基于单片机的干燥箱温度监测系统 精品.docx

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基于单片机的干燥箱温度监测系统精品

东华理工大学长江学院

毕业设计

题目基于单片机的干燥箱温度监测系统

英文题目TemperatureAlarmSystemOnMCU

学生姓名：

郑博洪

学号：

09323120

专业：

信息工程

系别：

信息工程系

指导教师：

谌洪茂职称讲师

二○一三年六月

摘要

随着社会科技的不断发展，现代食品与工业物品干燥行业离不开温度监测与控制，本论文在对国内外干燥行业中温度监控技术的分析基础上，针对现代干燥行业中存在的多方因素，将单片机控制与智能传感器相结合，提出基于单片机的温度监测控制系统的理论设计方案，并用对应实际材料进行现实模拟。

本监测系统采用模块化、层次化、多元化设计，整个系统的组成部分分为数据采集系统、单片机控制系统和计算机监测系统。

系统的核心构成为单片机，并以温度传感器作为测量元件，通过单片机与传感器相连，采集实时数据并进行输出。

同时在单片机系统中实现程序的扩展开发、数据的实时输出、上下限超量时的蜂鸣报警和自动复位功能。

本设计主要涵盖下述几个方面的工作：

1、确定系统的总设计方案，包括原理、功能和组成方面的设计。

2、进行温控传感器的硬件电路设计，包括硬件电路的模拟构成；温度传感器的选择；单片机的选择；输入输出的实现方法。

3、进行系统上的仿真调试，确定操作代码。

4、根据上述结果，采购实际元器件，通过自加工焊接并通过PC端的程序输入，完成实际模型的制作，并实现基本功能。

（注：

因实际模型受材料及工艺限制，仅能实现设计中的主要功能，部分拓展接口无法完善）

关键词：

单片机；温度监测；温度控制；越限报警

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofsocialscienceandtechnology,modernfoodandindustrialgoodsofdryingindustryisinseparablefromthetemperaturedetectionandcontrol.Thisthesisbasedontheanalysisoftemperaturemonitoringtechnologyindryingindustryindomesticandabroad,forthemultiplefactorsexistedinmoderndryingindustry,aimstocombineSingleChipcontrolandintelligentsensorandproposetheoryapproachesbasedonthetheoryofsingle-chiptemperaturemeasurementandcontrolsystemdesign,andmakearealitysimulationwiththecorrespondingactualmaterial.

Thisdetectionsystemadoptmodular,hierarchicalanddiversifieddesign,andanintegralpartoftheentiresystemisdividedintodataacquisitionsystems,SingleChipcontrolsystemsandcomputermonitoringsystem.Thecoreofthesystemisconfiguredtomicrocontroller,temperaturesensorasameasuringelementwhichconnectedtothemicrocontroller,acquirereal-timedatathenoutput.Meanwhile,itisalsotoachievetheexpansionanddevelopmentoftheprogramintheSCMsystem,real-timeoutputofdata,andbuzzeralarmandautomaticresetfunctiononwhenthelowerlimitexcess.

Thedesignmainlycoversthefollowingaspects:

1.Determinethetotaldesignofthesystem,whichincludesthedesignoftheory,functionandcomposition.

2.Makethehardwarecircuitdesignoftemperaturesensor,includingtheconstitutesofhardwarecircuitsimulation;temperaturesensorselection;MCUselection;methodofinputandoutput.

3.Thesimulationdebuggingonthesystemtodeterminetheoperationcode.

4.Accordingtotheaboveresults,theadoptionofcomponentsfromprocessingweldingandenteredthroughthePC-sideprogramtocompletetheactualproductionofthemodel,andtoachievethebasicfunctions.（Note:

Becausetheactualmodelislimitedbythematerialandprocess,partoftheexpansionoftheinterfacecan’tbeperfect.）

Keyword:

SCM；Temperature；Monitoring；TemperatureControlLimitAlarm

目录

绪论1

1.1单片机温度监测系统的选题背景1

1.2单片机温度监测控制的现实意义1

1.3国内外研究现状及其发展趋势2

1.3.1国外干燥设备温度控制2

1.3.2国内干燥设备控制技术2

1.3.3温度控制技术的三个发展阶段2

1.4单片机温度监测系统主要研究的内容3

2单片机温度监测控制系统总体设计4

2.1单片机温度监测系统的功能需求分析4

2.2单片机温度监测控制系统的设计原则4

2.3单片机温度监测系统的组成5

3系统的硬件设计7

3.1单片机的设计7

3.1.1单片机的选择7

3.1.2单片机最小系统的设计7

3.2温度传感器的设计9

3.2.1温度传感器的类型和原理9

3.2.2各类温度传感器的方案9

3.2.3DS18B20温度传感器的介绍13

3.2.4DS18B20温度传感器的性能特点13

3.2.5温度传感器的电路设计14

3.3控制与指示灯的设计15

3.3.1控制与指示灯的选择15

3.3.2控制系统的电路设计15

3.4数码显示管的设计15

3.4.1数码显示管的选择15

3.4.2数码管的电路设计16

4系统的软件设计17

4.1系统的主程序设计17

4.2系统初始化17

4.3温度检测程序的开发18

4.3.1DS18B20与单片机的连接18

4.3.2DS18B20的时序初始化设置18

4.3.3DS18B20的时序控制19

4.3.4DS18B20的温度读取22

4.4显示程序开发23

4.4.1数码管的驱动类别23

4.4.2数码管的接线类别24

4.4.3数码管显示程序的设计24

4.5操控按键的程序开发25

4.6蜂鸣报警器的程序开发27

5单片机系统的设计和实物制作29

5.1单片机的原理图设计29

5.1.1设计软件的选择29

5.1.2原理图的绘制29

5.2实际制作开发准备31

5.3实物展图和实际使用说明32

5.3.1模型展示32

5.3.2操作过程33

6总结35

致谢36

参考文献37

绪论

1.1单片机温度监测系统的选题背景

众所周知，在干燥行业中，最主要的一个技术指标就是被干燥物和干燥环境内的温度控制。

此次参与的项目所开发的新型干燥设备，就是利用高压电场而非以往传统的加温途径使物体干燥，从而保证设备内的温度不高于某个设定值。

而这一切，都需要温度监测系统的存在。

由于在现实生产活动过程中，不仅需要实时的温度检测，同时还必须兼备温度控制的功能，能够使系统具备一定的智能化，能够实现在事先设定的情况下对温度进行自动控制。

在设计过程中，备选方案有无线网控制、单片机控制、传送轴机械控制等几种方案。

由于目前尚属于原型机的试验阶段，并未大规模投产，故暂时不使用无线网的联网监测，但联网是整套产品的远期实现目标。

机械控制由于技术相对落后，不利于整套设备的现代化和自动化操作，因此也不予选择。

最终选定由单片机作为温度监测的承载体。

采用单片机来监测与控制温度，不仅具有组态简单、灵活性强和控制方便等优点，而且可以大幅度提升监测温度的技术指标，从而能够大幅度提高产品的生产速率与质量。

单片机以其体积小、可靠度高、功能性强、造价低和开发周期较短等优点，成为自动化和各类监测领域中广泛使用的元器件，并且在日常生活中也发挥着巨大的作用。

基于此，便有了本体的来源背景。

1.2单片机温度监测控制的现实意义

随着时间历程单片机和传感器技术在不断发展，自动监测领域发生了很多革命性的变化，其中在温度自动监测与控制方面的研究与探索有了很大的进展，并且凭借其具有的高性价比，将逐步取代传统的物理式温度控制措施。

但是，参照国内外之前的许多干燥设备，很多都采用模拟温度传感器、多路传感器、AB转换传感器以及协作单片片上系统等组成的传输体系。

这种结构会导致整个监测控制体系需要在设备内铺设大亮的电缆并集中多个传输装置，才能将设备内的信号采集至中央处理芯片上，同时安装和拆卸步骤繁琐，相对成本也较高。

另一方面，采用此类检测方案的设备，其线路传输的为模拟信号，易受外界干扰和损耗，测量误差交大。

为了解决这些问题，本文采用了一种基于单芯片微型计算机和单数字单总线技术的温度监测和控制系统的综合方法，根据问题的实际情况，并提出了一种一套完美的解决方案。

单总线数字技术是DALLAS公司生产的最新用于生产化的技术，它是合并数据，地址线和控制线的总线控制技术，允许在网上串连各类控制对象，形成单总线系统，但可进行多点检测。

其中监测对象所用的芯片均有该公司提供。

采用单总线协议后，可在监测点对检测信号进行模数转换，这样在线上传输的便是数字信号。

因此本文构建的温度监测系统就是利用单总线技术及其附属元器件构成的。

该系统能够对干燥设备内的温度进行实时采集，利用温度传感器将干燥设备内的温度变化，变换成设备的电流变化，再转换为电压值变化。

经过模数转换后获得数字信号，再交由单片机处理，最后在屏幕上进行输出。

同时，根据预先设定值进行比较，监测是否超过预先设定的上下限，若有超过，则根据超过的不同类型启动不同的报警灯和蜂鸣器，并对温度进行控制。

【1】

这种方案实现了温度的实时监测，显示和实时控制。

并且在设备内具有抗干扰能力起、精度准确、无需固定线路支持、安装方便简单、性价比高和维护简单等优点。

1.3国内外研究现状及其发展趋势

1.3.1国外干燥设备温度控制

海外的对于干燥设备的温度实时监测和控制技术的研究起步比较早，在上世纪70年代开始。

最先采用机械式的组合仪表，直接安置在干燥设备内通过可视舷窗由人工进行数据采集、筛选和控制。

80年代中期研究出了组合分布式的监测控制系统。

目前正开发由计算机进行集中数据采集和控制系统。

世界各国在温控方面的技术发展很快，许多国家在实现检测自动化的基础上向着完全自动化和智能化的方向进展。

例如没过西门子公司的大型工业用干燥流水线，已能提供由一人操作即可控制上千平方厂房的智能化系统，并进行远程数据监测和遥控操作。

1.3.2国内干燥设备控制技术

我国的干燥设备发展起步较晚，直到上世纪80年代中期才相继有这方面的研究。

我国科研人员在吸收其他国家温控技术方面的基础，研究了一套本土化的温度控制监测设备。

但是功能仅限于箱内平均温度和整体反应，不能很好的体现被干燥物体的真实温度。

后期也相继开始采用单片机技术，但以单参数回路系统居多，并没有真正意义上的结合多参数控制系统，在多路并行方面与发达国家的技术相差较大。

1.3.3温度控制技术的三个发展阶段

集中参考国内外的监测控制技术状况来看，温度控制技术从面试到如今大约经历了三个发展阶段：

1、机械式控制。

这个是在最早采用的温度控制方式，监测工具多采用舷窗上的水银温度计，再结合人工加温或降温处理。

其并没有真正意义上的控制系统以及执行流程。

产能被严重限制且无意义的浪费大量劳动力，不适合现代化的工厂工业生产的装配。

2、自动控制。

利用早期晶体管和单片机技术，对设备内温度进行自动数据监测记录并控制各操作环节。

但是这个时期的自动控制不能够有机的相结合，每个系统各自为营都需要相应的人工操作，虽能有效的记录并保持设备运行，但不利于大规模的生产装配以及中央集中控制。

3、智能化控制。

智能化控制技术是指整套控制设备完全由计算机操作，根据事先设定程序进行完全自动运行，并能通过集中的中央控制室对各类设备进行统一调控，实现干燥设备的生产运行的自动化管理。

【2】

1.4单片机温度监测系统主要研究的内容

本设计在设计单片机系统上主要有如下几方面的工作：

1、确定系统的总体功能设计方案。

2、进行智能传感器的硬件电路设计。

3、进行软件端的程序调控。

4、根据上述软硬件的设计与调控制作出实际模型。

5、对设计内容整体进行系统阐述。

本文将信息采集技术、信息存储技术、信息传输技术和信息处理技术等问题互相融合，提出一套切实可行的温度监测控制系统，能够进行全方面的自动记录、存储、处理和读取的功能。

2单片机温度监测控制系统总体设计

2.1单片机温度监测系统的功能需求分析

本次设计来源于温度干燥系统，如图2.1

图2.1

由于设备主要用于各类生鲜和中药材的干燥，因此不能产生过高的温度，否则将导致被干燥物的各项特性发生改变而失去应有的价值。

同时，由于高压电的存在，箱体必须密封，且不能随意开箱，因此对于所需设计的监测器材需满足下列条件：

实现在密闭环境中的温度监测与控制。

实现超限数据的实时报警功能。

实现温度调节功能。

实现温度调节后的报警解除功能。

通过设计使监测设备具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰性并且具有实时显示功能。

温度测量范围：

0℃—100℃。

温度测量精度：

±1℃。

2.2单片机温度监测控制系统的设计原则

要求本设计系统具有如下几个特点：

1、系统的可靠性

高度的可靠性是单片机应用的基本前提。

在系统设计的每一个环节中，都应该将可靠性作为首要的设计标准。

提高系统的可靠性通常可以从如下几个方面进行：

使用可靠性高的元器件、对供电电路采用抗干扰措施、设计电路板时布线合理、输入输出端的抗干扰措施要完善、进行软硬件的滤波功能设计、系统的自我诊断等。

2、使用的便捷性

在系统的软硬件设计过程中，应当充分考虑实际操作过程中的使用便捷和维护方便，尽量减少对操作人员的要求，使整套系统能够方便的进行推广。

因此在设计时，要尽可能的减少人机交互接口（体现在工程按钮的数量方面），多采用系统内置的简化方法。

同时应配有自动的故障检测程序，一旦发生使用错误能够有效的提供错误信息，方便维修排查。

3、设备的性价比

由于单片机系统正是由于其体积小，价格低，是著名的低功耗，单芯片微型计算机系统，可广泛使用，价格是一个主要的因素，因此保持最佳成本效益的设计必须考虑的。

在设计过程中，尽可能地降低成本，简化外围硬件电路，例如在系统允许的情况下，尽可能使用软件而不是硬件功能等。

4、设备的可移植性

本次的设计仅围绕在干燥箱内的温度监测而进行，但在单片机系统的开发上，因同时兼顾系统的可移植性。

温度监测体系不仅仅局限于干燥领域，在其他许多行业中都有着举足轻重的地位，因此，还需要考虑增加通用接口使设备具有良好的可移植性。

2.3单片机温度监测系统的组成

本监测系统以单片机控制为核心，主体采用温度测量，通过通讯传输、误差修正都技术支持，以温度传感器为中心元件，构成整套的温度检测控制系统。

整套系统可分为温度监测电路、A/D转换电路、滤波电路、显示电路和蜂鸣报警电路，具体如图2.2。

图2.2硬件结构示意图

经过筛选，硬件确定选择DS18B20传感器作为本系统的温度监测探头，选择单片机STC189C52作为系统核心来完成各项工作。

DS18B20是数字型温度传感器，功能上集成量大，可以省却采样电路、运放电路和A/D转换电路的铺设，简化设计流程，缩短系统的运行时间，降低整套系统的工作成本。

软件方面单片机采用汇编和C语言混合编程，LED显示部分采用C语言。

运行过程如图2.3所示。

图2.3运行结构示意图

3系统的硬件设计

3.1单片机的设计

3.1.1单片机的选择

如今单片机技术发展的已相对成熟，应用非常广泛，国内外许多SOC集成电路厂商都推出了各自的单片机系统模块。

在如此庞大的单片机库中，MSC-51系列单片机是一套比较成熟和简洁的系统，其以卓越的性能、成熟的技术、稳重的可靠性和低廉的价格等优点，占据了很大一部分工业控制和自动化模块的芯片市场，成为国内外单片机实际应用与研究教学领域中的主流选择。

单片机的出现意味着计算机开始向通用型计算机系统和嵌入式计算机系统两个不同的方向发展。

通用型计算机系统主要运用于高数据量的运算处理和大规模集中运行，不需要考虑各方面的控制功能，其总线带宽也在不断倍增，从面世的8位一直发展到如今的36、64位，且128位系统也在研究中，预计数年内即将面世。

其典型代表即为现在的桌面windows操作系统和对应的X64处理器。

嵌入式操作系统则在不断的发展中，演变为体积极小、成本低廉和可靠性高的微处理系统，其广泛应用于日用电器、类人机械、控制仪表、工业控制单元、办公自动化和网络通讯产品中，成为现代电子设备内最为重要的芯片模组。

因此，单片机的面世极大的促进了现代计算机技术的发展。

考察各类型单片机系统后，由于MSC系列单片机集成了几近全部的中央处理单元和控制单元，其处理能力强，也集成了各类方便灵活的专用寄存器，使我们利用单片机构造系统提供了极大的便利。

MSX系列单片机将微型计算机的主要部件全部封装为一块处理芯片，减少各模块间数据的传输距离，增大传输带宽，使系统运行速度更快，可靠性更高以及更为强大的抗干扰性。

在MSC系列中，MSC-51单片机是其一个典型代表，有着价格便宜、I/O交互接口多、程序空间大等特点。

因此，在本次设计中，51单片机便是最为理想可靠的选择。

MSC51单片机在国内外都得到广泛的使用，开发环境相对成熟且要求也较低，软件资源丰富，对应的开发工具和语言选择也有极大的便利，因此，经过多重分析后，本次设计最终选择的单片机模块是基于MSC51系列的STC189C52单片机。

【2】

3.1.2单片机最小系统的设计

由于目前的单片机开发系统受到环境的限制，目前基于PC端只能够进行相对简单的仿真单片机设计，没有给用户提供一个完善的通用最小系统。

根据本设计的要求，只需要做一个集成度非常小的最小系统应用在一些较小的控制单元中。

其应用特点为：

1、内部I/O接口均对用户开放，可以自由使用。

2、内部存储器的容量受限（根据选择只有4096B地址空间可用）

3、应用系统开发具有非通用性。

图3.1STC189C52单片机最小系统图

C52最小系统框图如图3.1所示，设计有4个双向8位并行I/O端口，分别为P0.0和P0.1，P0.2，P0.3，其中可以用来作为数据输入或输出端的接口为P0.3，以提供附加功能的一部分控制信号。

芯片的时钟电路，用于产生MSC-51单片微型计算机的工作时必须拥有的时钟信号，内部电路的时钟信号的控制的基础上，严格按照顺序指令操作。

MSC-一个高增益的反向放大器51内的微控制器芯片，使用振荡电路的组合物，为芯片引脚XTAL1和XTAL2输出端的反向高增益放大器的输入。

两个引脚之间需要跳线和微调石英晶体振荡器电路，形成一个稳定的自激振荡器。

精细调谐电路的电容器C1和C2，通常使用30pF的电容，电容值的选择将影响自激振荡频率的高和低，振荡器的稳定性和快速性振动。

由设定，晶体振荡器的频率为12MHz。

把EA脚接高电平，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH（4096byte地址范围）时，将自动执行外部程序存储器内的程序。

MCS-52的复位是由外部的复位电路来实现。

用最简单的外部按钮复位电路。

自动复位按钮实现通过一个外部复位电路。

我们选择12MHz时钟频率，C1取45µf。

3.2温度传感器的设计

3.2.1温度传感器的类型和原理

测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展主要大体经过了三个：

1、传统的分立式温度传感器（含敏感元件）。

2、模拟集成温度传感器/控制器。

3、智能温度传感器。

传统分立式传感器由于技术限制已无参考价值，故不做讨论。

模拟集成传感器，其技术特点是采用硅半导体，问世的时间大约在20世纪80年代，它被设置在一个集成芯片的温度传感器，可以完成温度测量和模拟信号输出功能，拥有专业的输出IC。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度），测温误差小，价格低，响应速度快，传输距离长，体积小，低功耗等，适合远距离测温，温度控制，非线性校正，仅需要做一个简单的外围电路。

这是目前在国内和国外最常用的，例如典型的传感器AD590，AD592，TMP17，LM135等。

模拟集成温度控制器主要包括温控开关，可编程温度控制器，典型产品有LM56，AD22105和MAX6509。

某些增强型集成温度控制器（如TC652/653）包括A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。

但它由微处理器控制的，它们之间的主要区别是其自己的系统里，不受外部控制。

智能温度传感器（也称为数字温度传感器）问世于90年代中期。

它是微电子技术，计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，世界上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部包含温度传感器，A/D转换器，信号处理器，存储器（或寄存器）和接口电路。

某些产品与多路选择器，中央控制器（CPU），随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据和温度控制有关，适配各种微控制器（MCU）;而且它是在硬件的基础上，通过软件来实现的功能测试，其智能程度还依赖于软件的发展水平。

目前，国际上新的温度传感器趋势是