基于单片机的分布式温度测控系统.docx
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基于单片机的分布式温度测控系统
编号:
XXXXXX
毕业论文
(2012届本科)
题目:
基于单片机的分布式温度测控系统
学院:
物理与机电工程学院
专业:
电气工程及其自动化
作者姓名:
XXX
指导教师:
X职称:
X
完成日期:
2012年5月30日
二○一二年五月
目录
摘要4
Abstract5
第一章绪论6
1.1课题的研究目的和意义6
1.2温度传感器技术的现状及发展趋势6
1.3短距离无线通信技术的现状与发展趋势7
1.4设计的功能、技术指标及主要任务8
1.5本课题要解决的主要内容及章节安排8
第二章系统方案的设计10
2.1系统方案构想10
2.2系统方案的确定10
2.3系统总体设计中的关键技术问题10
第三章系统硬件电路的设计12
3.1数字式温度传感器的选择12
3.2数字式温度传感器DS18B2013
3.2.1DS18B20功能特性13
3.2.2DS18B20引脚定义14
3.2.3DS18B20的结构14
3.2.4DS18B20的测温原理17
3.2.5DS18B20控制方法17
3.2.6DS18B20的封装和供电方式17
3.3无线收发芯片的选择18
3.4无线收发器nRF40119
3.4.1nRF401功能特性19
3.4.2nRF401的结构20
3.4.3nRF401的模式切换时序20
3.4.4由nRF401构成的收发模块20
3.4.5PCB布局、去耦及通信协议的设计22
3.5显示模块的选择23
3.6显示驱动器MAX721923
3.6.1MAX7219引脚定义23
3.6.2MAX7219的结构24
3.6.3MAX7219的显示原理24
3.6.4MAX7219显示所注意问题25
3.7单片机的选择25
3.8单片机AT89C5225
3.8.1AT89C51的功能特性26
3.8.2AT89C51引脚定义26
3.8.3AT89C52外围电路设计28
3.8.4振荡器特性29
3.8.5芯片擦除29
3.8.6编程语言29
3.9RS-232C接口芯片MAX23230
3.10电源电路30
第四章系统的软件设计32
4.1系统软件分析32
4.2上位机主程序32
4.3下位机主程序32
4.4测温子程序33
4.5无线发射、接收子程序34
4.6串口通讯子程序34
4.7显示子程序35
第五章系统的抗干扰措施36
5.1硬件抗干扰措施36
5.2硬件电磁兼容设计36
5.3软件容错性和采取的抗干扰措施37
总结38
参考文献55
外文文献翻译56
致谢76
本科毕业论文(设计)开题报告
论文题目
基于单片机的分布式温度测控系统
学生姓名
所属学院
专业
年级
指导教师
所在单位
职称
开题日期
1.本选题的理论、实际意义
随着社会的发展,科技的进步,以及测温仪器在各个领域的应用,智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。
特别是近年来,温度控制系统已应用到人们生活的各个方面,但温度控制一直是一个未开发的领域,却又是与人们息息相关的一个实际问题。
针对这种实际情况,设计一个温度控制系统,具有广泛的应用前景与实际意义。
温度是科学技术中最基本的物理量之一,物理、化学、生物等学科都离不开温度。
在工业生产和实验研究中,像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内,温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。
比如,发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内;许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行;炼油过程中,原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。
2.综述有关本选题的国际和国内研究动态
国外对温度控制技术研究较早,始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪表,采集现场信息并进行指示、记录和控制。
80年代末出现了分布式控制系统。
目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现在世界各国的温度测控技术发展很快,一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
我国对于温度测控技术的研究较晚,始于20世纪80年代。
我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上,才掌握了温度室内微机控制技术,该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。
我国温度测控设施计算机应用,在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。
我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度,生产实际中仍然有许多问题困扰着我们,存在着装备配套能力差,产业化程度低,环境控制水平落后,软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
在后工业化时代,信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用,传感器技术、通信技术传感器技术是2l世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点,各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。
从20世纪80年代起,日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首,美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。
我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。
21世纪是人类全面进入信息电子化的时代,作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术必将得到较大的发展。
传统的温度测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。
水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。
可是它的缺点是只能近距离观测,而且有毒。
代替它的有酒精温度计和金属簧片温度计,它们虽然没有毒性,但测量精度很低。
在电气时代主要发展了金属热敏电阻。
如铜电阻、镍电阻、铂电阻等,它们的特点是稳定性好、耐高温,如铂电阻有的可达六、七XX。
但它们的缺点是灵敏度低,当传输线路长短不等时,需要进行温度补偿。
热敏电阻的另一分支是金属氧化物半导体型热敏电阻,作为测温用的是负温度系数热敏电阻(NTC),它由多种金属氧化物粉混合烧结而成,其主要优点是灵敏度高,过去的缺点是一致性差,现由于改进配方问题基本解决,测量精度可达0.1%以内,能满足工业要求。
更高温度测量需使用热电耦。
该类热电偶最高测量温度可达+3000℃,是目前冶炼不可缺少的仪器设备。
不过它的缺点是线性不好,冷端需要温度补偿。
论文进度安排和采取的主要措施:
1、2011年10月26日-2011年11月20日:
收集查阅资料,了解设计内容、要求、熟悉设计题目,准备报告。
2、2011年11月21日-2011年12月20日:
根据设计要求与资料的归纳整理,撰写开题报告。
3、2011年12月21日-2012年3月10日:
设计出主电路与控制电路,完成初稿。
5、2012年3月11日-2012年4月30日:
修改初稿,完成仿真与分析。
6、2012年5月1日-2012年年5月15日:
完成毕业设计,对细节进行修改。
7、2012年5月16日-2012年5月25日:
最后修改定稿。
8、2012年5月26日-2012年6月5日:
准备答辩。
主要措施:
通过自己多方面的查阅资料和同学老师分析讨论,在老师的指导下完成设计。
主要参考文献
[1]贾振国.DS1820及高精度温度测量的实现[J].电子技术应用,2000
(1):
58-59.
[2]余永权.单片机原理及应用.北京:
电子工业出版社,1997
[3]Dallassemiconductorinc,ds18b20programmableresolution1—wiredigitalthermometer2001[Z].
[4]曲喜贵.电子元件材料手册[M].北京:
电子工业出版社,1989.422-430.
[5]黄贤武,郑筱霞,曲波等.传感器实际应用电路设计[M].成都:
电子科技大学出版社,1997.4-10.[6]刘君华.智能传感器系统[M].西安:
西安电子科技大学出版社,1999.
[7]孙传友.DS18B20硬件连接及软件编程[J].传感器世界,2001(12):
25-29.
[8]郑霞,曲波.传感器实际应用电路设计[M].成都:
电子科技大学出版社,1997.
指导教师意见
签名:
年月日
教研室意见
负责人签名:
年月日
学院意见
负责人签名:
年月日
摘要
本文研究的是短距离无线通信技术在温度测量方面的一个具体应用,主要介绍了基于无线收发芯片nRF401的短距离无线多点温度测量系统方案的设计思想和实现方法。
鉴于信号线的长距离传输相互容易产生干扰,而采用总线结构的数字式传感器及无线通信,可以很容易地解决这个问题。
并结合具体器件介绍了多路温度信号的采集和无线传输技术及实用方法,该系统最多可检测256路温度信号,在室内多点温度测量控制中能达到很好的效果。
基于nRF401的无线多点温度测量系统主要由两大部分构成:
第一部分为系统的下位机,以nRF401无线收发芯片和单片机AT89C52为核心,与多片温度传感器组成温度采集网络,完成多点温度数据的采集和无线发送与接收、显示及上传;第二部分为系统的上位机,即PC机。
由DALLAS公司生产的新型数字温度传感器DS18B20,能直接读出被测温度,并以串行数字信号传送给单片机进行处理。
每片DS18B20都有唯一的ROM编码,使一根口线可接多片DS18B20。
因而使用DS18B20构建多点温度测量系统可使测温系统结构更趋简单,成本更低、可靠性更高。
该温度测量系统电路简单,搭建方便,易于扩展,可靠性高,因此本系统适用于在短距离对多种环境温度的监测,有广阔的应用前景。
关键词:
DS18B20;多点温度测量;nRF401;无线通信;AT89C52
Abstract
Whatthistextstudiedisaconcreteapplicationofthewirelessshortdistancecommunicationtechnologyintemperatureandmeasures,mainintroductionthedesignthoughtandimplementmethodofthemultiplewirelessshortdistancemeasuringsystemoftemperaturebasedonthesinglechipradiotransceivernRF401.Inthemeasuringsystem,especiallythesensorismoreinquantity,theconnectionwiresinthesystemwillbeverycomplicated,andsignallinestransmiteasytoproduceinterferenceatalongdistance.Thisproblemwassolvedbydigitalsensorandwirelesscommunication.Introducedarethetemperaturesignalcollectionandwirelesstransmissiontechnologyinthispaper.ThewirelessmultiplemeasuringsystemsoftemperaturebasedonnRF401isformedbytwomajorpartsmainly.Firstpartistheslave’softhesystem,withradiotransceiver-nRF401chipandsinglechipmicocomputerAT89C52asthecore,makeuptemperatureacquisitionnetworkwithmanychipsoftemperaturesensor,completetheacquisitionofmultipletemperaturedataandtransmittethemwirelessly.Secondpartisthehostofthesystem,itisaPC.
ThedigitaltemperaturesensorDA18B20thatproducedbytheDALLAScompanycanreaddirectlythetemperatureandsendtheserialdigitalsignaltothesignalchipmicrocomputertohandlewith.EveryDS18B20haveanuniqueROMcode,soonelineoftheSCMcanconnectmanyslicesDS18B20.UsingtheDS18B20tosetupthemulty-pointtemperaturecanmakethattheconstructionofthesystemismoresimple,andthecostismuchlower,thedependabilityishigher.
Thistemperaturemeasuringsystemcircuitissimple,itisconvenienttoputup,itisapttoexpand,dependabilityishigh,sothissystemissuitableforthemonitoringontemperatureofmanykindsofenvironmentsinshortdistance,therearewideapplicationprospect.
Keywords:
DS18B20;Multi-pointtemperaturemeasure;nRF401;wirelesscommunication;AT89C52
第一章绪论
1.1课题的研究目的和意义
温度是人们日常生活中接触最多物理量之一,人们的日常生活、动植物的生存繁衍和周围环境的温度息息相关,石油、化工、冶金、纺织、机械制造、航空航天、制药、烟草、档案保管、粮食存储等领域对温度也有着较高的要求。
例如:
卷烟生产的每一个阶段对温度都有非常特别的要求,以确保所使用材料的水分,保证生产的效率和产品质量;印刷车间的温度控制水平对印刷质量有很大的影响;为防止库存武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈,必须保持环境温度不能过高和干燥;在矿山、棉麻、塑料、粉末金属、食品生产加工等企业的生产车间(环境)中往往会产生大量的可燃或易燃粉尘,如果对温度控制不当,在一定的能量下,极易发生粉尘爆炸。
随着科学技术的发展,许多新兴产业对环境提出了更高的要求:
制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度,生物化学制药需要精确的温度控制。
因此,对温度的监测和控制已成为生产过程中非常重要的技术要求。
目前,温度传感器已广泛应用于气象、农林、冶金、化工、纺织、食品、家用电器、仓储等许多领域。
随着微处理器以及微电子技术的发展,数字设备以其抗干扰、功耗低、便于微处理器控制的特点,逐渐成为测控系统中的主流。
本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术结合,力图以现场设备的无线化来解决由线缆带来的诸多问题。
1.2温度传感器技术的现状及发展趋势
在后工业化时代,信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用,传感器技术、通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。
传感器技术是2l世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点,各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。
从20世纪80年代起,日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首,美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。
我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。
21世纪是人类全面进入信息电子化的时代,作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术必将得到较大的发展。
传统的温度测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。
水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。
可是它的缺点是只能近距离观测,而且有毒。
代替它的有酒精温度计和金属簧片温度计,它们虽然没有毒性,但测量精度很低。
在电气时代主要发展了金属热敏电阻。
如铜电阻、镍电阻、铂电阻等,它们的特点是稳定性好、耐高温,如铂电阻有的可达六、七XX。
但它们的缺点是灵敏度低,当传输线路长短不等时,需要进行温度补偿。
热敏电阻的另一分支是金属氧化物半导体型热敏电阻,作为测温用的是负温度系数热敏电阻(NTC),它由多种金属氧化物粉混合烧结而成,其主要优点是灵敏度高。
过去的缺点是一致性差,现由于改进配方问题基本解决,测量精度可达0.1%以内,能满足工业要求。
更高温度测量需使用热电耦。
该类热电偶最高测量温度可达+3000℃,是目前冶炼不可缺少的仪器设备。
不过它的缺点是线性不好,冷端需要温度补偿。
1.3短距离无线通信技术的现状与发展趋势
随着移动通信需求和远程数据采集量的增加,加之有线传输的费用日益增长,人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。
在过去的几年中,无线通讯领域取得了很大的进展,这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。
以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。
与上述技术一样,数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用,他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。
所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点,就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。
无线数据通信技术可分为两大类:
一是基于蜂窝的接入技术,如蜂窝数字分组数据(CDPD),通用分组无线传输技术(GPRS)、EDGE等。
二是基于局域网的技术,如IEEE802.11WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。
与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络(如蜂窝移动通信网相比,短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上,均有很大的不同。
(1)红外通信技术(IrDA)
红外通信技术IrDA(InfraRedDataAssociation)采用人眼看不到的红外线传输信息,是使用最广泛的短距离无线通信技术。
它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑,通常有效作用半径2米,传统速度可达4Mbit/s,1995年IrDA将通信速率扩展到的高达16Mbit/s,红外技术采用点到点的连接方式,发射、接收具有方向性,具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点。
因此广泛应用于各种遥控器,笔记本电脑,移动电话等移动设备。
但红外技术只是一种视距传输技术,有效距离近,发射角度较小,一般不超过20度,两台相互通信的设备之间必须对准,而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物,只能限于两台设备通信,无法灵活构成网络,且无法用于边移动边使用的设备,另外,IrDA设备中的核心部件LED易磨损。
(2)蓝牙技术(Bluetooth)
蓝牙技术使用全球统一开放的2.4GHz的ISM频段,采用跳频扩频FHSS技术实现设备之间的无线互连,有穿透能力,能够全方位传送,主要面对网络中各种数据和语音设备,通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet)。
多个微微网之间也可以形成分布式网络(Scatternet),从而方便,快速的实现各类设备之间的通信。
蓝牙技术作为一种新兴的技术,主要具有以下特点:
规范的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。
蓝牙技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信规范。
1.4设计的功能、技术指标及主要任务
(一)设计的功能、技术指标
本任务中,要求各点温度能够本地显示,并使单点测温单元的功耗尽可能小。
上位机和下位机考虑抗干扰措施,使系统有抗干扰能力。
具体指标如下:
1.现场测温范围5℃~90℃,精度为1℃,分辨率为0.1℃;
2.温度传感器断线自动检测;
3.系统可靠通讯距离为300m。
(二)设计的主要任务
1.设计满足上述要求的系统实现方案;
2.选择适当的通讯方式,完成数据的通信;
3.设计多点温度采集电路;
4.设计实现上述要求的系统的硬件和软件;
5.完成部分软、硬件的调试。
1.5本课题要解决的主要内容及章节安排
(一)要解决的主要内容
本课题所研究的多点无线温度测量系统是短距离无线通信技术在温度测量方面的一个具体应用,对于温度测量来说,一个最重要的环节就是对环境温度进行补偿,对数据进行误差分析。
另外该系统属于无线通信系统,因此也需要对数据传输的可靠性进行研究。
主要研究内容包括以下几方面:
(1)选用温度传感器时,应重点考虑测量精度高,抗干扰能力强,稳定性好,信号易于处理、传送,便于多路测量,安装方便,维护简单,环境温度补偿容易的器件。
(2)在硬件设计时,结构要尽量简单实用、易于实现,应尽量使用各种总线技术,以节约系统有限的I/O资源,并使系统电路尽量简单。
(3)在硬件电路和软件程序设计时,一定要增加抗干扰措施,提高系统的抗干扰能力,保证系统的稳定性。
(二)章节安排
本说明书共分五个章节,第一章是绪论,对课题的研究目的、意义及发展趋势作了简单的介绍,第二章主要是通过对比,确定出系统的设计方案,第三章主要介绍里系统硬件电路的设计,对系统每一部分硬件电路进行了详细介绍,第四章是系统的软件设计,主程序和各个子程序都在第四章进行了介绍,并画出了各个程序的流程图,第五章简单介绍了系统的抗干扰措施。
第二章系统方案的设计
温度的检测有许多方法,可供选择的器件和运用的技术也有多种。
因此,系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下,充分考虑系统使用的环境,所选的结构要尽量简单实用、易于实现,器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。
2.1系统方案构想
系统采用近几年来成熟的各种温度传感技术、短距离无线通信技术、数据处理控制技术和功能化模块来构造基本的系统功能。
系统的功能往往决定了系统采用的结构,本系统要实现的是温度数据的测量、显示、上传等功能,因此,系统的总体结构可以构想为温度采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模块等几大部分。
系统方案在温度数据采集部分主要有三种构想:
一是温度感器选用传统的模拟式器件,二是选用集成式器件,三是选用数字式传感器;在短距离无线通信部分主要有三种构想:
一是采用蓝牙技术,二是采用红外线技术,三是选用无线数传模块;在系统控制和数据处理部分也有两种构想:
一是采用单片机控制,二是采用DSP进行处理。
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- 基于 单片机 分布式 温度 测控 系统