基于单片机蓄电池温度监测系统设计.docx
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基于单片机蓄电池温度监测系统设计
编号
本科生毕业设计
基于单片机的蓄电池温度监测系统设计
TheMonitoringSystemofStorageBatteryTemperature
BasedonSingle-chipMicrocomputer
学生姓名
专业
学号
指导教师
学院
2009年6月
摘要
温度检测系统,一般选用的是模拟式温度传感器。
当系统进行多点温度测量时,所用模拟温度传感器增多,使系统变得复杂,而数字式温度传感器,有效地解决了模拟式温度传感器外围电路复杂及抗干扰能力差的弊病,降低了对系统的要求。
本系统采用ATMEL89S51单片机和AD7416数字温度传感器能够快速有效地实现多点温度测量,且系统结构简单,当测控对象越多越显示其优越性。
关键词:
温度检测数字式温度传感器传感器技术
ABSTRACT
Temperaturemeasuringsystemisappliedtomanyfields.Intraditionaltemperaturemeasuringsystem,commonlyanalogtemperaturesensorischoosed.Whensystemdetectsmultiplepointtemperatureandthenumberofanalogsensorisincreased,thesystemgetscomplex.however,digitaltemperaturesensoravailablysolvesperipheralcircuitcomplexityofanalogtemperaturesensorandfaintanti—jamming,andreducesrequestforsystem.ThesystemadoptsAtmel89S51singlingchipmicrocomputerandAD7416digitaltemperaturesensorandcanavailablyachievetemperaturemeasuring,furthermoreconstructionofsystemissimple.Whenthedetectedobjectismore,itsadvantageCanbedisplayed.
Keywords:
Temperaturemeasuringdigitaltemperaturesensor
sensortechnology
目录
第一章绪论1
1.1引言-1-
1.2目前温度采集系统的发展现状1
1.3系统研究内容及意义2
第二章温度监测系统的模块组成3
2.1温度检测系统的基本构成3
2.2总体结构方案3
2.3实现方式选择3
第三章温度监测系统模块电路设计5
3.1温度采集模块5
3.1.1基本特性与引脚功能5
3.1.2工作原理6
3.1.3AD7416内部寄存器7
3.1.4AD7416工作时序8
3.1.5温度采集模块与51单片机的连接8
3.2显示功能模块10
3.2.1基本结构-10-
3.2.2显示器工作原理11
3.2.3LED数码管显示电路12
3.3键盘输入控制模块13
3.4电压测量模块设计14
3.4.1ADC0809简介15
3.4.2电压测量模块的电路图。
16
3.5报警电路设计17
3.6温度监测系统总体电路图18
第四章温度监控系统程序设计20
4.1主程序流程20
4.2温度监控键盘输入控制程序设计21
4.3报警模块程序设计22
结论23
参考文献24
致谢25
第一章绪论
1.1引言
蓄电池是通信、信息、金融系统中最重要的后备电源保障。
电源系统的好坏将直接影响通信系统的可靠性和稳定性。
目前,几乎所有的通信系统电源供电都是由不间断的电池提供的,有的大型通信系统还建立专门的电池室,一般有一主一备两套的电源系统,通常由多个固体电池串并联组成。
当电池温度过高时势必影响到电池的工作效率和寿命,因此对电池的工作温度进行实时的温度监控具有实际意义!
但是,由于蓄电池的运行状况或真实保障能力很难通过常规方法来掌握,致使作为最后一道保险绳的蓄电池在关键时刻出现问题,给一些重要系统造成巨大损失。
1.2目前温度采集系统的发展现状
温度采集系统属于数据采集系统的一部分,数据的采集与读取是在人们认识客观世界、探索自然规律和进行工业化生产中必需的工具和物质手段。
数据采集技术既是现代科技的前沿技术,也是信息产业的关键技术、基础和源头。
在现代科学领域中,离不开先进的数据采集系统。
数据采集作为信息工业的源头,是以电脑和微处理器的技术为核心技术,以计算机、网络、系统、通信、图像显示、自动控制理论为共性关键技术基础。
19世纪以来,出现了许多描述物理现象的定律,它们都需要相应的电测仪器、仪表来定量地加以验证,因此发明了基于物理定理的模拟式仪表。
这些仪表中最典型的有伏特表、安培表、功率表和测温表等磁电式模拟仪器仪表。
20世纪初至50年代,出现了电子仪器仪表,产生了以记录仪、电子示波器、信号发生器等为代表的电子式模拟仪器。
这些磁电式和电子式模拟仪器仪表统称为第一代仪器仪表——模拟式仪器仪表。
随着集成电路的出现,数字技术在测量中获得了成功的应用。
20世纪60年代出现了以集成电路芯片为基础的第二代仪器仪表——数字式仪器仪表,如数字电压表、数字电流表、数字频率计、记忆示波器等。
这类仪器仪表的特点是将模拟信号的测量转变为数字信号的测量,并以数字方式显示和输出测量结果,适用于快速响应和高精度的要求,还可以将数据通过接口输入计算机处理。
随着单片机的问世,20世纪70年代出现了内含微处理器的第三代仪器仪表——数据采集。
数据采集仪表不仅能完成某些测量任务,还能进行各种复杂的数据运算处理,且能适应被测参数的变化,进行自动补偿,自动选择量程、自动校准、自寻故障、自动进行指标判断与分选以及进行逻辑操作、定量控制与程序控制等工作。
随着新型单片机和大规模可编程集成器件的出现,新研制生产的数据采集系统不断产生,并且正在逐渐取代传统的仪器仪表。
温度测量系统一般由温度采集、数据分析和数据表示三个部分组成,当将这三个位于不同地理位置的部分由网络连接起来完成测试任务的时候,就可以形成网络化仪器。
在网络化仪器中,被测对象可通过测试现场的数据采集设备,将测得的数据或信息通过网络传输给异地的微机化仪器去分析处理,分析后的结果又可被执行机构查询使用,使数据采集、传输、处理分析成为一体,甚至实现实时采集、实时监测。
这里,测试网络的总功能将远远大于系统中各独立个体仪器的功能之和。
温度采集系统作为其中的一项,也获得了巨大的发展。
1.3系统研究内容及意义
为了解决这方面的问题,结合理论实际,本设计考虑使用单片机作为主控核心。
设计自动监控系统对蓄电池进行安全监测。
单片机以其功能强、体积小、使用方便、性价比高等优点,在实时控制、自动测试、智能仪表、计算机终端、遥测通讯、家用电器等许多方面得到了广泛的应用。
系统功能主要有
1、6组或6组以上蓄电池的温度测量。
2、两路直流电压和两路220V交流电压测量。
3、温度门限设定以及参数超过设定门限值后的自动报警功能。
第二章温度监测系统的模块组成
2.1温度检测系统的基本构成
温度监测系统的设计包括以下几个主要功能模块
1、温度采集模块:
本系统采用AD7416数字温度传感器,完成温度数据的采集和A/D转换功能。
2、数据处理模块:
该模块采用微处理器来实现,微处理器模块是整个系统的核心部分,微处理器选用89S51系列单片机,该处理器具有运用灵活、高速、低功耗的优点。
3、显示功能模块:
采用常用的LED显示器。
4、键盘输入控制模块:
独立式键盘输入。
5、温度检测系统报警模块。
采用扬声器报警。
2.2总体结构方案
蓄电池温度监控系统的总体设计方案如图2.1所示。
图2.1温度监测系统总体方案框图。
2.3实现方式选择
实现以上功能的前提条件是建立一个基本的硬件平台,而用于蓄电池温度的传感一般可采用两种方式:
采用传统的温度传感器+放大+A/D转换方式或者直接采用先进的具有和CPU接口的数字温度传感器,如DALLAS公司的DS18B20、ADI公司的AD7416以及NS公司的LM75。
第一种方式是经典的单片机系统前向通道的设计模式,温度传感器可根据精度要求和测量范围(有时可达数千摄氏度)选择热电偶或铂电阻。
由于传感器一般是微弱的模拟信号输出并且容易受到现场环境的干扰。
因此如何提高信号增益和抗干扰是前向通道设计的关键。
其基本的通道结构如图2.3所示。
图2.3前向通道结构
当然,当精度要求不高时,也可以采用热敏电阻作为温度传感探头。
在室温环境下,热敏电阻的阻值与环境温度基本成线性关系。
这样可以通过电阻分压简单地将温度值转化为电压值,并直接送往A/D转换器。
当测量精度大于0.5%,测量范围在零下数十摄氏度至一百多摄氏度时,比较简单的办法是采用数字温度传感器。
数字温度传感器与CPU接口方便。
一般采用串行总线方式,如IC总线的AD7416、单总线的DS18B20等。
采用数字温度传感器的好处是可不必过多考虑前向通道中诸如信号放大、零点漂移、传感器供电和干扰等因素,可以在满足系统要求的前提下最大限度地减少系统开发成本和技术难度。
本系统采用6片AD7416温度传感器。
当整个系统确定了关键的温度传感器后,其他功能的实现可以根据实际情况灵活选择。
如温度显示可根据用户要求和成本选择LCD或LED数码管方式。
温度门限值设定和保存可以选用EEPROM,如AT24C02。
后向通道控制可根据负载功率大小选用继电器或可控硅。
第三章温度监测系统模块电路设计
3.1温度采集模块
温度采集模块采用AD7416数字温度传感器,AD7416数字式温度传感器是美国模拟器件公司(ADI)出品的单片温度监控系统集成电路,其内部包含有带隙温度传感器和10位模数转换器,可将感应温度转换为间隔为0。
25℃量化间隔的数字信号,以便和用户设置的温度点进行比较。
AD7416片内寄存器可以进行高低温度门限的设置,当温度超过设置门限时,过温漏极开路指示器(OTI)将输出有效信号。
另外,可以AD7416内部寄存器可以进行读写操作,最多可允许8片AD7416挂接在同一总线上。
该温度传感器可广泛应用于数据采集系统中的环境温度监测,工业过程控制,电池充电以及个人计算机等系统。
3.1.1基本特性与引脚功能
AD7416具有如下基本特性:
1.工作电压范围为+2.7V~+5.5V;
2.测温范围为-55℃~+125℃;
3.具有10位数字输出温度值,分辨率为0.25℃;
4.精度为±2℃(-25℃~+100℃)和±3℃(-55℃~+125℃);
5.转换时间为15~30μs,更新速率为400μs;
6.带有过温漏级开路指示器(OTI);
7.具有I2C兼容的串行接口和可选的串行总线地址;
8.具有低功耗关闭模式(典型值为0.2μA);
AD7416采用8脚表面贴SO和8脚小型SOIC封装形式,图3.1所示为AD7416的引脚排列图,各引脚功能如表3.1所列。
图3.1AD7416管脚图
表3.1引脚功能
引脚
符号
功能描述
1
SDA
串行数据输入、输出端
2
SCL
时钟信号输入端
3
OTI
过温漏级开路输出端
4
GND
接地端
5
A2
串行总线地址输入端
6
A1
串行总线地址输入端
7
A0
串行总线地址输入端
8
VDD
电源端
3.1.2工作原理
AD7416的内部功能框图如图3.2所示。
它的片内带隙温度传感器可按预先设置的工作方式对环境温度进行实时测量,并将结果转化为数字量存入到温度值寄存器中(地址00H),其环境温度与输出数据的关系如表3.2所列。
表3.2环境温度与输出数据的关系
环境温度
二进制数字输出
-50℃
1100111000
-25℃
1110011100
-0.25℃
1111111111
0℃
0000000000
+0.25℃
0000000001
+10℃
0000101000
+25℃
0001100100
+50℃
0011001000
+75℃
0100101100
+100℃
0110010000
+125℃
0111110100
AD7416预先设置的工作方式分两种:
1.自动测温方式。
在这种方式下,AD7416每隔400μs对环境温度测量一次,每次的量化转换时间为15~30μs,其余时间芯片则自动转入休眠状态;
2.低功耗方式。
这种方式通常应用在测温频率较低的场合。
当用户需要对环境温度进行测量时,可通过I2C串行接口总线来写入操作命令,此时,芯片将由休眠状态转入测温状态。
当温度量化转换结束后,芯片将重新转入休眠状态。
3.1.3AD7416内部寄存器
AD7416内部的配置寄存器(地址01H)为8位读/写寄存器,如表3.3所示,可用于设置操作方式,其格式为:
配置寄存器各部分的功能如下:
1.D7~D5始终设置为000;
2.D4和D3用于设置故障排队长度,以防止测温系统在受到干扰时错误地触发过温指示器(OTI),故障排队长度可分别设置为1、2、4和6次;
3.D2用于设置OTI的输出极性。
0表示低电平输出,1表示高电平输出;
4.D1用于设置OTI的工作方式。
0表示采用比较方式工作,即当环境温度超过TOTI时触发OUT输出,其输出电平一直保持到环境温度降至THYST;1表示采用中断方式工作,即当环境温度超过TOTI的触发OTI输出,其输出电平将一直保持到下一次读操作,而在这期间,即使环境温度降到THYST,输出电平也不翻转;
5.D0用于设置工作方式。
0表示采用自动测温方式,1表示采用低功耗方式。
6.THYST温度点寄存器(地址02H)和TOTI温度点寄存器(地址03H)均是16位读/写寄存器,分别用于设置低端和高端温度点的门限值,所设数值以二进制补码的形式存入高9位,其余位置0。
7.HYST温度点寄存器(地址02H)和TOTI温度点寄存器(地址03H)均是16位读/写寄存器,分别用于设置低端和高端温度点的门限值,所设数值以二进制补码的形式存入高9位,其余位置0。
表3.3AD7416内部配置寄存器格式
D7D6D5
D4D3
D2
D1
D0
通道选择
故障排队
OTI输出极性
比较/中断
工作方式
图3.2AD7416内部功能结构
3.1.4AD7416工作时序
AD7416采用I2C串行总线和数据传输协议来实现同外设的数据传输。
在数据传输过程中AD7416作为从器件通过数据输入/输出线SDA以及时钟信号线SCL与总线相连。
其传输时序如图3。
3所示。
当SCL保持高电平时,SDA从高电平到低电平的跳变为数据传输的开始信号,随后传送AD7416的地址信息的读/写控制位。
其地址信息的格式为:
100A2A1A0R/W。
根据A2A1A0的不同编码,最多可允许8片AD7416挂接同一个串行总线上。
读/写控制位为1时,表示对AD7416进行读操作,为0时,则表示进行写操作。
当每个字节传送结束时,必须在收到接收数据一方的确认信号(ACK)后方可开始下一步的操作。
然后在地址信息和读/写控制位之后传送片内寄存器地址和数据。
最后,在SCL保持高电平的情况下,当SDA从低电平跳变到高电平时将终止数据的传输操作。
图3.3AD7416工作时序图
3.1.5温度采集模块与51单片机的连接
图3.4AD7416与89S51的引脚连接
如图3.4所示,为AD7416数字温度传感器外围电路的连接图,AT24C01用来存储温度门限设定值以保证掉电数据不丢失。
这是温度采集模块的完整电路。
51单片机的管脚如图3.5所示。
在实际电路中,为防止环境干扰,AD7416的电源同地线之间要并接容值大于0.1μF的钽电容;AD7416的感温器件在芯片内部,因此芯片表面要被测物体紧密接触;由于芯片自耗电的存在,AD7416工作时的自身温升约为0.2,所以在精确测温时应采取低功耗的工作方式;OTI输出端的上拉电阻的阻值越大,流入AD7416的电流越小,其温升也越小,但上拉电阻最大不超过30kΩ,通常选10kΩ;与I2C兼容的接口总线在AD7416上电后就一直有效,因此在芯片处于休眠状态下仍可进行片内数据的读出和写入。
在实际电路系统运行中,由于AT24C01采用是I2C总线结构,而89S51芯片不具备I2C总线接口。
这时可以采用普通I/O口模拟I2C总线的工作方式来实现I2C总线上主控制器对从器件的读写操作。
软件编写只要符合I2C总线数据传输的时序要求即可。
对于I2C总线器件而言都可以采用通用软件包的形式来实现,只要在应用中注意芯片的器件地址和引脚地址。
3.2显示功能模块
3.2.1基本结构
发光二极管LED显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备,它由若干个发光二极管组成。
当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔画发光。
控制相应的二极管导通,就能显示出各种字符,尽管显示的字符形状有些失真,能显示的字符数量也有限,但控制简单,使用方便。
发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。
单片机中经常使用7段LED来显示数字,也就是用7个LED构成字型“8”,并另外用一个圆点LED来显示小数点,也就是说一共有8个LED,构成了“8。
”的字型。
如图3.2.1所示。
7段LED分共阴级和共阳极两种。
实际中,各个型号的7段LED的管脚配置可能不会是一样的,在实际应用中要先测试一下各个管脚的配置,再进行电路原理图的设计。
图3.57段LED发光二极管
共阳极7段LED是指发光二极管的阳极连接在一起为公共端的7段LED,而共阴极7段LED是指发光二极管的阴极连接在一起为公共端的7段LED。
一个7段LED由8个发光二极管组成,其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划(a~g),另一个发光二极管为小数点(dp)。
当在某一段发光二极管上施加一定的正向电压时,该段LED即被点亮;不加电压则为暗。
以共阳极7段LED为例,若是要显示“5.”,则需要在VCC上加上电压,向dp、g、f、e…、a送出00010010的信号,就能显示出来。
为了保护各段LED不因电流过大而损坏,需在各个段上外加限流电阻保护。
共阳极7段LED显示0~F的编码表如表3.4所示(以dp为最高位,a为最低位)。
3.2.2显示器工作原理
显示器有静态和动态两种方式。
1、静态显示器
所谓静态显示,就是当显示器显示某一字符时,相应段的发光二极管恒定地导通或截止。
例如,七段显示器的a、b、c、d、e、f段导通,g、dp段截止,则显示0。
这种显示方法的每一位都需要有一个8位输出口控制。
作为MCS—51串行口方式0输出的应用,我们可以在串行口上扩展多片串行输入并行输出的移位寄存器74LS164作为静态显示器接口。
静态显示器的优点是显示稳定,在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度高,控制系统在运行过程中,仅仅在需要更新显示内容时,CPU才执行一次显示更新子程序,这样大大节省了CPU的时间,提高了CPU的工作效率;缺点是位数较多时,所需的I/O口太多,硬件开销太大,因此常采用另外一种显示方式——动态显示方式。
2、动态显示器
所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描),对于显示器的每一位而言,每隔一段时间点亮一次。
虽然在同一时刻只有一位显示器在工作(点亮),但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应,看到的却是多个字符“同时”显示。
显示器亮度既与点亮时的导通电流有关,也与点亮时间和间隔时间的比例有关。
调整电流和时间参数,可实现亮度较高较稳定的显示。
若显示器的位数不大于8位,则控制显示器公共极电位只需一个8位I/O口(称为扫描口或字位口),控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口(称为数据口或字形口)。
动态显示器的优点是节省硬件资源,成本较低。
但在控制系统运行过程中,要保证显示器正常显示,CPU必需每隔一段时间执行一次显示子程序,占用CPU大量时间,降低了CPU的工作效率,同时显示亮度较静态显示器低。
LED数码管的g~a七个发光二极管因加正电压而发亮,因加零电压而不以发亮,不同亮暗的组合就能形成不同的字形,这种组合称之为字形码,下面给出共阴极的字形码见表3.4。
表3.4共阴极LED数码管字形码
“0”
3FH
“8”
7FH
“1”
06H
“9”
6FH
“2”
5BH
“A”
77H
“3”
4FH
“b”
7CH
“4”
66H
“C”
39H
“5”
6DH
“d”
5EH
“6”
7DH
“E”
79H
“7”
07H
“F”
71H
3.2.3LED数码管显示电路
温度值显示电路如图3.7所示,具体连接方式如下:
把“单片机系统”区域中的P0.0/AD0-P0.7/AD7用8芯排线连接到“动态数码显示”区域中的a-h端口上;把“单片机系统”区域中的P2.0/A8-P2.7/A15用8芯排线连接到“动态数码显示”区域中的S1-S8端口上;把“单片机系统”区域中的P1.7端口用导线连接到“独立式键盘”区域中的SP1端口上。
图3.6LED数码管电路图
3.3键盘输入控制模块
键盘是由若干个按键组成的开关矩阵,它是最简单的单片机输入设备,操作员可以通过键盘输入数据或命令,实现简单的人机通信。
若键盘闭合键的识别是由专用硬件实现的,则称为编码键盘;若用软件实现闭合键识别的,则称为非编码键盘。
非编码键盘又分为行列式和独立式两种。
本系统由于对输入数据要求单一,所以采用独立式键盘。
一个具有4个按键的独立式键盘,每一个按键的一端都接地,另一端接单片机的I/O口。
独立式键盘每一按键都需要一根I/O线,占用单片机的硬件资源较多。
因此独立式键盘只适合按键较少的场合。
一般情况下,键盘采用机械弹性开关来反映一个电压信号的开断。
由于机械触点的弹性作用,在闭合和断开的瞬间会有抖动产生。
抖动时间扥长短由按键的机械特性决定,一般在5~10ms之间。
为确保按键不产生误动作,在编写按键处理程序中必须有防抖动措施。
防抖动措施有硬件和软件两种方法。
硬件防抖动措施的典型做法是采用RS触发器,构成双稳态消抖电路,一般用在对按键操作过程比较严格的场合。
采用硬件防抖将导致系统硬件电路设计进一步复杂化,故本系统采用软件防抖,它的工作原理是:
当软件检测到第一次按键按下时,执行一个10~20ms的软件延时程序,之后再检测该键电平是否仍维持在闭合状态,若仍然保持,则确认此键是真正按下,从而消除了抖动的影响。
图3.7独立式键盘接口电路
如图3.8所示,有四个按键与单片机相连,按
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