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开发设计温度测量和控制系统

添加时间:2019/08/01
通过DS1820 数字温度传感器采集温度,以单片机为核心控制部件,并通过 LCD 显示实时温度。软件方面采用 C 语言和汇编语言来进行程序设计,使指令的执行速度快,节省存储空间。
  以下为本篇论文正文:

摘要

  在工业自动化系统中,工业过程控制、过程监测及机电一体化控制等,都是以单片机为核心的单机或多机网络系统。在单片机硬件得到迅速发展的同时,开发单片机所用软件的开发语言也发生了变化,单片机控制系统已经实现了智能化控制,它提高了系统的开发效率也提高了产品质量等。由于单片机在体积、功耗、价格和操作性能等方面的优势,它已得到广泛的应用。数据测量与控制是计算机实践应用的主要方向之一,数据的采集、处理和控制等的实现都是该领域的需要核心解决的问题。而温度值在很多控制系统中是一个重要的指标。某些控制场合下温度指标值有时要求准确多点实时测量。目前市场中大多数温度测量系统均为单点温度测量,由于采样位数偏低或编程算法冗长等原因,出现其测量温度精度不准确。系统开发起来比较浪费工时,同时系统的干扰问题也很难解决。温度传感器正向数字式和智能化的方向发展,能够让温度测量系统能更好地应用到各种控制领域。

  论文从软硬件两方面对多点温度测量系统的设计分模块进行了阐述,介绍了温度传感器 DS1820、微处理器 W78E516B 等系统主要部件的相关参数并对其外围电路进行了设计。

  本文基于单片机的嵌入式系统的开发与设计技术,结合温度监测的实际应用,根据 RTOS 系统的选取原则,本系统采用了μC/OS-II 嵌入式实时操作系统。

  系统微控制器选用了 8 位的微控制器 W78E516B。测量温度器件采用 DS1820 温度传感器。利用 RS-232C 总线进行数据通讯。使本设计的该系统能耗低、体积很小、传输距离远、可靠性高与系统的 ISP 功能、抗干扰强的优点结合起来。

  关键词:控制器;温度测量;数字温度传感器;嵌入式系统;实时多任务操作系统

Abstract

  In the industrial automation system, industrial process control, process monitoring and electromechanical integrated control, are all single microcontroller as the core or multi machine network system. With the rapid development of the hardware, software development language with the development of single-chip microcomputer has changed, single-chip microcomputer control system has realized the intelligent control, it improves the efficiency of system development and improve the quality of the products. Due to the single-chip microcomputer in volume, power consumption, price and performance, it has been widely used. Data measurement and control is one of the main direction of computer application, data acquisition,processing and control are the fields required core problem. While the temperature value in many control systems is an important index. Temperature index of some control situations sometimes requires accurate value multi-point real-time measurement. According to the investigation, most temperature measurement systems are single point temperature measurement systems on the market at present. Due to the low sampling digit and long programming algorithm, temperature measurement precision is not accuracy.System development waste of time, the system, and the interference problem is difficult to solve. The temperature sensor is a digital and intelligent direction, can make the temperature measurement system can be better applied to the control field.

  The paper elaborates the design of the multi-point temperature measurement system basing on modules from two aspects of hardware and software. It introduces the related parameters of the main parts of the temperature sensor DS1820, the microprocessor W78E516B and designs their peripheral circuits.

  This paper is based on the development and the design technology of microcontroller’s embedded system, according to the practical application of temperature monitoring with selection principle of the RTOS, this system uses a muC/OS - II embedded real-time operating system.; the microcontroller selects 8 bit micro controller W78E516B. Temperature measuring device uses DS1820 temperature sensor. Using the RS - 232c bus for data communications. Make the design of the system is low power consumption, small size, long transmission distance, high reliability and system ISP function, combine the advantages of strong anti-interference.

  Keywords:Controller; temperature measurement; digital temperature sensor; embedded system; real-time multitasking operating system;

  在工业自动化系统中,单片机承担了智能化的任务。由于单片机在体积、功耗、价格和操作性能等方面的优势,它已得到广泛的应用。单片微型计算机是微型计算机的一个分支,它以其独特的结构和性能,越来越普遍地应用到国民经济建设的各个领域。在工业自动化系统中,单片机承担了越来越多的智能化任务,加之单片机具有集成度高、成本低、多功能、易于产品化等特点,因此倍受青睐。

  此外,新型单片机的接口,无论从类型上还是数量上都得到了很大的发展,这不仅大大地提高了单片机的功能,且使系统的总体结构也大大地简化了。

  单片机作为应用系统中的核心部件,按其结构和微电子设计的优点,它已完全融入应用系统中,故而单片机也称为嵌入式微控制器。在嵌入式微控制器中,数据的采集、处理和控制是计算机实践应用的主要方向之一,数据的采集、处理和控制等的实现都是该领域的需要核心解决的问题。近年来,单片机已经应用到了家用电器、办公自动化、工业自动化、智能仪表的控制电路和航空航天电子系统等领域,既微控制技术已得到不断发展,日益完善、充实。温度测量控制系统就是用于数据测量、数据处理、自动监测等功能的机电控制系统。这种系统适用于粮库、药房等仓储货物的管理,并为其提供了科学的储存监测处理设备。温度是一个非常重要的检测标准,为更好的掌握目标温度变化、大力的减少损失、降低管理成本、增加经济效益提供了有力保障!该系统广泛地应用了单片机计算机,实现了生产、管理以及社会生活的现代化,从而使科学技术成为主要的生产力[1]。本文基于单片机的嵌入式系统的开发与设计技术,结合温度监测的实际应用,根据 RTOS 系统的选取原则,本系统采用了μC/OS-II 嵌入式实时操作系统。

  系统微控制器选用了 8 位的微控制器 W78E516B。测量温度器件采用 DS1820 温度传感器。利用 RS232 总线进行数据通讯。使本设计的该系统能耗低、体积很小、传输距离远、可靠性高与系统的 ISP 功能优点结合起来。设计了一个单片机温度测量和控制系统。

  当前,我国信息化技术和应用发展非常广泛,在许多科研机构和办公场所都使用了办公自动化设备。因此,在一个狭小的区域内使用了很多的用电设备,整个狭小的空间里需要使用较多的电源装置,这种情况存在着严重的火灾隐患。所以,需要经常进行温度检测,防止出现严重的火灾事故。通过经常进行温度检测,可以达到在发生火灾事故时第一时间发现,并能够及时进行监测报警,避免造成财产损失和人员伤亡。

  以前,主要使用模拟物理量来测量和监控温度,可以得到比较直观的结果。这种方法所使用的测温元件多数是热电阻和热电偶元件,在系统设计过程中,由于体积大、能耗高、抗干扰能力弱,应用过程中非常麻烦,而且不便于在温度测量和控制系统中应用。

  目前数字温度传感器已得到了广泛的应用,体积较小的数字传感器已经代替了温敏电子元器件的模拟物理量进行测量。很多电子元器件生产企业根据不同应用和需求研发了多款产品,物美价廉。使本设计有了很大的选择余地来选取数字温度传感器,准确多点实时测量温度[2]。通常情况下计算机控制系统是应用程序设计方法实现系统的测量功能,这种软件设计实现时候比较麻烦,主要体现在实时性差、并行操作的相互通信实现比较困难、维护不方便、移植性差、程序结构冗长。

  计算机在处理中断程序时,一般都响应高级中断程序处理,因此中断处理程序要求尽量简单,程序执行时间短,这样可提高系统的实时性。计算机处理程序时遵循级别高先响应级别低后响应的原则,高级中断程序处理在实时操作的处理过程中比较复杂,占用 CPU 的执行时间较长。低级或同级中断就无法实时响应处理。如果用设置标志来中断,一方面会增加程序的复杂性,另一方面主程序不可能在执行其它程序时,随时去检查这些标志位而转向其它的处理程序。因此很难达到系统的实时正确处理。由于实时控制系统的功能较强,系统中各个部分之间需要进行数据和信息的相互通信。若采用中断方式处理数据的话,则各部分之间需并行传输交换信息的,该种方法很难实现并行操作的相互通信。随着单片机控制系统的功能要求越来越复杂,相应的程序要求也越来越繁琐,尤其是在实现并行传输数据和信息时需使用大量的中断和标志,因此使得程序很难设计和调试。

  采用顺序程序设计方法和中断方法的结构,使得程序难于修改和移植。为了实现系统各任务有效准确地互相传输数据和信息,采用了多任务操作系统的单片机嵌入式控制系统。设计软件程序时合理地应用多任务操作系统,使控制系统的软件程序能更好的并行处理多个任务和工作。

  由于采用了 RTOS 操作系统,控制系统的中断、互相数据传输、任务管理等特有性能可以得到充分的利用,有效地缩短了处理繁琐复杂程序设计的时间并提升了处理信息的精确性。在系统运行时,在多任务操作系统中背景程序得以先运行,它能够把 CPU 和存储器合理的分配给每项任务,从而使程序并行处理,并且系统的精确性得到了大大的提高。

  由于单片机应用系统软硬件资源所限,单片机系统的开发需要有相应的开发工具和开发环境,要进行系统开发设计。设计者不但要熟练掌握单片机语言的编程技术,而且还要具备较扎实的单片机硬件方面的理论和实践知识。虽然单片机嵌入式系统的引入使控制系统大大“软化”,但与其它计算机应用问题相比,在具体的应用时硬件内容固然重要,但控制应用必须需要软硬件相结合。来提高单片机应用系统的各项性能和指标,实际中单片机嵌入式系统非常适宜多任务和实时系统。

  目前国内外经济发展速度迅猛,对各个应用程序的要求也相应提高,温度控制系统也成为了一些领域的关注的对象,并不断的向着智能化发展。国产的温度控制调节器分辩率不是很高,所以产生的结果也相对的模糊。而国外的温度控制调节器相对的再分辨率和精确度上提高了很多,但销售价位也比较昂贵。许多发达国家现在已经生产出来了一批性价比较高的温度控制器,而且应用范围非常广泛,例如美国、瑞典等。它们都有许多相似的特点,适用于一些处理系统比较繁琐冗长、受干扰程度较弱、精确度比较模糊的系统。繁琐冗长的处理程序所需要的时间就相对较长一些,就很有可能导致所处理的结果不具备实时有效性;受干扰程度较弱而且具备自动整定功能,就可以在系统处理的结果的同时自动的调节可接受范围内的允许的误差值从而得到更加准确的处理结果;借助计算机的技术实时的控制温度的变化,使分析的结果精度更高。现在,我国的温度控制系统也在不断地借鉴国外的先进技术和经验,向更加高科技,智能化的方向发展[3]。

  为了更好的响应国家节能减排的号召,很多大规模的工厂都开始应用温度控制系统,来实时监控生产现场。温度测量控制系统就是用于数据测量、数据处理、自动监测等功能的机电控制系统。这种系统适用于粮库、药房等仓储货物的管理,并为其提供了科学的储存监测处理设备。智能化的温度控制系统不但节约了很多原本必须需要人工来承担的工作,而且还提高了检测的效率和精度,很好的加快了大中型企业生产现场的办公自动化进程。目前能够很好的与国外接轨的温度控制系统主要应用在主蒸汽温度控制系统和电力脱硫设备当中。在温度测控系统中,测量的仪器是非常重要的,好的测量仪器所分析的结果要更为准确和有效。

  在温度控制系统中,温度传感器的种类也很多,其温度检测方法也是各种个样。按温度传感器按安装方式分为两大类,既接触式和非接触式传感器。

  温度测量是直接接触被测物体进行测量,在一定的测温范围内,利用传导或对流达到热平衡的原理,也可实现监测物体内部的温度分布情况。

  测温元件与被测物体不直接接触。对于测量运动物体、小目标和热容量小的被测物体的表面温度,可使用这种传感器实现温度测量,同时对温度场的温度分布情况也可进行监视和测量等。

开发设计温度测量和控制系统:

单片机嵌入式系统的软硬件协同设计
单片机嵌入式系统的软硬件协同设计

W78E516B 内部结构图
W78E516B 内部结构图

DS1820 内部结构图
DS1820 内部结构图

系统硬件结构框图
系统硬件结构框图

显示电路原理图
显示电路原理图

系统软件结构框图
系统软件结构框图

目 录

  摘 要
  Abstract
  目 录
  第一章 绪 论
    1.1 理论基础及设计意义
    1.2 温度控制系统概述
    1.3 设计工作
    1.4 设计内容
  第二章 单片机嵌入式系统基础
    2.1 单片机嵌入式系统简述
      2.1.1 单片机嵌入式系统的历史
      2.1.2 单片机嵌入式系统的结构
      2.1.3 单片机嵌入式系统开发技术
      2.1.4 系统开发环境选取
    2.2 温度传感器简述
      2.2.1 温度传感器的发展介绍
      2.2.2 DS1820 温度传感器的选取
    2.3 本章小结
  第三章 需求分析
    3.1 系统设计思想
    3.2 系统功能需求分析
    3.3 其他需求
    3.4 本章小结
  第四章 系统设计与实现
    4.1 系统硬件详细设计
    4.2 系统软件设计
      4.2.1 任务的划分
      4.2.2 人机交互任务的实现
      4.2.3 串行通信模块的设计
      4.2.4 远程加载程序的设计
      4.2.5 温度监控软件的实现
    4.3 系统测试
      4.3.1 系统测试概述
      4.3.2 系统的具体测试
    4.4 本章小结
  第五章 结论
    5.1 工作总结
    5.2 系统的完善及展望
  参考文献
  作者简介
  致 谢

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