安全检测技术课程设计——厂房温度监测与系统设计..pdf

课程设计报告 课 程 设 计 名 称 ： 安 全 检 测 课 程 设 计 课 程 设 计 题 目厂 房 的 温 度 检 测 与 监 控 系 统 设 计 系 （ 部 ）_ 专业班级_ 姓名 学号 指导教师_ 2013 年7 月2 日 目录 1.前言 1 2.绪论 2 2.1 厂房温度检测的发展状况 . 2 2.2 研究课题的意义 . 2 3.方案的选定 4 4.核心元件 6 4.1. 单片机 6 4.2. 传感器 6 4.2.1 AD8494 传感器特点 6 4.2.2 AD8494 传感器基本概述 7 4.2.3 AD8494 传感器引脚介绍与功能描述 7 4.3. 显示器 8 4.4. 继电器 8 5.系统硬件设计 9 5.1 温度检测电路设计 . 9 5.1.1 AD8494 传感器的基本连接 9 5.1.2 AD8494 传感器内部结构及工作原理. 10 5.1.3 AD8494 传感器电路设计. 11 5.2 振荡电路的设计 11 5.3 上电手动复位电路的设计 12 5.4 显示电路设计 . 13 5.5 温度控制电路及超温报警电路设计. 13 6.软件设计 15 7.仿真调试 16 8 总结 . 17 9.参考文献 18 10.附录 19 1.前言 本人在小组中主要负责硬件设计，主要包括传感器 （温度检测电路） 与整体 硬件电路。 温度是与人类生活、 工作关系最密切的物理量， 也是个门学科与工程研究设 计中经常遇到和必须精确测量的物理量。从工业炉温、环境气温到人体的温度； 从空间、海洋到家用电器，各个技术领域都离不开测温和控温。 温度传感器也称为热电传感器，是检测温度的器件，在所有的传感器中， 其种类最多，应用最广，发展最快。目前，市场上的温度传感器主要有利用半导 体材料的温度特性制成的热敏电阻、 以铂电阻为测温材料的铂电阻和有两种不同 材料的导体组成的热电偶等。温度传感器在工农业生产、汽车工业、食品储存、 医药卫生等各个领域的应用极为广泛，用于各种需要对温度进行检测、 控制及补 偿等场合。 而热敏电阻传感器简称为热敏电阻， 是一种电阻值随温度变化半导体热敏元 件，它是由一些金属氧化物，如钴、锰、镍等氧化物，采用不同比列的配方，经 高温烧结而成的。 2.绪论 随着电子技术的广泛应用,给工农业生产、国防事业、科技和人民的生活带 来了革命性的变化。 作为信息化社会的每一个成员， 人们时刻都在进行着信息的 产生、采集、传输及处理的活动中， 作为获取信息的手段传感器技术得到了 长足的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求要来越高，需求也越来越迫切。 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 传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 一方面， 由于传感器能将各种物理量、 化学量和生物量等信号转化为电信号， 人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制； 另一方面， 实用中的 传感器都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。因此，不仅必须掌握各类传 感器的结构、 原理及其性能指标， 还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才 能满足信号的处理、 现实和控制的要求。 只有通过对传感器的原理和传感器应用 实例的分析了解， 才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的 生产、研制、开发和应用。由于传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领 域都为了改革生产力、 提高工效时效，因此各自都在开发研制适合应用的传感器， 于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。 2.1 厂房温度检测的发展状况 电子科技时代的今天， 社会中的诸多行业对各种信息参数的准确度和精确度 的要求都有了几何级的增长， 而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于 现代信息基础的发展水平。 在三大信息信息采集 (即传感器技术 )、信息传输 (通信 技术)和信息处理 (计算机技术 )中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是 温度传感器技术， 在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每 一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在农业生产过程中需要实时测量 温度，在工业生产中更离不开温度的测量。 2.2 研究课题的意义 改革开放已经三十多年， 中国经济飞速的发展， 据了解世界 500强在华企业 已有将近 400 家，这说明越来越多的超级工厂在我国建立起来，产品的储存越发 重要，对厂房检测的需要更加精密、更加广泛。而对温度的监测更加重要，如果 没有做好这些监测系统， 就是对人们劳动果实的不负责。例如在粮食、 药材等的 储存仓库， 若不对仓库内的温度或湿度进行实时检测，就不能及时了解粮食、 药 材的储藏状况， 可能发生腐烂， 造成极大的经济损失。 所以对环境温度和湿度提 出了很高的要求，因此能否有效地对这些领域的环境温度和湿度进行实时监测和 控制是一个必须解决的重要课题，对我国的发展具有重要意义。 3.方案的选定 本组选择以 AT89C51单片机为核心且基于温度传感器AD8494的系统。该系 统的设计简单且设计灵活并且还具有抗干扰能力强、使用方便、能够在环境比较 恶劣的情况下对温度进行现场的测量等优点。基于以上的优点， 本系统常用在大 型工业及民用的温度检测环境之中，例如粮食仓储系统、 楼宇自动化系统。 具体 系统框图如下 : 图 3-1 设计框图 在本方案中， AT89C51单片机是本系统的核心，其他所有的操作都要受到它 的控制。在本系统中该单片机就相当于人的大脑控制着整个系统。温度信号由 AD8494采集，能直接将测量的温度模拟信号变换成数字信号，再将数字信号传 送给主机。单片机通过对接受的温度信号进行比较而做出相应处理，从而实现温 度控制的目的。外围的大功率驱动电路主要是利用继电器的开关驱动功能来实现 的。另外在显示电路的设计上， 考虑实际应用中， 便于工作人员的观察以及为了 减少一定的的成本， 使其更容易在市场上推广， 本方案需要采用大尺寸LED数码 管，这样可以让工作人员采集温度数据时变得更加方便简洁。将该方案运用于本 课题的具体设计中， 功能体现大致如下： 能对检测点的温度进行实时监控。正常 温度范围为 15 至 28 摄氏度，当温度超出正常温度时， 通过单片机驱动外围的降 温或升温设备，同时，驱动声光报警器。另外，测点的温度在4 位 7 段 LED数码 管上进行显示。 4.核心元件 4.1.单片机 1.AT89C51 简介： AT89C51 是一种带 4K字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低电压、高性能CMOS 8 位微处理器，俗称单片 机。 2.AT89C51 特点： AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM ， 32 个 I/O 口线，两个 16 位定时 / 计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双 工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz的静态逻辑 操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU的工作，但允许 RAM ，定时/ 计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内 容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 4.2.传感器 通过对各种温度传感器的比较与选择之后，AD8494传感器更能满足本系统 的性能要求。所以本系统最终采用温度芯片AD8494来测量温度。 AD8494热电偶放大器为热电偶温度测量提供了一种简单的低成本解决方 案。这个放大器解决了热电偶测量的许多困难。固定增益仪表放大器能够放大很 小的热电偶电压，而集成温度传感器可实现冷结补偿。 AD8494温度传感器为集成热电偶冷结补偿器的精密仪表放大器。冰点基准与预 校准放大器的结合，使其能直接从热电偶信号产生高电平(5 mV/ °C)输出。这些 器件既可以用作独立温度计， 也可以用作使用固定或远程设定点控制的开关输出 设定点控制器。 4.2.1 AD8494 传感器特点 1. 单 IC 封装的完整、精密激光晶圆调整的热电偶信号调理系统。 2. 灵活的引脚分配允许其用作设定点控制器或独立的摄氏温度计。 3. 加固型输入可以承受4 kV ESD，并提供高达 VS ± 25 V 的过压保护 (OVP)。 4. 差分输入可以抑制热电偶引脚上的共模噪声。 5. 采用单电源时，可以偏置基准引脚电压以测量0°C 。 6. 采用 8 引脚小型 MSOP 封装，完全符合 RoHS 标准。 7. 成本低，易于使用 4.2.2 AD8494 传感器基本概述 AD8494传感器属于高精密性热电偶热电偶是温度测量仪表中常用的测温 元件, 是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同 时，就会在回路内产生热电流。 如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示 仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着 测量端温度升高而增长， 它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极 的长度、直径无关。 各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结 构却大致相同， 通常由热电极、 绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和 显示仪表 , 记录仪表和电子调节器配套使用 AD8494可以采用单端电源 (低于 3V)供电；通过偏置基准输入， 可以测量 0° C以下的温度。为使自热效应最小，无负载的AD849x的总电源电流典型值 为 180A，但它也能向负载提供超过±5 mA的电流。 AD8494通过激光晶圆调整 进行预校准，与 J 型( 铁- 康铜) 热电偶的特性相匹配。 AD8494 支持宽电源电压范围。在5V 单电源下， 5mV/°C 输出使这些器件 可以覆盖近 1000 度的热电偶温度范围。 在 3V 电源下，AD8494 可以直接与低电 源电压 ADC 接口。这些器件也可以采用高达36V 的电源供电，支持要求宽共模 输入范围的工业系统。 4.2.3 AD8494 传感器引脚介绍与功能描述 图 4-1 引脚配置 AD8494 - + 2 1 4 3 5 6 7 8 -IN +IN +Vs OUT SENSE Nc -Vs RET - IN 负输入 REF 基准电压。 (此引脚必须以低阻驱动 ) - VS 负电 源 NC 不连接 SENSE检测引脚。在测量模式下，连接到输出；在设定点 模式下，连接到设定点电压。OUT 输出 +VS 正电源 +IN 正输入 4.3.显示器 定制的 4 位 7 段 LED显示片。 它采用 89C51单片机的通用 I O口 P1.0、 P1.1 作为模拟 I2C 总线： LED显示器为 4 位共阴极 LED ，A/K 引脚接电源；显示驱 动芯片采用 P87LPC762 作定制，命名为 LED-762 。 4.4.继电器 在本系统中涉及到驱动声光报警器以及驱动制冷器和制热器的电路，即需要 利用单片机发出的信号来控制温度调节电路的工作状态。由于单片机 I/O 口的输 出电压最大为5V，不能直接驱动这些电器进行工作，于是我们引入了继电器， 它可以实现小电流控制大电流的功能。在声光报警器电路中， 我采用的是电磁继 电器，而在制冷制热电路中我采用的是固态继电器。固态继电器与电磁继电器相 比它具有无触点无动作噪音， 开关速度快无火花干扰和可靠性高等优点。在制冷 制热电路中，其被控制回路接入的是220V交流电，为了保证其可靠性更高，于 是我选择了固态继电器。 5.系统硬件设计 本系统在功能设计上可将整个装置分为测量单元、CPU 单元、显示单元、 键盘输入单元和报警单元几个部分： 图 5-1 系统主要模块框图 5.1 温度检测电路设计 5.1.1 AD8494 传感器的基本连接 下图显示了 K 型热电偶或 J 型热电偶输入的 AD849x 基本连接 图 5-2 AD849x 的基本连接 中 央 控 制 单 元 传 感 器 AD8494 键 盘 报 警 显 示 为了测量负温度， 需对基准引脚施加一个电压， 以偏置 0°C 时的输出电压。 AD849x 的输出电压为： VOUT = (TMJ × 5 mV/ °C) + VREF 作为温度传感器， AD8494 的温度测量范围为 - 40° C 至+125°C，精密输出 为：VOUT = TA × 5 mV/ ° C AD8494 最适合用作环境温度传感器。如下图： 图 5-3 环境温度传感器 5.1.2 AD8494 传感器内部结构及工作原理 该芯片是针对 K型热电偶温度测量的，它集成了冰点基准与预校准放大器， 能够直接把热电偶信号放大为高电平（5mV/ °C ）输出，具较高的可靠性。采用 数码管对 AD8494的数据进行模数转换， 该芯片具有 12位的转换精度， 而且采用 简单 SPI 串行输入接口，方便与单片机的连接。 电偶放大器 AD8494内置一个片内温度传感器，一般用于冷结补偿，将热电 偶输入端接地， 该器件便可用作一个独立的摄氏温度计。在这种配置中， 放大器 在片内仪表放大器的输出引脚与（一般接）参考引脚之间产生5 mV/°C的输出 电压。这种方法有一个缺点，当测量较窄范围的温度时，系统分辨率不佳。考虑 这一情况：采用 5 V 单电源供电的 10 位 ADC 具有 4.88 mV/LSB 的分辨率。这意 味着，图 1 所示的系统具有约1°C/LSB的分辨率。如果目标温度范围较窄，例 如 20°C ，则输出改变幅度为100 mV ，ADC的可用动态范围仅有1/50 得到利用。 (ADC ：单纯的就动态范围而言， 它是指接收的信号的最大值 （该值可以是频率或 强度）与最小值之间的比值取对数所得的数据。) 图 5-4 简单温度计 5.1.3 AD8494 传感器电路设计 AD8494传感器与 AT89C51单片机的连接 在实际片使用中发现，应使电源电压保持在5v 左右。 图 5-5 AD8494 传感器与 AT89C51单片机的连接 5.2 振荡电路的设计 本系统采用内部方式产生单片机所需的时钟信号。图 4.1 中， 由振荡器 OSC 和电容 C1 和 C2 构成了并联谐振回路作为定时元件，振荡源可选用晶体振荡 AD8494 - + 2 1 4 3 5 6 7 8 -IN+IN +Vs OUT SENSE Nc -Vs RET 单 片 机 VCC GNP 器 或陶瓷振荡器，频率为1.212MHz ，电容 C1、C2 为 530pF,起频率微调 作用。 在本电路系统中选用的是晶体振荡器，晶振频率为6MHz，C1 和 C2 均 为 15pF。 晶振的频率越高，则单片机的时钟频率越高，单片机运行速度越快。 具体电路如下： 图 5-6 振荡电路图 . 5.3 上电手动复位电路的设计 复位电路，其实现的功能是既能实现上电复位，又能实现按键复位，故该 电路更能满足系统实际应用要求。当按钮开关S1 未按下时，电容被充电，当 经过一定时间后，电容电压达到 5V，当开关按下，电容开始放电，电阻 R1 和 R2 构成一个串联的分压网络，只要让电阻R2 上的分压达到高电平的阀值，因 为我们按动按钮开关使其闭合的时间远远大于单片机复位所用的时间，所以就 可 以 使 单 片 机 复 位 。 由 于 充 电 公 式 ： Uc(t)=Uc(0)+Uc(无 穷 )-Uc(0)(1-e-t/RC)；放 电 公 式 ： Uc(t)=Uc(无 穷 )+Uc(0)-Uc(无 穷)e-t/RC其中 Vc(无穷) 为电容电压充、 放电终值，Vc(0) 为电容电压起始值。 由于晶体振荡器选用 6MHz ，故机器周期为 2us，而要保证开关按下后单片机实 现复位，需保证复位端口的高电平至少保持时间是 2 个机器周期以上， 即此时 电压值为 2.5V 以上的时间至少维持 4us 。 通过放电公式的计算，可知C3 取 22uF,R1 取 200，R2 取 1K 就能满足要求。具体电路图如下： 图 5-7 上电手动复位电路图 5.4 显示电路设计 以定制的 4 位 7 段 LED显示片为例，设计的LED显示驱动电路如图所示。 图 5-8 显示驱动电路图 5.5 温度控制电路及超温报警电路设计 单片机通过三极管控制继电器的通断，最后达到控制相应的电器的目的。当 温度范围保持在 20-28时，单片机将 P1.0 口置 1，此时三极管发射极与基极 之间的 PN结未正想导通使三极管处于截止状态，故电器不工作。当温度超过28 摄氏度时， 单片机相应的端口发送低电平，从而使三极管处于饱和状态，驱动制 冷器工作，而达到降温的作用，同时，声光报警器被驱动工作。同理，当温度低 于 5时，单片机驱动加热器工作，达到升温的作用，同时，声光报警器被驱动 工作。 6.软件设计 7.仿真调试 8 总结 9.参考文献 1 段晨东：单片机原理及接口技术M 北京：清华大学出版社， 2008 2 刘文涛：单片机语言C51典型应用设计 M 北京：人民邮电出版社， 2010 3 苏家健，曹伯荣，汪志锋。单片机原理及应用技术M. 北京：高等教育出版 社，2004 4 毛谦敏 . 单片机原理及应用系统设计M. 北京：国防工业出版社2005. 5 童诗白，华成英 . 模拟电子技术基础 M. 北京：高等教育出版社2001. 6 刘建清，鲁金，王春生 . 从零开始学单片机 M. 北京：国防工业出版社2005. 7 李广弟 . 单片机基础（修订版） M. 北京：北京航空航天大学出版社,2001. 8 李朝青 . 单片机原理及接口技术（简明修订版）M 北京：北京航空航天出版 社,1998. 9 赵广林 .Prote199SE 电路设计与制版 M. 北京：电子工业出版社，2005. 10 金伟正 . 单线数字温度传感器的原理与应用J.电子技术与应用， 2000 （9） . 11 阎石. 数字电子技术基础（第三版）M. 北京：高等教育出版社， 1898. 12 张毅刚，彭喜元，蒋守达 . 新编 MCS-51单片机应用设计 . 哈尔滨：哈尔滨工 业大学出版社， 2003. · 10.附录 附录 A: 温 度 0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-95-100 -20 0 -5.891 4 -6.034 6 -6.158 4 -6.261 8 -6.343 8 -6.403 6 -6.441 1 -6.457 7 -10 0 -3.553 6 -3.852 3 -4.138 2 -4.410 6 -4.669 -4.912 7 -5.141 2 -5.354 -5.550 3 -5.729 7 -5.812 8 -5.891 4 00 -0.391 9 -0.777 5 -1.156 1 -1.526 9 -1.889 4 -2.242 8 -2.586 6 -2.920 1 -3.242 7 -3.399 6 -3.553 6 温 度 010203040506070809095100 000.39690.79811.20331.61182.02312.43652.85123.26663.68193.88924.0962 1004.09624.50914.91995.32845.73456.13836.54026.94067.347.73917.93878.1385 2008.13858.53868.93999.34279.7472 10.153 4 10.561 3 10.970 9 11.382 1 11.794 7 12.001 5 12.208 6 300 12.208 6 12.623 6 13.039 6 13.456 6 13.874 5 14.293 1 14.712 6 15.132 7 15.553 6 15.97516.186 16.397 1 400 16.397 1 16.819 8 17.243 1 17.666 9 18.091 1 18.515 8 18.940 9 19.366 3 19.792 1 20.218 1 20.431 2 20.644 3 500 20.644 3 21.070 6 21.497 1 21.923 6 22.35 22.776 4 23.202 7 23.628 8 24.054 7 24.480 2 24.692 9 24.905 5 600 24.905 5 25.330 3 25.754 7 26.178 6 26.602 27.024 9 27.447 1 27.868 6 28.289 5 28.709 6 28.919 4 29.129 70029.12929.54729.96530.38230.79831.21331.62732.04132.45332.86433.07033.275 K 型热电偶分度表： 温度单位 : 电压单位 :mV 参考温度点： 0 附录 B：指导教师评语及成绩 6323574934 80033.275433.684934.093434.50134.907535.313135.717736.121236.523836.925437.125837.3259 90037.325937.725538.12438.521538.91839.313539.70840.101540.493940.885341.080641.2756 100 0 41.275641.664942.053142.440342.826343.211243.595143.977744.359344.739644.929345.1187 110 0 45.118745.496645.873346.248746.622746.995547.366847.736848.105448.472648.655648.8382 120 0 48.838249.202449.565149.926350.285850.643951.000351.355251.708552.060252.235452.4103 130 0 52.410352.758853.105853.451253.795254.137754.478854.8186 指导教师评语： 成绩评定： 指导教师： 年月日