基于DS18B20的温度显示与报警系统设计本科毕业设计论文.docx
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基于DS18B20的温度显示与报警系统设计本科毕业设计论文
毕业设计(论文)
题目:
基于DS18B20的温度显示与报警系统设计
院系:
机电工程学院
专业:
电气自动化
班级:
电气13302
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
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日期:
年月日
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日期:
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日期:
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注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
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3)中文摘要(300字左右)、关键词
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6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
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2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
摘要
随着科技的不断进步,在工业生产中温度是常用的被控参数,而采用单片机来对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。
温度传感器DS18B20具有性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便等优点,广泛应用于冰箱、空调器、粮仓等日常生活中温度的测量和控制。
本文采用51单片机来实现对温度的测量和报警。
它的主要组成部分有:
STC89C52单片机,DS18B20,键盘与显示电路,AT24C02温度范围存储电路,温度报警和控制电路。
它可以实时地检测和显示温度,可以设定温度范围,实现对温度的报警和自动控制。
关键词:
温度计;DS18B20;51单片机;温度报警。
ABSTRACT
TemperaturesensorDS18B20hasalotofadvantages,suchasstableperformance,highsensitivity,stronganti-interferencecapability,convenienceofuse,etc.Anditwaswidelyusedforthemeasurementandcontroloftemperatureinrefrigerators,airconditioners,barnandotherdailylifeinthemeasurementandcontroloftemperature.Inthisarticle,Weusedasinglechipforrealizingtemperaturemeasurementandalarm.ItwasmainlycomponentofSTC89S52chip,DS18B20,keyboardanddisplaycircuit,storagecircuitoftemperaturerange,temperaturealarmandcircuitcontrol.Itrealizenotonlyreal-timedetectionanddisplaytemperature,butalsosettingthetemperaturerangeandthemeasurementandcontroloftemperature.
Keywords:
Thermometer;DS18B20;51MCU;temperaturealarm.
引言
温度是表示物体冷热程度的物理量,在工农业生产和日常生活中,对温度的测量及控制始终占据着重要位置。
随着计算机与信息技术的发展,计算机测量控制系统在越来越多的场合得到了广泛的应用,它带给人们的方便是不可否定的,其中数字温度计、数字温度报警器就是一个典型的例子,随着人们对它的要求越来越高,要为现代人工作、科研、生活等提供更好、更方便的设施就需要从单片机技术入手,一切向着数字化控制、智能化控制的方向发展。
温度传感器DS18B20具有独特的单线接口,仅需要一个端口引脚进行通信,可实现多点组网功能、待机零功耗、供电电压范围仅为3.0~5.5V,而且具有读数方便、测量范围广、测温准确的特点,最主要的是用户可以定义报警设置、报警搜索命令识别并标记超过程序限定温度(温度报警条件)。
如在流感等传染行疾病爆发季节,通过这样的系统,只要检测到温度超过设定的正常人体温就会发出报警,能有效的预防流感的扩散。
由单片机构成的温度检测、温度控制系统可广泛应用在很多领域。
本文讨论基于数字传感器DS18B20构造的温度报警系统,对DS18B20测得的温度数据进行译码显示,当温度超出之前设定的温度范围时蜂鸣器发出响声报警。
相对于相似的温度报警器或温度计来说,具有数度方便、测温范围广、输出温度采用数字显示,适用于对测温比较准确的场所。
第一章绪论
1.1测量温度的意义
温度是一个很重要的物理量,它直接影响化学反应、发酵、煅烧、浓度、蒸馏、结晶以及空气流动等物理及化学过程。
人们的生活与环境的温度息息相关,随着人们生活水平的不断提高,以及对生活质量要求的不断提升,自然会更加关注与生活精密联系的温度;在工业生产中经常需要实时测量温度,尤其在高危生产行业,如鞭炮生产、煤矿行业,但依靠人工检测既浪费时间、人力和物力,又有一定的危险性,而且人工测量的数据也不准确,一旦温度监控失误就可能引起一系列的安全事故;同样,在农业生产中也离不开温度的测量,各种农作物的生长都离不开适宜的生长温度,掌握了温度的变化就可以更好的控制农作物的生长。
因此,温度测量无论是在工业生产过程中,还是在日常生活中都起着非常重要的作用。
1.2系统背景
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、价格、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。
传统的温度采集方法不仅费时费力,而且精度差,而单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。
单片机以集成度高、运算速度块、体积小、运行可靠、价格低廉等优势,在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到了广泛的应用。
特别是在环境恶劣或温度较高等场合下,为了保证生产过程正常安全地进行,提高产品的质量和数量,以及减轻工人的劳动强度、节约能源,要求对加热炉内温度进行测量、显示、报警及控制,使之达到工艺标准,以单片机为核心设计的温度测量系统,可以对温度进行实时测量,并将温度数据进行显示和报警以及进行相应控制。
1.3温度测量及其报警系统的国内外情况
温度检测系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总的发展水平仍然不高,和日本、德国、美国等先进国家相比有着较大的差距。
采用51单片机来对温度进行检测和控制,不仅具有成本低廉、控制方便和灵活性大等优点,而且可以提高被控温度的技术指标,从而提高产品的质量和数量。
因此,单片机对温度的处理问题是一个工业生产中经常会遇到的问题.
1.4本文研究内容
本文是基于STC89C52单片机,采用数字温度传感器DS18B20,不需要A/D转换,可直接进行温度采集显示、报警和控制的数字温度计设计。
第二章系统总体设计
2.1系统方案选择
该系统主要由温度测量,数据采集和数据处理部分组成,实现方案有很多种,下面将列出两种经常用到的实现方案。
2.1.1方案一
采用热敏电阻传感器。
利用热敏电阻阻值随温度变化而显著变化,能直接将温度的变化转换为电压的变化,进而制成温度计。
数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机或使用专业的A/D转换芯片进行A/D转换后,就可以用单片机进行数据的处理,在显示电路上,就可以将被测温度显示出来,同时对温度进行相应的报警和控制。
此方案的优点是工作温度范围非常宽,体积小,精确度高,但是它们也存在着输出电压小、抗干扰能力差的缺点,并且这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路比较复杂,增大系统设计的难度。
2.2.2方案二
采用数字温度芯片DS18B20测量温度,输出信号全数字化。
便于单片机控制及处理,省去传统测温方法的很多外围电路。
且该芯片的性能比较稳定,线形较好,在0—100°C时,最大线性偏差小于1°C。
DS18B20采用了单总线的数据传输,由DS18B20和微控制器STC89C52构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与单片机连接。
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,软件编程的自由度很大,可通过C语言编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制,而且硬件实现简单,安装方便。
另外51单片机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STC89C52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进行报警和相应的控制处理。
该系统扩展性很强,它可以利用键盘来进行温度范围调整,利用AT24C02芯片作为存储器件,获得的数据可以通过I2C总线协议与AT24C02通信而把温度范围数据储存起来,方便应用中的实时调整以及关机重启后加载数据。
从以上两种方案,容易看出方案二的测温装置电路更简单、实现更方便、程序设计也更容易实现,故本次设计采用了方案二。
2.2系统的组成
本课题是以51单片机为核心设计的一种数字温度报警系统,系统整体硬件电路包括温度采集电路、温度显示电路、上下限报警调整电路、存储电路、报警及控制电路、单片机主板电路等。
系统框图主要由主控制器、温度传感器、报警按键设置、AT24C02、数码管显示、报警和控制电路组成。
如图2-1所示
图2-1系统框图
单元模块功能如下:
检测电路由DS18B20构成,DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
系统的核心器件是51单片机,它是整个系统的心脏,由它来控制协调各功能模块的正常工作,考虑到系统的功能和经济性因素,采用的是性价比比较高的STC89C52。
温度范围值的存储采用AT24C02,AT24C02是一个2K串行CMOSE2PROM存储器,其通过I2C协议与单片机进行通信而把报警温度值储存起来,关机重启后能保留报警温度值,从而无需再进行设置。
报警功能由蜂鸣器完成,通过单片机I/O口向蜂鸣器发出不同频率的脉冲而发出不同的警报声对相应温度进行报警。
温度控制模块,温度过高时由风扇制冷,温度过低时由红色LED灯模拟加热器进行升温处理。
显示模块则由数码管进行显示。
2.3系统的工作过程
系统由DS18B20采集温度后进行转换,再把温度数据传递给单片机,单片机控制数码管进行同步温度显示,同时对温度值进行处理,当温度高于设定值后进行制冷处理,温度继续上升超过设定值+3°C时控制蜂鸣器进行高频率报警处理。
当温度低于设定值后进行加热处理,温度继续下降低于设定值-3°C时控制蜂鸣器进行低频率报警处理。
系统运作过程中可以随时对温度上下限制进行设置,通过按键输入调整数值,由于单片机片内RAM具有掉电丢失数据的特性,这里把温度上下限数值存入AT24C02中。
当系统断电重启后首先通过AT24C02把温度范围值加载到单片机内从而保证系统正常工作。
第三章系统的硬件设计
3.1单片机控制系统的选择
本系统采用STC89C52为主控器,兼容所有89C51单片机。
3.1.189C52单片机简介
一、89C52单片机的内部结构
89C52单片机的内部结构如图3-1所示。
它把那些作为控制应用所必需的基本功能部件都集成在一个集成电路芯片上。
它由如下功能部件组成:
(1)微处理器(CPU)
(2)数据存储器(RAM)
(3)程序存储器(4K Flash ROM)
(4)4个8位可编程并行I/O口(P0口.P1口、P2口、P3口)
(5)1个全双工串行口
(6)2个16位定时器/计数器
(7)中断系统
(8)特殊功能寄存器(SFR)
图3-189C52单片机内部结构
1.CPU
89C52单片机中有1个8位CPU,与通用的CPU基本相同,同样包括了运算器和控制器两大部分,只是增加了面向控制的位处理功能。
2.数据存储器(RAM)
片内为256B,片外最多可扩展64KB。
片内128B的RAM以高速RAM的形式集成在单片机内,可以加快单片机运行的速度,而且这种结构的RAM还可以降低功耗。
3.程序存储器(ROM)
程序存储器用来存储程序。
89C52片内集成有8KB的Flash存储器,片外可外扩至64KB。
4.中断系统
5个中断源,2级中断优先权。
5.定时器/计数器
片内有3个16位的定时器/计数器,具有4种工作方式。
6.串行口
1个全双工的串行口,具有4中工作方式。
可进行串行通信,扩展并行I/O,甚至于多个单片机相连构成多级系统,从而使单片机的应用更广。
7.P1口、P2口、P3口、P0口
4个8位并行I/O口。
8.特殊功能寄存器(SFR)
共有21个特殊功能寄存器,用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制和监视。
特殊功能寄存器实际上是片内各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器,这些特殊功能寄存器映射在片内RAM区80H~FFH的地址区间内。
二、89C52单片机引脚功能说明
图3-289C52单片机引脚图
(1)电源引脚
VCC(40脚):
接+5V电源
GND(20脚):
接地。
(2)时钟引脚
XTAL1(19脚):
片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。
XTAL2(18脚):
片内振荡器反相放大器的输出端。
(3)控制引脚
RST(9脚):
复位信号输入端,高电平有效。
单片机运行时,在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平时,就可以对单片机完成复位操作。
EA/VPP(31脚):
当EA引脚为高电平时,89C52单片机读片内程序存储器,但在PC值超过8KB时将自动转向外部程序存储器中的程序。
EA为低电平时,对程序存储器的读操作只先顶着外部程序存储器。
(4)I/O口引脚
P0口:
8位,漏极开路的双向I/O口。
当89C52扩展外部存储器及I/O借口芯片时,P0口作为地址总线低8位及数据总线的分时复用端口。
作为通用I/O口时需加上拉电阻,作为普通I/O口输入时应先向端口的输出锁存器写入1。
P1口:
8位,准双向I/O口,具有内部上拉电阻。
作为普通I/O输入时,先向端口输出锁存器写入1。
P2口:
8位,准双向I/O口,具有内部上拉电阻,作为普通I/O输入时同上。
P3口:
8位,准双向I/O口,具有内部上拉电阻,作为普通I/O输入时同上,P3口还可以提供第二功能,其第二功能定义如表3-1所示:
表3-1P3口第二功能
引脚
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行数据输入口
P3.1
TXD
串行数据输出口
P3.2
INT0
外部中断0输入
P3.3
INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
定时器0外部技术输入
P3.5
T1
定时器1外部计数输入
P3.6
WR
外部数据存储器写选通输出
P3.7
RD
外部数据存储器读选通输出
3.1.2单片机系统
整个系统的核心部件就是单片机,搭建一个稳定的单片机系统对于系统的正常工作是很重要的。
图3-3单片机系统
单片机系统如图3-3所示,其中有4个双向的8位并行I/O端口,分别记作P0、P1、P2、P3,都可以用于数据的输出和输入,P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。
时钟电路用于产生单片机工作所必须的时钟控制信号,内部电路在时钟信号的控制下,严格地按时序指令工作。
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器,该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1,输出端为XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容,就构成了一个稳定的自激振荡器。
电路中的微调电容通常选择为30pF左右,该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体的振荡频率采用12MHz。
MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现,采用最简单的上电复位电路。
3.2温度检测电路及DS18B20测温原理
3.2.1DS18B20介绍
DS18B20引脚如图3-4所示:
图3-4DS18B20的管脚排列
DALLAS半导体公司的单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”,其体积小、适用于多种场合。
DS18B20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-55~+125°C,可编程为9位~12位转换精度,测温分辨率可达0.0625°C。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。
多个DS18B20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很少,可节省大量的引线和逻辑电路。
3.2.2DS18B20特性
(1)适应电压范围宽:
3.0V~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。
(2)独特的单线接口方式,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DS18B20的双向通讯。
(3)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
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