智能测温系统设计.docx
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智能测温系统设计.docx
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智能测温系统设计
第1章绪论
1.1设计背景
随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现.能够独立工作的温度检
测和显示系统应用于诸多领域。
传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。
热敏电阻的成本低,但需后续信号处理电路,而且可靠性相对较差,测温准确度低,检测系统也有一定的误差。
与传统的温度计相比,这里设计的数字温度计具有读数方便,测温范围
广,测温精确,数字显示,适用范围宽等特点。
选用STC89C5单片机作为主控制器件,DSI8B20作为测温传感器通过LCD1602并行传送数据,实现温度显示。
通过DS18B20直接读取被测温度值,进行数据转换,该器件的物理化学性能稳定,线性度较好,在-55C~125°C最大线性偏差小于0.1°C。
该器件可直接向单片机传输数字信号,便于单片机处理及控制。
另外,该温度计还能直接采用测温器件测量温度,从而简化数据传输与处理
过程。
1.2智能测温系统特征
温度是我们日常生产和生活中实时在接触到的物理量,但是它是看不到的,仅凭感
觉只能感觉到大概的温度值,传统的指针式的温度计虽然能指示温度,但是精度低,使
用不够方便,显示不够直观,数字温度计的出现可以让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少度。
数字温度计采用进口芯片组装精度高、高稳定性,误差<0.5%内电源、微功耗、不锈钢外壳,防护坚固,美观精致。
数字温度计采用进口高精度、低温漂、超低功耗集成电路和宽温型液晶显示器,内置高能量电池连续工作年无需敷设供电电缆,是一
种精度高、稳定性好、适用性极强的新型现场温度显示仪。
是传统现场指针双金属温度计的理想替代产品,广泛应用于各类工矿企业,大专院校,科研院所。
数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器(如铂电阻,热电偶,半导体,热敏电阻等),将温度的变化转换成电信号的变化,如电压和电流的变化,温度变化和电信号的变化有一定的关系,如线性关系,一定的曲线关系等,这个电信号可以使用模数转换的电路即AD转换电路将模拟信号转换为数字信号,数字信号再送给处理单元,如单片机或者PC机等,处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来,成为可以显示出来的温度数值,如25.0摄氏度,然后通过显示单元,如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。
这样就完成了数字温度计的基本测温功能。
数字温度计根据使用的传感器的不同,AD转换电路,及处理单元的不同,它的精度,稳定性,测温范围等都有区别,这就要根据实际情况选择符合规格的数字温度计。
1.3设计的主要任务
用AT89S51单片和DS18B20温度传感器来实现范围为-55C-125C的测量,要求显示精度误差小于0.5C,用3位LED数码直接读出温度。
掌握单片机AT89S52的基本结构及工作原理了解温度传感器DS18B220勺工作原理实现温度的测量,设置温度的上下限和报警功能;掌握单片机系统的分析和设计方法以及仿真软件与编译软件的使用方法。
第2章系统总体方案
2.1总体方案说明
采用数字温度芯片DS18B20测量温度,输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工
业测温元件,此元件线形较好。
在-55〜125摄氏度时,最大线形偏差小于0.5摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输,由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。
采用51单片机控制,软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制,而且体积小,硬件实现简单,安装方
便。
既可以单独对多DS18B20空制工作,还可以与PC机通信上传数据,另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用,编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。
该系统利用AT89C51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示,能够实现快速测量环境温度,并可以根据需要设定上下限报警温度。
该系统扩展性非常强,它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据,在数据处理同时显示时间,并可以利用AT24C16芯片作为存储器件,以此来对某些时间点的温度数据进行存储,利用键盘来进行调时和温度查询,获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口
进行串口通信,方便的采集和整理时间温度数据。
2.2系统设计原理
利用数字温度传感器DS18B20与单片机结合来测量温度。
利用数字温度传感器DS18B2CM量温度信号,计算后在LED数码管上显示相应的温度值。
其温度测量范围为-55C〜125C,精确到0.5C。
数字温度计所测量的温度采用数字显示,控制器使用单片机AT89C51测温传感器使用DS18B20用3位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示。
2.3系统组成
本课题以是89C52单片机为核心设计的一种数字温度控制系统,系统整体硬件电路包括,传感器数据采集电路,温度显示电路,上下限报警调整电路,单片机主板电路等组成。
系统框图主要由主控制器、单片机复位、报警按键设置、时钟振荡、LED显示、温
度传感器组成。
系统框图如图2-1所示。
图2-1系统基本方框图
1.主控制器
单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要,很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
2.显示电路
显示电路采用LED液晶显示数码管,从P3口RXD,TXD串口输出段码。
显示电路是使用的串口显示,这种显示最大的优点就是使用口资源比较少,只用p3口的RXD和TXD,串口的发送和接收,4只数码管采用74LS164右移寄存器驱动,显示比较清晰。
3.温度传感器
温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20温度传感器。
DS18B20俞出信号全数字化。
便于单片机处理及控制,在0—100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄
氏度,采用单总线的数据传输,可直接与计算机连接。
能够实现快速
MAX232芯
用AT89C51芯片控制温度传感器DS18B204行实时温度检测并显示,测量环境温度,并可以根据需要设定上下限报警温度。
获得的数据可以通过片与计算机的RS232接口进行串口通信,方便的采集和整理时间温度数据。
第3章系统硬件选择
3.1单片机的选择
AT89S51是CMOS啦单片机,它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP),也可用传统方法进行编程,所以低价位AT89S51单片机可为提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域,对于简单的测温系统已经足够。
单片机AT89S51具有低
电压供电和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要,很适
合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
主要特性如下
•GND接地
•P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每个管脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚写“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/地址的第八位。
在FLASHY程时,P0口作为原码输入口,当FLAS进行校验时,P0输出原码,此时P0外部电位必须被拉高。
•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,电位被内部上拉为高,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FLASHY程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
•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,其管脚电位被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
作为
输入时,P2口的管脚电位被外部拉低,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,它利用内部上拉的优势,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®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,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
•RST复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RS■脚两个机器周期的高电平时间。
•ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的
地位字节。
在FLASH®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。
•PSEN外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期间,每个机器周
期PSE两次有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的PSE信号将不出现。
•EA/VPP当EA保持低电平时,访问外部ROM注意加密方式1时,EA将内部锁定为RESET当EA端保持高电平时,访问内部ROM在FLAS编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
•XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
•XTAL2来自反向振荡器的输出。
3.2温度传感器的选择
由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的外部元件支持,且硬件电路复杂,制作成本相对较高。
这里采用DALLAS^司的数字温度传感器DS18B2作为测温元件。
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B2C是一种新型的“一线器件”,其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感
器DS18B2C是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
温度测量范围为-50〜+150摄氏度,可编程为9位〜12位转换精度,测温分辨率可达0.0625摄氏度,分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROI中,掉电后依然保存。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可以在远端引入,也可以采用寄生电源方式产生;多个DS18B2C可以并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。
DS18B20的性能特点如下:
•独特的单线接口方式,DS18B2在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微
处理器与DS18B2的双向通讯
•DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B2可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温
•DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内
•适应电压范围更宽,电压范围:
3.0〜5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电
•温范围-50C〜+150C
•零待机功耗
•可编程的分辨率为9〜12位,对应的可分辨温度分别为0.5C、0.25C、0.125C和0.0625C,可实现高精度测温
•在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快
•用户可定义报警设置
•报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件
•测量结果直接输出数字温度信号,以"一线总线"串行传送给CPU同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力
•负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但
在实际应用中也应注意以下几方面的问题:
•DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间,这是必须保
证的,不然会出现转换错误的现象,使温度输出总是显示85。
•在实际使用中发现,应使电源电压保持在5V左右,若电源电压过低,会使所测得的温度精度降低。
•在对DS182进行读写编程时,必须严格的保证读写时序,否则将无法读取测温结果。
在使用PL/MC等高级语言进行系统程序设计时,对DS182操作部分最好采用汇编语言实现。
•在DS18B2的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题,容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20在实际应用中并非如此,当单总线上所挂DS18B20超过8个时,就需要解决微处理器的总线驱动问题,这一点在进行多点测温系统设计
时要加以注意。
•在DS18B2测温程序设计中,向DS18B20发出温度转换命令后,程序总要等待DS18B2的返回信号,一旦某个DS18B20接触不好或断线,当程序读该DS18B20时,将没有返回信号,程序进入死循环,这一点在进行DS18B2硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
图为DS1820的内部框图,它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线
接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式RAM,用于存储用户设定的温度上下
限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC发生器等七部分。
DS18B2C采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图3-2所示
图3-2DS18B20内部结构框图
当DS18B2C接收到温度转换命令后,开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16
位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2字节。
单片机可通过
单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以0.0625C/LSB形式
表示。
这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
图中,S表示位。
对应的温度计算:
当符号位S=0时,表示测得的
温度植为正值,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,表示测得的温度植为负值,
先将补码变换为原码,再计算十进制值。
例如+125C的数字输出为07D0H+25.0625C的数字输出为0191H,-25.0625C的数字输出为FF6FH-55C的数字输出为FC90H
DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与RAM中的THTL字节内容作比较,若T>TH或T 因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。 在64位ROM勺最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC。 主机根据RO啲前56位来计算CRCfi,并和存入DS18B2C中的CRCfi做比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。 3.3DS18B20测温原理 DS18B20勺测温原理如图2所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量.计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将50°C 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在50C所对应的一个基数值。 减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1 的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温图2中 的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用,于修正减法计数器的预置 值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20勺测温原理。 另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,他有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。 系统对DS18B20勺各种操作必须按协议进行。 操作协议为: 初始化DS18B2Q发复位脉冲)一发ROM功能命令一发存储器操作命令一处理数据。 DS1820正常使用时的测温分辨率为0.5C,这对于水轮发电机组轴瓦温度监测来讲略显不足,在对DS1820测温原理详细分析的基础上,我们采取直接读取DS1820内部暂存寄存器的方法,将DS1820的测温分辨率提高到0.1C〜0.01C.DS1820内部暂存寄存器的分布如表1所示,其中第7字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器1的计数剩余值,第8字节存放的是每度所对应的计数值,这样,我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果。 首先用DS1820提供的读暂存寄存器指令(BEH)读出以 0.5C为分辨率的温度测量结果,然后切去测量结果中的最低有效位(LSB),得到所测实际温度整数部分T整数,然后再用BEH旨令读取计数器1的计数剩余值M剩余和每度计数值M每度,考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25C、0.75C为进位界限的关系,实际温度T实际可用下式计算得到: T实际=(T整数—0.25C)+(M每度—M剩余)/M每度。 第4章设计电路 控制器使用单片机AT89C2051温度计传感器使用DS18B20用液晶实现温度显示。 本温度计大体分三个工作过程。 首先,由DS18820温度传感器芯片测量当前的温度,并将结果送入单片机。 然后,通过AT89S51单片机芯片对送来的测量温度读数进行计算和转换,井将此结果送入液晶显示模块。 最后,SMC1602A芯片将送来的值显示于显示屏 上。 由图1可看到,本电路主要由DS18820温度传感器芯片、SMCI602A液晶显示模块芯片和AT89S51单片机芯片组成。 其中,DSI8B20温度传感器芯片采用“一线制”与单片机相连,它独立地完成温度测量以及将温度测量结果送到单片机的工作。 4.1显示电路 显示电路采用SMCI602液晶显示模块芯片该芯片可显示16X2个字符,比以前的七段数码管LEE显示器在显示字符的数量上要多得多。 另外,由于SMCI602芯片编程比较简单,界面直观,因此更加易于使用者操作和观测。 SMCI602芯片的接口信号说明如表4-1列< 表4-1SMCI602A芯片的接口信号说明 编号 符号 引轟说明 第号 jf^r口付T 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据I/O 2 VDD 电源正极 10 D3 数据I/O 3 VL 晶压信'号 11 [)4\ 数据I/O 4 RS 数据命令选择 12 D5 数据I/O 5 R/W 读/写选择端 13 D6 数据I/O 6 E 使能信号 14 D7 数据I/O 7 DO 数据I/O 15 BLA 背光正极 8 D1 数据I/O 16 BLK 背光负极 4.2温度检测电路 DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式,DS18B20的数据I/O均由同一条线 来完成。 DS18B20的电源供电方式有2种: 外部供电方式和寄生电源方式。 工作于寄生电源方式时,VDD和GND均接地,他在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用,原理是当1Wire总线的信号线DQ为高电平时,窃取信号能量给DS18B20供电, 同时一部分能量给内部电容充电,当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。 但寄生电源方式需要强上拉电路,软件控制变得复杂(特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PR0M寸),同时芯片的性能也有所降低。 因此,在条件允许的场合,尽量采用外供电方式。 无论是内部寄生电源还是外部供电,I/O口线要接5KQ左右的上拉电。 在这里采用前者方式供电。 DS18B20与芯片连接电路如图4-1所示: DS18B20 图4-1DS18B20与单片机的连接 第5章系统软件设计 5.1概述 整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的,当硬件基本定型后,软件的功能 也就基本定下来了。 从软件的功能不同可分为两大类: 一是监控软件(主程序),它是 整个控制系统的核心,专门用来协调各执行模块和操作者的关系。 二是执行软件(子程序),它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。 每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。 这里将各执行模块一一列出,并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。 各执行模块规划好后,就可以规划监控程序了。 首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构,然后根据实时性的要求,合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。 主程序流程见图5-1o 5.2主程序模块 主程序需要调用4个子程序,分别为数码管显示程序,温度测试及处理子程序,报警子程序,中断设定子程序。 各模块程序功能如下: •数码管显示程序: 向数码的显示送数,控制系统的显示部分。 •温度测试及处理程序: 对温度芯片送过来的数据进行处理,进行判断和显示。 •报警子程序: 进行温度上下限判断及报警输出。 •中断设定程序: 实现设定上下限报警功能。 结论 本次课设的任务是采用AT89C2051单片机作控制器,温度传感器选用DS18B2C来设计数字温度计,系统由3个模块组成: 主控制器、测温电路及显示电路。 主控制器由单片AT89C2051实现,测温电路由温度传感器DS18B20实现,显示电路由4位LED数码管直读显示。 通过本次课设使我学会了很多东西,通过自己找材料,向老师答疑,与同学讨论,自己修改,研究,最终完成本次课设。 在这个过程中,不但使我对单片机课程所学的知识有了更深入的了解,而且还培养了我的自学能力。 有些不懂的问题通过向老师请教得到解决,使我受益匪浅。 课设的过程是艰辛的,但是收获是巨大的。 首先,我再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识;其次,我第一次将课本知识运用到了实际设计,使得所学知识在更深的层次上得到了加深。 再次,因为这次课程设计的确在某些方面存 有一定难度,这对我来讲都是一种锻炼,培养了我自学、查阅搜集资料的能力;再有,计算操作工程中,我们曾经面临过失败、品味过茫然,但是最终我还是坚持下来了,这就是我意志、耐力和新年上的胜利,在今后的日子里,它必将成为我的宝贵财富。 致谢 在论文完成之际,我要特别感谢老师的悉心指导和热情关怀。 在撰写论文的过程中,无论是在论文的选题,构思和资料的收集方面,还是论文的研究方法以及成文定稿方面,我都得到了老师悉心细致的教诲和无私的帮助,在此表示真诚的感谢和深深的谢意。 在论文的写作过程中,也得到了许多同学的宝贵建议,在此一并致以诚挚的谢意。 最后祝愿老师工作顺利,身体健康,万事如意! 同时也祝所有的同学学业有成,前途无量! 参考文献 [1]杨素行著•模拟电子技术基础(第三版)[M].北京: 高等教育出版社,2006. [2]康华光著.数字电子技术基础(
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