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个人收集整理 勿做商业用途江阴职业技术学院项目设计报告项目：温度监控系统的设计专 业 应用电子技术专业学生姓名 赵文斌 班 级 09应用电子(2）班学 号 09030618 指导教师 包军卫 完成日期 2011年6月27日目 录第1节 引言1第2节 系统的硬件配置32.1 硬件介绍3第3节 温度控制系统的组成框图6第4节 温度控制系统软件设计74.1 Microchip PIC16F877A单片机温度控制系统软件结构图如图5.1.1所示。74。2 单片机控制流程图84.3 温度变换程序模块94。4 温度非线性转换程序模块9第5节 通信协议的设计105。1 软件设计105。1.1 通信协议概述105。2.1 通信协议处理流程115.3 单片机软件设计145.3。1波特率145。4 通信协议设计结论185.4。1通信可靠性分析185.4。2通信速度分析19总 结20 参考文献21温度监控系统设计报告第1节 引 言 温度是工业控制中主要的被控参数之一,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同,则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同,因而，对温度的测控方法多种多样.随着电子技术和微型计算机的迅速发展,微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术,也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。本节重点讲述传感器技术。作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域较广泛。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此,了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统。文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。本设计应用性比较强,设计系统可以作为生物培养液温度监控系统,如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等.课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。本设计系统包括温度传感器，A/D转换模块,输出控制模块，数据传输模块，温度显示模块和温度调节驱动电路六个部分.文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求.第2节 系统的硬件配置2。1 硬件介绍 计算机工作的外围电路设备(1）温度传感器温度传感器采用补偿型NTC热敏电阻其主要性能如下：补偿型NTC热敏电阻 B值误差范围小，对于阻值误差范围在5的产品，其一致性、互换性良好。适合于一般精度的温度测量和计量设备。主要技术参数：时间常数30S测量功率0.1mW使用温度范围55+125耗散系数6mW/额定功率0。5W降功耗曲线：图2。1.1温度传感器功耗曲线图（2）核心处理单元MicroChip PIC16F877A单片机MicroChip PCI16F877A单片机主要性能：具有高性能RISC CPU,仅有35条单字指令.除程序指令为两个周期外，其余的均为单周期指令。运行速度：DC20M时钟输入，DC-200ns指令周期。8K14个FLASH程序存储器,368*8个数据存储器（RAM）字节。引脚输出和PIC16C73B/74B/76/77兼容,中断能力(达到14个中断源）。8级深度的硬件堆栈，直接，间接和相对寻址方式。上电复位（POR），上电定时器(PWRT)和震动启动定时器。监视定时器(WDT），它带有片内可靠运行的RC振荡器。可编程的代码保护,低功耗睡眠方式,可选择的振荡器.低功耗，高速CMOS FLASH/EEPROM工艺.在线串行编程（ICSP),单独5v的内部电路串行编程（ICSP）能力。处理机读/写访问程序存储器，运行电压范围2.0v到5v.高输入/输出电流25mA.低功耗： 在5v，4MHz时典型值小于2mA. 在3v，32KHz时典型值小于20uA。 典型的静态电流值小于1uA。外围特征：Timer 0 ：带有预分频的8位定时器/计数器.Timer 1 ：带有预分频的16位定时器/计数器,在使用外部晶体时钟时在SLEEP期间仍能工作。Timer 2 ：带有8位周期寄存器，预分频和后分频器的8位定时器/计数器2个捕捉器,比较器和PWM模块。其中 ：捕捉器是16位的,最大分辨率为12。5nS.比较器是16位的，最大分辨率为200nS.PWM最大分辨率为是10位。10位多通道模/数转换器.带有SPI(主模式）和I2C（主/从）模式的SSP。带有9位地址探测的通用同步异步接收/发送（USART/RCI）。带有RD，WR和CS控制（只40/44引脚）8位字宽的并行从端口.带有降压的复位检测电路。(3）RS-232C接口电路计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式.由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用.在串行通讯时,要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口(又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口.它是在1970年由美国电子工业协会(EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。接口的信号内容实际上RS232C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机通讯中一般只使用39条引线。RS-232-C最常用的9条引线的信号。接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系.即:逻辑.“1”，-515V；逻辑“0+5+15V。噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0，高到3V的信号作为逻辑“1” . 接口的物理结构RS232C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端,插座在DTE端。一些设备与PC机连接的RS-232C接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”.所以采用DB9的9芯插头座,传输线采用屏蔽双绞线。传输电缆长度由RS-232C标准规定在码元畸变小于4的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变1020%的范围工作的,所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。图2。1.2 Max232结构图（4)继电器继电器是具有隔离功能的自动开关，广泛用于遥控，遥测，通信,自动控制，机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。继电器是在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以用低电压、小电流来控制大电流、高电压的自动开关。在本系统中,继电器控制的自动温度调节电路和PCI16F877A单片机中程序构成温度自动监测电路，实现对生物培养液温度的监测和自动控制（5）半导体降温片及电阻加热丝半导体制冷器是根据热电效应技术的特点，采用特殊半导体材料热电堆来制冷，能够将电能直接转换为热能，效率较高。其工作原理如图2.5.1：图2。5。1半导体降温片工作原理图本控制系统是对生物培养液进行温度监控,过快的温度变化对生物繁殖显然是不利的，因此在本系统中采用的是高阻抗小功率加热电阻丝进行温度的小范围调节。第3节 温度控制系统的组成框图3.1 温度控制系统的组成:采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见图3。1。其中数字控制器的功能由单片机实现。图3.1温度控制系统的组成框图PIC16f877A单片机加热控制电路高阻抗加热丝降温控制电路半导体降温片温度传感器培养皿TTL电平到EIA电平转换电路计算机显示终端3.2 温度控制系统结构图及总述 图3.2中温度传感器和Micro Chip PIC16F877A单片机中的A/D转换器构成输入通道,用于采集培养皿内的温度信号。温度传感器输出电压经过A/D转换后的数字量与培养皿内的温度给定值数字化后进行比较，即可得到实际温度和给定温度的偏差。培养皿内的温度设定值由Micro Chip PIC16F877A单片机中程序设定.由Micro Chip PIC16F877A单片机构成的数字控制器进行比较运算，经过比较后输出控制量控制由加热和降温电路构成的温度调节电路对培养皿中的培养液温度进行调节.同时通过电平转换电路把当前温度传输到商用计算机的串口中，由计算机动态的显示培养皿中的温度，正常情况下温度控制由Micro Chip PIC16F877A单片机自动控制.必要时，计算机也可以通过软件来强制改变培养皿中温度。第4节 温度控制系统软件设计4.1 Microchip PIC16F877A单片机温度控制系统软件结构图如图5.1。1所示。检测与变送A/D转换工程量变换温度非线性转换发送数据到串口比较判断算法温度预设值温度调节 电路执行器从串口接受数据命令识别控制程序 图4。1。1单片机温度控制系统软件结构图4.2 单片机控制流程图开始初始化PIC16F877A单片机端口地址读入预设温度值启动A/D转换A/D转换结果送入NX单元NX-FF0F0-NX0降温加热工程量变换温度非线性温度转换发送数据到串口命令识别程序从串口接受数据YYYNNN 图4。2.1单片机控制流程图4。3 温度变换程序模块温度传感器在12到60输出2。52V1.02V，温度起点为12，满量程为48。Micro Chip PIC16F877A单片机内嵌的10位A/D转换器对应输出的数字量为0000000000B1111111111B(05V），应用以下变换公式进行变换：AX=A0+(AMA0）(NXN0)/(NMN0）式中,A0为一次测量仪表的下限.AM为一次测量仪表的上限。AX实际测量值。N0仪表下限对应的数字量。NM仪表上限对应的数字量。NX测量值对应的数字量。4。4 温度非线性转换程序模块采用折线拟合法进行线性化处理如图5.4.1所示，分为以下几段:当1.73VAx2.52V时，T=0。06WN+12当1.40VWN1。73V时，T=0。03*WN+25当1。24VWN1.40V时,T=0。016WN+40当1.06VWN 0.54故当所传输的一帧数据为10 位时，所允许的最大的波特率允许误差为5 %对于其它常用的8位,9位,11位，一帧的串行传输,其最大的波特率允许误差分别为6.25%，5.56%， 和4。5%。减小波特率误差的措施我们知道使用离散度小的晶振是减小波特率误差的关键.如果，晶振的离散度已超过所允许的范围，此时不宜用其标称值，可以采用测量其波特率的方法来得出实际的晶振波特率值。（2）单片机软件的实现设置通信方式和波特率的值例MOV SCON,#50H 初始化串口设为方式1MOV TMOD，20H 利用定时器1为波特率发生器并设为模式2MOV PCON，XXH 设置SMOD值MOV TH1，XXH 设置定时器初始值SETB TR1 启动定时器1等待接收PC机发来的信号帧并按通信协议作出相应响应。本设计使用的单片机程序如下： org 0000h mov sp，#50hLOOP1： MOV 3AH,#01H ；置路数为1 mov r0,#30h ;保存数据区首址给R0 mov dptr,7ff0h ;P2。7=0，指向IN0(第一路） mov 3bh,#08h ；通道总数为8read: movx dptr，a ；启动A/D转换 nop nop nop acall wait ;等待A/D转换 movx a，dptr ;读转换结果 mov r0,a ;保存转换结果BIND： PUSH DPL ；取温度值 PUSH DPH MOV DPTR，0500H MOV A，R0 MOVC A，A+DPTR MOV 40H,ABIN2BCD: ；二进值码转换BCD码程序 MOV R1,43H MOV 43H,00H ；转换前将BCD码清零 MOV 44H,#00H MOV R3，#8 ;移动8次，START: MOV R1,43H ；转换后BCD码地址 MOV A,40H RLC A MOV 40H,A MOV R2，#02H ;转换后BCD码字节数BCDCHG: MOV A，R1 ADDC A，ACC DA A MOV R1，A INC R1 DJNZ R2,BCDCHG DJNZ R3,START pop dpH POP DPLchanf: mov a，3Ah ;显示缓冲区地址分配 anl a，#0FH mov 48h,a mov a，44h anl a,0FH mov 4ah，a mov a,43h anl a,0FH mov 4ch,a mov a，43h swap a anl a,0Fh mov 4bh，adisp： acall sym ;调用判断热电阻是否正常或温度是否超限子程序 acall zero1 ;调用消隐“0”子程序 push dpl ;显示子程序 push dph mov dptr，tab ；取段码表首址 MOV 28H，1eH MOV 29H,#066Hdsp1： mov a，48h ；显示路数 movc a，a+dptr ;查显示数据对应段码 mov p1,a ;送段码 clr p3。4 acall dll setb p3。4dsp2： clr c ;判断温度是否为负。如是，显示负号 mov a,r0 subb a,56h jc plus mov 49h,#0bfh ajmp kaplus: mov 49h,#0ffhka: mov a,49h mov p1，a clr p3.3 acall dll setb p3.3dsp3: mov a,4ah ;显示温度值百位 movc a，a+dptr mov p1，a clr p3。2 acall dll setb p3.2dsp4: mov a，4bh ;显示温度值十位 movc a，a+dptr mov p1,a clr p3。1 acall dll setb p3.1dsp5： mov a，4ch ；显示温度值个位 movc a,a+dptr mov p1，a clr p3.0 acall dll setb p3。0 DJNZ 29H，KK1 MOV 29H,#01H DJNZ 28H,KK1 ；延时，时间未到,循环显示该路温度值 AJMP KK2KK1: AJMP DSP1KK2： pop dph ；时间到，显示下一路 pop dpl inc r0 inc 3ah inc dptr djnz 3bh，fturn ；8路未显示完，显示下一路 ajmp loop1 ;8路显示完,从第一路开始显示fturn： ajmp readSYM: mov a，r0 ；判断热电阻是否正常或温度是否超限子程序 clr c subb a，#1eh jnc sym1 mov 4ah,#0bh ;热电阻开路或温度超过50度,显示“HHH” mov 4bh,0bh mov 4ch，0bh ajmp sym3sym1: mov a，r0 subb a，#0dbh jc sym3 mov 4ah,#0ch ；热电阻短路或温度低于120度，显示“LLL” mov 4bh，0ch mov 4ch,0chsym3： Retzero1: ；消隐“0”子程序 mov a,4ah jNz zero2 mov 4ah，#0Ah mov a,4bH jnz zero2 mov 4bh,#0ahzero2: retwait： mov r4，#03ah ；等待子程序 djnz r4，$ retdll： MOV R7，015H ；延时子程序DL1: MOV R6,#01aHDL2: DJNZ R6,DL2 DJNZ R7，DL1 RETTAB： DB 0C0H，0F9H,0A4H,0B0H DB 99H，92H,82H，0F8H DB 80H，90H,0ffh，89h,0C7h ;其中0FFH是消隐“0用 ORG 051EHTAB2:DB32H,31H,30H,2FH,2EH,2DH,2CH，2BH,2AH,29H，28H，28H，27H,26H，25H,24H,23H，22H,21H，20H,1FH，1FH DB1EH,1DH，1CH,1BH,1AH，19H，18H，17H,16H,15H，14H,14H，13H，12H,11H，10H，0FH，0EH,0DH,0CH，0BH,0AH DB0AH，09H,08H,07H，06H,05H，04H，03H，02H，02H，01H，0H,01H，02H，03H,04H,05H,06H,07H，08H，09H,09HDB0AH，0BH，0CH，0DH，0EH，0FH，10H,11H，12H,12H,13H,14H，15H，16H,17H,18H，19H，1AH，1BH,1CH，1DH，1DHDB1EH，1FH,20H，21H，22H,23H，24H，25H，26H,27H,28H，28H,29H,2AH，2BH，2CH,2DH,2EH,2FH，30H，31H,31HDB32H，33H，34H，35H，36H，37H,38H，39H，3AH，3AH,3BH，3CH,3DH,3EH，3FH,40H，41H,42H,44H,45H，45H，46hDB47h，48h，49H,4AH，4BH,4CH,4DH，4DH，4EH,4FH,50H，51H,52H，52H，53H,54H，55H，56H，57H,58H,58H,59HDB 5AH，5BH，5CH，5DH,5EH，5FH，60H，61H,61H，62H,63H,64H，65H，66H，67H,68H,69H,6AHDB 6AH，6BH，6CH，6DH,6EH，6EH，6FH,70H,71H，72H,73H,73H,74H,75H,76H,77H，78H END5。4 通信协议设计结论5。4.1通信可靠性分析通信的可靠性主要体现在所使用通信协议的可靠性上,本通信协议的可靠性主要有两点理论基础：（1)通过判断帧头起始字符来决定一帧的开始，这样就避免了部分数据进入到内部数据处理之中。这个可能性在1/256, 通过停止位的判断可将这个可能性再降低1/256。 另外通过帧类型字节的判断可使之进一步降低.（2）校验字将整帧信号进行异或校验则使误收的可能很小。如果将此异或校验改为CRC校验则出错的可能性更是微乎其微了。本通信所用协议具有纠错功能，这体现在当PC 发送或接收数据时，当所接收的应答信号出现失误时，将重新发送或接收此帧数据,直至接收到了正确的应答,具体在程序中最多允许连续出错三次,超过后则放弃通信。在实际应用中，应用本通信时传输距离只有几米以内而且环境干扰比较小,从而从外部因素上进一步保证了通信的可靠性。5.4.2通信速度分析如果在不考虑错误发生的情况下，PC 机每发送一帧数据时需要附加12 个字节,其中8 个字节用于发送4 个字节用于应答PC 机.每接收一帧数据时，需要附加13 个字节其中5 个字节用于接收8 个字节用于应答。如：按每帧传送32个字节计算的话,其发送和接收的效率为为忽略PC和PIC16F877A单片机的处理时间计算。发送数据速率、接收数据速率计算公式如下：发送数据速率：9600*32/44=6981bit/s接收数据速率：9600*32/45=6826bit/s这是理论上的速率，实际中还应包含PC和PIC16F877A单片机的处理信号帧，等待信号帧的时间。在本通信协议中,不会出现某信号帧已到达但PC或PIC16F877A单片机还未开始准备接收的现象。在实际应用中，因具体应用环境不同PC和PIC16F877A单片机处理信号帧的时间会有不同,所以具体速率值依具体应用而变化。总 结 通过做本课题，使我了解传感器的基本理论知识，更深入的了解单片机的开发应用和PC编程控制。为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、PC软件开发打下了良好的基础，树立独立从事产品研发的信心。同时也培养了我认真的做事态度。从得到题目到查找资料,从对题目的研究设定到电路图的设计，电路图的设计到程序设计在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中,我感触颇深，它是对我的钻研精神，创新精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验.我在这个过程中深刻的感受到了做设计的意义所在,和我一样真正投入了身心去做的人也一定会有同样的感触。本课题的重点、难点是：（1) 初步接触温度传感器，要对传感器的原理、结构、应用等各方面从头开始琢磨；（2) 考虑从非电量信号到电量信号的电路实现原理以及与单片机的接口；（3） 熟悉拉RS-232-C串口编程的技术；(4） 考究调整电路的实现过程以及怎么样通过单片机来间接的控制。参考文献1 何立民。单片机应用系统设计系统配置与接口技术M.北京：北京航空航天大学,1990.2 李晓荃.单片机原理与应用M。 北京:电子工业出版社，2000.3 刘和平.单片机原理及应用M。重庆：重庆大学出版社,2002 .4 徐爱钧。单片机高级语言 C51 应用程序设计M。 北京:电子工业出版社,2002.5 谢自美。电子线路设计。实验.测试(第二版） M。武汉：华中科技大学出版社，2000. 6 江国强。现代数字逻辑电路。北京：电子工业出版社，2002 。7 张勇.PROTEL 99SE 电路设计技术入门与应用（第一版)。北京：电子工业出版社，2002 。8 樊昌信。通信原理（第五版)M。北京：国防工业出版社，2001 . 21