义上来说，应该是计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并能够对数据的存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取有用的信息，供显示、打印、绘图等作用。本次课程设计则是针对多路数据(温度)采集系统进行了初步的研究，使多路采集系统具有对多路模拟信号进行采集和处理的功能。整体设计中采用了模块化的设计，以单片机AT89C51为核心的4路温度采集控制系统：系统运行时，循环扫描显示对应的DS18B20温度传感器的温度，循环逐次显示温度；每隔10ms，采集一次温度。软件部分则是在Keil软件中，应用C语言编写。2多路数据（温度）采集系统的工作原理2.1总体方案设计数据采集系统一般由数据输入通道、数据存储与管理、数据处理、数据输出及显示这五部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号检测等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的信息存储起来，建立相应的数据库并进行管理与调用。数据处理就是从采集到的信息中删除有关干扰，与无关信息。对数据进行统计分析便于检索。数据输出及显示就是把数据以适当的形式输出与显示。主要结构如下图：传感器采集温度多路温度AT89C51单片机LED数码管显示警示灯、喇叭报警系统继电器控制系统-3-2.2方案比较与论证2.2.1采集电路方案一：使用传统温度传感器。传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器，采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻可靠性差，测量温度准确率低，对于1摄氏度的信号是不适用的，还得经过专门的接口电路转换成数字信号才能由微处理器进行处理。对于这类传感器，使用起来较麻烦，但价格较便宜。方案二：使用数字式温度传感器。数字温度传感器使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本，搭建电路和焊接电路时更快，调试也更方便简单化，这也就缩短了开发的周期使用起来方便，但价格昂贵。经过比较，从系统技术参数要求和功能仿真方面考虑，数字式温度传感器比传统温度器功能更全面，使用时更方便，仿真时也更简便，故选用方案二。本次设计采用市面上运用较为广泛的数字式温度传感器——DS18B20。2.2.2处理器选择方案一：采用AT89C52单片机作为处理器，能达到要求，但其内存过小，处理精度较低，不是最好的选择；方案二：采用TI公司的各种单片机，虽然能很好的达到设计的要求，但其成本过高，且程序较复杂，不适宜与本次设计。通过对比，方案一的AT89C52的功能完全能够符合题目的各个部分和发挥部分的设计，故选用方案一2.2.3显示部分方案一：用LED数码管，其操作简单，显示直观。不仅程序的设计简易，而且对周围的环境要求很低，方便维护方案二：用LCD液晶，具有体积小、低功耗、显示丰富等优点。电路连接简单，价格较高。总的来说，LCD液晶显示电路连接简单且能满足设计需求，又LCD1602上课时学过，不需再单独学习其他LCD显示程序编写要求，所以本设计选用LCD液晶显示。-4-3实现方案本次设计的电路主要包括了最小系统电路、温度采集系统电路、控制系统电路及显示系统电路等几部分电路组成。3.1最小系统电路：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。下图中的晶振电路和复位电路与单片机连接构成最小系统电路。晶振电路：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。复位电路：为在系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号-5-3.2温度采集电路由四个DS18B20温度传感器构成本系统的温度采集电路DS18B20温度传感器是美国达拉斯(DALLAS)半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器[5]。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下几方面的原因：（1）系统的特性：测温范围为-55℃～+125℃，测温精度为士0.5℃；温度转换精度9～12位可变，能够直接将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出；12位精度转换的最大时间为750ms；可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式。（2）系统成本：由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。一支DS18B20的体积与普通三极管相差无几，价格只有十元人民币左右。（3）系统复杂度：由于DS18B20是单总线器件，微处理器与其接口时仅需占用1个I/O端口且一条总线上可以挂接几十个DS18B20，测温时无需任何外部元件，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数量，降低系统的复杂度，减少工程的施工量。（4）系统的调试和维护：由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便。同时因为DS18B20是全数字元器件，故障率很低，抗干扰性强，因此，减少了系统的日常维护工作。DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ，外供电源线VDD，共用地线GND。DS18B20有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长[6]。这种情况下，用-6-单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V)，相应的完成温度测量的时间较短。DS18B20主要特性DS18B20的引脚图如下图所示。独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；零待机功耗；温度以9或12位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20的引脚功能描述如表所示。图DS18B20的引脚排列表DS18B20引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数字输入输出引脚,开漏单总线接口引脚,当使用寄生电源时,可向电源提供电源3VDD可选择的VDD引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必须接地DS18B20内部结构DS18B20有64位ROM存储器件独一无二的序列号。暂存器包含两字节（0和1字节）的温度寄存器，用于存储温度传感器的数字输出。暂存器还提供一字节的上线警报触发（TH）和下线警报触发（TL）寄存器（2和3字节），和一字节的配置寄存器（4字节），使用者可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。暂存器的5、6和7字节器件内部保留使用。第八字节含有循环冗余码（CRC）。-7-3.3LCD1602液晶显示系统电路LLCD1602主要技术参数管脚：1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：GND为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。特性：3.3V或5V工作电压，对比度可调;内含复位电路;提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能.有80字节显示数据存储器DDRAM;内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM;8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM.1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。-8-3.4控制系统电路由继电器和按钮组成控制系统，其中按键控制系统最高温度，进而控制继电器的工作。继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。其结构图如下图所示。-9-3.5软件程序程序流程图在程序进行初始化后，开始反复执行如下图所示流程的程序。程序流程图-10-4结论在这次的课程设计中，我的题目是多路数据（温度）采集系统的设计。在老师的提点下，首先就是要理解和解决多路该怎么样去实现，再就是利用单片机和LED实现采集和显示的功能。通过查找资料，对比系统的可行性等，最终确定了以上方案。在单片机课程设计中做成功过温度器的课程设计，一开始觉得很简单，不就是多了几个传感器罢了，后来发现自己眼高手低。事实并不是这么容易。在程序那关就走了好久，因为三个程序间需要相互关联，相互引用，一开始一直编译不通过。后来也是用了偏方，把主程序中需要引用的地方直接写入两个子程序里，这才成功编程。后边的proteus仿真里，前半部分比较顺利，后边又不如意了。仔细看了出错的地方，才发现，因直接偷懒，4个继电器部分，在做完第一个后后三个是复制剪贴的，导致命名重复。这也给我了一个警示，做人做事都不偷懒，要一步一个脚印的认真做好每件事，才能成功。总的来说，通过我在课程设计的实践过程，我懂得了活到老学到老这句名言的真正意义，学习是一个循序渐进的过程，不可能一蹴而就，不管是在以后的工作中、或者生活中都不能停止学习，不断的用知识武