基于单片机的测温巡检系统Word文件下载.docx
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Thistopicisbasedonsinglechipmicrocomputertemperaturesmeasurementandcontrolledsystemdesigned.Isasingle-chipmicrocomputertocontrolthecore,withreal-timetemperaturedetection,display,alarm,andcomputerserialcommunicationandotherfunctionsofthemulti-pointtemperaturemeasurementsystem.UsingAT89C51microcontrollerasthecorecontrolmodule,intelligenttemperaturesensorDS18B20busstructure,toachievereal-timetemperatureacquisition,signalprocessing,datacommunication,throughthedisplayontheLCDsingle-chipprocessing.
Peripheralhardwarepartincludes:
thekeyboardmodule,displaymodule,alarmmodule,RS232communicationmodule,etc.Whensettingthethresholdtemperatureexceedsthesystemwillautomaticallystartsoundandlightalarm,thisdesignalsoincreasedtheRS232serialcommunicationinterface,remotedataconvenientcomputerstatisticsandoperation.Systemhasstronganti-jammingcapability,strongstability,easilytouse,simpledoperation,etc.
Keywords:
SCM,AT89C51,DS18B20,Temperaturedetection
目录
第1章绪论1
1.1设计的目的和意义1
1.2国内外研究现状和发展趋势1
第2章仓库测温巡检系统方案2
2.2硬件总体方案设计与论证2
2.2.1方案设计2
2.2.2方案论证3
2.4系统硬件总方案3
第3章仓库测温巡检系统硬件设计4
3.1单片机AT89C51介绍4
3.1.1单片机AT89C51基本知识4
3.1.2单片机AT89C51各个I/O口介绍5
3.1.3时钟电路7
3.1.1复位电路8
3.2温度传感器的选则8
3.2.1DS18B20简介9
3.2.2DS18B20的性能特点9
3.2.3DS18B20的内部结构9
3.2.4DS18B20的工作时序图10
3.2.5DS18B20的测温原理11
3.2.6DS18B20的测温流程图13
3.2.7DS18B20与AT89C51单片机连接电路13
3.31602LCD液晶显示屏14
3.3.1LCD1602液晶显示屏的技术参数14
3.3.2LCD1602的引脚说明15
3.3.3LCD1602控制指令说明16
3.2.4LCD1602基本操作时序16
3.3.5LCD液晶显示屏与单片机接口电路设计17
3.4键盘模块设计18
3.5报警模块设计18
3.6RS232串行通信19
3.7电源电路设计20
第4章仓库测温巡检系统软件设计20
4.1主程序流程图20
4.2温度处理子程序设计21
4.3显示模块子程序设计24
4.4温度报警值程序设计25
第5章系统软硬件的调试26
5.1系统硬件调试29
5.2系统软件调试29
5.2.1KeilC51调试30
5.2.2Proteus调试33
5.3系统仿真26
总结34
参考文献34
致谢35
附录Ⅰ程序清单36
附录Ⅱ系统原理图36
第一章绪论
1.1设计的目的和意义
温度是平时生产生活中不可或缺的自然参数。
人们通常使用温度这一物理量来表示物体冷和热的程度,微观定义上来说是物体分子的热运动引起的。
分子运动越快,物体温度就会显得越高,反之,愈慢愈冷。
温标是一种用来检测温度具体数值的尺度标准。
温度在人类生产和生活中扮演着非常重要的角色,从生活到工作温度一直伴随并影响着你。
自18世纪工业革命以来,工业发展革新一直与温度保持着密切联系。
温度不仅对工业而言影响如此广泛,在农业领域中温度也占有着很大的影响比例。
因此,无论是工业生产加工还是农作物生长收获的过程,都不能离开温度。
温度检测和控制可以使人类生产生活更加科学化、合理化、便捷化。
本设计围绕应用在仓库的温度的巡检与报警展开相应的研究工作。
随着单片机技术的拓展与利用,近年来单片机技术逐渐革新,已经进入高性能单片机的发展阶段。
航天、军事、医疗、农业、化工等各个行业已经逐渐离不开单片机的广泛使用。
传统方式的测温不仅浪费资源人力而且精度差不能达到实时监测的目的。
单片机的产生使得温度信号采集和信息处理方面变得更加简单,快速,效率。
测温传感器做工不同,信号采集的精度也不相同,因此对数据采集的精度和控制方式也不相同。
1.2国内外研究现状和发展趋势
(1)国外温度测控系统研究
1600年,伽厘略研究出了气体温度计,开启了人们研究温度这一物理量的先河。
自1970年开始,国外科学家就着手探索温度控制这一领域。
国外已经陆续推出多种温度传感器,并且可靠性更高,测量精度更准确。
国外逐渐开始运用9到12位A/D转换器,分辨率可以达到0.5℃-0.0625℃。
美国达拉斯半导体公司新研制的DS1624型高分辨率的智能温度传感器,分辨率高达0.03125℃,测温精度位±
0.2℃。
目前,国外的温控技术正朝着无人化,自动化,高精度的方面发展。
(2)国内温度测控系统研究
相比与国外,我国对于温度控制与测量这一领域的研究则较晚,大约开始于1980年左右。
我国温度测控领域技术离产业化,工业化还有很大一段距离,在实际生产生活中还有大量问题困扰着我们。
我国温控技术的发展一直存在着硬件系统差,领域窄,产量少,产业化程度低,环境保护意识落后,基础的研究资源少等缺点。
近年来国内经济发展迅速,温控测控这一市场即将面临国外产品的冲击。
第二章仓库测温巡检系统的方案
考虑到本系统设计成本和现实操作,我选择AT89C51单片机作为本设计的核心模块。
目前,AT89C51应用广泛,价格便宜,而且功能更齐全。
因此,将AT89C51作为接口芯片使用,是非常睿智的。
关于温度传感器的选择,我认为达拉斯公司生产的DS18B20传感器可以胜任这一项工作。
单片机可以直接从DS18B20读取转换后的温度值,而且不需要另外接A/D转换器,非常方便。
而且多个DS18B20可以用单总线结构来连接,只需要一个I/O口就可以完成多点测量。
其物理性能稳定,测量精度高,在0—90℃之间,最大线性偏差小于1℃。
系统要完成的设计功能如下:
◆对仓库各地点温度参数的实时采集,再通过温度传感器和单片机对数据进一步的处理,实时反馈到LCD上。
◆实现智能声光报警。
◆抗干扰性好,运行稳定,LCD显示简洁友好。
◆采用RS232串行通讯方式,将温度数据实时传送到计算机,实现远程通信。
◆系统自动存储温度数据。
测温范围:
-55℃—+125℃
测温精度:
正负0.5℃
2.2方案选择
2.2.1方案一
本仓库测温巡检系统设计可以使用热电偶,热敏电阻之类的元器件,虽然其线性度较好,但在所测温的要求内,测温精度差2℃,对于小于1℃的温度信号是不适用的。
在电路布局设计方面中较为繁琐,相比之下总成本也比较高。
2.2.2方案二
也可以考虑使用智能温度传感器DS18B20,结合单片机电路设计,采用多只温度传感器。
采用并联的方式把各个温度传感器分布在不同位置,由DS18B20测温后后进行数值转换,再由LCD显示出实时温度。
此方案电路设计简洁,设计成本较低,在C语言编程时也非常简便。
2.3方案论证
比较以上两种方案,我觉得方案二工作稳定、系统响应快、远距离通信、体积小、耗能低、外围电路简单、精简了系统工作时间、软件设计方便快捷。
因此,本设计中选择方案二。
如图1所示:
它由三部分组成
1)核心控制模块采用AT89C51单片机
2)显示部分采用LCD1602实现温度显示
2)温度采集部分采用DS18B20温度传感器
图1系统硬件方案
2.4系统硬件总方案
课题设计的硬件部分由AT89C51单片机、DS18B20、LCD1602、排阻以及若干电容、2个LED灯、扬声器、RS232串行通信、4个按键、12MHZ晶振组成。
以下是对几个组成部分的介绍:
1)AT89C51单片机用于温度采集,信号处理,存储温度和报警电路控制。
2)DS18B20是单总线结构的数字温度传感器,主要是温度信号的采集和转换。
单片机P3.3口接收来自温度传感器DS18B20的信号,AT89C51接收温度数据并存储。
3)LCD1602液晶显示屏用于显示实时温度值、温度传感器序列号、温度报警上下限。
4)RS232用于和计算机进行数据通信。
5)LED灯是用来温度上下限溢出的警报。
第3章仓库测温巡检系统硬件设计
3.1单片机AT89C51介绍
3.1.1单片机基本知识
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能的CMOS8位单片微型计算机。
片内含4K字节的可重复擦写的只读程序存储器,及128k字节的随机存取存储器。
由于单片机主要的功能是控制的功能,随着科技的进步和需求,单片机芯片内集成了许多的需要被测控的目标的接口电路。
这些已经超出了传统微型计算机的体系构造,所以可以更加明确的反应单片机的本质名字应是微型控制器。
它采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术,兼容行业标准的MCS-51指令系统,片内置8位CPU和FLASH存储单元,功能强大的AT89C51可灵活运用与各种生活生产领域。
如图2:
图2AT89C51引脚图
3.1.2AT89C51各个I/O口介绍
PO口的口线逻辑电路如图所示。
当写P0口,由锁存和驱动电路输出通道。
途径为输出锁,所以与外围设备直接连接到输出的数据,而不需要添加数据锁存电路。
图3P0口内部结构图
P1口是一个在单片机内提供上拉电阻的8位双向I/O口,如下图:
图4P1口内部结构图
P2口是一个8位准双向I/O口的内部带有上拉电阻,属于多功能口,在有外接存储器或者I/O接口时,系统的地址总线输出高8位地址,与P0口的低8为地址组成16位的地址总线。
在编写程序的时候,控制的信号和高8位的地址字节也输送到P2口。
如下图:
图5P2口内部结构图
P3端口是一个多功能,它除了可以作为I/O网点,另外还有一个功能,端口P1和P3结构相似,不同的是P3口每个端口线有两个功能。
当P3在功能状态,1秒线为高水平的函数。
此时,内部总线信号通过锁存器场效应管进行输入/输出操作,那么函数的P3口和P1口是一样的,是一个静态双向I/O端口。
当P3在函数,输出高水平,2锁存和在一个特定的输出信号,通过函数输出线2在P3输入口,已经可以通过输入缓冲引脚区信号,可以通过选择输入函数来读取特定函数的第二信号。
因为输出信号是锁和有两重功能,因此P3端口静态的两重功能如下图:
图6P3口内部结构图
P3端口结构图P3口第二功能表:
端口引脚第二功能标识第二功能P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0申请P3.3INT1外部中断1申请P3.4T0定时器/计数器0输入P3.5T1定时器/计数器1输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通。
RST:
复位输入口。
ALE/:
输出低电平编程的过程中,不能用在正常操作。
在成为一个PSEN必须保持低水平,不能使用在正常操作。
在编程的EA/VPP这销管,没有使用外部程序存储器的应用程序,这个引脚可以永久的接到VCC上面。
时钟和复位是一个重要的组成部分在单片机系统中,控制单片机复位机器循环和函数。
简单地说,单片机复位并重新启动计算机。
几乎,每一个微控制器在工作要复位过程中,对单片机复位,程序还没有开始准备工作或单片机必须重新启动工作的实现。
3.3.3时钟电路
将AT89C51的反向放大输入端XTAL1和输出端XTAL2与石英晶体震荡器X1及两个电容C1、C2按图3-1所示形式连接起来。
图中由晶振、电容C1/C2及片内与非门(作为反馈、放大元件)构成了晶振电容三角式的震荡器,而震荡信号频率大小是和晶振频率及电容C1、C2的容量有很大关联,但主要还是由晶振频率来决定,晶振的范围在0~24MHz之间,电容C1、C2取值范围则在5~30pF之间。
根据实际情况,本设计中采用12MHZ做系统的外部晶振。
电容取值为30pF。
图7时钟电路
3.3.4复位电路
本设计单片机每次上电就会复位一次。
如果单片机连续操作两个周期以上的高电平时,也会复位一次。
如引脚RST一直是高电平,单片机就会保持循环复位状态。
单片机复位是另一个特征的CPU和系统从初始状态,一般复位模式主要是上电复位和手动复位按钮等,本设计选用手动按钮复位模式。
当单片机通电后,电压的电容器C3此时会很小,重置下拉电阻器R2的电容器C3并联电压接近电源电压,相当于RST是1(高水平),在这个过程中充电电容器C3RST端口电压下降缓慢,RST电压下降到低于一定值,单片机内部CPU从复位状态,由于电容器C3足够大,可以保证RST1有效时间大于24振荡周期,CPU可以可靠复位。
当复位按钮添加到避免事故不能可靠复位。
当复位按钮按下电容器C3放电。
当放电电容器C3结束,RST的点位是由R1和R2的分压比来决定。
因为R2《R1,所以RST高水平,CPU在复位状态,放手,在充电电容器C3,RST结束电压降,CPU从复位状态。
R2的作用是限制按钮按下瞬时放电电流的电容器C3,防止电火花的产生,为了保护按钮触电。
复位电路与AT89C51连接如图8:
图8复位电路
3.2温度传感器DS18B20的选择
DS18B20是美国达拉斯公司设计制造的一种温度传感器。
该传感器使用一种独特的“单总线”结构,可以将传感器与微处理器之间的连线降到最少。
同时DS18B20支持9~12位精度的温度测量和转换。
它的主要特点体积小,测量精度高,传感器和处理电路集成,采用单总线连接,支持温度报警功能。
温度与人们的生活紧密联系,同时也是人们在科学实验和生产活动中需要探索和研究的关键物理参数。
因此,在各类传感器中,温度传感器是应用范围比较大的一种。
对比于传统的温度传感器和集成温度传感器,它的线性度和均匀性都很好。
由于集成温度传感器将传感部分、放大电路、驱动电路以及信号处理电路等集成在一个芯片上,使得它体积小,使用方便快捷,因此在很多领域的到了应用。
在智能温度传感器中,温度传感部分大都利用一堆极其匹配的半导体三极管当做温敏差分对管,利用他们两个的U电压之间所具有的的良好正温度系数来制作集成温度传感器。
3.2.1DS18B20简介
温度值是由温度传感器以9位数字量的形式显示出来的,经过单总线结构接口发送或接收信息,因此在CPU和DS18B20之间仅需1根数据线进行连接。
因为每个DS18B20都有一个独特的ROM序列号,所以多个DS18B20可以同时连接在一根单总线上,这样就可以把温度传感器安放在不同的地方进行温度的多点检测。
3.2.2温度传感器DS18B20的性能特点
1)一总线结构,仅需要一根口线与SCM连接;
2)寄生电源或外接电源;
3)支持多点测量功能,多个DS18B20可以并联在一起(+5V、地一根口线);
4)可实现1/2~1/16的高精度转换;
5)在93.75ms或750ms内将温度值转化9位或12位的数字量;
6)可以设置报警上下限值;
7)报警搜索命令可以识别哪片DS18B20温度超过报警阀值;
8)芯片自身有存储功能;
3.2.3DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构如图1所示,主要由4部分组成:
1)64位的ROM2)温度传感器3)非挥发的温度报警触发装置TH和TL4)配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如图2所示:
DQ为数字信号输入/输出端
GND为电源地
VDD为外接电源
图9DS18B20管脚排列
3.2.4DS18B20工作时序图
1)初始化时序
单片机输出低电平,温度传感器保持480us,已取得足够的时间来产生复位脉冲。
然后主机释放,由4.7K的上拉电阻拉高电平,并延时15~60us,产生低电平应答脉冲,如果是低电平,则延时480us。
图10初始化时序图
2)写时序
图11写时序
3)读时序
图12读时序
3.2.5DS18B20的测温原理
单片机每次对DS18B20发起操作都必须严格按照下面流程执行:
1)初始化DS18B20
2)发送ROM指令
3)DS18B20功能命令
这个交互顺序非常重要,每当单片机访问DS18B20时都必须按照这个流程执行,如果某个流程中的步骤或者顺序出错,DS18B20将没有响应。
当命令序列执行完毕后,主控制器返回1。
一总线高电平的位置处于空闲状态。
LSB位置/清除
加1
停止
图13测温原理内部装置
表1ROM操作命令
DS18B20在单线通信中是分成各个时间段来完成的,它有一个严格的时间槽。
因此,读写时序对于单片机控制DS18B20来说显得格外重要,它必须按协议进行操作。
操作协议:
初始化DS18B20→发送ROM指令→发送存储器操作命令→进行数据处理。
3.2.6DS18B20的测温流程图
图14DS18B20测温流程
3.2.7DS18B20与单片机AT89C51连接电路
在本设计中DS18B20采用的电源供电方式,一个管脚接地,一个管脚经4.7K上拉电阻后接电源,另一个管脚接单片机P3.3口。
DS18B20是支持“一总线”模式的,但有些总线协议会将一些信号释放为高阻态,实际上电路的状态应该事确定的0或1,所以在这里上拉电阻是用来提供一个确定的状态。
由于单线制只有一根线,因此发送端接口必须是高电平,低电平,高阻态。
3.31602LCD液晶显示屏
3.3.1LCD1602液晶显示屏的基础参数
液晶显示模块是一种将液晶显示元器件,连接件,集成电路,PCB线路板,背光源构件装配在一起的组件。
英文名称“LCDModule”,简称”LCD”,中文一般称为“液晶显示模块”。
根据显示方式和显示内容的不同,液晶模块可以分为以下3种:
1)数显液晶模块2)液晶点阵字符模块3)点阵图形液晶模块
LCD1602分为有背光和没有背光的两种,基础控制驱动器大部分为HD44780,有背光的比没有背光的厚,不管带不带背光在应用中是没有多大区别的。
3.3.2LCD1602引脚说明
图151602A的接口图
1602采用标准的16脚接口:
3.3.3LCD1602控制指令说明
LCD1602液晶模块内部的控制器如表所示:
表4.5控制命令表
3.3.4基本操作时序
1)读状态:
输入;
RS=L,RW=H,E=H输出:
D0~D7=状态字
2)写指令:
输入:
RS=L,RW=L,D0~D7=指令码,E=高脉冲输出:
无
3)读数据:
RS=H,RW=H,E=H输出:
D0~D7=数据
4)写数据:
RS=H,RW=;
D0~D7=数据,E=高脉冲输出:
字符集
3.3.5LCD1602与AT89C51单片机接口电路
本设计采用了LCD1602字符显示模块,相比较数码管显示而言,LCD在硬件连接和软件调试上具有明显优势,LCD1602在跟单片机连接时使用了RESPEACK-8排阻相比较数码管少了74LS138译码器,硬件电路更加简洁。
LCD在与单片机连接时采用了总线模式,使电路更明显易懂。
3.4键盘模块设计
键盘一般分为矩阵键盘和独立键盘,使用矩阵式键盘能大量的节约单片机的I/O接口资源,方便快捷。
相比较而言独立键盘虽然占用了I/O资源,但是运用灵活,C程序编译调试简单,相对于按键较少的电路很适用。
1)按键按下判断:
通过判断电平状态来检测开关闭和问题;
2)按键确认判断:
主要是按键消抖问题;
3)按键充分释放判断:
确认按键已经按下后,还需不断循环检测键位是不是被完全释放。
1)传感器ROM显示:
通过按键显示不同DS18B20的ROM序列号来分辨仓库各点的温度。
2)显示报警温度:
按键显示报警温度上下限
3)正常显示温度:
通过按键切换显示各个DS18B20的实时温度
3.5报警模块设计
DS18B20每经过一次温度
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