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温度的检测与控制系统是设计本科学位论文

摘要

温度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一，随着传感器在生产和生活中的更加广泛的应用，利用新型单总线式数字温度传感器实现对温度的测试与控制得到更快的开发，本文设计了一种基于AT89C51的温度检测及报警系统。

该系统将多个单总线温度传感器DS18B20并接在控制器的一个端口上,对各个传感器温度进行循环采集,将采集到的温度值与设定值进行比较,当超出设定的上限温度时,通过ISD1420语音电路给出语音提示及报警信号。

文中给出了单根数据线上扩展多个温度传感器的设计方法,并给出了系统实现的硬件原理图及软件流程图。

经实验测试表明,该系统测量精度高、抗干扰能力强、报警及时准确,具有一定的参考价值。

该系统设计和布线简单，结构紧凑，体积小，重量轻，抗干扰能力强，性价比高，扩展方便，在大型仓库，工厂，智能化建筑等领域的多点温度检测中有广阔的应用前景。

关键词：

数字温度传感器；单总线；通信协议；DS18B20；AT89C2051；LED显示器；报警信号

Abstract

   Temperaturedetectionandcontrolofindustrialproductionprocess,oneofthemoretypicalapplications,withsensorsinproductionandlifeismorewidelyused,usinganewsingle-busdigitaltemperaturesensortoachievethetestandcontrolthetemperaturemorerapidlydevelopment,thispaperisdesignedbasedonAT89C51temperaturedetectionandalarmsystems.Thesystemwillbemorethanasingle-bustemperaturesensorDS18B20andconnectedtoaportonthecontroller,thetemperaturesensorsoneachloopcollection,thetemperaturewillbecollectedtocomparewiththesetvalue,whenthetemperatureexceedstheupperlimitset,throughtheISD1420voicecircuitgivesvoicepromptsandalarmsignal.Inthispaper,asingledatalinesextendmultipletemperaturesensordesignmethodsandgivesthesystemimplementationofhardwareandsoftwareflowdiagram.Theexperimentaltestsshowthatthishighaccuracy,stronganti-interferenceability,alarmtimelyandaccurate,withacertainreferencevalue.Thesystemdesignandlayoutsimpleandcompactstructure,smallsize,lightweight,anti-jammingcapability,cost-effectivetoexpandconvenience,inlargewarehouses,factories,constructionandotherareasofintelligentmulti-pointtemperaturemeasurementinawiderangeofapplicationsprospects.

KeywordsdigitaltemperaturesensorsinglebuscommunicationprotocolsDS18B20AT89C2051LEDdisplayalarmsignal

1绪论

1.1课题背景

测量控制的作用是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算的方法，综合各种先进技术，使每个生产环节都能够得到有效的控制，不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。

所以，测量控制技术已经被广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和纺织等行业。

随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。

单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。

单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。

它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。

所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。

随着温度检测理论和技术的不断更新,温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。

本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S51，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,能准确达到以上要求。

1.2温度检测与及报警系统的国内外状况

温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。

温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。

因此对温度的检测的意义就越来越大。

温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。

在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。

使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。

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、价位、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。

单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段

在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

例如：

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

同时温度也是生活中最常见的一个物理量，也是人们很关心的一个物理量，它与我们的生活息息相关，有着十分重要的意义，在工业生产中，温度过高或过低会直接影响到产品的质量、对机械设备和控制系统中的各种元器件造成一定的损坏，严重的会影响到生产安全。

在日常生活中，温度过高或过低同样会造成一些不良影响。

在实际生产、生活等各个领域中，温度是环境因素的不可或缺的一部分，对温度及时精确的控制和检测显得尤为重要。

比如，农业上土壤各个层面上的温度将会影响植物的生长；在医院的监护中也用到温度的测量。

在工业中，料桶里外上限温度要求不一，以及热处理中工件各个部位的温度对工件形成后的性能至关重要等等。

现代电子工业的飞速发展对自动测试的要求越来越高。

采用单片机对温度进行控制,不仅具有控制方便和组态简单的优点,而且可以提高被控温度的技术指标。

针对以上情况，在控制成本的前提下，通过本设计设计一款能够实时检测控制温度，又具有对系统设定不同的报警温度的温度控制报警系统功能。

此系统能够满足现代生产生活的需要，效率高，具有较强的稳定性和灵活性。

因此，在生产和生活中要对温度进行严格的控制，使温度在规定的范围内变化。

通过本系统提高学生对于温度控制的认识。

在学习实践中提高对理论的认知能力和动手解决实际问题的能力，达到教学实践相结合的目的。

及采用先进的科学技术，加以丰富的保安实际经验和知识，向社会提供各种超值安全设备服务，给用户带来安全和放心。

随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

1.3温度参数、温度检测和语音报警

基本范围-50℃-110℃

精度误差小于0.5℃

LED数码直读显示

可以任意设定温度的上下限报警功能

1.3.2温度检测

通过DS18B20传感器检测测量温度，通过AT89S51单片机进行控制，通过用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

1.3.3语音报警

先录音，能分160段（地址为00H-0A0H）。

我们说话平均语速4字/秒，所以20秒我们录80字。

经过计算，每个字占2个地址。

我们录音13段。

录音用S1键，放音控制用S2键。

录音时按下键后开始录音,录完每段后放开按键,录音停止。

共录13段,录每段时同时用数码管提示，分别用数字0-F来表示。

按语音提示键播报温度,不按不播报。

2系统总体设计方案

2.1单片机语音温度报警系统的总体设计

语音温度报警计电路设计总体设计方框图如图2.1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，语音电路采用ISD1420,用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

图2.1总体设计方框图

单元模块功能如下：

检测电路由温度传感器DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新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。

自动报警主机的核心器件是单片机，它是整个系统的心脏，由它来接受报警信号并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，采用的是当今流行的性价比比较高的AT89C51。

语音电路采用美国ISD公司的高保真录放一体化语音芯片ISD1420来完成报警时进行语音提示的预存工作，根据警情的不同进行相应的语音提示。

2.2系统的基本工作过程

在农业应用方面虚拟仪器温室大棚温度测控系统是一种比较智能，经济的方案，适于大力推广，改系统能够对大棚内的温度进行采集，然后再进行比较，通过比较对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析，如果超过温度限制，温度报警系统将进行报警，来通知管理人员大棚内的温度超过限制，大棚内的温控系统出现故障，从而有利于农作物的生长，提高产量。

3单片机温度控制和语音报警系统硬件设计

3.1温度控制和报警主机

本系统主要是基于单片机实现其温度检测和报警功能，其硬件的主要设计如下：

3.1.1主控制单片机

主控单片机采用一片ATMELAT89S51。

根据题目要求，充分利用了单片机灵活控制的优点，发挥其优势功能，采用单片机控制显示信号灯，提高了系统的灵活性，设置方便。

AT89S51芯片本身集成了看门狗（WDT）电路，这是为了系统更加的稳定可靠，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生这种做法对于实际上长时间运行在恶劣状况的交通灯控制系统来说是十分必要的。

它可以完成自动加载复位，省去人工调整的麻烦，可以做到无人职守。

3.1.2AT89S51特点

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

（如图3.1所示）。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

图3.1AT89S51芯片

3.1.3AT89S51主要功能特性：

·兼容MCS-51指令系统

·32个双向I/O口

·2个16位可编程定时/计数器

·全双工UART串行中断口线

·2个外部中断源

·中断唤醒省电模式

·看门狗（WDT）电路

·灵活的ISP字节和分页编程

·4k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM

·4.5-5.5V工作电压

·时钟频率0-33MHz

·128x8bit内部RAM

·低功耗空闲和省电模式

·3级加密位

·软件设置空闲和省电功能

·双数据寄存器指针

AT89S51的引脚功能介绍：

VCC：

AT89S51电源正端输入，接+5V。

VSS：

电源地端。

XTAL1：

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：

系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一个20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：

AT89S51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

EA/VPP：

"EA"为英文"ExternalAccess"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。

因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。

如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平。

此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（VPP）。

ALE/PROG：

ALE是英文"AddressLatchEnable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。

AT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S51是以多工的方式送出地址及数据。

平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。

此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：

此为"ProgramStoreEnable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。

AT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。

PORT0（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当作I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。

设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一个完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。

PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P2除了用做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当作I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。

如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：

RXD，串行通信输入。

P3.1：

TXD，串行通信输出。

P3.2：

INT0，外部中断0输入。

P3.3：

INT1，外部中断1输入。

P3.4：

T0，计时计数器0输入。

P3.5：

T1，计时计数器1输入。

P3.6：

WR：

外部数据存储器的写入信号。

P3.7:

RD，外部数据存储器的读取信号。

3.1.4温度检测和报警主机硬件电路设计

图3.2中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。

图3.2单片机主板电路

温度的检测主要依据DS18B20来采集，DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。

另一种是寄生电源供电方式，如图3.3所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

本设计采用电源供电方式，P1.1口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89S51的P1.0来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。

采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。

由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三状态的。

主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：

●初始化；

●ROM操作指令；

●存储器操作指令

IS18B20

P1.0

单片机

GND

VCC

图3.3DS18B20与单片机的接口电路

我们要求的温度在一定的范围内为安全温度，我们设置的上界温度为35℃，当测量值在正常范围内时，程序控制P2.0输出低电平，音频信号不发声，当达到一定的上界或者下界时，报警电路开始工作，P2.0同时为高电平，音频发音告警，操作人员观察音频发生器是否发音，就可知道被测量器件工作是否正常。

图3.4报警电路

3.1.4单片机及复位键控制模块

单片机采用89S51，其中有8K内存可用。

对交通灯的控制主要用其中的计数器定时来完成。

一方面要完成对各模块的控制，另一方面也要协调好各模块的时序及口线冲突问题。

单片机复位电路是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从该状态开始工作，例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。

无论是在单片机刚接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。

单片机复位的条件是：

使RST/VPD引脚 加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。

若时钟频率为12MHz，每机器周期为1us，则只需2us以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。

单片机常见的复位电路如图3.3按键复位电路所示。

图3.5按键复位电路

该电路除了具有上电复位电路功能，还可以使用中复位，只要按下图2.9中的RESET键，此时电源VCC经电阻R1 、R2分压，在RESET端产生一个复位高电平。

单片机复位期间不产生ALE和PSEN信号，即ALE=1，这表明单片机复位不会有任何取值操作。

按键复位电路，易掌握，好操作。

3.2语音电路

本系统语音电路可录制四段提示音，同时，在电话接通后，可以将语音分段播放。

根据系统的功能要求，系统选择了美国ISD公司的ISD1420芯片。

3.2.1ISD1420芯片简述

ISD1420语音芯片是由美国ISD（InformationStorageDevice）公司开发的高保真、不怕断电、录放一体化的单片固态语音集成电路[8]。

其片内设有时钟振荡器、128K字节E2PROM（电可编程可擦除只读存贮器）、低噪前置放大器、自动增益控制电路、反混叠滤波器、平滑滤波器、模拟转发器、差动功率放大器等高品质语音录放系统所需的全部基本功能电路。

由ISD1420组成的最小应用系统仅包含：

一个麦克，喇叭，几个阻容元件，两个开关和电源。

录制的信息存放在内部不挥发单元中，断点后可以长久保存。

这种独特的单片解决方案使用了ISD的专利模拟存储技术。

语音和音频信号不经过转换直接以原来状态存储到内部存储器，可以实现高质量的语音复制。

ISD系列语音芯片特点:

（a）所需外围元件少，电路简单，操作方便；

（b）采用直接模拟量存贮技术DAST（DirectAnalogStorageTechnology），再现优质原声；

（c）零功率信息存贮，省掉备用电源；

（d）信息可保存10年以上，可反复录放达10万次之多；

（e）易于使用，语音固化无需专用编程或开发装置，可随意改变录音内容；

（f）较强的选址能力，可进行分段管理和分段存储多段信息；

（g）具有自动省电模式，录音和回放后即刻进入等待模式，此时仅需0.5uA的维持电流；

（h）自带时钟源，高抗干扰性能；

（i）可直接驱动8-16喇叭工作，输出不失真功率大于50mW。

也可作激励信号单端输出