粮仓温度检测系统

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1、 中国矿业大学 课 程 设 计 课程名称 测控电路课程设计 题目名称__粮仓温度检测系统_ 学生学院 机电工程学院 专业班级 测控07-2班 学 号 03071432 学生姓名 盛亮 指导教师 2010 年 7 月 8 日 目 录 一、摘要……………………………………….3 二、设计背景………………………………….3 三、

2、设计思路………………………………….3 模块设计细节 四、硬件设计………………………………….4 l 温度传感器AD590 l 信号放大器LM358 l A/D转换电路 l 锁存器74LS373 l AT89C51 五、软件设计及程序………………………….16 l 软件设计流程图 l 实用程序 六、电路制作与调试………………………….22 l 总体图 七、对本设计的创新展望…………………….23 八、设计小结………………………………….24 参考资料目录 一． 摘要 本文通过温度传感器AD590检测粮仓温度，接着经信号放大器

3、、去耦除杂处理将有用信号传输到ADC0809将模拟量转变为数字量传输到AT89C51经单片机智能化处理通过LCD实时的显示粮仓温度。 关键字：粮仓温度 AD590 单片机 监测温度系统 二． 设计背景 粮食温度检测技术是我国粮食储藏的四大技术之一，它可动态监测仓库粮食温度变化情况，为粮食的储藏安全提供了重要保障。传统的粮情监测多由人工取样，手感目测等方法，存在较大缺陷。针对常规温度测量方法的，

4、文章介绍了一种数字式智能温度控制器的设计方案。该温度控制器低功耗单片机AT89C51进行检测与控制，选用单片双端集成温度传感器AD590对粮仓温度实时的采集，再经信号放大去干扰处理，经A/D转换将有用信号输入锁存器74LS373中再传输给单片机。自动粮仓测温监测系统能准确监测粮温，是安全保粮的最科学简洁的方法之一。 三． 设计思路 面积为的粮仓我们选用5个温度传感器每二百平方米的中央放置一个温度传感器AD590。然后对信号进行放大，经去耦除杂处理，再经A/D转换，通过射频电路模块将该有用信号传输到AT89C51上经行综合处理。最后通过显示器把粮仓平均温度显示出来。 总体设计如下图，本文只

5、重点介绍温度测定问题： 模块设计细节 模块主要由传感器和单片机组成，预期目标如下： l 整个设计包含5个温度传感器，测温时间可控，默认每个温度传感器每1min检测一次温度，5min一次循环，然后将得到的温度平均温度值显示在LCD上，从而可以知道一段时间内的温度。 l 预设模块检测温度范围为-20℃～100℃.系统可对所测温度进行判断，如果读取温度的温度在预设范围内，温度正常显示，否则系统显示报警信息并启动通风及温度调控系统（仅是设计的理念本次设计未做）。 l 系统可以手动复位，复位后MCU恢复至预设状态。 四． 硬件设计 l 温度传感器AD590 1. AD590基本简介

6、 1.0 、电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。AD590只需单电源工作，输出的是电流而不是电压，因此，抗干扰能力强，特别适用于工作运动测量。因是高阻抗电流输出，所以长线上的电阻对器件工作影响不大。 1.2、AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下： ①、线性电流输出：1uA/K,正比于热力学温度。 ②、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。 ③、AD590的电源电压范围为4V～30V ④、AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不

7、会被损坏。 ⑤、输出电阻为710MW。 1.3、AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。 2. AD590的应用电路 1、 基本应用电路 图1（a）是AD590的封装形式，图1（b）是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kO时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方

8、法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使VO=273.2mV。在-20℃条件下调整电位器,使VO=273.2-20=253.2（mV），在100℃条件下调整电位器,使VO=273.2+100=373.2（mV）。但这样调整只可保证在-20℃到100℃附近有较高精度。 第三个脚可以不用，是接外壳做屏蔽用的，测量温度时把整个器件放到需要测量温度的地方。 注意事项：Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言 输出值为10K×298μA=2.98V 2、摄氏温度测量电路 图2 信号接入及信号放大滤波电路 如图2所示，5个温度传感器AD590的接入口1端口共

9、接5V电源，信号输出口共接放大器的输入口5形成正向电压跟随器。加电压跟随器的目地是提高输入阻抗，有利于下一级的放大，也可避免后级放大电路中电阻对AD590输出信号的影响。 本传感器在0℃时输出电压为273.2mV,当温度为-20℃～100℃范围内时输出电压大致为253.2～373.2mV。由此知放大器的放大倍数为10倍即可，使其IN0端输出2.532～3.732V的信号，将此信号经后级滤波器处理后，将较为干净的信号输入ADC0809的IN0端口。由该电压值范围可设置出ADC0809的参考电压为5V即可。 3. N点最低温度值的测量 将不同测温点上的数个AD590相串联，可测出所有测量点上

10、的温度最低值。 该方法可应用于测量多点最低温度的场合。 4. N点温度平均值的测量 把N个AD590并联起来，将电流求和后取平均，则可求出平均温度。该方法适用于需要多点平均温度但不需要各点具体温度的场合。 5. 选择AD590温度传感器的理由 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

11、l 信号放大器LM358 1.实用性 LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工 作条件下，电源电流与 电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 2. 基本资料 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电

12、源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。引脚如下图： 1引脚为输出端，2和3引脚为信号正负输入端，5、6和7和1、2和3管脚性质相同。4引脚接地，8引脚接电源。 3.特性参数 内部原理图3 特性(Features): · 内部频率补偿 · 直流电压增益高(约100dB) · 单位增益频带宽(约1MHz) · 电源电压范围宽：单电源(3—30V)； . 双电源(±1.5 ～±15V) · 低功耗电流，适合于电池供电 · 低输入偏流 · 低输入失调电压和失调电流 · 共模输入电压范围宽，包括接地 · 差模输入电压范围宽，

13、等于电源电压范围 · 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) l A/D转换电路 ADC0809引脚图与接口电路 A/D转换器芯片ADC0809简介 8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。 1. ADC0809的内部结构 ADC0809的内部逻辑结构图如图4所示。 图4 《ADC0809内部逻辑结构》     图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码

14、输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表1-1为通道选择表。                           表1-1 通道选择表 2．信号引脚       ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图5。 图5 《ADC0809引脚图》      对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下： 1. IN7～IN0——模拟量输入通道 2. ALE——地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。 3. START——转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；

15、START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。本信号有时简写为ST. 4. A、B、C——地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表9-1。 5. CLK——时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号 6. EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 7. D7～D0——数据输出线。为三态缓

16、冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高 8. OE——输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。 9. Vcc—— +5V电源。 10. Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V). l MCS-51单片机与ADC0809的接口     ADC0809与MCS-51单片机的连接如图4所示。     电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成

17、后转换数据的传送。 1. 8路模拟通道选择 图6 ADC0809与MCS-51的连接      如图6所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即接地，而地址锁存允许信号ALE由P2.4控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址选择以作写选通信号，这一部分电路连接如图9.12所示。 图7 ADC0809的部分信号连接                 图8 信号的时间配合     从图7中可以看到，把ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。图8是有关

18、信号的时间配合示意图。      启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换： MOV DPTR , #FE00H ；送入0809的口地址 MOVX @DPTR , A ；启动A/D转换（IN0） 注意：此处的A与A/D转换无关，可为任意值。 2. 转换数据的传送      A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1

19、）定时传送方式      对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式      A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式      把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管

20、使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。 不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为MOVX 读指令，例如： MOV DPTR , #FE00H MOVX A , @DPTR      该指令在送出有效口地址的同时，发出有效信号，使0809的输出允许信号OE有 效，从而打开三态门输出，是转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。      这里需要说明的示，ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述与地址线相连，也可与数据线相连

21、，例如与D0～D2相连。这是启动A/D转换的指令与上述类似，只不过A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号IN0～IN7相一致。例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时，启动IN7的A/D转换指令如下： MOV DPTR， #FE00H   ；送入0809的口地址 MOV A ，#07H ；D2D1D0=111选择IN7通道 MOVX @DPTR， A ；启动A/D转换 l 锁存器74LS373 1. 锁存器作用 锁存器就是把当前的状态锁存起来，使CPU送出的数据在接

22、口电路的输出端保持一段时间锁存后状态不再发生变化，直到解除锁定。还有些芯片具有锁存器，比如芯片74LS373就具有锁存的功能，它可以通过把一个引脚置高后，输出就会保持现有的状态，直到把该引脚清0后才能继续变化。 缓冲寄存器又称缓冲器，它分输入缓冲器和输出缓冲器两种。前者的作用是将外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走；后者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。有了数控缓冲器，就可以使高速工作的CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。由于缓冲器接在数据总线上，故必须具有三态输出功能。 2. 74LS373的引脚功能 引脚介绍 ⑴74LS373的输出端O0

23、～O7可直接与总线相连。 ⑵当三态门允许控制端OE为低电平是O0～O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为低电平时O0～O7呈高阻态，即不驱动总线也不为总线的负载但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 ⑶当所存容许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被所存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用时，交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。 ⑷引出端符号： D0～D7 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 O0～O7 输出端

24、 3. 原理电路图部分电路 电路图讲解 OE三态允许控制端接地保持低电平有效 锁存允许端LE由单片机P2.4口的信号控制 数据输入端D0～D7 接ADC0809的输出数据 输出端O0～O7将锁存的信号传送到单片机中去来实现温度的显示 l AT89C51 AT89C51外形图及引脚如上图，引脚注解略。 选用的理由 AT89C51单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一

25、个小而完善的计算机系统。AT89C51单片机的功耗低价格便宜，加之它的处理速度以满足我们的需要了，所以选用AT89C51。 五． 软件设计及程序 l 软件设计流程图 l 实用程序 ADC0809初始化程序 MOV R0, #0A0H ；数据存储区首地址 MOV R2, #08H ；8路计数器 SETB IT1 ；边沿触发方式 SETB EA ；中断允许 SETB EX1 ；允许外部中断1中断 MOV DPTR, #0FEF8H ；D/

26、A转换器地址 LOOP: MOVX @DPTR, A ；启动A/D转换 HERE: SJMP HERE ； 等待中断 中断服务程序： DJNZ R2, ADEND MOVX A, @DPTR ；数据采样 MOVX @R0, A ；存数 INC DPTR ；指向下一模拟通道 INC R0 ；指向数据存储器下一单元 MOVX @DPTR, A ADEND: RETI 数码管指令：

27、 MOV DPTR,#SEGPORT MOV A,#SEG MOVX X @DPTR,A MOV DPTR,#BITPORT MOV A,#BIT MOVX @DPTR，A 温度计整体驱动程序： #include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x6

28、6,0x6d,0x7d,0x07,0x7f, 0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x40,0x00}; //数码显示代码 sbit led1=P2^3; sbit led2=P2^2; sbit led3=P2^1; sbit led4=P2^0; //位选 27 sbit P24=P2^4; sbit P26=P2^6; sbit P27=P2^7; sbit swich=P2^5; //定义开关 uint k,l,m; uchar fuhao,shi,ge,biaoshi,num2,n

29、um,f,shu; void delay(uint p) { uchar i,j; for(i=p;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--); } //延时1ms void display() //动态显示程序 { led1=1; P1=table[fuhao]; delay(5); led1=0; led2=1; P1=table[shi]; delay(5); led2=0; led3=1; P1=table[ge]; delay(5); led3=0; led4=1; P

30、1=table[biaoshi] delay(5); led4=0; } void inti() //初始化程序 { f=0; led1=0; led2=0; led3=0; led4=0; TMOD=0x20; TH1=4; //设置定时器T1 TL1=4; EA=1; //开启总中断 ET1=1; //开启定时器1中断 TR1=1; //定时器T1工作 P1=0xff; P27=1; num=0; fuhao=17; shi=17;

31、 ge=17; biaoshi=17; P26=0; } void key() { if(swich==0) { delay(5); //去抖动 if(swich==0) { f=1; //标志位 while(!swich); } } } void main() { inti(); while(1) { key(); if(f==1) { P26=1; for(k=20;k>0;k--); P26=0; for(k=20

32、;k>0;k--); P26=1; delay(1); P0=0xff; EX1=1; //开启外部中 delay(1); f=0; } display(); } } void t1() interrupt 3 { P24=~P24; } void ex1() interrupt 2 { f=0; EX1=0; P26=1; for(k=20;k>0;k--); //数据传输时间 num=P0; num2=0; for(l=0;l<8;l++) //首

33、尾交换 { shu=num; shu=shu&0x01; for(m=0;m<7-l;m++) { shu=shu*2; } num2=num2+shu; num=num>>1; } //首尾转换 for(k=10;k>0;k--); num=num2; if(num<55) { fuhao=16; shi=(55-num)/10; ge=(55-num)%10; biaoshi=12; } else { fuhao=(num-55)/100; if(fu

34、hao==0) fuhao=17; shi=(num-55)%100/10; ge=(num-55)%10; biaoshi=12; } P26=0; } 六． 电路制作与调试 电路原理图间附件一 总体图 PCB板见附件二 调试见软件 七． 对本设计的创新展望 目前我国粮情监测系统都采用微机监控，通过电缆网络进行传输的测量方法，实现了快速、自动和数字化检测，为安全储粮提供了提供了有效的技术支持。但在实践中仍存在诸多问题，主要表现在现存的缆线式的测温点布线模式。因接点多且难以密封易受熏蒸腐蚀。特别是南方高温高湿地区。熏蒸后故障频发；由于布线

35、长，电磁场干扰易通过电源线引入。而且由缆线引入雷击而损坏系统的事件时有发生。造成测量误差甚至系统瘫痪；布线杂乱不仅带来安装调试的困难。 而且在粮食轮换倒仓时，线路容易遭受机械损坏。 基于以上问题我们可采用无线传输测试系统这一新方案来解决以上问题。方法如下：在温度传感器输出信号经放大后的输出端安装一无线发射模块将该温度信号传出。信号传入ADC0809的前端端加一无线接收模块，将接收多个不同模块的传感器传出的信号并把这些信号输入单片机中经行综合处理。这样可以解决粮仓中多个传感器的引线问题所带来的一系列老大难问题。由于课程设计时间仓促，加之本人又忙于考研学了一天射频电路也没学到精髓，所以这种想法只

36、留日后再做了。 八． 课程设计小结 课程设计小结 测控07-2班盛亮 这次课程设计是对所学知识的一次综合应用。通过这一次设计可以掌握设计智能系统的完整的设计思路和方法。这次课程设计主要用温度传感器对一个仓库的平均温度进行测量，全方位的运用所学过的知识来实现一个完善的实用系统。 在这次设计中进一步培养了工程设计的独立能力，树立正确的设计思想，掌握常用的温度传感器，数字化处理电路和程序设计，要求综合的考虑使用经济工艺性等方面的要求。确定合理的设计方案。 本设计共分为三大部分:第一部分为硬件设计，主要对各

37、部分硬件进行选择和设计其周边电路。第二部分为软件设计及程序编，写以流程图的方式编写程序体现一个设计者的整体思维方式。第三部分为电路图的设计及PCB板的制作。 设计者以严谨务实的认真态度进行了此次设计，但由于知识水平与实际经验有限。在设计中难免会出现一些错误、缺点和疏漏，诚请几位评审老师能给于批评和指正。 最后我十分感谢几位老师的辛勤指导，你们的指导给我指明的方向。使我由懵懂到思路清晰，感谢你们在我设计系统时帮我纠正的几个错误。你们治学严谨的作风让我深刻的感受到将来作为一名工程师的我应该要具备的一些基本工作素质和严谨的治学态度。 结束之际，我衷心的祝愿我的所有老师暑假快乐！ 2010.7.8晚 作 九． 参考文献 l 《传感器简明手册及应用电路》——温度传感器分册（下） l 电子工程技术论坛 l PCB制作论坛（） l 《测控电路》张国雄主编 l 《传感器原理及应用》国防科技大学出版 l 《单片机原理及接口技术》李朝青 编著 l 《单片机原理与应用技术》董少明 主编 l ANALOG DEVICES(美国模拟器件公司) l 绘图软件 Altium Designer Summer 08 l 矿大图书馆及各类网络资料