安全檢測技術(shù)課程設(shè)計——廠房溫度監(jiān)測與系統(tǒng)設(shè)計

1、_中國計量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院安全檢測技術(shù)報告_課程設(shè)計報告課程設(shè)計名稱：安全檢測課程設(shè)計 課程設(shè)計題目 廠房的溫度檢測與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計系（部） _專業(yè)班級 _姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 _ 2013年 7 月 2 日目錄1.前言12.緒論22.1廠房溫度檢測的發(fā)展?fàn)顩r22.2研究課題的意義23.方案的選定44.核心元件64.1.單片機64.2.傳感器64.2.1 AD8494傳感器特點64.2.2 AD8494傳感器基本概述74.2.3 AD8494傳感器引腳介紹與功能描述74.3.顯示器84.4.繼電器85.系統(tǒng)硬件設(shè)計95.1溫度檢測電路設(shè)計95.1.1 AD8494傳感器的基本連接95.1.2

2、 AD8494傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理105.1.3 AD8494傳感器電路設(shè)計115.2振蕩電路的設(shè)計115.3上電手動復(fù)位電路的設(shè)計125.4 顯示電路設(shè)計135.5 溫度控制電路及超溫報警電路設(shè)計136.軟件設(shè)計157.仿真調(diào)試168 總結(jié)179.參考文獻(xiàn)1810.附錄191.前言本人在小組中主要負(fù)責(zé)硬件設(shè)計，主要包括傳感器（溫度檢測電路）與整體硬件電路。溫度是與人類生活、工作關(guān)系最密切的物理量，也是個門學(xué)科與工程研究設(shè)計中經(jīng)常遇到和必須精確測量的物理量。從工業(yè)爐溫、環(huán)境氣溫到人體的溫度；從空間、海洋到家用電器，各個技術(shù)領(lǐng)域都離不開測溫和控溫。溫度傳感器也稱為熱電傳感器，是檢測溫度的器件

3、，在所有的傳感器中，其種類最多，應(yīng)用最廣，發(fā)展最快。目前，市場上的溫度傳感器主要有利用半導(dǎo)體材料的溫度特性制成的熱敏電阻、以鉑電阻為測溫材料的鉑電阻和有兩種不同材料的導(dǎo)體組成的熱電偶等。溫度傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、汽車工業(yè)、食品儲存、醫(yī)藥衛(wèi)生等各個領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，用于各種需要對溫度進(jìn)行檢測、控制及補償?shù)葓龊稀?而熱敏電阻傳感器簡稱為熱敏電阻，是一種電阻值隨溫度變化半導(dǎo)體熱敏元件，它是由一些金屬氧化物，如鈷、錳、鎳等氧化物，采用不同比列的配方，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的。 2.緒論隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用,給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防事業(yè)、科技和人民的生活帶來了革命性的變化。作為信息化社會的每一個成員，人們時刻都在進(jìn)

4、行著信息的產(chǎn)生、采集、傳輸及處理的活動中，作為獲取信息的手段傳感器技術(shù)得到了長足的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求要來越高，需求也越來越迫切。 傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。一方面，由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號轉(zhuǎn)化為電信號，人們可以利用計算機實現(xiàn)自動測量、信息處理和自動控制；另一方面，實用中的傳感器都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號的處理、現(xiàn)實和控制的要求。只有通過對傳感器的原理

5、和傳感器應(yīng)用實例的分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。由于傳感器的被測信號來自于各個應(yīng)用領(lǐng)域，每個領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效時效，因此各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。2.1廠房溫度檢測的發(fā)展?fàn)顩r電子科技時代的今天，社會中的諸多行業(yè)對各種信息參數(shù)的準(zhǔn)確度和精確度的要求都有了幾何級的增長，而如何準(zhǔn)確而又迅速的獲得這些參數(shù)就需要受制于現(xiàn)代信息基礎(chǔ)的發(fā)展水平。在三大信息信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計算機技術(shù))中，傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在

6、我國各領(lǐng)域已經(jīng)引用的非常廣泛，可以說是滲透到社會的每一個領(lǐng)域，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在工業(yè)生產(chǎn)中更離不開溫度的測量。2.2研究課題的意義改革開放已經(jīng)三十多年，中國經(jīng)濟飛速的發(fā)展，據(jù)了解世界500強在華企業(yè)已有將近400家，這說明越來越多的超級工廠在我國建立起來，產(chǎn)品的儲存越發(fā)重要，對廠房檢測的需要更加精密、更加廣泛。而對溫度的監(jiān)測更加重要，如果沒有做好這些監(jiān)測系統(tǒng)，就是對人們勞動果實的不負(fù)責(zé)。例如在糧食、藥材等的儲存?zhèn)}庫，若不對倉庫內(nèi)的溫度或濕度進(jìn)行實時檢測，就不能及時了解糧食、藥材的儲藏狀況，可能發(fā)生腐爛，造成極大的經(jīng)濟損失。所以對環(huán)境溫度和濕度提

7、出了很高的要求，因此能否有效地對這些領(lǐng)域的環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行實時監(jiān)測和控制是一個必須解決的重要課題，對我國的發(fā)展具有重要意義。3.方案的選定本組選擇以AT89C51單片機為核心且基于溫度傳感器AD8494的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計簡單且設(shè)計靈活并且還具有抗干擾能力強、使用方便、能夠在環(huán)境比較惡劣的情況下對溫度進(jìn)行現(xiàn)場的測量等優(yōu)點?；谝陨系膬?yōu)點，本系統(tǒng)常用在大型工業(yè)及民用的溫度檢測環(huán)境之中，例如糧食倉儲系統(tǒng)、樓宇自動化系統(tǒng)。具體系統(tǒng)框圖如下:圖3-1設(shè)計框圖在本方案中，AT89C51單片機是本系統(tǒng)的核心，其他所有的操作都要受到它的控制。在本系統(tǒng)中該單片機就相當(dāng)于人的大腦控制著整個系統(tǒng)。溫度信號由AD

8、8494采集，能直接將測量的溫度模擬信號變換成數(shù)字信號，再將數(shù)字信號傳送給主機。單片機通過對接受的溫度信號進(jìn)行比較而做出相應(yīng)處理，從而實現(xiàn)溫度控制的目的。外圍的大功率驅(qū)動電路主要是利用繼電器的開關(guān)驅(qū)動功能來實現(xiàn)的。另外在顯示電路的設(shè)計上，考慮實際應(yīng)用中，便于工作人員的觀察以及為了減少一定的的成本，使其更容易在市場上推廣，本方案需要采用大尺寸LED數(shù)碼管，這樣可以讓工作人員采集溫度數(shù)據(jù)時變得更加方便簡潔。將該方案運用于本課題的具體設(shè)計中，功能體現(xiàn)大致如下：能對檢測點的溫度進(jìn)行實時監(jiān)控。正常溫度范圍為15至28攝氏度，當(dāng)溫度超出正常溫度時，通過單片機驅(qū)動外圍的降溫或升溫設(shè)備，同時，驅(qū)動聲光報警器。

9、另外，測點的溫度在4位7段LED數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。4.核心元件4.1.單片機1.AT89C51 簡介：AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。2.AT89C51 特點：AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種

10、軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。4.2.傳感器通過對各種溫度傳感器的比較與選擇之后，AD8494傳感器更能滿足本系統(tǒng)的性能要求。所以本系統(tǒng)最終采用溫度芯片AD8494來測量溫度。AD8494熱電偶放大器為熱電偶溫度測量提供了一種簡單的低成本解決方案。這個放大器解決了熱電偶測量的許多困難。固定增益儀表放大器能夠放大很小的熱電偶電壓，而集成溫度傳感器可實現(xiàn)冷結(jié)補償。AD8494溫度傳感器為集成熱電偶冷結(jié)補償器的精密儀表放大器。冰點基準(zhǔn)與預(yù)

11、校準(zhǔn)放大器的結(jié)合，使其能直接從熱電偶信號產(chǎn)生高電平(5 mV/°C)輸出。這些器件既可以用作獨立溫度計，也可以用作使用固定或遠(yuǎn)程設(shè)定點控制的開關(guān)輸出設(shè)定點控制器。4.2.1 AD8494傳感器特點1.單IC封裝的完整、精密激光晶圓調(diào)整的熱電偶信號調(diào)理系統(tǒng)。2.靈活的引腳分配允許其用作設(shè)定點控制器或獨立的攝氏溫度計。3.加固型輸入可以承受4 kV ESD，并提供高達(dá)VS ± 25 V的過壓保護(hù)(OVP)。4.差分輸入可以抑制熱電偶引腳上的共模噪聲。5.采用單電源時，可以偏置基準(zhǔn)引腳電壓以測量0°C。6.采用8引腳小型MSOP封裝，完全符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。7.成本低，易

12、于使用4.2.2 AD8494傳感器基本概述AD8494傳感器屬于高精密性熱電偶熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件,是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時，當(dāng)兩接合點 熱電偶溫度不同時，就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端存有溫差時，顯示儀表將會指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應(yīng)的溫度值。熱電偶的熱電動熱將隨著測量端溫度升高而增長，它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長度、直徑無關(guān)。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表,記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用AD8494可以采用單端電源

13、(低于3V)供電；通過偏置基準(zhǔn)輸入，可以測量0°C以下的溫度。為使自熱效應(yīng)最小，無負(fù)載的AD849x的總電源電流典型值為180A，但它也能向負(fù)載提供超過±5 mA的電流。AD8494通過激光晶圓調(diào)整進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，與J型(鐵-康銅)熱電偶的特性相匹配。AD8494支持寬電源電壓范圍。在5V單電源下，5mV/°C輸出使這些器件可以覆蓋近1000度的熱電偶溫度范圍。在3V電源下，AD8494可以直接與低電源電壓ADC接口。這些器件也可以采用高達(dá)36V的電源供電，支持要求寬共模輸入范圍的工業(yè)系統(tǒng)。4.2.3 AD8494傳感器引腳介紹與功能描述圖4-1引腳配置 IN負(fù)輸入

14、REF基準(zhǔn)電壓。(此引腳必須以低阻驅(qū)動) VS負(fù)電源 NC不連接 SENSE檢測引腳。在測量模式下，連接到輸出；在設(shè)定點模式下，連接到設(shè)定點電壓。 OUT輸出 +VS正電源 +IN正輸入4.3.顯示器定制的4位7段LED顯示片。它采用89C51單片機的通用IO口P1.0、P1.1作為模擬I2C總線：LED顯示器為4位共陰極LED，A/K引腳接電源；顯示驅(qū)動芯片采用P87LPC762作定制，命名為LED-762。4.4.繼電器在本系統(tǒng)中涉及到驅(qū)動聲光報警器以及驅(qū)動制冷器和制熱器的電路，即需要利用單片機發(fā)出的信號來控制溫度調(diào)節(jié)電路的工作狀態(tài)。由于單片機I/O口的輸出電壓最大為5V，不能直接驅(qū)動這些

15、電器進(jìn)行工作，于是我們引入了繼電器，它可以實現(xiàn)小電流控制大電流的功能。在聲光報警器電路中，我采用的是電磁繼電器，而在制冷制熱電路中我采用的是固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器與電磁繼電器相比它具有無觸點無動作噪音，開關(guān)速度快無火花干擾和可靠性高等優(yōu)點。在制冷制熱電路中，其被控制回路接入的是220V交流電，為了保證其可靠性更高，于是我選擇了固態(tài)繼電器。5.系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)在功能設(shè)計上可將整個裝置分為測量單元、CPU單元、顯示單元、鍵盤輸入單元和報警單元幾個部分： 圖5-1 系統(tǒng)主要模塊框圖5.1溫度檢測電路設(shè)計5.1.1 AD8494傳感器的基本連接下圖顯示了K型熱電偶或J型熱電偶輸入的AD849x基本連

16、接圖5-2 AD849x的基本連接為了測量負(fù)溫度，需對基準(zhǔn)引腳施加一個電壓，以偏置0°C時的輸出電壓。AD849x的輸出電壓為： VOUT = (TMJ × 5 mV/°C) + VREF 作為溫度傳感器，AD8494的溫度測量范圍為40°C至+125°C，精密輸出為：VOUT = TA × 5 mV/°CAD8494最適合用作環(huán)境溫度傳感器。如下圖：圖5-3 環(huán)境溫度傳感器5.1.2 AD8494傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理該芯片是針對K型熱電偶溫度測量的，它集成了冰點基準(zhǔn)與預(yù)校準(zhǔn)放大器，能夠直接把熱電偶信號放大為高電平（5m

17、V/°C）輸出，具較高的可靠性。采用數(shù)碼管對AD8494的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片具有12位的轉(zhuǎn)換精度，而且采用簡單SPI串行輸入接口，方便與單片機的連接。電偶放大器AD8494內(nèi)置一個片內(nèi)溫度傳感器，一般用于冷結(jié)補償，將熱電偶輸入端接地，該器件便可用作一個獨立的攝氏溫度計。在這種配置中，放大器在片內(nèi)儀表放大器的輸出引腳與（一般接）參考引腳之間產(chǎn)生5 mV/°C的輸出電壓。這種方法有一個缺點，當(dāng)測量較窄范圍的溫度時，系統(tǒng)分辨率不佳。考慮這一情況：采用5 V單電源供電的10位ADC具有4.88 mV/LSB的分辨率。這意味著，圖1所示的系統(tǒng)具有約1°C/LSB的分辨

18、率。如果目標(biāo)溫度范圍較窄，例如20°C，則輸出改變幅度為100 mV，ADC的可用動態(tài)范圍僅有1/50得到利用。(ADC：單純的就動態(tài)范圍而言，它是指接收的信號的最大值（該值可以是頻率或強度）與最小值之間的比值取對數(shù)所得的數(shù)據(jù)。)圖5-4 簡單溫度計5.1.3 AD8494傳感器電路設(shè)計AD8494傳感器與AT89C51單片機的連接在實際片使用中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)使電源電壓保持在5v左右。 圖5-5 AD8494傳感器與AT89C51單片機的連接5.2振蕩電路的設(shè)計 本系統(tǒng)采用內(nèi)部方式產(chǎn)生單片機所需的時鐘信號。圖4.1 中，由振蕩器OSC 和電容 C1 和 C2 構(gòu)成了并聯(lián)諧振回路作為定時元件

19、，振蕩源可選用晶體振蕩器 或陶瓷振蕩器，頻率為 1.212MHz，電容 C1、C2 為530pF,起頻率微調(diào)作用。 在本電路系統(tǒng)中選用的是晶體振蕩器，晶振頻率為6MHz，C1 和C2 均為15pF。 晶振的頻率越高，則單片機的時鐘頻率越高，單片機運行速度越快。具體電路如下：圖5-6 振蕩電路圖.5.3上電手動復(fù)位電路的設(shè)計 復(fù)位電路，其實現(xiàn)的功能是既能實現(xiàn)上電復(fù)位，又能實現(xiàn)按鍵復(fù)位， 故該電路更能滿足系統(tǒng)實際應(yīng)用要求。當(dāng)按鈕開關(guān)S1 未按下時，電容被充電， 當(dāng)經(jīng)過一定時間后，電容電壓達(dá)到 5V，當(dāng)開關(guān)按下，電容開始放電，電阻 R1和R2 構(gòu)成一個串聯(lián)的分壓網(wǎng)絡(luò)，只要讓電阻R2 上的分壓達(dá)到高電

20、平的閥值， 因為我們按動按鈕開關(guān)使其閉合的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單片機復(fù)位所用的時間，所以就 可以使單片機復(fù)位。由于充電公式：Uc(t)=Uc(0)+Uc(無窮)-Uc(0)(1-e-t/RC)； 放電公式：Uc(t)=Uc(無窮)+Uc(0)-Uc(無窮)e-t/RC其中Vc(無窮)為電容電壓充、 放電終值，Vc(0)為電容電壓起始值。由于晶體振蕩器選用 6MHz，故機器周期 為2us，而要保證開關(guān)按下后單片機實現(xiàn)復(fù)位，需保證復(fù)位端口的高電平至少保 持時間是 2 個機器周期以上，即此時電壓值為 2.5V 以上的時間至少維持 4us。 通過放電公式的計算，可知C3 取22uF,R1 取200，R2 取1

21、K 就能滿足要求。 具體電路圖如下： 圖5-7 上電手動復(fù)位電路圖5.4 顯示電路設(shè)計以定制的4位7段LED顯示片為例，設(shè)計的LED顯示驅(qū)動電路如圖所示。圖5-8 顯示驅(qū)動電路圖5.5 溫度控制電路及超溫報警電路設(shè)計單片機通過三極管控制繼電器的通斷，最后達(dá)到控制相應(yīng)的電器的目的。當(dāng)溫度范圍保持在20-28時，單片機將P1.0口置1，此時三極管發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)未正想導(dǎo)通使三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，故電器不工作。當(dāng)溫度超過28攝氏度時，單片機相應(yīng)的端口發(fā)送低電平，從而使三極管處于飽和狀態(tài)，驅(qū)動制冷器工作，而達(dá)到降溫的作用，同時，聲光報警器被驅(qū)動工作。同理，當(dāng)溫度低于5時，單片機驅(qū)動加熱器工作，達(dá)

22、到升溫的作用，同時，聲光報警器被驅(qū)動工作。6.軟件設(shè)計7.仿真調(diào)試8 總結(jié)9.參考文獻(xiàn)1段晨東：單片機原理及接口技術(shù)M 北京：清華大學(xué)出版社，20082劉文濤：單片機語言C51典型應(yīng)用設(shè)計M北京：人民郵電出版社，20103蘇家健，曹伯榮，汪志鋒。單片機原理及應(yīng)用技術(shù)M.北京：高等教育出版社，20044毛謙敏.單片機原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計M.北京：國防工業(yè)出版社2005.5童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社 2001.6劉建清，魯金，王春生.從零開始學(xué)單片機M.北京：國防工業(yè)出版社2005.7李廣弟.單片機基礎(chǔ)（修訂版）M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,20

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24、38-6.4036-6.4411-6.4577-100-3.5536-3.8523-4.1382-4.4106-4.669-4.9127-5.1412-5.354-5.5503-5.7297-5.8128-5.891400-0.3919-0.7775-1.1561-1.5269-1.8894-2.2428-2.5866-2.9201-3.2427-3.3996-3.5536溫度010203040506070809095100000.39690.79811.20331.61182.02312.43652.85123.26663.68193.88924.09621004.09624.50914.91995.32845.73456.13836.54026.94067.347.73917.93878.13852008.13858.53868.93999.34279.747210.153410.561310.970911.382111.794712.001512.208630012.208612.623613.039613.456613.874514.293114.712615.132715.553615.97516.18616.397140016.397116.819817.243117.666918.091118.515818.940919.366319.792120.21812