1、本科毕业论文（20 届）窑 炉 温 度 自 动 记 录 系 统 设 计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要I摘要随着现代经济的进一步发展，一种新型的无纸记录仪越来越受到人们的青睐和大量使用，以前的自动测量仪需要有纸张来打印记录出温度的曲线，比较浪费人力和纸张钱财；为满足陶瓷等行业客户的需求，现在的这种新型的记录仪不需要纸张，直接隔一段时间自动将温度测量出并存储出来，人们可以方便的进行查询过去任意一个时刻的温度值，从而找出出错点，及时调整。根据设计要求，整体的电路，包括热电偶温度传感电路，室内温度检测电路，放大电路，A / D 转换电路，单片机电路，
2、键盘电路和 LED 数码显示电路，热电偶温度传感电路对应的方式实现自动温度测量，专门由微控制器的电路容量存储器存储温度控制。 MCU 总线和时钟电路相连的 LED 数码管显示和键盘电路有足够的石英晶体振荡器和分频器，后解码器驱动显示器，准确显示时间，整个电路由直流电源供电。整个电路可实现炉内温度测量记录，时钟显示和数据查询。陶瓷行业的及时记录温度，窑，方便人们查询和调整炉内温度，这是保证产品质量的关键。关键词：89S52 ，LED 显示, A/D 转换, 温度检测AbstactIIAbstractWith the further development of the modern econom
3、y, more and more people prefer use a new paperless recorder, the automatic measuring instrument before need the paper to print the temperature curve recorder out , such a waste of manpower and paper money; to meet the needs of customers who worker on ceramics and other industries Now there is a new
4、type of recorder do not need paper, Directly measure temperature and store it at regular intervals, people can easily query the temperature of any value at any time in the past and to find an error point, so they can adjust in time.According to design requirements, the overall circuit including the
5、thermocouple temperature sensing circuit, the temperature detection circuit, amplifier circuit, A / D converter circuit, microcontroller circuits, keyboard circuit and LED digital display circuit, the thermocouple temperature sensing circuit Correspond to a amplifier to realize the automatic tempera
6、ture measurement. There is a dedicated memory to store the temperature value in the circuit, it has a large capacity. Microcontroller connect with LED digital display circuit and the keyboard circuit by bus .And the quartz crystal oscillator and divider composed of the clock circuits , it through th
7、e decoder driver monitor accurately display the time, the entire circuit is supplied from the DC power .The entire circuit can achieve the purpose of record and measure the furnace temperature, the clocks display and data query. Record the furnace temperature of Ceramic industry and other in time, s
8、o it is easy for people to check and adjust the temperature, which is critical to ensure the quality of products.Key words: 89S52, LED digital tube, A / D converter circuit, temperature sensing目录III目录摘要 .IAbstract .II目录 .III第一章 引言 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 国内外仪器仪表行业发展现状 .31.3 本设计的主要内容 .4第二章 系统总体设计方案 .62.
9、1 系统的设计要求及原则 .62.2 系统总体方案的选择 .72.3 系统组成 .72.3.1 硬件设计 .72.3.2 软件设计 .9第三章 硬件设计 .103.1 单片机 .103.2 温度传感器的确定及电路设计 .113.2.1 环境温度传感器 .113.2.2 热电偶温度传感器 .123.3 测量放大电路 .153.3.1 集成测量放大器 AD521.153.4 A/D 转换器 .17目录IV3.5 数据存储器设计 .183.5.1 DS13B20 工作原理 .183.6 实时时钟的设计 .203.6.1 DS1302 工作原理 .203.显示和键盘电路的设计 .213.7.1 键盘模
10、块设计 .213.7.2 显示模块设计 .223.7.3 74LS164 工作原理 .253.8 电源电路设计 .26第四章 系统软件设计 .284.1 主程序流程图 .284.2 实时时钟 DS1302 .284.3 静态显示子程序 .324.4 A/D 转换 .34结论 .36参考文献 .37致谢 .39附录 .40第一章 引言- 1 -第一章 引言1.1 课题的背景和意义当今世界已经进入信息时代, 信息技术成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。以现场总线为主的智能化仪器仪表与自动化控制系统无疑是信息化带动工业化的最主要技术手段。从工业自动化仪表尤其是工业现场仪表的智能化、高精度化
11、、总线化、网络化的发展进程, 不难看出计算机技术对现代自动化仪表技术的发展起到了十分积极的促进作用, 计算机网络与工业局域网的融合又大大丰富和发展了现代自动控制技术。因此, 现代自动化仪表的智能化技术不但改善了仪表本身的性能, 还影响到了控制网络的体系结构, 它不再是功能单一的固定结构, 其适应性越来越强, 功能也越来越丰富。相信新一代的智能化仪器仪表将在计算机网络技术支持下, 在各行各业得到越来越广泛的应用。信息技术的进步推动了工业自动化仪表与控制系统的向前发展, 近年来, 计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及, 导致了仪表的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化, 形成了一类具有普通仪
12、表的基本功能,又有一般仪表所没有的特殊功能的高档低价仪表。工业自动化仪表重点发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表、特种和专用自动化仪表; 全面扩大服务领域, 推进仪器仪表系统的数字化、智能化、网络化 , 完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变。自动化仪表与控制系统的技术发展在数字化、智能化和网络化技术的支持下呈现出高可靠性、多功能和高适用性的发展趋势。温度是在工业、农业、国防和科研等部门中应用最普遍的被测物理量。有资料表明，温度传感器的数量在各种传感器中位居首位，约占 50%左右。在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发
13、展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。因此，温度测量在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用。第一章 引言- 2 -早期的温度记录仪都是有纸类型的，随着国内外仪表技术的越来越成熟，随着计算机的普及和广泛应用，温度记录仪的分类也越来越多。记录仪根据打印种类来分：分为温度无纸记录仪和温度有纸记录仪，无纸记录仪可通过 U 盘或 CF 卡来转存记录仪中的数据，再到电脑上，通过显示器来显示出记录的曲线和数据；而有纸记录仪可直接在现场打印出记录的数据，但是这个耗纸比较厉害，一般这些纸张都需要从厂家购买，一年的耗
14、纸量就达到几千元 甚至上万元，所以，随着科技的发展和人们环保观念的增强，有纸记录仪将逐渐的被无纸记录仪给取代。无纸温度记录仪的产生，因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，和更节约的设计理念，近些年来所占市场份额逐年猛增；近两年推出的带 u s b 接口的无纸记录仪更是极大的方便了数据的下载和保存。作为热能转换设备，工业窑炉广泛应用于建材、冶金、化工、电站等诸多领域，其运行质量对生产效率、产品质量、能源消耗、环境污染等有直接影响。温度是影响窑炉产品质量的关键因素，高温窑炉的温度测量是一个极其重要的研究课题，它对于研究和控制产品质量的稳定性、经济性都有着重要的意义。必不可
15、少的设备之一。在生产过程中，窑炉内各点的温度是否能保证在规定的工艺要求的范围内，将对产品、工件的质量、降低能耗以及提高生产效率和经济效益都会产生重要的影响，而且随着整机度的提高和元器件的微型化、复杂化在各种工业过程中对温度工艺的要求越来越高。这就需要一种可移动的温度数据采集仪器，可以连续追踪窑炉温度。窑炉温度追踪仪(可移动式温度数据采集记录仪)就是在这种情况下提出的。1.2 国内外仪器仪表行业发展现状测试仪器作为测试测量行业发展不可或缺的工具，在测试测量行业的发展中起到了巨大的作用。中国“十一五”期间，由于国家不断增加基础建设的投入力度，在旺盛市场需求的带动下，对仪器需求不断增加，同时测试仪器
16、市场也正在快速发展。 全球测试仪器市场情况及分析 国内电子测量仪器行业在经第一章 引言- 3 -过一段沉寂后，慢慢开始复苏。产品大幅增长主要有两个原因，一是市场的巨大需求，特别是通信、广播电视市场的巨大发展，引发了电子测量仪器市场的迅速增长，二是电子测量仪器行业近几年迅速向数字化、智能化方向发展，推出了部分数字化产品，因而在若干个门类品种上取得了较快增长。从近期中国仪表行业发展的情况来看势头喜人的，与全国制造业一样，虽然遇到了不少困难但仍然保持了向上发展的态势。 尽管中国仪器市场正在快速的发展着，但与国外仪器生产企业比较仍然有很大的差距。中国主要科研单位、学校以及企业等单位中使用的高档、大型仪
17、器设备几乎全部依赖进口。同时，国外公司还占有国内中档产品以及许多关键零部件市场 60%以上的份额。世界测试仪器市场对中国的影响依然非常大。目前，在世界电子测量仪器市场上，竞争日趋激烈。以往，测试仪器生产厂商主要都将仪器产品的高性能作为竞争优势，厂商开发什么，用户买什么。而今则已变成厂商努力开发用户需要的仪器，并且把更便宜、更好、更快、更易使用的测试仪器作为奋斗目标。在信息化的推动下，全世界测试仪器市场将继续保持增长的势头。人们普遍认为，电子测量仪器市场的前景依然乐观。 国际仪器发展趋势和国内现状 一、国际趋势 科学仪器的自主研发在创新型国家得到重视。欧美日等国家都把“发展一流的科学仪器支撑一流
18、的科研工作”作为国家战略，对科学仪器的装备和创新给予重点扶持。如美国通过国家自然基金和国家健康研究院等扶助科学仪器的研发，确保美国在世界科学仪器产业的领先地位；日本于 2002 年制定了高精密科学仪器振兴计划，在岛津公司的田中耕一因为在仪器方面的杰出贡献获得 2002 年诺贝尔奖后，日本文部科学省决定，从 2004 年起斥巨资开发世界尖端的分析计算测量仪器，以催生更多诺贝尔奖级的科研成果；欧盟在“第六框架计划”中将“操纵和控制设备和仪器的开发”列为纳米技术和纳米科学领域的重点内容，在“第七框架计划”中，斥资 41 亿欧元主要用于辐射源、望远镜和数据库等新型研究基础设施建设；加拿大自然科学与工程
19、研究理事会制定了“研究工具、仪器和设施计划” ，等等。 正是这些创新型国家政府的大力支持，使科研人员在科学仪器研发方面做出了重要贡献。近些年来，与科学仪器研究开发相关的诺贝尔奖基本上都授予了欧、美、日等创新型国家的科学家。 二、技术发展趋势 科学技术的飞第一章 引言- 4 -速发展，促进科学仪器新技术、新成果层出不穷。 目前，科学仪器已远远超出“光机电一体化”这个概念，除了加入计算机技术，还大量引进日新月异的高新技术，如纳米、MEMS、芯片、网络、自动化、免疫学、仿生学、基因工程等等新技术，同时，一些高精尖的军用技术向民用技术转移，大大提高了科学仪器的技术水平和更新换代速度。当今科学仪器发展总
20、体上呈现出如下趋势：一是，常规科学仪器向多功能、自动化、智能化、网络化方向发展；二是，生命科学科学仪器向原位、在体、实时、在线、高灵敏度、高通量、高选择性方向发展；三是，用于复杂组分样品检测分析的科学仪器向联用技术方向发展；四是，用于环境、能源、农业、食品、临床检验等国民经济领域的科学仪器向专用、小型化方向发展；五是，样品前处理科学仪器向专用、快速、自动化方向发展；六是，监控工业生产过程的科学仪器向在线、原位分析方向发展。1.3 本设计的主要内容鉴于此，本文对基于单片机的温度测量记录系统进行了相关研究。本系统是通过单片机控制来实现对窑炉环境的温度进行测量。本系统是以 AT89S52 单片机为控
21、制单元、热电偶温度传感器为主要检测器件，实现温度的测量、显示、记录，并利用单片机之间的通信功能，将所采集到的温度值在 LED 显示屏中显示出来。温度测量范围为 0 +1300，精度为0.4； 本文旨在通过软、硬件的有机结合，以硬件为基础，进行各功能模块的编写。论文对系统硬件的工作原理进行了简单描述，并附以系统硬件设计框图。并具体描述 LED 液晶显示屏、 AD574 及 AT89S52 等器件，程序流程和实现过程。第二章 系统总体设计方案- 6 -第二章 系统总体设计方案2.1 系统的设计要求及原则窑炉温度自动记录仪系统主要包括炉温自动检测仪硬件电路和分析软件两大部分。要求设计的温度自动检测记
22、录仪能对炉内直接与工件相连的热电偶及炉温进行温度的收集并把它们保存在仪器中，该系统使用用温度传感器将被测量的温度转变成电量，把信号调理后，经由模数转换器将模拟量转换成数字量，再送入单片机内程序操作和数据处理，经存储电路进行存储，并利用 LED 显示电路显示窑炉温度。具体设计要求归纳如下：(1) 具有窑炉温度的检测、显示、记录功能。(2) 具有时间显示功能，即能显示年、月、日、时、分、秒。(3) 具有对表功能。即通过键盘输入准确的时间。(4) 具有定时记录功能。即每隔一段时间把所测的温度值记录到存储芯片中去。(5) 具有温度查询功能。即查询过去某一时刻的温度值。(6) 温度显示记录功能(7)检测
23、温度范围为 01300。并具有0.5的测量精度。注:本系统传感器和信号放大电路是系统误差的主要部分。一般情况下，系统的精度要比传感器的精度高 35 倍，因此，与热电偶的 0.2的精度，系统要求的精度可以达到。数据采集和 A / D 转换部分和其他方面的相对误差为0.2。总的原则是：选择每个组件的元件精度准确度规格应少比约 10 倍的系统提供了严格的个性指标，选择 A / D 转换，采样 /保持控制线性误差是 0.02左右，并设置留出一定的余量。该系统的设计原则是高效，实用，方便。所谓的效率，主要是指高的检测效率，更快，更高质量完成更好的检测;所谓的实际，是指尽可能提高系统的可扩展性，灵活性，功能多，尽量提高，使完善的检测准确性;所谓的方便，操作，维护，使用尽可能简单的调试。
