高温检测系统设计.docx
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高温检测系统设计
唐山工业职业技术学院
毕业设计说明书
设计题目:
高温测试系统
系别:
自动化系专业:
应用电子
学生姓名:
班级:
指导教师:
周丽
一概述.................................................................3二设计方案.............................................................4
2.1方案一..............................................................4
2.2方案二..............................................................4
2.3方案一总体设计框图..................................................4
三硬件电路设计.........................................................5
3.1单片机模块..........................................................5
3.1.1AT89S51简介......................................................5
3.1.2复位电路..........................................................6
3.1.3时钟电路..........................................................7
3.1.4电源电路..........................................................7
3.2显示电路模块........................................................7
3.2.174HC595原理和简介.................................................8
3.2.2数码管原理与结构..................................................9
3.3温度采集模块........................................................9
3.3.1热电偶...........................................................10
3.3.2放大电路.........................................................103.3.3AD转化电路.....................................................11
3.3.4温度采集模块与单片机的连接电路..................................11
3.4报警模块...........................................................11
四软件设计............................................................12
4.1程序设计简介.......................................................12
五总结................................................................13
六主要参考文献........................................................13
附录...................................................................14
附录一程序主流程图...................................................14
附录二中断子程序流程图...............................................14
附录三高温测试系统的程序..........................................15
附录四高温测试系统的电路图...........................................19
一概述
在工业生产中高温测试系统应用广泛,特别是玻璃等工业制造中应用最多。
然而在现在工业中由于测温系统采用热电偶进行模拟测温,对温度测试的结果不够精确,进而在玻璃的生产过程中出现了大量的次品,给企业带来大量的资源浪费,造成了不必要的经济损失。
而我设计的高温测试系统实现1℃的控制精度,它的控制范围为1450℃~1700℃,其具有响应速度快,功耗低,可靠性强等特点,适用于玻璃等高温检测环境。
人们通过本系统对煤气发生炉、熔化池和锅炉中的温度进行检测和控制,通过精确检测温度用来提高产品的质量,从而为企业提高了产品市场竞争力,也为企业的生产节约了大量的成本,进而创造了更好的经济效益。
本设计以AT89S51单片机为控制核心,通过硬件电路的制作和软件程序的编制,实现一个温度测试系统。
本系统主要包括单片机模块、温度采集模块、显示模块、报警模块组成。
在前向通道通过镍铬-镍铝热电偶对温度进行采集,采集到的模拟数据经过ADC0809转换为数字信息,由AT89S51单片机对采集的数据进行处理。
在后向通道对所采集的数据,通过四位的LED八段数码管把温度实时地显示出来。
同时AT85S51单片机把温度信息和温度上限和温度下限比较,如超过其范围就发出报警信息。
本系统的软件采用汇编语言进行模块化编程,模块包括主程序,中断子程序。
关键词AT89S51热电偶74HC595ADC0809
二总体设计方案
2.1方案一
由于本设计是测温电路,可以使用镍铬-镍铝热电偶器件利用其感温效应,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行A/D转换后,就可以用单片机进行数据的处理,然后把数字信号发送显示电路上,就可以将被测温度显示出来,虽然这种设计需要用到A/D转换电路,但是编程简单。
由于测量温度范围宽,可以测量1450℃~1700℃,此温度属于高温范围,符合设计要求。
2.2方案二
在单片机电路设计中,大部分使用传感器,所以可以采用一只温度传感器DS18B20,此传感器,可以很容易直接读取被测温度值,不用进行数模转化,就可以向单片机发送数字信息。
但是由于DS18B20的测量范围为-50℃-110℃,此温度段不属于高温段,因此此方案虽然电路简单和编程简单,但是不符高温测试范围。
从以上两种方案比较后,前者虽然硬件电路复杂,但是编程简单并能符合高温测试的要求,故方案一最合适。
2.3方案一总体设计框图
高温测试系统电路设计总体设计方框图如图2.1所示,控制器采用单片机AT89S51,温度传感器采用镍铬-镍铝热电偶,用四位LED数码管以串口形式传送数据来实现温度显示。
复位电路
AT89S51
LED显示
镍铬-镍铝热电偶
时钟振荡电路
报警点按键调整
74HC595
ADC0809
电源
图2.1总体设计方框图
三硬件电路设计
3.1单片机模块
单片机模块由AT89S51单片机为控制核心,其外围电路由复位电路、时钟电路、电源组成。
其单片机模块的方框图如图3.1所示
时钟电路
复位电路
AT89S51
电源
图3.1单片机模块方框图
3.1.1AT89S51简介
AT89S51是美国ATMEL公司生产低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4k可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,是一种功能强大的微型计算机,广泛应用与各种控制领域。
其功能引脚图如图3.2所示
AI89S51的主要性能参数如下:
●与MC-51产品指令系统完全兼容
●4K字节的在线编程ISPFlash闪速存储器
●1000次可擦写周期
●4.0-5.5电压工作范围
●全静态工作模式:
0-33M
●三级程序加密锁
●128×8字节的内部RAM
●32个可编程的I/O接口
●5个中断源
●全双工串行UART通道
●低功耗空闲和掉电模式
●中断可从空闲中唤醒系统
●看门狗(WDT)及双数据指针
●掉电标示和快速编程特性
●灵活在线编程
图3.2AT89S51的功能引脚图
3.1.2复位电路
复位就是使中央处理器(CPU)以及其它功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位,因此复位电路是单片机系统中必不可少的三要素之一。
单片机的复位靠外部电路实现,信号由RST(RESET)引脚输入,其复位电路由两种:
一是上电复位,二是手动和上电复位两种组合(按键复位)。
本设计系统采用的手动和上电复位,如图3.3所示。
当按下按键时单片机复位,单片机从PC指针0000H开始读程序。
因晶振采用12MHz,所以C1为10uF,R1为8.1㏀。
图3.3按键复位电路图
3.1.3时钟电路
单片机执行指令的过程就是顺序地从ROM程序存储器中取出指令,一条一条的顺序执行,然后进行一系列的微操作控制,来完成各种指定的动作。
它在协调内部的各种动作时必须要有一定的顺序,换句话说,就是这一系列微操作控制信号在时间上要有一个严格的先后次序,这种次序就是单片机的时序。
单片机的时序电路有两种:
一种是内部时钟方式,另一种是外部时钟方式。
而本系统采用的是内部时钟方式,如图3.4所示。
其外接晶振采用12MHz,电容C1、C2采用30pF,此时的机器周期的1us。
图3.4内部时钟方式
3.1.4电源电路
电源模块给单片机系统和其它模块供电。
因为AT89S51单片机的工作电压范围宽,对电源稳定性要求不高,故采用串联型稳压电路。
经变压器变压、整流、滤波、稳压得到所需的电压+5V,其中采用三端稳压器W7805。
其+5V电源电路图如图3.5所示
图3.5+5V稳压电源电路图
3.2显示电路模块
显示模块由串口输入电路和显示器组成。
从P3口RXD、TXD串口输出段码,段码经过74HC595送入显示器的输入端,显示器采用四位的LED数码管,其显示采用动态扫描显示的方式。
动态扫描的输出端有P2.0~P2.3输出。
其中显示模块方框图如图3.5所示,显示模块电路图如图3.6所示。
74HC595
4位LED数码管
P3口的RXD、TXD
P2口P2.0~P2.3
图3.5显示电路模块方框图
图3.6显示模块电路图
3.2.174HC595原理和简介
74HC595为8位串入并出的移位寄存器,其引脚如图3.7所示,Q7~Q0为八位并行输出端;Q7’为级联输出端;DS是串行数据输入端;MR为数据清零端,低电平有效;OE为片选端,低电平有效;SH_CP引脚上升沿时数据寄存器的数据移位,ST_CP引脚上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器,下降沿时存储寄存器数据不变。
其中74HC595的DS引脚接P3.0(RXD),SH_CP引脚接P3.1(TXD)做为移位时钟脉冲输入端,ST_CP引脚接P3.4做为锁存器的时钟脉冲的输入端。
图3.774HC595引脚功能图
3.2.2数码管原理与结构
共阳(阴)极数码管的8个发光二极管的阳极(阴极)连接在一起如图3.8所示。
通常,共阳极数码管接高电平(共阴极数码管接低电平),其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时(输出高电平时),则该端所连接的字段导通并点亮,根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
本系统采用的是四位共阴极LED数码管如图3.9所示.
图3.8数码管的结构图
图3.9四位LED数码管引脚图
3.3温度采集模块
温度采集模块由热电偶采集温度信号在经过模数转化成数字信号。
热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件,它的主要特点就是测温范围宽,性能比较稳定,同时结构简单,动态响应好,更能够远传4-20mA电信号,便于自动控制和集中控制。
由于热电偶的采集的温度信号比较微弱必须加放大电路,放大电路采用LF412电路把采集的信号放大到ADC0809能识别的信号范围。
模数转化利于ADC0809进行模数转化,把热电偶采集的温度信号经过模数转化变成数字信号。
其信号处理流程方框图如图3.10所示。
P1.0~P1.7口
镍铬-镍铝热电偶
LF412
ADC0809
图3.10温度采集模块信号流程方框图
3.3.1热电偶
在高温测试系统中,被测温度的变化幅值比较大(1400℃~1700℃),所以就选择了镍铬-镍铝热电偶,分度表如表一所示
经测试其线性度良好,经拟合的得到电压随温度变化的一次函数:
E=0.195T-283.20
K型镍铬-镍铝热电偶分度表如表一所示
T/℃
1450℃
1500℃
1550℃
1600℃
1650℃
1700℃
E/mV
0
9.765
19.531
29.296
39.062
48.828
表一K型镍铬-镍铝热电偶分度表
3.3.2放大电路
由于热电偶产生的电信号都是mV级的(0~48.82mV),所以必须采用放大电路进行信号放大,这里采用双路JFET数额运算放大器LF412。
LF412采用双列8脚封装,是场效应差分输入级结构,电源电压+15~-15V,功耗低,增益带宽,转换速率快,输入失调电压0.5-1mV,是电压反馈型。
同时,ADC0809的转化电压范围是0~5V,因此放大电路的放大倍数可设定为100,其放大电路图如图3.11所示。
图3.11放大电路的电路图
3.3.3AD转换电路
ADC0809是一种8位逐次逼式的A/D转换器。
其中由8路模拟开关﹑地址锁存器和译码器﹑比较器﹑256电阻阶梯﹑树状开关﹑逐次逼近式寄存器SAR﹑控制电路和三态输出锁存器等组成。
模拟输入部分有8路多路开关,可以3位地址输入ADDA﹑ADDB﹑ADDC的不同组合来控制,ALE为地址锁存器信号,高电平有效,锁存三条地址输入信号。
主体部分采用逐次逼近式A/D转换电路,由CLK控制内部电路的工作,START为启动命令,高电平有效,启动ADC0809内部A/D转换,当转换完成,EOC信号有效,OE为输出允许信号,高电平有效,打开输出三态缓冲器,并把转换的数据送给DB。
ADC0809集成块的引脚图如图3.12所示
图3.12ADC0809集成块的引脚功能图
3.3.4温度采集模块与单片机的连接电路,如图3.13所示。
图3.13温度采集模块电路
3.4报警模块
报警模块当温度达到设定值时发出报警声,主要有扬声器﹑驱动电路和发光二极管等组成。
其电路图如图3.14所示。
图3.14报警电路电路图
四软件设计
4.1主程序设计简介
采用中断方式可大大节省CPU的时间,提高CPU的工作效率。
当热电偶采集的模拟数据经过放大器的放大,输送给ADC0809进行转换,当转换结束时,ADC0809的EOC向AT89S51发出中断申请信号,CPU响应中断请求,由中断服务子程序读取A/D转换结果,并调用显示子程序把转换的数据在六位LED数码管显示出来。
A/D转换器位数为8位时,采样分辨率为256/256=1℃/LSB其中模拟量对应的数字量如表二所示
温度T/℃
1450℃
1500℃
1550℃
1600℃
1650℃
1700℃
热电偶mV
0
9.765
19.531
29.296
39.062
48.828
LF412输出V
0
0.97
1.95
29.29
39.06
48.82
A/D输出
00H
32H
64H
96H
0C8H
0FAH
表二模数转换对应表
主程序流程图见附录一,中断子程序中应用了多字节的加法对ADC0809采集的数据进行调整,对显示的数据进行每位显示采用整除的方式取出千位,百位,十位,个位,中断子程序的流程图见附录二。
总结
通过做毕业设计,使理论知识在实际电路相结合起来。
也为我以后独立工作打下良好的工作基础,树立了正确的设计思想。
然而在这次设计的过程中遇到了许许多多的问题和困难,但通过老师和同学的耐心指导和帮助克服了这些困难。
在设计过程中培养了我综合运用单片机理论知识来解决实际问题的能力,真正做到了学以致用。
在此期间我们同学之间互相帮助,共同面对毕业设计设计当中遇到的困难,培养了我们的团队精神。
在这些过程当中我充分的认识到自己在知识理解和接受应用方面的不足,特别是自己自学能力的欠缺,将来要进一步加强,今后的学习还要更加的努力。
本设计是对自己所学的知识的一次系统总结与应用。
本设计,还有许多地方有不足之处,希望老师多加费心。
主要参考文献
[1]李广弟,朱月秀,王秀山.单片机基础.北京:
北京航空航天大学出版社,2001.7
[2]万光毅,严义,邢春香.单片机实验与实践教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社
[3]刘利全,单片机原理及应用技术,北京:
高等教育出版社
附录
初始化
开中断
等待中断
中断响应
返回
附录一程序主流程图
附录一主程序流程图
中断子程序
多字节加法
除法程序
显示子程序
中断返回
附录二中断子程序流程图
附录二中断子程序流程图
附录三高温测试系统的程序
程序如下所示:
ORG0000H
LJMPMAIN;跳转到主程序
ORG0003H;设置外部T0的中断入口地址
LJMPINT0;跳转中断子程序
ORG0030H
MAIN:
MOVP0,#00H;清除P0口的数据
MOV4EH,#32H;送入温度下限数据存入到地址4EH中
MOV4FH,#0C8H;送入温度上限数据存入到地址4FH中
MOVR0,#00H;给R0送入初始值
MOVR1,#00H;给R1送入初始值
SETBIT0:
开中断设置
SETBEA
SETBEX0
MOVDPTR,#40F8H;送入ADC0809的地址
MOVX@DPTR,A;把数据写入ADC0809控制模数转换开始
NOP
AJMPMAIN;跳转返回等待下次的中断
ORG0100H
INT0:
PUSHPSW;保存中断入口数据
PUSHACC
PUSHDPL
PUSHDPH
MOVDPTR,#40F8H
MOVX@DPTR,A
MOVA,P1;读取ADC0809的数据
MOV52H,A;保存原始数据在地址52H中
CLRC
SUBBA,4EH;和下限数据做减法
JNCDEL;判断标志位.
DEL:
LCALLLBAOJING;下限报警子程序
MOVA,52H;送入原始数据和上限数据比较
CLRC
SUBBA,4FH;数据和上限数据比较
DEL0:
LCALLHBAOJING;上限报警子程序
MOVA,52H;送入原始数据
LCALLJIAHE;调用加和子程序
LCALLCHUFAN;调用除法子程序,采集千位、百位、十位、
个位数据用于显示
POPDPH;恢复中断入口地址
POPDPL
POPACC
POPPSW
RETI
JIAHE:
CLRC;清除标志位
MOV51H,#0AAH;50H51H中存放加数1450其中高位存
在50H中
MOV50H,#05H
MOVR0,#51H;送入地址数
MOVR1,#52H;送入数据地址数
MOVA,@R0;读取数据
ADDA,@R1;和数据加和
MOV@R0,A
DECR0
MOV@R1,#00H;清除52H的数据和高位加和
MOVA,@R0
ADDCA,@R1;高位要加进位位
MOV@R0,A;高位数据存入在50H中
RET
CHUFAN:
MOVR0,#00H;除法子程序,给R0R1送入初始值
MOVR1,#00H
MOVR1,#51H;R1中存被除数的低位地址
MOVA,@R1;读取低位数据
MOVR6,A;转存在R6中
DECR1
MOVA,@R1;读取高位数据
MOVR7,A;通过转化把被除数的高位存放在R7中,低
字节放在R6中
MOVR5,#03H;R5存放除数的高位
MOVR4,#0E8H;R4存放除数的低位
LOOP:
CLRC;清除标志
MOVA,R6;读取被除数的低位数据
MOVR2,A;利用R2进行转存
SUBBA,R4;和除数的低位数据做减法
MOVR6,A;把减法结果存入R6中
MOVA,R7;读取高位数据
MOVR3,A;利用R3进行转存
SUBBA,R5;和除数的高位进行减法
MOVR7,A;结果保存在R7中
JCOVER;判断标志位是否为一跳转
INCR0;保存做减法的次数相当于除法的商
AJMPLOOP;返回LOOP进行下一轮减法
OVER:
NOP
MOV53H,R0;53H中存放和1000相除的商
MOVR0,#00H;清除R0中的数据
MOV57H,R7;保存余数高位在地址57H中
MOV58H,R6;保存余数低位在地址58H中
MOVR5,#00H;送入百位数的数据
MOVR4,#64H
LOOP1:
CLRC;百位除法的程序
MOVA,R6
MOVR2,A
SUBBA,R4
MOVR6,A
MOVA,R7
MOVR3,A
SUBBA,R5
MOVR7,A
JCOVER1
INCR0;百位相出法的商保存在R0中
AJMPLOOP1
OVER1:
NOP
MOV54H,R0;百位除法的商保存在54H中
MOVR0,#00H;清除R0中的数据
MOV59H,R7;保存余数的高位
MOV5AH,R6;保存余数的低位
MOVR5,#00H;送十位的除数数据
MOVR4,#0AH
LOOP2:
CLRC;十位相除的程序
MOVA,R6
MOV
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