基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告

基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告PAGE1PAGE1一、引言溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測溫元件、測方法以及對溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。利用微機對溫度進行測控的技術，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。作為獲取信息的手段——傳感器技術得到了顯著的進步，其應用領域較廣泛。傳感器技術已成為衡量一個國家科學技術發(fā)展水平的重要標志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結構、工作原理及特性是非常重要的。為了提高對傳感器的認識和了解，尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設計了本系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用傳感器與單片機相結合，應用性比較強，本系統(tǒng)可以作為倉庫溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調節(jié)系統(tǒng)、實驗室溫度監(jiān)控系統(tǒng)，以及構成智能電飯煲等等。課題主要任務是完成環(huán)境溫度監(jiān)測，利用單片機實現(xiàn)溫度監(jiān)測并通過報警信號提示溫度異常。本設計具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點。本設計系統(tǒng)包括單片機，溫度采集模塊，顯示模塊，按鍵控制模塊，報警和指示模塊五個部分。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹。整個系統(tǒng)的核心是進行溫度監(jiān)控，完成了課題所有要求。二、實驗目的和要求2.1學習DS18B20溫度傳感芯片的結構和工作原理。2.2掌握LED數(shù)碼管顯示的原理及編程方法。2.3掌握獨立式鍵盤的原理及使用方法。基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第1頁。2.4掌握51系列單片機數(shù)據(jù)采集及處理的方法?；趩纹瑱C實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第1頁。三、方案設計總體設計方案采用AT89C52單片機作控制器，溫度傳感器選用DS18B20來設計數(shù)字溫度計，系統(tǒng)由5個模塊組成：主控制器、測溫電路、顯示電路、控制電路、報警及指示電路。主控制器由單片機AT89C52實現(xiàn)，測溫電路由DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)，顯示電路由4位LED數(shù)碼管直讀顯示,，報警指示電路由蜂鳴器和發(fā)光二級管構成，控制電路由按鍵構成。本設計所使用的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確等特點，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對溫度的精度要求較高的場所，或科研實驗室使用，并且加有報警裝置，超過限制溫度可發(fā)出報警信號，還可以調整報警上下限溫度。該設計控制器使用單片機AT89C52，測溫傳感器使用DS18B20，用4位共陽極LED數(shù)碼管以I/O口傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示，能準確達到以上要求。四、實驗原理利用溫度傳感器芯片監(jiān)測環(huán)境溫度，將溫度信號轉換為數(shù)字信號傳送到單片機內部，單片機通過對溫度數(shù)據(jù)進行處理，利用四位八段數(shù)碼管顯示環(huán)境溫度，并利用蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出超限警報信號。通過按鍵操作可以改變報警溫度的上下限?；趩纹瑱C實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第2頁。五、材料清單基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第2頁。序號名稱型號/規(guī)格數(shù)量備注1單片機STC89C52RC1U12溫度傳感器DS18B201U23電阻3KΩ5R1,R2,R3,R4,R124100Ω4R5,R6,R7,R8510KΩ4R9,R13,R14,R156200Ω1R1071KΩ1R118排阻10K1RP19電容30pF2C1,C210電解電容22uF1C311三極管9013(NPN)4Q1,Q2,Q3,Q4128550(PNP)1Q513發(fā)光二極管黃色1D114紅色1D215綠色2D3,D416蜂鳴器1BUZ117按鍵4S1,S2,S3,S418晶振11.0592MHz1X119四位八段數(shù)碼管XD3941BR-ST1顯示六、基本芯片及其原理6.1單片機89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機中基本的產(chǎn)品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工藝技術制造的高性能8位單片機，屬于標準的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結合了HMOS的高速和高密度技術及CHMOS的低功耗特征，它基于標準的MCS-51單片機體系結構和指令系統(tǒng)，屬于80C51增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達控制等應用場合。89C52內置8位中央處理單元、256字節(jié)內部數(shù)據(jù)存儲器RAM、8k片內程序存儲器（ROM）32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個16位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩電路。此外，89C52還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結CPU而RAM定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)兩種封裝形式。本次課程設計所使用的單片機為STC89C52單片機，是深圳宏晶科技生產(chǎn)的完全兼容INTEL公司MCS-51系列的單片機。6.2溫度傳感器及其原理傳感器DS18B20具有體積小、精度高、適用電壓寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點，在實際應用中取得了良好的測溫效果。美國Dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內?！耙痪€總線”獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。現(xiàn)在，新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。使用戶可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點。同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55°C～+125°C，在-10～+85°C范圍內，精度為±0.5°C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第3頁。6.2.1DS18B20的特性基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第3頁。（1）適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。（2）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。（3）DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。（5）溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃。（6）可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫。（7）在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數(shù)字，速度更快。（8）測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。（9）負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。6.2.2DS18B20內部結構及DS18B20的管腳排列64位光刻ROM是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列號。不同的器件地址序列號不同。DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL，高速暫存器。DS18B20的引腳定義：基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第4頁。圖一DS18B20引腳定義基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第4頁。(1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端。(2)GND為電源地。(3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。6.2.3DS18B20的編程（1）DS18B20的初始化：①先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”。②延時（該時間要求的不是很嚴格，但是盡可能的短一點）③數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”。④延時750us（該時間的時間范圍可以從480us到960us）。⑤數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”。⑥延時等待（如果初始化成功則在15到60毫秒時間之內產(chǎn)生一個由DS18B20所返回的低電平“0”。據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時控制）。⑦若CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后，還要做延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平算起（第（5）步的時間算起）最少要480微秒。⑧將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“1”后結束。初始化程序代碼如下：voidds_reset(void){ charpresence=1; while(presence) { while(presence) { DQ=1; _nop_(); _nop_(); DQ=0; delay(50); DQ=1; delay(6); presence=DQ; } delay(45); presence=~DQ; } DQ=1;}（2）DS18B20的寫操作：基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第5頁。①數(shù)據(jù)線先置低電平“0”?；趩纹瑱C實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第5頁。②延時確定的時間為15us。③按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位）。④延時時間為45us。⑤將數(shù)據(jù)線拉到高電平。⑥重復上（1）到（6）的操作直到所有的字節(jié)全部發(fā)送完為止。⑦最后將數(shù)據(jù)線拉高。寫操作程序代碼如下：voidds_write(uchards_wrdata){ uchari; for(i=8;i>0;i--) { DQ=1; _nop_(); _nop_(); DQ=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); DQ=ds_wrdata&0x01;//最低位移出 delay(6); ds_wrdata=ds_wrdata/2;//右移1位 } DQ=1; delay(1);}（3）DS18B20的讀操作：①將數(shù)據(jù)線拉高“1”。②延時2us。③將數(shù)據(jù)線拉低“0”。④延時15us。⑤將數(shù)據(jù)線拉高“1”。⑥延時15us。⑦讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個狀態(tài)位，并進行數(shù)據(jù)處理。⑧延時30us。讀操作程序代碼如下：uchards_read(void){ uchari; ucharvalue=0;基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第6頁。 for(i=8;i>0;i--)基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第6頁。 { DQ=1;_nop_(); _nop_(); value>>=1; DQ=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); DQ=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); if(DQ)value|=0x80; delay(6); } DQ=1; return(value);}6.2.4DS18B20傳感器的溫度數(shù)據(jù)關系：圖二溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)關系6.2.5DS18B20的外部電源供電方式：基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第7頁。在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)?；趩纹瑱C實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第7頁。圖三外部電源供電連接圖七、系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)設計由5個模塊組成：主控制器（單片機）、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、控制電路模塊、報警及指示模塊。主控制器由單片機AT89C52實現(xiàn)，測溫電路由DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)，顯示電路由4位LED數(shù)碼管直讀顯示，報警指示電路由蜂鳴器和發(fā)光二級管構成，控制電路由按鍵構成。系統(tǒng)框圖如下：P3.0~P3.3P0.0~P0.7P2.0~P2.3P1.3~P1.7P1.0溫度采集報警指示控制按鍵溫度顯示P3.0~P3.3P0.0~P0.7P2.0~P2.3P1.3~P1.7P1.0溫度采集報警指示控制按鍵溫度顯示單片機單片機圖四系統(tǒng)框圖基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第8頁?；趩纹瑱C實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第8頁。八、工作流程圖8.1主程序流程圖開始開始初始化顯示初始化顯示讀取溫度讀取溫度否for(i=0;i<200;i++)否for(i=0;i<200;i++)是是狀態(tài)指示、報警狀態(tài)指示、報警顯顯示按鍵掃描按鍵掃描圖五主要功能流程圖基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第9頁。基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第9頁。開始開始采樣當前溫度采樣當前溫度大于上限？大于上限？高溫警報高溫警報小于下限？小于下限？低溫警報溫度正常指示低溫警報溫度正常指示結束結束圖六指示、報警模塊流程圖開始開始傳感器初始化傳感器初始化發(fā)跳過讀序列號指令發(fā)跳過讀序列號指令發(fā)溫度轉換指令發(fā)溫度轉換指令讀溫度值低字節(jié)讀溫度值低字節(jié)讀溫度值高字節(jié)讀溫度值高字節(jié)高低字節(jié)合并高低字節(jié)合并返回溫度值返回溫度值開始開始基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第10頁。圖七讀取溫度值模塊流程圖基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第10頁。九、硬件電路圖圖八顯示模塊基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第11頁。圖九按鍵控制模塊基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第11頁。圖十報警、指示電路圖十一溫度傳感器連接圖基于單片機實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第12頁?；趩纹瑱C實現(xiàn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計課程設計報告全文共14頁，當前為第12頁。