1、學號：08091310562011-2012學年第1學期如）接，寥烷專業綜合課程設計報告題目智能溫度采集和顯示系統設計專業：電氣系通信工程班級：姓名：指導教師：崔雪英成績：電氣工程系2011年11月課程設計任務書學生班級：學生姓名：學號：_設計名稱：起止日期：2011年11月7日-2011年11月18日指導教師：崔雪英設計要求：某化工廠需要連續監測8個反應罐的溫度，反應罐溫度允許范圍：101C199C，如果溫度低于下限或高于上限1C,立即聲光報警。已知：溫度傳感器的靈敏度均為10mV/TC,并且溫度為0C時，傳感器的輸出電壓為0V,工作電壓為+5V。現場有較嚴重的50Hz工頻干擾信號和隨機干擾

2、信號。功能：測量誤差W士0.5C,顯示精度1C。按2S間隔輪流顯示各通道溫度和通道號；能通過按鍵選擇顯示任一通道的溫度；系統具有自動零點校正和自動增益校正功能，上下限報警溫度可以改變。為了解決在一些溫室測控系統中,數據顯示方式單一,數據無法長期存儲、調用,系統接口過于復雜的問題。在分折研究了當前國內、外溫室測控研究現狀,并結合現在最為熱門的嵌人式系統，ARM處理器,單總線的溫度傳感器提出了一種結構簡單、低功耗、方便實用的系統解決方案。本系統主要用于分布式智能型溫室計算機測控系統中。近年來，電子電路開發應用領域的深化和集成電路工藝水平的發展為電子技術課程注入了新的內容，也為課程的實驗、實訓開拓了

3、視野，創造了條件。教師應深入鉆研教材內容，涉獵相關知識，收集應用信息，在做好理論教學和實驗教學的同時精心構思實訓方案，努力提高學生的綜合應用能力。應該說運用基本電路設計應用電路是我們教學的基本目的和要求。特別是對于高等職業技術教育來說因其本身是培養高等技術應用性人才，而實踐教學體系是培養學生專業技能的主要途徑，因而實踐教學必須引起我們的足夠重視。我們知道實踐教學有實驗、實習、實訓等環節，而實訓內容的確定,具體方案的實施則至關重要。科學地安排實訓環節,針對不同的專業合理的布置實訓題目這是指導教師頗費心機的過程,具體操作時要求我們必須精心構思,認真組織。溫度檢測及顯示應用廣泛，實現的方法也很多，從

4、簡單的水銀溫度計到微機數據采集顯示系統幾乎無處不在。我們這里介紹的系統是由模擬電路元器件，邏輯電路部件，存儲器電路和時序電路綜合搭建而成，它涉及的知識幾乎涵蓋了電子電路課所有內容。目錄1系統整體框圖設計511設計原理51.2 系統框圖51.3 系統總體說明62系統硬件設計62.1 穩壓電源設計6穩壓電壓設計原理6穩壓電源設計電路72.2傳感器及多路開關的選擇82.2.1 傳感器選用8多路開關選擇82.3信號處理電路設計10減法電路10放大電路123系統軟件設計123.1系統主程序123.2定時程序133.3 LED顯示程序13參考文獻14自我評價15指導老師評語和成161系統整體框圖設計11設

5、計原理根據設計任務要求，本次課設的系統設計中應該包含以下7大模塊：傳感器部分、信號調理電路、A/D轉換電路、單片機部分、聲光報警部分、四位顯示和撥碼盤輸入。由于給定的已知條件里面對于傳感器已經給出了靈敏度這一指標，所以我選用了能夠滿足這一指標的PT100熱電阻溫度傳感器，具體傳感器設計本次課設中沒有進行。信號調理電路主要由：數據選擇器、陷波器、放大器和一個減法器組成，使用數據選擇器是因為共有8路傳感器輸入信號具有共性且系統不要求同時采用處理，其中0-3和4-7分別可以共有數據輸入通道，節省系統硬件成本，同時是系統簡潔明了。A/D轉換電路采用8位ADC0809芯片來實現A/D轉換，其中只有兩路輸

6、入。顯示部分采用4為LED顯示，一位顯示代表反應罐的號數，另外3位表示對應反應罐的溫度。鍵盤部分主要是用來設定溫度范圍，采用撥碼盤來實現。聲光報警部分由一個顯示燈和蜂鳴器組成，在溫度超出正常范圍時進行自動報警。系統的核心是單片機部分，主要是將A/D轉換來的數據進行分析，正常就輸出顯示；異常就進行聲光報警；同時進行系統其它部分的控制及調節，使整個系統正常工作。1.2 系統框圖按照上面的原來說明，具體的系統框圖如圖1.1所示圖1.1系統設計框圖1.3系統總體說明由于系統精度要求分別是0.5C和0.3C,因此必須對傳感器采集的信號進行放大處理，因為系統給定的傳感器靈敏度均為10mV/C,系統給定的溫

7、度值分別是101C199C和301C349C，因此輸出電壓分別為和3.01V-3,49V，這樣放大倍數最多2.5倍,由于50Hz的工頻信號的干擾，達不到要求的精度。為了解決這一問題，設計中采用兩個減法電路，分別減去1V和3V,然后再分別放大5倍和10倍，這樣就完全能夠達到系統需要的精度，也能夠被采樣，只需要在單片機處理程序里面分別在輸入數據上重新加上1V和3V即可。由于系統的8個反應罐的溫度傳感器輸出值分為兩組，所以多路開關（數據選擇器）采用雙四選一的芯片74LS153來進行傳感器選擇，后面的減法電路、陷波器和放大電路都是兩路。一路放大5倍，一路放大10倍。這兩路的最終輸出信號進入ADC080

8、9的兩個輸入端進行A/D轉換。根據系統設計要求，采用4位七段LED來顯示反應罐號碼和對應的溫度，反應罐號碼是由單片機控制循環控制顯示，同時系統的溫度采集也是對應于此進行的，3位LED顯示反應罐的溫度，必將進行取整處理，這是由軟件編程來實現。此外，根據系統需要還設計了鍵盤輸入和聲光報警裝置，來實現對反應罐上下限溫度值的設定和超出上下限溫度的自動報警顯示。還有一個不得不提的部分是穩壓電源的設計，因為系統芯片需要供電，同時減法電路中需要1V和3V的電壓作為基準的電壓進行運算處理，所以設計中專門設計了穩壓電源，可以將220V工業電壓，轉換成系統需要的穩壓直流電壓。2系統硬件設計2.1 穩壓電源設計2.

9、1.1 穩壓電壓設計原理電源變壓器是將交流電網220V的電壓變為所需要的電壓值。交流電經過二極管整流后，方向單一了，但是大小（電流強度）還處在不斷變化之中。這種脈動直流一般不能直接用來給集成電路供電，而是要通過整流電路將江流點變為直流電壓。由于此直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。濾波的任務就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能的減小，改造成接近穩恒的直流電。但是這樣的電壓還隨電網電壓波動（一般有±10%左右的波動），負載和溫度的變化而變化，因而在整流濾波電路之后，還需要接穩壓電路。穩壓電路的作用是當電網電壓波動，負載和溫度變化時，維持輸出直流

10、電壓的穩定。穩壓電源一般由變壓器、整流器和穩壓器三大部分組成。變壓器把市電交流電壓變為所需的低壓交流電。整流器把交流電變為直流電。經濾波后，穩壓器再把不穩定的直流電變為穩定的直流電壓輸出。2.1.2 穩壓電源設計電路根據以上理論分析，設計的穩壓電源如圖2.1所示-leinn*-leinn*圖2.15V穩壓電源電路工作原理：圖中為TR1電源變壓器，它的作用是將交流電網電壓220V變為整流電路要求的交流電壓V2=2sinwt，四只整流二極管D1D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。先計算文件參數：二極管D1、D3和D2、D4兩兩輪流導通的，所以流經每個二極管的平均電流為：二極管在截止時管子兩端

11、承受的最大反向電壓可以從圖3.1中看出。在V2正半周時D1、D3導通，D2D4截止，此時D2D4所承受的最大反向電壓均為V2的最大值，即Vrm2V2。同理，在V2的負半周，D1、D3也承受到同樣大小的反向電壓。橋式整流電路的有點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因為電源變壓器在正負半周內都有電流給負載供電，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用。濾波電路：我們采用電容濾波電路。因為本課設中為小功率電源，初始時電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當V2為正半周時，通過D1、D3向電容C充電；當V2為負半周時，通過

12、D2、D4向電容C充電。充電時間常數為cRntC。Rint包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管D正向電阻。由于心一般很小，電容器很快就達到了交流電壓的V2的最大值的遼。由于電容器無放點回路，故輸出電壓保持在.2V2,輸出為一個恒定的直流。2.2傳感器及多路開關的選擇傳感器選用在本次課程設計的任務要求中，明確了傳感器的分辨率為10mV/C。因此，我在設計中選用了PT100專業溫度傳感器，ptIOO是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0C時阻值為100歐姆，在100C時它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值

13、會隨著溫度上升而成勻速增長的。至于溫度傳感器的工作使用原理和具體工作方式在本次課設中暫不討論，只是確定傳感器的輸出電壓值分別為1.01V1.99V和3.01V3.49V。課設中就是針對這些信號進行處理和分析顯示。多路開關選擇在本次課設的系統測量中采用了8個溫度傳感器，且其中也具有一定的共性，同時不需要同步采樣。因此在課設中采用了多通道共享輸入通道，將8個傳感器輸出的測量信號通過雙四選一芯片74LS153分別進行輸入信號選擇，再由兩路輸出通道分別進行信號處理。采用多通道共享輸入結構可以充分利用元器件的性能，提高性價比，減少硬件成本。因為系統中8個反應罐的溫度測量在2個范圍內：101C-199C和

14、301C-349C,因此在設計中采用了74LS153芯片。74LS153是一種雙四選一數據選擇器，有選通輸入端。74153里面有兩個地址碼共用的4選1數據選擇器。2.3信號處理電路設計信號處理電路主要包含減法電路、陷波器電路和放大電路3部分組成。2.3.1 減法電路正如前面總體原理介紹中闡述的原理：由于系統精度要求分別是0.5C和0.3C,因此必須對傳感器采集的信號進行放大處理，因為系統給定的傳感器靈敏度均為10mV/C，系統給定的溫度值分別是101C199C和301C349C，因此輸出電壓分別為和，這樣放大倍數最多2.5倍，由于50Hz的工頻信號的干擾，達不到要求的精度。為了解決這一問題，設

15、計中采用兩個減法電路，分別減去1V和3V,然后再分別放大5倍和10倍，這樣就完全能夠達到系統需要的精度，也能夠被采樣。由疊加原理（疊加原理是指在線性電路中，任一支路的電路是每一個電源單獨作用時在該支路所產生的電流代數和），U1、U2共同作用時（兩者疊加），輸出電壓為：'''R?Uou。Uor2U1當R1=R2=R3=R，則:Uo=U1-U2通過該電路，將傳感器輸出信號轉換成和的小信號，然后分別進行5倍和10倍的放大，達到和的電壓信號，這樣保證信號能夠被ADC0809采樣，這樣能夠達到設計需求的精度要求0.5C和0.3C。放大電路根據設計需要，分別要對陷波以后的信號進行放

16、大5倍和10倍，才能達到AD轉換的要求，因此需要設計兩路放大電路。但是在前面的減法電路中，如果選擇合適的電阻參數值，也可以實現對于信號放大的功能。因此，本著系統最優化的原則，本次課設中沒有在單獨設計放大電路，而是借助于減法電路的放大功能來實現對于信號的放大。根據前面的公式：若R1=R3R2=R4則有：分別選擇R2=10R1=20k和R2=5R1=10K即可實現對于輸出信號10倍和5倍的放大，從而減少了系統硬件設計的復雜程度，也能滿足系統設計的一切功能需求。UoUouO區U1(1&)U2R-iRR3&3系統軟件設計本次課設中的軟件設計主要包含以下幾個部分：輸入通道控制程序（包含A

17、/D轉換和多路選通程序）、數字濾波程序、LED顯示程序、故障報警程序、撥碼盤輸入程序和定時程序。每一塊程序既能夠實現相應的功能，也要在正在系統中承擔一定的其他功能。相互之間有一定的關聯性。3.1系統主程序圖3.1系統程序總框圖根據程序總框圖可知，在系統運行過程中，單片機一直以2s為定時基準進行定時，每隔兩秒循環選通一路傳感器輸入給單片機處理和顯示；同時，在2s結束時，對于撥碼盤的輸入值進行掃描，實現在線改變上下限報警溫度。3.2定時程序圖3.2定時程序流程圖課程設計中采用軟件延時定時程序來實現2s的定時，當2s定時結束時，會產生一個中斷信號，對應的中斷服務程序包含：傳感器輸入選通控制程序和撥碼

18、盤掃描程序。3.3 LED顯示程序課程設計中采用的是4位LED動態掃描顯示的方法，因此在編程中要有位選輸出信號和顯示斷碼信號。根據需要顯示的位對應的輸出口引腳，動態選擇P2.0、P2.1、P2.2和P2.3，依次循環輸出低電平，這樣就點亮了對應的LED顯示芯片；再將輸出數據對應的段碼值通過P0口輸出，就完成了一位顯示。動態掃描頻率很高，所以最終顯示的是四位數據：一位反應罐號和三位溫度顯示值。具體流程圖如圖3.3所示。圖3.3顯示程序流程圖參考文獻【1】李廣弟、朱月秀、王秀山.單片機基礎.北京：北京航空航天大學出版社，2001.7【2】史健芳.智能儀器設計基礎，北京：電子工業出版社，2005.6【3】張國雄.測控電路.北京：機械工業出版社，2002【4】韓啟綱等.智能化儀表原理及使用維修.北京:中國計量出版社，2002.9【5】王念旭等.DSP基礎及