温度采集系统论文 最终版 2.docx
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温度采集系统论文最终版2
摘要
随着信息技术的飞速发展,嵌入式智能电子技术已渗透到社会生产、工业控制以及人们日常生活的各个方面。
单片机又称为嵌入式微型控制器,在智能仪表、工业控制、智能终端、通信设备、医疗器械、汽车电器、导航系统和家用电器等很多领域都有着广泛的应用,已成为当今电子信息领域应用最广泛的技术之一。
单片机已在各行业得到广泛应用,为适应更多的应用领域,厂家采取了在一块单片机芯片上集成多种功能部件和大容量存储器的方法。
因而,整个应用系统不需要扩展,而体积变小、可靠性增高,使单片机成为真正意义上的单片机系统。
本设计是基于STC89C52单片机和DS18B20实现温度的测量系统,单片机在本系统中作为温度输入和显示控制器件,DS18B20被用作温度数据的采集和温度输出器件。
本设计采用单片机作为数据处理与控制单元,为了进行数据处理,单片机控制数字温度传感器,把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递到单片机上。
单片机数据处理之后,本系统能够实现温度信号的检测、传输和处理功能。
能够在温度超过设定值时报警,同时将当前温度信息发送到LCD进行显示。
本系统被广泛应用于温度控制、温度检测、温度采集、消防等系统中。
关键词:
温度采集系统;单片机;LCD1602液晶显示屏
目录
摘要1
前 言3
第一章绪论4
1.1课题背景4
1.2温度采集的意义和技术发展4
1.3单片机在本课题中的应用5
第二章概要设计7
2.1硬件7
2.2软件8
第三章硬件设计9
3.1主芯片STC89C519
3.2电源转换电路10
3.3控制电路按键调试11
3.4温度检测传输处理12
3.5USB数据传输电路13
3.6串口通信电路(人机接口)13
3.7扬声器电路15
3.8LCD液晶显示电路15
3.9LED电路16
3.10存储电路17
第四章软件设计18
4.2DS18B20流程图及程序段18
4.21602流程图及程序段19
4.3按键控制调整温度值流程图及程序段20
第五章调试21
5.1硬件调试21
5.2软件调试22
总结24
谢辞25
参考文献26
附录1温度采集系统主程序27
附录2温度采集系统原理图36
附录3温度采集系统PCB图37
前 言
21世纪的今天,科学技术的发展日新月异,科学技术的进步同时也带动了测量技术的发展,现代控制设备不同于以前,它们在性能和结构发生了翻天覆地的变化。
我们已经进入了高速发展的信息时代,测量技术是当今社会的主流,广泛地深入到应用工程的各个领域。
温度是一种最基本的环境参数。
在工业生产和科学技术研究过程的各行业中,常常要对各种数据进行采集,随着现代化工业的发展,温度数据采集系统成为日益重要的技术,广泛应用于工农业等行业随着科技的不断发展,现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长,而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。
在我国各领域已经引用的非常广泛,可以说是渗透到社会的每一个领域,人民的生活与环境的温度息息相关,在工业生产过程中需要实时测量温度,在农业生产中也离不开温度的测量,因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
因为采用单片机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制,对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用,并且温度参数对工业生产的重要性,所以温度测量系统的精确度和智能化一直受到企业的重视。
所以学习并研究温度测量及相关知识可做为一个较为实用的课题的方向,能获得较实用的知识和方法。
第一章绪论
1.1课题背景
测量控制的作用是从生产现场中获取各种参数,运用科学计算的方法,综合各种先进技术,使每个生产环节都能够得到有效的控制,不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本,还确保了生产安全。
所以,测量控制技术已经被广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和纺织等行业
随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展,其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出,所以其应用也十分广泛。
单片机已经无处不在、与我们生活息息相关,并且渗透到生活的方方面面。
单片机的特点是体积较小,也就是其集成特性,其内部结构是普通计算机系统的简化,增加一些外围电路,就能够组成一个完整的小系统,单片机具有很强的可扩展性。
它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能,通过使用一些科学的算法,可以获得很强的数据处理能力。
所以单片机在工业中应用中,可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率,而且单片机无需占用很大的空间。
随着温度检测理论和技术的不断更新,温度传感器的种类也越来越多,在微机系统中使用的传感器,必须是能够将非电量转换成电量的传感器,目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等,每种传感器根据其自身特性,都有它自己的应用领域。
1.2温度采集的意义和技术发展
温度是一个非常重要的物理量,因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。
因此对温度的检测的意义就越来越大。
温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中,得到了广泛应用。
在工业生产过程中,很多时候都需要对温度进行严格的监控,以使得生产能够顺利的进行,产品的质量才能够得到充分的保证。
使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制,保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行,从而提高企业的生产效率。
温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。
嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代,但是微型计算机的体积、价位、可靠性,都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求,因此,嵌入式系统必须走独立发展道路。
这条道路就是芯片化道路。
将计算机做在一个芯片上,从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。
单片机诞生于二十世纪七十年代末,经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。
1.3单片机在本课题中的应用
单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等待点,在各个领域获得了广泛的应用,特别在工业控制、智能化仪器仪表、产品自动化、分布式控制系统中部已取得了可喜的成果。
单片机已经成为衡量工业发展水平的标志之一,是产品更新换代、发展新技术、改造老产品的主要手段。
目前,在众多的单片机产品中,MCS—5l系列、PIC系列及MCS—96系列单片机是我国单片机应用的主流机种。
大家知道,在单片机系统设计中,程序设计是非常重要的一环,它的质量直接影响到整个系统的性能。
用汇编语言进行程序设计的过程和用高级语言设计程序有相似之处,其设计过程大致可以分为以下几个步骤:
1.明确课题对程序功能、运算精度、执行速度等方面的要求及硬件条件。
2.把复杂问题分解为若干个模块,确定各模块的处理方法,画出成序流程图。
如果各模块仍较为复杂,还应分别画出分模块流程图和总的流程图。
3.正确分配存储器资源,如各程序段的存放地址、数据区地址、工作单元分配等。
4.根据流程图精心组合合适的指令和编制源程序。
数据采集是单片机的一个重要应用,同时它也是单片机和传感器的重要接口。
在实际应用中,单片机的数据采集信号类型有以下几种:
一种是模拟的电压信号和电流信号,另一种就是数字信号,温度是工业生产过程中最普遍.最重要的操作参数之一。
温度检测和温度控制都直接与安全生产、产品质量.、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系。
单片机以其体积小、性能价格比高、指令丰富、提供多种外围接口部件、控制灵活等优点,广泛应用于各种家电产品自动化仪表、工业控制系统和过程控制系统中,在温度控制领域和温度检测的应用也十分广泛。
温度采集即温度检测通过温度检测元件随温度的变化而进行数据采集的,按检测元件份温度传感器:
1、热电阻温度传感器;2、热电偶传感器;3、热敏电阻传感器。
本文采用的是热电阻传感器。
单片机的显示系统和单片机的输入部分是单片机的外围电路,同时它是人机交流的重要的接口。
在实际应用中,单片机系统都会有输入和显示部分。
其中输入主要是按键、键盘等提供给使用者进行状态和参数输入的器件。
该器件将通过按键或者键盘将操作状态和参数变成单片机能够识别的电信号输入到单片机;另一方面,单片机通过输出设备,例如数码管等。
本设计研究的主要内容(功能)
本设计要求综合运用传感器技术、单片机控制技术和自动控制原理设计温度采集显示系统。
熟练掌握PROTEL、WORD、KeilC51、Proteus等软件的使用,培养系统工程设计能力。
1.4设计具体要求
1.设计以单片机为核心的温度采集系统。
能实现温度信号的检测、传输和处理功能。
当温度超过设定值时报警。
具有实时显示温度功能和声音报警功能。
设计独立使用的直流电源。
编制相关源程序代码。
用PROTEL绘制系统电路原理图。
翻译与本设计有关的英文资料和文献。
编写符合学院要求的毕业设计说明书。
2.梯度学习:
(1).使用DS18B20实现温度采集,并将采集的温度值通过数码管或LCD1602显示显示;
(2).按键可控制温度采集(包括启、停采集等功能);
(3).将采集的温度值通过串口发送出去及通过串口控制温度采集;
(4).设定温度值,当温度高于或低于某设定温度值时可进行报警、启停电机等功能;
(5).加入存储电路,可将温度采集值存储起来,通过按键可查询。
第二章概要设计
2.1硬件
1.温度采集系统框图。
图2-1温度采集系统框图
本次设计中采用芯片DS18B20进行温度检测DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
在设计温度部分时需要通过按键的控制来进行时间的调整与设置,在电路中连接蜂鸣器实现温度功能,到指定时间可发出响声。
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置,它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成,因此它在电路中为各元件提供电源。
STC89C52系列单片机是高速/低功耗的新一代8051单片机,STC89C52系列单片机在完全兼容8052芯片(在标准8051基础上增加了T2定时器和128字节内部RAM)的基础上,新增了许多实用功能。
对蜂鸣器进行控制实现闹钟的闹铃功能。
按键分成矩阵键盘和独立键盘共计20个。
通过四个独立按键对时间进行调整,对闹钟进行设置
串口通信是指外设和计算机,通过数据信号线、地线、控制线等,按位进行传输数据的一种通讯方式
AT24C01是低工作电压的1K位串行电可擦出只读存储器,低电压低功耗。
2.2软件
在本设计中我们使用到的软件有protel2004,proteus,keil,uVision.我们首先使用到protel2004,它是一款原理图绘制软件,在此中完成电路原理图的设计和PCB板的设计。
Proteus是著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。
设计使用的开发软件为Keil编程环境软件。
Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部份组合在一起。
L它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
KeilC51是单片机应用开发软件,它集编辑,编译,仿真于一体,支持汇编语言,C语言程序设计。
第三章硬件设计
3.1主芯片STC89C51
图3-1主芯片STC89C51
功能介绍:
STC89C51系列单片机是高速/低功耗的新一代8051单片机,STC89C系列单片机在完全兼容8052芯片(在标准8051基础上增加了T2定时器和128字节内部RAM)的基础上,新增了许多实用功能。
引脚信息:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输入电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
反向振荡器的输出。
3.2电源转换电路
图3-2电源转换电路
当控制大电流时,或者电脑不适应时就可外接电源适配器,开发板内部驱动电流为500MA,满足绝大部分应用场合,这是USB供电所不能比的。
引脚信息:
1脚接电源;2、3脚接开关,3脚通常不连接,起固定作用。
3.3控制电路按键调试
图3-3控制电路按键调试
键盘按结构的不同可分为独立式按键和行列式键盘两类,每类按译码方式的不同又分为编码式和非编码式两种。
单片机中一般使用的都是用软件来识别和产生键代码的非编码键盘。
行列式键盘的编码方式由静态和动态两种。
静态接口主要由一个行编码器和一个列编码器构成;动态接口可采用计数器、译码器和数据选择器构成。
这两种键盘由硬件完成键的编码任务。
一般在小型仪器仪表和控制系统中,使用较多的是行列式和独立式的非编码键盘.
引脚信息:
他们分别连接在MCU的P3口上。
在程序中演示独立键盘的操作与LCD的显示。
3.4温度检测传输处理
图3-4温度检测传输处理
采用DS18B20作为温度传感器是因为它目前很流行的一种单总线控制芯片,这种芯片只有一个脚与MCU相连,占用资源极少。
DS18B20体积很小,用它来组成的温度测量系统线路非常简单,只要求一个接口即可实现通信,且可通过数据线寄生供电,DS18B20的温度测量范围为-55-+125℃,其分辨率可以从9-12位选择(默认为12位),内部可设置非易失报警温度上、下限(TH、TL),每个器件都有唯一的8字节(64位)光刻码,包括1字节CRC检验码、6字节序号和1字节家族代码(FamilyCode:
0x28),这使得多个DS18B20传感器可以共用总线构成多点测温网络。
利用ROM搜索命令可以通过排除法获取总线上挂载的所有器件的光刻码,利用报警搜索命令可识别并标识出总线上所有超过限定温度的器件。
引脚信息:
1脚接电源;
2脚为输入/输出引脚。
当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源。
3脚接地。
3.5USB数据传输电路
图3-5USB数据传输电路
功能介绍:
用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。
USB接口支持设备的即插即用和热插热拔的功能。
USB采用四线电缆,其中两根是用来传送数据的串行通道,另两根为下游(Downstream)设备提供电源,对于高速且需要高带宽的外设,USB以全速12Mbps的传输数据;对于低速外设,USB则以1.5Mbps的传输速率来传输数据。
USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。
USB是基于令牌的总线。
类似于令牌环网络或FDDI基于令牌的总线。
USB主控制器广播令牌,总线上设备检测令牌中的地址是否与自身相符,通过接收或发送数据给主机来响应。
USB通过支持悬挂/恢复操作来管理USB总线电源。
USB系统采用级联星型拓扑,该拓扑由三个基本部分组成:
主机(Host),集线器(Hub)和功能设备。
。
引脚信息:
1脚接地;4脚电源;3脚是数据-;2脚数据+。
3.6串口通信电路(人机接口)
图3-6串口通信电路(人机接口)
功能介绍:
串口通信是指外设和计算机,通过数据信号线、地线、控制线等,按位进行传输数据的一种通讯方式。
引脚信息:
1脚载波检测;2脚接收数据;3脚发出数据;4脚数据终端准备;5脚信号地;6脚数据准备;7脚请求发送;8脚清除发送;9脚振铃指示
RS-232-C是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一种串行物理接口标准。
RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号,C表示修改次数。
RS-232-C总线标准设有25条信号线,包括一个主通道和一个辅助通道。
EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。
在TxD和RxD上:
逻辑1(MARK)=-3V~-15V
逻辑0(SPACE)=+3~+15V
在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上:
信号有效(接通,ON状态,正电压)=+3V~+15V
信号无效(断开,OFF状态,负电压)=-3V~-15V
以上规定说明了RS-232C标准对逻辑电平的定义。
对于数据(信息码):
逻辑“1”(传号)的电平低于-3V,逻辑“0”(空号)的电平高于+3V;对于控制信号;接通状态(ON)即信号有效的电平高于+3V,断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V,也就是当传输电平的绝对值大于3V时,电路可以有效地检查出来,介于-3~+3V之间的电压无意义,低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义,因此,实际工作时,应保证电平在±(3~15)V之间。
3.7扬声器电路
图3-7扬声器电路
扬声器是微机控制系统的一项重要功能,主要用于保证生产过程的正常运行和操作者的生命安全。
在生产过程中控制系统随时检测被控对象的一些重要参数,当超出允许范围是,控制系统便会发出声光报警信号,引起操作者的注意以便采取相应的措施。
智能型的报警系统不仅能够发出声光报4-3报警系统的电路图警系统不仅能够发出声光报警信号,甚至可以实现简单故障的自动处理。
功能介绍:
对蜂鸣器进行控制实现闹钟的闹铃功能。
引脚信息:
当控制接口的1、2脚通过位蜂鸣器受控,2、3脚通时位继电器受控。
3.8LCD液晶显示电路
图3-8LCD液晶显示电路
功能介绍:
通过LCD显示时间及温度,为提供友好的人机界面,增强监护功能,
1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM,显示效果也不好)。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。
市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的,控制原理是完全相同的,因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
引脚信息:
第1脚:
VSS为电源地;
第2脚:
VCC接5V电源正极;
第3脚:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度);
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器;
第5脚:
RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作;
第6脚:
E(或EN)端为使能(enable)端,高电平时读取信息,负跳变时执行指令;第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据端;
第15~16脚:
空脚或背灯电源。
15脚背光正极,16脚背光负极。
3.9LED电路
图3-9LED电路
LED的显示有静态显示方式和动态显示方式。
在静态显示方式下,N块显示器件都处于选通状态;每一块显示器件的段选线和一个8位的并行口相连,只要控制显示位的段选码,就可显示出相应的字幅。
由于显示器件由不同的I/O控制,所以静态显示方式中的每一位都可以独立显示,在同一时刻每一位显示的字符可以各不相同。
LED动态显示就是将所有显示位的段选线并联在一起,有一个8位I/O口控制,而位选线则有其他的I/O口控制,通过程序控制,不断循环输出相应的段选码和位选码,由于人的视觉暂留效应,就可以获得视觉稳定的显示状态。
功能介绍:
Q1为开关总使能,将D14置0分别控制P0使LED亮或灭,P0为0,LED亮,P0为1,灯灭。
3.10存储电路
图3-10存储电路
功能介绍:
AT24C01是低工作电压的1K位串行电可擦出只读存储器,低电压低功耗。
引脚介绍:
A0—A2器件地址输入;SDA串行数据输入输出;SCL串行时钟输入;WP写保护;VCC电源;GND地。
该存储器的工作电压为2.7—3.6V,8位I/O端口采用地址、数据和命令复用的方法,如此既可减少引脚数,又可使接口电路简洁,并带有写保护开关,用以保护卡内数据安全。
片内的写控制器能自动执行写操作和擦除功能,包括必要的脉冲产生,内部校验等,完全不用外部微控制器考虑,简化了器件的编程控制难度。
第四章软件设计
4.2DS18B20流程图及程序段
图4-1DS18B20流程图
(程序段见附录1)
读取温度是,首先我们应当对DS18B20进行初始化,避免数据检测出现错误。
跳过读序号列号操作,然后对DS18B20进行相关命令操作时,首先应给其脉冲信号,读入字节数据。
继续给其脉冲信号,写入字节数据,然后开始读取温度。
读取温度时,启动温度转换,读取温度寄存器的数据值。
先读低8位,再读高8位。
然后放大10倍,进行四舍五入进行出值运算。
4.21602流程图及程序段
图4-21602流程图
(程序段见附录1)
在对LCD显示进行相关操作时,先进行芯片初始化。
液晶显示模块是一个慢显示器
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