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1、物理与电子工程学院课程设计 题目: 简易温度采集与控制系统设计 专 业 电子信息工程 目录1任务提出与方案论证32总体设计32.1温度采集电路设计(温度采样及模数转换)42.2单片机控制电路设计53温度控制系统的硬件设计73.1电源电路73.2传感器与变送器电路83.4单片机最小系统104系统调试及性能分析124.1系统调试124.2系统性能分析125.调试135.1数码管显示的调试135.2AD590测温电路的调试135.3主电路的调试136.结论15参考文献16附件一 元件清单17附件二 单片机仿真18附件三 硬件图19附件四 程序设计20简易温度采集与控制系统设计摘要温度采集系统由主控制
2、器、温度采集电路、温度显示电路、A/D转换电路组成。它利用单片机AT89C51做控制及数据处理器、温度传感器AD590做温度检测器.LED数码管做温度显示输出设备。硬件电路比较简单，成本较低，测温范围大，测量精度高，读数显示直观，使用方便。关键词：AT89C51 AD590 传感器 温度 1任务提出与方案论证温度测控系统设计的基本思路是采用一个控制芯片，将采集进来的信号，进行放大，调幅，滤波，最后通过A/D转换后，输入到控制芯片中，通过程序将各个模块连接起来，实现整套系统的功能。控制芯片采用的AT89C51。A/D转换芯片的选择ADC0809，该芯片带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理
3、机兼容的控制逻辑的CMOS组件，可以与单片机直接接口。最后整体方案是用AD590采集温度，经过采集电路放大，滤波之后，通过ADC0809转换，输入单片机AT89C51，经过程序处理最后直观的呈现在数码管上。2总体设计总体框图如图1所示，以单片机系统为核心，通过温度传感器AD590将温度信号转换为电流信号，放大后，经A/D转换器ADC0809将送进来的模拟信号转换成数字信号后送到单片机处理，并将采集的温度值与键盘设定的温度值进行比较，通过内部的程序处理，将最后的结果显示在数码管上。主控制器（ATC89C51）AD590测温电路温度显示数模转换器ADC0809图1温度采集系统结构框图主要模块：AD
4、590采集测温模块，ADC0809和AT89C51的A/D转换和主控制模块，液晶显示模块。为了增强系统的抗干扰性，各模块独立制板。2.1温度采集电路设计(温度采样及模数转换) 温度采样处理电路由温度传感器、A/D转换电路等组成。采用分块结构的温度采样处理电路，其硬件电路结构复杂，也不便于数据的处理。采用温度传感器采样处理电路，能够方便的进行温度的采集及简单的数据处理。并且可以达到设计的技术指标要求。本系统选择热敏电阻作为温度采集电路的核心器件。由热敏电阻及辅助电路构成温度采集电路。温度采集流程图如图2。热敏电阻送入ADC0809启动A/D转换读取转换数据将转换数据存于片内RAM20H单元返回转
5、换结束否图2 温度采样及模数转换流程图2.2单片机控制电路设计单片机控制电路核心是单片机芯片，其加上工作基本电路，就可以展开控制工作。本电路由89C51单片机温度传感器、模数转换器ADC0809、和数码管显示电路等组成。由热敏电阻温度传感器测量环境温度，将其电压值送入ADC0809 进行模数转换，转换所得的数字量输入到89C51，经单片机进行程序控制然后显示在数码管上。在温度采集模块里面该设计采用的是热点偶，热点偶是一种感温元件，它能将温度信号转换成热电势信号，通过电气测量仪表的配合就能测量出被测的温度，热点偶是工业上最常用的温度检测元件之一，其优点是：（1）测量精度高。因热电偶直接与被测对象
6、接触，不受中间介质的影响；（2）测量范围广。常用的热点偶从-15100均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269，最高可达+2800；（3）构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。当温度传感器感应到温度范围在0100,通过放大器进行放大，可变电阻阻值变大，把温度转换为电压，通过RD0-,RD0+,RD P-OUT输出，没有感应到时，放大器没有工作，无信号输出，RD0-,RD0+,RD P-OUT输出的电平可以判断出温度传感器是否检测到温度。3温度控制系统的硬件设计3.1电源电路电源电路由变压器、单相桥式整流电路、滤波电
7、路和三端稳压电路构成如图3-1和图3-2。测温电路需要+12V、-12V电源，单片机系统和显示电路需要+5V电源，将220V交流电压整流后经三端稳压器LM7805、LM7812、LM7912分别输出+5V、+12V、-12V电压，其电路图如图所示图3-1电源电路图图3-2电源PCB板图3.2传感器与变送器电路AD590是美国AD公司研制的一种电流式集成温度传感器。其直流工作电压为+4V到+30V，当电源电压由5V向10V变化时，其电流变化仅为0.2A/V，最佳使用温度范围-55+150，在此测温范围内，测量误差为0.5，测量分辨率为0.1。其仿真和PCB图如图3-3、3-4和3-5。AD590
8、的主要特性：（1）具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。（2）仅需+ 4V到+30V的直流工作电压，不需要传送器、滤波器和线性化电路等。（3）具有优良的干扰抑制比，只需很小的功率(115mW)。（4）电源电压漂移和波纹不敏感。（5）电气上耐用，可承受+44V正向电压，+20V反向电压，不必担心管脚接错。图3-3变送器仿真图1图3-4变送器仿真图2图3-5变送器PCB板3.3 A/D转换器设计ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关的以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件，它是逐次逼近式A/D转换器，多路开关可选通8个模拟通道，允许8位模拟量分时输入，公用A/
9、D转换完的数字量，当OE为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数。3.4单片机最小系统该单片机最小系统如图3-6具有的功能:（1）具有2位LED数码管显示功能。（2）具有八路发光二极管显示各种流水灯。（3）可以完成各种奏乐,报警等发声音类实验。（4）具有复位功能。功能分析（1）两位LED数码管显示功能，我们可以利用单片机的P0口接两个数码管来现这个功能；（2）八路发光二极管显示可以利用P1口接八个发光二极管实现这个功能；（3）各种奏乐、报警等发声功能可以采用P2.0这个引脚接一蜂鸣器来实现。（4）利用单片机的第9脚可以设计成复位系统，我们采用按键复位；利用单片机的18、19脚可以设计成
10、时钟电路，我们利用单片机的内部振荡方式设计的。我们是运用单片机显示数码管的功能。图3-6单片机最小系统4系统调试及性能分析4.1系统调试 （1）硬件调试硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确及电路中有没有虚焊等问题，然后可用万用表测试或通电检测电路。在仿真图中模数转换部分是ADC0808芯片，但在硬件电路板制作过程中此芯片较难获得，因此改用ADC0809CCN芯片代替。 而温度采集模块，开始采用的是温度传感器AD590，通过A/D转换器输出数字信号，并利用单片机编程，最后使LCD显示器显示当前温度。考虑到实际电路焊接时，线路连接输出太复杂，无法实现功能，所以最后由热敏电阻代替。 经过调试
11、，该设计能够在液晶显示器显示0-100摄氏度之间的温度，电源-能够输出5V以及+12V，-12V电压。（2）软件调试软件调试以程序为主。先编写一段显示程序对硬件的正常工作进行检验，然后进行主程序、匹配ROM子程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等的编程及调试。软件调试到能显示温度值，而且在有温度变化时（例如用手去接触）显示温度能够改变就基本完成软件调试。4.2系统性能分析 用制作的测温系统和已有的成品温度计（如水银温度计）来同时测量环境温度，并对测量的结果进行比较分析。由比较分析及AD590的特点可得，用本系统进行测温时，精度很高，误差指标可以限制在0.
12、1以内；另外在-55+150的测温范围内使得该系统完全适合一般的应用场合。 5.调试5.1数码管显示的调试数码管显示出数据后，能直观了解电路是否正常。在调试过程中，首先遇到了数码管只是灯亮，不能显示数据。最先考虑到硬件问题，通过查找资料和用仪器测量，发现数码管发现我们的电路没有错误，然后我们在通过询问同学和老师，再次进行试验，发现可以正常显示数据，于是将数码管显示模块重新制板。随后又发现无数据显示，再次检查硬件和软件均无问题，这时想到了亮度的问题，于是耐心的调节滑动变阻器，发现屏幕亮了出现了数据。5.2AD590测温电路的调试由于AD590的增益有偏差，同时电阻也有误差，因此必须对电路进行调整
13、。为了获取准确的温度值，分别在0（冰水混合物）、100（沸水）和36.5（人体温度）进行温度定标。具体步骤是：（1）把AD590放于冰水混合物中，调节电位器，使得进入集成运放的电流几乎为0A。依次调节后面的电位器，使得运放的输出电压为0V。（2）将AD590放入沸水中，调节电位器，使得运放的输出电压为5V。（3）同理进行36.5使得定标。这样就保证了AD590的准确性，在特殊的温度点的温度，这个过程是很费时间也需要耐心，这个调试的关键就是放大电路的稳定性，和运放的性能，OP07为低失调电压、低失调电流和低漂移的超低失调运算放大器，其增益和共模抑制比高，噪声小，是一种通用性强的运算放大器。在调试
14、的过程中没有遇到什么大问题，顺利的完成了调试。5.3主电路的调试主电路的调试是最后也是最重要的环节，主电路的调试主要是看看A/D转换是否成功，主要的功能是否可以实现。先把数码管和主电路连接起来，有了数码管，能更直观的了解调试是否成功。然后将采集电路连接起来，为了防止AD590参数产生误差，先不接上AD590。将采集端输入一个电压值，程序经过多次修改，没有问题后，输入单片机接通电源进行调试，发现数码管上显示的数值和预想的值有偏差，于是想到是程序的设计上数据处理这一块没处理好。接着完善了程序之后再调试，终于成功了，说明A/D转换没有问题。再进行变送器电路的检查，同样的方法先软件，以软件检查硬件的问
15、题。经过几次的调试，最后按键能成功的设置预想的数值并且可以在数码管上显示出来。6.结论本设计经过自己的努力和指导老师的悉心教导，基本功能都能完成，按键可以设置温度值并能转换显示采集的温度和设置温度界面。通过控制AD590这端的温度，数码管上的数值也会随着变化。但是还存在一些小问题，其中有温度控制这一块没有做到很完美，于是检测的温度精确度不是非常高，但是基本上误差不大。希望这个课题在以后能更得到很大的改善，能进一步的完美的采集温度以及控制温度，随着科学技术的不断发展对于控制系统的稳定性和可靠性的要求不断的提高，对其方案要求不断的简化，实用，灵敏度要高，以后人们对于温度控制系统的研究也不断加深。基
16、于单片机的温度控制系统的设计具有功能强、成本低、元件少、可靠性好、抗干扰性强、简单易行、具有实效性、使用范围广等特点。另外对于数据量要求不大和工作环境比较恶劣的数据存储也具有良好参考价值和推广前景。参考文献1 李光飞单片机课程设计实例指导M北京：北京航空航天大学出版社，2004：105-1062 余永权ATMEL系列单片机应用技术M北京：北京航空航天大学出版社，2002：25-263 张毅刚单片机原理及应用M北京：高等教育出版社，2004：31-334 李玉峰MCS-51系列单片机原理与接口技术M北京：人民邮电出版社，2004：26-275 陈明荧8051单片机课程设计实训教材M北京：清华大学
17、出版社，2004：28-306 李全利单片计原理及接口技术M北京：高等教育出版社，2004：117-1497 康华光电子技术基础（模拟部分）M北京：高等教育出版社，1999：444、446、4558 周航慈单片机程序设计基础M北京：北京航空航天大学出版社，20039 胡健单片机原理及接口技术实践教程M北京：机械工业出版社，2004附件一 元件清单表1 元件清单序号元件名称型号或参数数量1变压器-12保险丝-33三端稳压791214三端稳压781215三端稳压780516电解电容2200uF37整流桥KBP20628电解电容220Uf29电阻1K210电阻30K111滑动变阻器5K112滑动变阻
18、器10K113电容104314传感器AD590115集成运放OP07DP116电解电容100Uf117稳压二极管9.1V118二极管1N4148219模数转换AD0809120单片机89C52121晶振11.0592122按键-123电容22pF224电解电容100uF125排阻A472J126四位数码管HSN-3643S1附件二 单片机仿真单片机仿真图1单片机仿真图2附件三 硬件图附件四 程序设计#include /-sbit ALE = P33;sbit OE = P34;sbit EOC = P35;sbit STA = P36;sbit CLK = P37;/-unsigned int
19、 num; /AD转换后的数字量/-void delay(unsigned int z) /延时函数 unsigned int x, y; for(x=z;x0;x-) for(y =110; y0;y-) CLK = CLK; /在延时函数中，给ADC0809送去CLK/-void display(void) char code table = /共阴段码 0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, /07 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71; /8FP0 = 0; P2 = 0xf
20、7; P0 = tablenum/10000;delay(10); /百位P0 = 0; P2 = 0xfb; P0 = tablenum%10000 / 1000 ; delay(10);/十位P0 = 0; P2 = 0xfd; P0 = tablenum %10000% 1000 / 100+ 128; delay(10);/个位加上小数点P0 = 0;P2 = 0xfe; P0 = tablenum%10000% 1000% 100%10; delay(10);/小数点后一位P0 = 0; /关闭显示器/-void main(void) while(1) /无穷循环 ALE = 1; ALE = 0; /地址锁存 STA = 1; STA = 0; /开始转换，稍候，才可读EOC display(); /显示，既做延时，又输出CLK while(EOC = 0) display(); /等待转换结束 num = P1; /取出转换结果 num = num *100/2.55; /比例变换：255 - 500 - 21 -