八路温度采集与显示系统设计
2 八路温度采集显示系统总体方案设计
2.1 确定设计流程图
在熟悉课题，明确任务的基础上，查阅相关资料，理清设计思路，综合考虑总的设计时间和各部分设计所需时间，最终决定将本次设计分五大步进行。
（1）熟悉课题，明确任务，查阅相关资料，确定总体设计方案；
（2）根据各部分的功能划分功能模块，确定每一模块的硬件组成，合理选取具有相应功能的器件；
（3）进行硬件设计，把各器件组成相应功能的模块，并把各功能模块进行电气连接，形成总的功能系统；
（4）进行软件设计，编写程序，实现各模块功能，使整个系统能够良好的运行； （5）进行仿真调试，检查各模块功能能否完全实现，综合考虑系统的灵活性、稳定性、误差大小及测温效率调整各器件的各项参数。使系统的处在最佳性能状态。
经分析总结，确定总的设计流程如图2.1所示。
开始总体设计方案功能模块划分系统设计软件设计硬件设计仿真调试 图2.1 设计流程图
2.2 八路温度采集显示系统方案论证
2.2.1 单片机的选取
若采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加
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了复杂度，且占用空间增大。
但是如果采用AT89C51单片机为控制核心优点凸显，51系列微处理器基于简化的嵌入式控制系统结构，被广泛应用于从军事到自动控制再到PC机上的键盘上的各种应用系统上，仅次于Motorola 68HC11在8位微控制器市场上的销量，很多制造商都可提供51系列单片机，像Intel Philips Siemens等，这些制造商给51系列单片机加入了大量的性能和外部功能，像IC总线接口，模拟量到数字量的转换，看门狗，PWM输出等，不少芯片的工作频率达到40M，工作电压下降到1.5V。基于一个内核的这些功能使得51系列单片机很适合作为厂家产品的基本构架，它能够运行各种程序而且开发者只需要学习这一个平台[1]。
比较这两种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用第二种方案，选用AT89C51单片机为核心处理器。
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2.2.2 温度传感器的选取
传感器是信号输入通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。由于传感技术的发展非常迅速，各种各样的传感器应运而生，所以对传感器的正确选用显得尤为重要。而众多传感器对微机化测控系统有较大的影响。当今应用较多的传感器大致可以分为以下几种[2]：
（1）大信号输出传感器。为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家设计制造一些专门与A/D相配套的大号输出传感器。通常是把放大电路与传感器做成一体，使传感器能直接输出0～5V、0～10V或0～2.5V要求的信号电压，把传感器与相应的变送器电路做成一体，构成能输出4～20mA直流标准信号的变送器。对于大电流输出，只要经过简单I/V转换即可变为打信号电压输出。对于大信号电压可以经A/D转换，也可以经V/F转换送入微机，但后者响应速度较慢。
（2）集成传感器。集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。
（3）光纤传感器。这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。
（4）数字式传感器。数字式传感器一般都采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数RLC构成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等，因此，数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强，便于远距离传送等优点。
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此外，采用数字量传感器时，传感器输出如果满足TTL电平标准，则可直接接入计算机的I/O口或中断入口。
如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理，因此在设计过程中选取温度传感器要注意一下几点：
（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—项具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
（2）灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的串扰信号
（3）频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
（4）线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带
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来极大的方便。
（5）稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
（6）精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。
显而易见，数字式温度传感器在本设计中的应用优点突出，综合考虑以上选取注意事项，本设计采用DS18B20单总线数字式温度传感器对温度信号进行采集。
2.2.3 显示器的选取
显示系统是单片机控制系统的重要组成部分，主要用于显示各种参数的值，以便使现场工作人员能够及时掌握生产过程。
工业控制系统中常用的显示器件有CRT、LED、LCD等，CRT不仅可以进行字符显示，而且可以进行画面显示，和计算机配合使用，可十分方便地实现生产过程的管理和监视，但由于CRT体积大，价格昂贵，所以只适用于大型微机控制系统。在中小型的控制过程中，为了使工作人员能够在现场直接看到生产情况和报警信号，经常选用LED和LCD作为显示器件。LED和LCD都具有体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，可靠性高和寿命高等优点。LCD是一种功耗极低的显示元件，在仪表和低功耗应用系统中的使用较多，而LED虽然成本低廉，也用于单片机控制系统中。但是现实数值位数及精度受到LED数量多少的限制，本设计要同时显示八路温度，若用LED显示需求片数太多，不仅总成本没有降低，而且体积增大，观察
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不便。所以，本系统采用LCD液晶显示。
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2.3 确定总体设计方案
通过对设计任务及相关芯片的深入了解，最终决定本设计采用AT89C51单片机作为控制器，选用单总线数字温度传感器DS18B20对温度进行采集，采用16×4字符的LCD显示器一起构成八路温度采集与显示系统，使得系统可以检测-55℃～
+125℃范围内的温度，选择分辨率为12位，使用液晶显示器对八路温度进行循环
显示，考虑到测温精度，设置显示数值精确到0.1℃，并且设置温度上下限，当某一路或几路温度值超过上下限温度时，报警电路中的蜂鸣器鸣响，提示灯亮。根据各模块要实现的功能及其各模块的结构特点，设计其总体结构如图2.2所示。
XTL1XTL2LCD显示AT89C51DS18B20...DS18B20串行端口上位机
图2.2 八路温度采集与显示系统结构图
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