测控技术与仪器 毕业论文范文——红外遥控温度监测系统的设计.doc

1、红外遥控温度监测系统的设计摘要：在现实生活和生产中，许多领域对温度都有着较高的要求。例如：食品加工企业中对车间的温度有着非常特别的要求，以确保产品质量；储备仓库中物品的存储质量也与温度有着密不可分的关系。对于固定点监测的场合，温度采集与显示可以直接采用人工报送的方式，但是对于分散点需要长期连续大范围监测的场合而言，人工报送在实时性方面存在一定的差距，显然不能满足需要，因此寻找一种便捷的、能够满足需求的手段成为一个亟需解决的问题。因此多点温度的监测已成为生产生活中重要的技术要求。自然，温度的采集与显示对于监测人员实时做出处理有着至关重要的作用。本温度监控系统以 8 位 MCS-51 型单片机为主

2、控制器，以高精度 AD590 为温度传感器，通过 8 位 ADC0809 转换得到数字量供单片机分析处理。然后单片机通过软件分析计算后将温度值通过 LED 点阵屏显示，通过 ISD1720 语音芯片进行播报。该系统能够精确测量 0.1以内的温度，该系统同时设有可通过红外遥控设定报警上限和下限值模块，语音播报更具人性化，显示界面友好，是理想的温度监控报警的设计方案。关键词： 温度，MCS-51，红外遥控，LED第 2 页 共 36 页The Design of Infrared Remote Control Temperature Monitoring SystemAbstract：In the

3、 reality life and production, there are high demands of temperature in many fields. For example, in order to guarantee the product quality, food processing industrial enterprise is highly strict with the temperature in the workshop; the storage product quality also has the inseparable relations with

4、 the temperature. For fixed-point monitoring place, the temperature acquisition and display can be directly submitted by artificial means, but for the place of scattered points which require long-term continuous monitoring a wide range, there is a time gap between the man submitted and real time, ob

5、viously it can not meet the demand. Therefore, multi-point temperature monitoring has become an important production technical requirement in the reality life and production. Naturally, the acquisition and display of temperature play an important role of make real-time processing.The temperature mon

6、itoring system is based on single-chip 8-bit MCS-51-based controller, which is using the high-precision AD590 integrated chip as the temperature sensor, after through the 8-bit digital conversion by ADC0809, the gathering signal is sent to the single-chip for analysis. After the analysis by the sing

7、le-chip based on software, the temperature is displayed by the LED, and then is been broadcasted by the ISD1720 voice chip. The system can accurately measure the temperature within 0.1 degrees Celsius. At the same time, the system is equipped with a module of alarm, and the module is set with values

8、 of the on-line and off-line through the infrared remote control. With the more humane voice broadcasting, and the friendly LED, it is an ideal design of Temperature Monitoring System. Keywords: Temperature, MCS-51, Infrared, LED第 3 页 共 36 页1 绪论1.1 课题背景和研究意义温度是一个十分重要的物理量，对它的测量与控制有十分重要的意义。随着现代工农业技术的发

9、展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要监测与控制温度。温度控制电路在工农业生产中有着广泛的应用。日常生活中也可以见到，如电冰箱的自动制冷，空调器的自动控制等等。现代社会是信息化的社会，随着安全化程度的日益提高，机房作为现代化的枢纽，其安全工作已成为重中之重，机房内一旦发生故障，将导致整个系统的瘫痪，造成巨大的损失和社会影响。且高温经常造成火灾，电气线路短路、过载、接触电阻过大等引发高温或火灾；静电产生高温或火灾；雷电等强电侵入导致高温或火灾；最主要是机房内电脑、空调等用电设备长时间通电工作，导致设备老化，空调发生故障，而不能降温；因此机房内所属的电子产品发热快，在短时间内机房温度升高超出

10、设备正常温度，导致系统瘫痪或产生火灾，所以温度监测系统的出现给现代社会带来了极大的便利。 温度采集在温度监测系统中扮演着重要的角色。温度采集的及时性、准确性、有效性决定了温度显示的单向性、时滞性、大惯性和时变性等。只有将温度准确的采集回来，检测人员才能根据显示的结果进行分析、判断，最后做出相应的处理。工业的不断发展，要求温度采集技术也相应的不断发展。因此，大范围、高精度的采集技术倍受致力科研工作人员的青睐。合理的温度采集范围和采集精度对提高产品质量、产量，降低消耗，均有重要的现实的积极的作用。采集到的信息如何能更好的发挥它的经济效益和社会效益，显示系统就显的相当重要。显示画面美观、清晰，显示内

11、容灵活、丰富，以及低功耗、长寿命都是我们选择显示屏时必须要考虑的问题。对于固定点监测的场合，温度采集与显示可以直接采用人工报送的方式，但是对于分散点需要长期连续大范围监测的场合而言，人工报送在实时性方面存在一定的差距，显然不能满足需要，因此寻找一种便捷的、能够满足需求的手段成为一个亟需解决的问题。短距离的无线通信技术成为首选，第 4 页 共 36 页红外遥控是被广泛使用的一种手段温度监测系统应用在了国民生产中的各个领域。例如在纸浆生产业中的木片储存仓库，纸浆储存仓库，还有发电锅炉中烟气分析中气体温度的检测等等，还有在食品加工，化学加工、制药，石油化学加工，造船等行业均得到了广泛的应用。而且，目

12、前我国人民生活水平目前提高，一些电器产品正深入到千家万户，据统计，我国目前有约 13 亿人口，几乎每个家庭都用过象热得快之类的烧水工具。随之而来的便是由于使用不当或在使用的同时却忘了而发生的事故。如果将温度监测系统用于实际，可以有效遏制该类事故发生。因此，如果该系统一旦投放市场，必将有很大的市场空间和广阔的发展前景。1.2 国内外研究现状研究现状随着信息技术的飞速发展，无线技术正在向各个领域渗透，特别是红外线无线技术，在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中得到了广泛应用。目前，红外无线技术主要应用于遥控和数据通信两个方面。遥控技术是指对具有一定距离的被控目标实施控制。按照传递遥控信

13、号媒介的不同，遥控技术可以分为无线遥控和有线遥控。有线遥控一般是利用金属导线或者光纤作为传输媒体；而无线遥控是利用无线电、红外光波、超声波等作为载体，不用导线，在空间传输。遥控的特点是近距离施控，多用于家电遥控，它所传输的数据量较小，一般仅为几个至几十个字节控制码。而数据通信中用红外无线技术是最近几年刚兴起的一种较新的技术，与蓝牙技术并驾齐驱。红外遥控是目前使用广泛的一种遥控手段，相比其它的遥控方式具有以下特点：（1）红外线是一种光，沿直线传播，指向性强，在通过空间悬浮粒子时不易发生散射，易于控制所指向的设备；（2）红外光不能穿透墙壁等障碍物；（3）借助一些措施（如光滤波、信号编码以及二次调制

14、等）能有效避免由外界干扰引起的误动作；（4）红外遥控反应速度快，工作稳定可靠；（5）红外遥控器体积小，价格低廉，易于实现；（6）红外辐射对人体无害。因此红外遥控在近距离遥控方面具有很大的优势，并且能够应用于高压，有毒气体，粉尘等恶劣环境中，大大节省了技术成本。众所周知，实现多路温度采集的手段多种多样。其中传感器无疑是此系统中重要的组成部分，对于采集来说，传感器的选择势必决定着系统性能的优劣。目第 5 页 共 36 页前，一般根据系统的精度要求采用两种采集模式。一种是经典的单片机系统前向通道的设计模式，即用传统的温度传感器，经放大，A/D 转换后输入到 CPU 中。另一种直接采用先进的集成温度传

15、感器。集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一块芯片上，能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-55150之间的温度测量。温敏晶体管在管子的集电极电流恒定时，其基极发射极电压与温度成线性关系，为克服温敏晶体管 vb 电压产生时的离散性，采用了特殊的差分电路。集成温度传感器具有电压型和电流型两种，电流输出型集成温度传感器在一定的温度 T 时相当于一个恒流源。因此，它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰，具有很好的线性特性。本系统采用美国模拟器件公司生产的 AD590，它只需要一种电源（4.524V）即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻，即可实现电流到

16、电压的转换。它使用方便，并且电流型比电压型的测量精度高。1.3 本课题要解决的问题跟据课题要求和研究意义和，本文不仅要解决整个系统的设计与调试，还要解决各个模块的硬件的设计和软件编程，包括多点温度采集模块的设计，红外接收模块的设计，LED 屏幕显示模块的设计，提示、报警模块的设计，其中传感器的选型，红外接收头选型，LED 点阵屏显示器的选型也是本文重点要解决的问题。第 6 页 共 36 页2 系统设计2.1 设计要求以 AT89C51 单片机为主控芯片，完成各个模块的硬件电路、软件流程和相关程序，设计的系统至少实现以下功能：多点温度的采集，LED 点阵屏的显示，可通过红外遥控实现多路温度信息的

17、查询，并能实现相关信息的 LED 屏幕显示，以及相关的提示功能。要求整个系统运行稳定、性能可靠。通过完成毕业设计，掌握 MSC51 单片机、红外遥控器及 LED 点阵屏的基本应用和相关的专业知识，掌握系统软、硬件的设计思路和实现方法等。2.2 各模块方案选择和论证2.2.1 设计思路本系统总共包括以下部分：温度采集，LED 显示，语音播报，红外收发。这么大的工程量，为求的系统的稳定，且有较大的灵活性，我们采用了 4 片 MSC-51，一片 MSC-51 作为主机，他接收 MSC-51(a)发来的 A/D 转换值和红外发来的按键代码值，予以处理；控制语音模块实现播报和实时温度读数；将温度显示在L

18、ED 点阵屏上。由于每一个温度计之间有一定的误差，为适应这一点，我们增加了适应性操作，就是用系统自动记录当前 A/D 转换值，人工输入当前的温度值，且系统将记录到 EPROM 里，实现一张简单的表，我们只要记录 10 个就可以了，十分方便。同时为增加系统绝对可控性，增加了矩阵键盘。2.2.2 控制器模块设计方案论证与选择题目任务是制作一个基于单片机的温度监控监测系统，所以我们首选单片机。单片机是集成了 CPU、ROM、RAM、和 I/O 口的微型计算机。有很强的接口性能，此系统和外围接口芯片比较多，选单片机作为主控器是明智的，单片机运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程来实现各种算法

19、和逻辑控制，并且由于其功耗低，体积小，技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。由于本系统外围接口比较多，所以采用双 CPU 为主控器，分别对其他各个模块进行检测和控制，这样减轻了单个 CPU 的负担，提高了系统的工作效率，同时通过CPU 之间的分段相互控制，减少了外围设备。本系统采用的是 8051 单片机。第 7 页 共 36 页2.2.3 温度采集模块设计方案论证与选择方案一、用热电偶测温 优点是测温范围宽，缺点是电动势低，对运放的要求高，重要的是热电偶测温需要冷端温度补偿，来消除冷端温度变化所产生的影响，对于本电路补偿温度要求精度很高，且准确，否则会给系统带来反所用，而且成本高，操

20、作复杂。方案二、利用热敏电阻作为温度传感器。NTC 热敏电阻阻值随温度的变化符合指数规律,其最大的缺点也在于它的非线性阻值分散性大复现性差,一般需要经过线性化处理, 使输出电压与温度之间基木上成线性关系。NTC 热敏电阻温度传感器的一致性和互换性较差。其次是老化较快。方案三、利用数字温度传感器，18B20，测量温度范围为- 55 + 125 ,在- 10 + 85 范围内,精度为0. 5 .DS1822 的精度较差,为2 .不符合本系统要求。方案四、利用集成温度传感器，当电源电压在 515 之间变化时，其输出电流的变化小于 1uA，当被测温度一定时流过 AD590 的电流与热力学温度成正比，其

21、灵敏度为 1uA/k,。在其适用温区范围内具有灵敏度高、线性好、功能全和使用简单方便。无论电压输出、电流输出还是频率输出都适合于与微机。综上所述，方案四适合本设计要求。由于本系统要求误差0.1 摄氏度；所以选用高精度的 AD进行数据转换，综合考虑选用 ADC0809，ADC0809 是采用 CMOS 工艺制造的双列直插式单片 8 位 A/D 转换器，工作温度范围为-40 85，功耗为 15mW，输入电压范围为 05V,单一+5V 电压供电，带有 8 个模拟输入通道，有通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器，分辨率为 8 位，理论上可达 0.0039的精度，这对课题的要求来说是完全够了。所以我

22、们选择方案四。2.2.4 显示模块设计方案论证与选择LED 是 light emitting diode,是发光二极管的英文缩写。LED 有数码管显示和点阵显示两种方案一：采用 LED 有数码管显示。LED 数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。共阴极 LED 数码管则与之相反。由于数码管显示的信息有限，只有 09（或再扩展第 8 页 共 36 页到 AF）几个字符，这些字符的变化是靠组合七段 LED 的发光与否实现的，由于段数不多，组合形式的字符也不多，为了能够显示更多更复杂的的字符，如汉字，甚至图形等信息。方案二：点阵形式既可代

23、替数码管显示，又可显示各种中西文及符号及各种图形，它以其显示内容丰富多采，显示方式多种多样，倍受人们的青睐。如 57点阵显示用于显示西文字母，58 点阵显示用于显示中西文，88 点阵显示用于显示中文文字，数字符号，也可用于图形显示。可采用“级联”的方式组成任意点阵大屏幕显示器，但这类实用装置常通过微机或单片机控制驱动。所以，依照题目的要求选择 16*64LED 点阵屏显示。2.2.5 语音模块设计方案论证与选择方案一、采用 APR9600 系列语音录放芯片，继美国 ISD 公司以后采用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放 32-60 秒，串行控

24、制时可分 256 段以上，并行控制时最大可分 8 段。但不能用软件实施控制播放音，所以不适合在数字播音的场合使用。方案二、采用 ISD1700 系列语音芯片，ISD1720 华邦 ISD 公司 2007 年新推出的单片优质语音录放电路，该芯片 提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示（ vAlert ） , 双运作模式（独立 & 嵌入式） ，以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部 包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。优点是是可录、放音十万次，存储内容可以断电保留一百年，两种控制方式，两种录音输入方式，两种放音输出方式。可处理

25、多达 255 段以上信息有丰富多样的工作状态提示多种采样频率对应多种录放时间。ISD1720 录音区的存储地址为 0x00100x00FF；真正录音范围T=0x00FF-0x0010+1=240 位录音时间可达 20 秒 ，通过软件控制可进行分段录音，分段播放，本系统只是用来播简单的语音，容量不算大，操作方便。若想增加功能可进行用 ISD1700的其他语音芯片，如 ISD1760 录音时间可达 60 秒。ISD1720 的接口为标准 SPI 接口， MSC-51 单片机自带 SPI 接口，接口电路简单，软件易于实现。综上所述，语音模块我们选择 ISD1720。第 9 页 共 36 页2.2.6

26、 键盘模块设计方案论证与选择本系统键盘主要用来设置上限下限温度，进行语音播报，温度通道选择 ，数据输入按钮。方案一：利用 8 个独立按键 直接和单片机连接的方式。缺点是占 I/O 口太多，而且按键数太少。方案二：利用 4*4 矩阵键盘。采用逐行逐列扫描的方法。优点占 8 个 I/O,可进行 16 个按键的设置，完全达到设计的需求，综上所述，方案二按键丰富 占 I/O 口又少，操作简单。所以选择方案二。2.2.7 电源模块设计方案论证与选择系统需要多个电源，单片机使用 2.7-5V 电压，语音模块是 2.45.5V，显示需要 35V。综合可知电源设置 5V 即可。方案一：采用升压型稳压电路。用两

27、片 MC34063 芯片分别将 3V 的电池电压进行直流斩波调压，得到 5V 稳压的输出。只需要使用两节电池，既节省了电池，又减少了系统体积重量， 但该系统供电电流小，供电时间短，无法使用相对庞大的的系统稳定运作。方案二：采用三端稳压集成 7805 得到稳定电压，利用此方法方便简单，工作稳定可靠。综上所述，选择方案二，采用三端稳压器电路。2.2.8 红外遥控模块设计方案论证与选择红外遥控是目前使用广泛的一种遥控手段，具有控制简单，实施方便，传输可靠性高等特点。在近距离遥控方面具有很大的优势，并且能够应用于高压，有毒气体，粉尘等恶劣环境中，大大节省了技术成本。如果温度能在点阵显示屏上显示的话，那

28、么指定通道的温度和报警上限值和下限值的重置就需要得到很好的控制。遥控技术应该是不二法门的选择。在很多实际的单片机应用系统中，常常利用非电信号（如光信号、超声波信号）来传送控制信号和数据信息，以实现遥控或遥测的功能。随着信息技术的飞速发展，无线技术正在向各个领域渗透，特别是红外线无线技术，在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中得到了广泛应用。第 10 页 共 36 页方案一：用 2262 和 2272 构成红外遥控器。专用的红外发射为 2262IR 型，才，但是发现用这两组组合的效果并不是很好，且数据传输效果也不理想，自主性不高。方案二：用单片机自己编码和解码，采用 MSC-51 产

29、生载波，准确度好，在用另一 MSC-51 的捕获口作为接收口。效果很理想。综上所述采用用单片机编码和解码。3.3 系统各模块的最终方案经过仔细分析和论证，决定了各模块的最终方案如下。（1） 控制模块: 采用 MSC-51 单片机控制。（2） 温度采集模块: 采用高精度集成传感器 AD590，AD 转换采用ADC0809。（3） 显示模块: 采用 16*64LED 点阵屏显示。（4） 语音模块: 采用 ISD1720 语音芯片。（5） 键盘模块: 采用 4*4 矩阵式键盘。（6） 电源模块: 采用三端稳压电路。（7） 红外部分模块: 采用单片机解码和解码。系统框图如图 3.3.1 所示单片机采集模块 MSC-51(a)主要采集 AD590 传来的数据，同时将数据发送给MSC-51，MSC-51 主要用来读取键盘的值，然后进行分析控制类型，将相对应的控制信号通过 LED 点阵屏显示和语音芯片播报，MSC-51 还将 MSC-51（a）采集来的数据经过分析和转换将数据显示在 LED 点阵屏上，同时当播报按键按下后，其控制 ISD1720 播报语音。