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目前，無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是在科研實(shí)驗中通過(guò)對溫度測量來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制的設備越來(lái)越普及，應用場(chǎng)合也越來(lái)越多。隨之而來(lái)的問(wèn)題是，如何能夠測得精確的溫度以保證自動(dòng)控制設備能夠正確地發(fā)出控制指令來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程。另一方面，如果溫度過(guò)高可能會(huì )對一些設備中的一些半導體元器件造成損壞。因此，對于自動(dòng)高溫報警的需求也在逐漸增加。本文基于以上方面的考慮，研究并設計了一種基于單片機的自動(dòng)溫度測量與報警系統。 1 系統硬件設計 盡管目前市場(chǎng)上單片機的品種多樣，功能也越來(lái)越多，但是受成本約束，性能優(yōu)良的8位單片機仍然是工業(yè)檢測與控制應用領(lǐng)域的首選。 本系統就是以ATMEL公司的AT89C51單片機為中心，通過(guò)模數轉換器AD7812對溫度傳感器的輸出電壓進(jìn)行模數轉換，再將轉換結果送入單片機進(jìn)行相應的處理，通過(guò)編程分析處理的結果，最后決定是否報警。下面分別介紹各個(gè)硬件功能模塊的設計。 1.1 溫度傳感器設計 溫度傳感器是感知外部環(huán)境中溫度變化的重要元件，它是外界與本系統的接口。它將外界溫度的變化轉化成電壓的變化，這樣通過(guò)對電壓的處理與分析就可以間接地測量出外界溫度。本系統采用的溫度傳感器為L(cháng)M35，該溫度傳感器由美國國家半導體公司生產(chǎn)，在常溫下，不需要額外的校正處理就可以到達0.25℃的準確率。其輸出電壓與攝氏溫度成線(xiàn)性關(guān)系，并且這種關(guān)系可以表示為： 式中，Vo為傳感器的輸出電壓，單位V，T是外界環(huán)境中的溫度，單位℃。由于LM35能夠測量的最高溫度是150℃，由式(1)可得其最大輸出電壓為1.5 V。為了能夠與AD7812的輸入進(jìn)行匹配，故需要對傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大，放大的倍數約為3.33倍�？刹捎眉蛇\放連接成同向放大器來(lái)實(shí)現電壓放大的功能。經(jīng)過(guò)放大后的電壓約為5 V，恰好能夠與模數轉換部分的輸入相匹配。該部分電路設計如圖1所示。 1.2 A/D轉換設計 經(jīng)過(guò)溫度傳感器轉換后的輸出電壓值不能直接送入單片機中進(jìn)行處理，還必須在它們之間增加A/D轉換裝置。本文中選擇AD7812作為A/D轉換器。AD7812是由Analog Devices公司生產(chǎn)的一種串行接口的10位8通道A/D轉換器。與一般的并行接口A(yíng)/D轉換器相比，它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠節省處理器的引腳資源。節省下來(lái)的引腳資源可以進(jìn)一步的對系統進(jìn)行擴展，以使其功能更加強大。在A(yíng)D7812內部有8路模擬開(kāi)關(guān)可以采集8路模擬信號，這里只需要將經(jīng)放大的傳感器輸出信號輸入到其中任意一路即可，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，就取其中的第1路模擬開(kāi)關(guān)作為輸入信號的通道。由于 AD7812內部具有轉換時(shí)鐘源，因而不需要外部提供時(shí)鐘源。單片機只需要通過(guò)它的串行時(shí)鐘輸入、數據輸出、數據輸入、轉換輸入4根引腳就可以對其進(jìn)行控制。該部分電路設計如圖2所示。 1.3 單片機處理器電路設計 AT89C系列單片機是一款低電壓，高性?xún)r(jià)比8位單片機。與MCS-51單片機相比，它有兩大優(yōu)勢：第一，片內存儲器采用閃速存儲器，使程序的寫(xiě)入更加方便;第二，推出了更小尺寸的芯片，使電路的尺寸更小。 AT89C51是該系列中一種帶4 KB容量可編程可擦除只讀存儲器和128字節隨機存取數據存儲器(RAM)的高性能8位單片機。它采用ATMEL的高密度非易失存儲器制造技術(shù)，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳兼容�？傊�，ATMEL的AT89C51單片機為嵌入式控制系統提供了一種高性?xún)r(jià)比的實(shí)現方案。 AT89C51提供以下標準功能：4 K字節的Flash閃存存儲器，128字節內部RAM，32個(gè)I/O口線(xiàn)，2個(gè)16位定時(shí)/計數器，1個(gè)5向量?jì)杉壷袛嘟Y構，1個(gè)全雙工串行通信口，片內振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式�？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復位。在本文中該中央處理電路如圖3所示。 1.4 異常情況報警電路設計 報警電路的作用是在出現異常情況時(shí)及時(shí)地提醒工作人員盡快采取措施，減少危險，避免災難性后果的出現。因此，在設計報警電路時(shí)，應該讓它的報警行為能夠迅速被人察覺(jué)，以進(jìn)一步采取相應措施，避免或減少危害帶來(lái)的損失�，F代科學(xué)研究證明，通過(guò)刺激人的視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)能夠較好地達到報警的目的。并且，閃爍的燈光與斷續的聲響最能夠引起人們的注意�；谏厦娴倪@種考慮，在設計中使用了74LS0 0、74LS04等集成門(mén)電路芯片組成的脈沖信號發(fā)生器來(lái)控制聲音的斷續和燈光的亮滅。 外界環(huán)境中的溫度被溫度傳感器所采集，溫度傳感器會(huì )將此時(shí)的溫度轉換成電壓值，該電壓值經(jīng)過(guò)匹配后送入A/D轉換器，經(jīng)過(guò)轉換之后的數據送入單片機進(jìn)行處理。單片機按照編制好的程序進(jìn)行處理，如果確實(shí)此時(shí)的溫度超過(guò)了人們憑借經(jīng)驗設定的閾值，單片機將通過(guò)指令使P0.0、P0.1兩口輸出為高電平(約為+5 V)，使得揚聲器與發(fā)光二極管產(chǎn)生報警信號。該部分的電路設計如圖4和圖5所示。 2 系統軟件設計 為了便于程序的修改，將系統按照模塊化的方法進(jìn)行設計。該系統由溫度采集、A/D轉換、數據處理、報警輸出4個(gè)模塊部分組成。溫度采集是由溫度傳感器LM35完成，A/D轉換和報警輸出是由單片機進(jìn)行控制的。而數據處理部分則是單片機接收到A/D轉換器送來(lái)的數據后，在單片機內部完成的，其結果將決定報警輸出模塊是否工作。 系統的工作流程是：LM35采集溫度，并且將溫度信號轉換成電信號：A/D轉換將線(xiàn)性放大后的模擬電信號進(jìn)行A/D轉換，使之成為單片機能夠處理的數字信號;單片機通過(guò)處理轉換后的數字信號來(lái)分析采樣的溫度值，并將分析結果送到報警輸出電路中;報警輸出電路根據分析的結果做出相應的反應。系統的軟件設計流程圖如圖6所示。 2.1 A/D轉換模塊 A/D轉換器在啟動(dòng)之前需要對其進(jìn)行初始化，否則會(huì )影響后面的使用。根據圖2的連接方式，初始化時(shí)將單片機的P1.4口置1，然后軟件啟動(dòng)一次轉換過(guò)程即可。在轉換的過(guò)程中。由于任何A/D轉換器都會(huì )有一定的轉換時(shí)間，所以在轉換時(shí)要設置一定的延時(shí)，并且該延時(shí)要略長(cháng)于器件的轉換時(shí)間。由于 AD1812的轉換時(shí)間約為2.3 μs，在程序中可以將延時(shí)設置為3μs，以保證轉換過(guò)程的順利進(jìn)行。 2.2 中央處理模塊 這部分模塊的軟件設計主要包括單片機對A/D轉換模塊的控制、單片機處理送來(lái)的數據以及單片機對報警系統的控制3大部分。 對A/D模塊的控制主要包括對AD7812進(jìn)行有關(guān)控制字的寫(xiě)入以及對P1口的引腳的置位與清零操作;數據處理部分主要是將外界溫度轉換過(guò)來(lái)的電壓值與預先的經(jīng)驗閾值進(jìn)行比較，進(jìn)而決定是否啟動(dòng)報警系統;報警系統的設計則是根據數據處理的結果對P0口進(jìn)行清零或是置位，來(lái)啟動(dòng)或停止報警電路。 3 結束語(yǔ) 本文主要設計了一種自動(dòng)溫度測量報警系統，該系統的設計主要基于A(yíng)T89C51單片機，中央處理單元與外圍擴展模塊的構造簡(jiǎn)單，整個(gè)系統實(shí)現成本較低。由于LM35是采用單電源供電方式，因此該系統只能夠在5～150℃的范圍內工作，可以作為常溫下的報警裝置使用，尤其是在一些對溫度較敏感的電氣設備內部，可以起到防止設備故障的作用，故而具有一定的實(shí)用價(jià)值。在設計中沒(méi)有使用并口的A/D轉換AD0 809而是使用了串口轉換的AD7812為單片機節約了許多端口資源，可以利用這些資源擴展LED或LCD顯示系統，也可制成溫度的測量與報警系統，使其功能更加完善。 |
