基于单片机的多路温度检测系统.docx
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基于单片机的多路温度检测系统
烟台南山学院
毕业论文
题目基于单片机的多路温度检测系统
姓名：
李培
所在学院：
计算机与电气自动化学院
所学专业：
电气工程及其自动化
班级：
08级3班
学号：
200806709087
指导教师：
刘新红
完成时间：
2012.4.15
毕业论文（设计）任务书
论文题目
基于单片机的多路温度检测系统
院部
计算机与电气自动化
专业
电气工程及其自动化
班级
08级3班
毕业论文（设计）的要求
能够完成温度数字量/模拟量的双路检测，并能实现数字量/模拟量的双路输出，具体数字量和模拟量的切换可通过系统硬件上设计上的A/B切换键和单片机软件功能共同来完成，并且能将检测到的温度值通过软件编程使其在LED数码管上显示出来，本系统的检测温度范围为0℃-50℃,控制精度要求为0.1℃。
毕业论文（设计）的内容与技术参数
1.利用单片机，确定系统的总体设计方案；
2.对单片机的应用作进一步的了解，对于温度控制要有更进一步的认识；
3.进行智能传感器的硬件电路设计、温度传感器的选择、单片机的选择、输入输出通道设计；
4.进行调试和仿真，完成数据的采集和处理。
毕业论文（设计）工作计划
1.2011-11-20到2011-12-20进行相关资料收集，书写开题报告。
2.2011-12-20到2012-01-20复习所学相关内容，了解温度检测及单片机的相关知识。
3.2012-01-20到2012-03-15进行系统整体设计，包括硬件电路和软件实现。
4.2012-03-15到2012-04-15撰写论文，准备答辩。
接受任务日期年月日要求完成日期年月日
学生（签名）年月日
指导教师（签名）年月日
院长（主任）（签名）年月日
摘要
随着社会的进步与科技水平的不断提高，目前各行各业都在突飞猛进的发展，从而直接决定着各行业对自己所需产品性能的不断完善。
在各个行业尤其是在对自动化程度要求比较高的一些领域当中，有时为了更加快速、经济、高效的生产出更适合用户需要的产品，进而获得更高的利润，往往需要用到温度检测。
温度值被快速检测后送到相应的高速处理器中进行处理，然后处理器给出处理命令并送到执行器中执行，从而达到对温度快速准确的控制的目的，这也就是本次设计的主要目的和最终目标。
本系统采用层次化、模块化设计，整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、计算机监控系统组成。
系统以单片机为核心，以多个温度、温度传感器作为测量元件，通过单片机与智能传感器相连，采集传感器的测量数据。
在单片机系统中，还要实现程序的扩展存储、数据的实时显示、和数据辅助存储功能。
单片机作为监控计算机与智能传感器连接的中心。
本设计主要做了两个方面的工作：
一、确定系统的总体设计方案，包括其功能设计、组成与工作原理；二、硬件设计，包括DS18B20温度传感器的选择，单片机的选择，数字量与模拟量输入通道的选择。
关键字:
单片机、DS18B20、温度检测
ABSTRACT
Withtheprogressofthesocietyandthecontinuousimprovementofscienceandtechnology,presentinallwalksoflifemakeaspurtofprogressofdevelopment,whichdirectlydeterminesthevarioussectorsoftherequiredproductscontinuouslyimprovetheperformance.Ineachindustryespeciallyinthedegreeofautomationandhighdemandinsomeareas,sometimesinordertomorerapid,economic,efficientproductiontomoresuitablefortheneedsofusersofproducts,andgetmoreprofit,oftenneedtousetemperaturedetection.Thetemperaturevalueisquicklydetectedandsenttothecorrespondinghighspeedprocessorforprocessing,andthentheprocessorisprocessingcommandandsenttotheactuatorinimplementation,soastoachievethepurposeoffastandaccuratetemperaturecontrol,whichisthemainpurposeofthisdesignandtheultimategoal.
Thesystemusesahierarchical,modulardesign,thesystemconsistsofdataacquisitionsystem,single-chipcontrolsystem,computermonitoringsystem.Systemusingsinglechipasthecore,withapluralityoftemperature,temperaturesensorasmeasuringelement,throughtheSCMandintelligentsensor,sensormeasurementdata.IntheSCMsystem,butalsotherealizationoftheextendedstoredprocedures,real-timedatadisplay,anddatastoragefunction.Singlechipcomputerasamonitorconnectedwiththecenterofintelligentsensors.
Thisdesignmainlydothejoboftworespects:
first,theoveralldesignofthesystem,includingitsfunctionaldesign,thecompositionandworkingprinciple;two,thehardwaredesign,includingtheDS18B20temperaturesensorselection,theselectionofsinglechipcomputer,thedigitalquantityandanaloginputchannelselection.
Keywords:
MCU,DS18B20,temperaturedetection
目录
1绪论1
1.1单片机温度检测的选题背景1
1.2现实意义1
2系统方案的选择与实现2
2.1系统方案选择2
2.2工作原理2
2.3系统的结构与控制要求2
3双路温度检测系统的硬件设计4
3.1硬件的总体设计4
3.2单片机系统的设计4
3.2.1型号的选择4
3.2.2复位电路7
3.2.3时钟电路7
3.2.4电源电路8
3.3数字量单元的设计8
3.3.1DS18B20温度传感器的性能特点8
3.3.2DS18B20的内部结构9
3.3.3DS18B20温度传感器的数据处理与传输9
3.3.4DS18B20测温原理10
3.3.5DS18B20接口电路11
3.4模拟量的设计11
3.4.1温度传感器Pt10011
3.4.2模拟量输入单元11
3.574LS164的型号选择12
3.6LED显示单元的设计12
3.6.1共阳极数码管的结构及原理12
3.6.2四位一体数码管的结构及原理13
3.6.3电路介绍14
3.7通信单元的设计14
3.8数模转换单元的设计15
3.9总体的技术性能15
4系统软件的程序设计16
4.1系统软件的整体分析16
4.2系统初始化单元17
4.3定时中断单元18
4.4LED数码显示单元19
4.5计算温度单元19
4.6数模切换单元20
4.7小结21
5系统程序编写与调试22
5.1软件的编写22
5.2硬件调试22
5.2.1硬件电路故障及解决方法22
5.2.2硬件调试方法22
结论23
致谢24
参考文献25
附录26
1绪论
1.1单片机温度检测的选题背景
由于工业自动化水平的迅速提高，单片机在工业领域中的作用也变得十分显著。
由于其简单灵活，控制方便且生产成本比较低，所以在工业控制的各个环节都得到了普遍的运用，发挥着极其重要的作用。
但随着人们对工业自动化的程度的要求越来越高，各种各样的、先进的控制设备和过程检测系统在工业控制领域也被广泛的应用，所以使得传统的工业检测系统已无法满足用户的各种需求。
因此要求我们必须要寻求一种崭新的方法来解决这个问题，从而来满足工业需求。
双路温度检测系统的出现，无疑不是给我们提供了一个良好的解决办法，它能够很好地解决传统工业检测系统存在的种种弊端与漏洞，使用户能根据自己的需求来进行高精度而且快速的检测和控制，从长远来看一定会有一个广泛的应用前景。
温度检测系统在人们的生产生活中的应用十分广泛。
比如，医学上用温度计来检测病人的体温、工业上的锅炉需要保持一定的温度来给人们供暖，汽车维护、空调工程、设备故障诊断、节能、有色冶金行业、电力供电系统、塑料橡胶行业、造纸印刷行业、石油化工行业、食品超市行业等等都离不开温度检测系统。
另外这种利用现代的电子微电子技术、传感器技术、通讯技术、单片机技术、计算机以及网络技术等知识的综合来实现的崭新设计一定会通过其独特的作用并同企业资源计划ERP融合在一起，来达到良好的管理，实现企业合理的资源配置和获取更多的利润，这已成为一种必然趋势和发展方向。
1.2现实意义
随着单片机与传感技术的发展，自动检测域发生了巨大的变化，温度环境自动检测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐渐取代传统的温度控制措施。
但是，目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关等组成的传输系统。
这种温度系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁琐，成本较高。
同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，误差也较大。
为了克服这些缺点，本文采用基于单片机的多路温度检测系统的设计方案。
这种设计方案实现了温度实时测量、显示、控制。
该系统抗干扰能力强，具备较高的测温精度，安装简单方便，可维护性好。
这种温度检测系统可应用于温室大棚，实现对温度的控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便带来很好的经济效益和社会效益。
2系统方案的选择与实现
2.1系统方案选择
由于各个行业对温度控制精度要求的不断提高，因此对温度检测的要求也越来越高，而传统的温度检测的方法和手段已经不能满足现代化生产的要求了，所以我们必须在传统的工艺上加以改进和提高，这样才能适应新形势下社会发展要求，满足各个行业的发展需要。
所以为了满足各个行业的需求，保证它们能达到足够高的控制精度，我们本次设计方案是选择以AT89C51（引脚图见3-2）单片机为核心，由数字/模拟双路检测输入，数字/模拟双路输出，LED数码显示，通信等基本结构和由数/模切换键等辅助结构共同组成的双路温度检测系统，其中数字量温度检测由DS18B20数字温度传感器完成，模拟量温度检测由Pt100模拟温度传感器完成，温度值显示采用由74LS164移位寄存器驱动的4位一体共阳极数码显示。
2.2工作原理
在进行温度检测之前首先通过数字量温度检测按键A或模拟量温度检测按键B来选择进行那一种量的测量，选择合适的量后通过DS18B20或者Pt100来采集相对应量的温度值，从而通过传输总线送到51单片机系统中运算处理，然后输出模拟量或者数字量，进而编制软件使74LS164驱动四位数码管进行温度值的显示和实现通信功能。
需要注意的是，在进行模拟量温度采集时，Pt100自身不能与单片机直接相连，要加上一个变送器。
这就是双路温度检测系统的基本原理。
2.3系统的结构与控制要求
根据系统设计方案，并通过合理的选择元器件，可得出系统总体设计框图，如图2-1所示。
本设计控制要求能够完成温度数字量/模拟量的双路检测，并能实现数字量/模拟量的双路输出，具体数字量和模拟量的切换可通过系统硬件上设计上的A/B切换键和单片机软件功能共同来完成，并且能将检测到的温度值通过软件编程使其在LED数码管上显示出来，本系统的检测温度范围为0℃-50℃,控制精度要求为0.1℃，因此在选择整个系统元器件时都要满足这个控制要求。
图2-1系统总体框图
3双路温度检测系统的硬件设计
3.1硬件的总体设计
本系统的硬件主要是以AT89C51单片机为核心，由数字/模拟双路检测输入、数字/模拟双路输出、LED数码显示、通信以及A/B键盘完成数字量与模拟量之间的切换等基本外围结构电路共同组成的双路温度检测系统，其中数字量温度采集由DS18B20数字温度传感器经数字化完成，模拟量温度检测由Pt100模拟温度传感器经变送器完成，温度值显示采用由74LS164移位寄存器驱动的4位一体共阳极数码显示，最后通过MAX232芯片的电平转换来完成单片机与PC机之间的通信。
这样就构成了一个简单的双路温度检测系统，具体的硬件总体设计框图如图3-1所示。
图3-1硬件设计整体框图
3.2单片机系统的设计
3.2.1型号的选择
为了满足设计要求，并简化系统的设计，本设计采用AT89C51的51内核单片机。
1、系统概述:
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
表3.180C51系列典型产品资源配置
分类
芯片
型号
存储器类型及字节数
片内其他功能单元数量
ROM
RAM
并口
串口
定时/计数器
中断源
总
线
型
基
本
型
80C51
无
128
4个
1个
2个
5个
80C51
4K
掩模
128
4个
1个
2个
5个
87C51
4K
128
4个
1个
2个
5个
89C51
4KFlash
128
4个
1个
2个
5个
增
强
型
80C32
无
256
4个
1个
3个
6个
80C52
8K
掩模
256
4个
1个
3个
6个
87C52
8K
256
4个
1个
3个
6个
89S52
8K
Flash
256
4个
1个
3个
6个
非总
线型
89S2051
2KFlash
128
2个
1个
2个
5个
89S4051
4K
Flash
256
2个
1个
2个
5个
图3-2AT89C51的引脚图
2、管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。
3、各管脚备选功能：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INT0（外部中断0）
P3.3INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
4、振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.2.2复位电路
单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
51系列单片机的RST引脚是复位信号的输入端。
复位电平是高电平有效，持续时间要有2个机器周期以上。
本系统中单片机时钟频率为6MHz则复位脉冲至少应为4us。
本系统采用的是上电外部复位电路,即按键手动复位.它是既具有上电复位又具手动复位的复位电路，上电瞬间，C与Rx构成充电电路，RST引脚出现正脉冲，只要RST保持足够的高电平，就能使单片机复位。
一般取C=22uF，R=200,Rx=1k,此时
=22
10
1
10
=22ms
当按下按钮，RST出现
5=4.2V时，使单片机复位。
其具体设计原理如下图3-3所示。
图3-3复位电路
当复位按键RESET按下时，复位电路会给单片机提供一个复位电平，从而使单片机系统完成复位，该复位电路主要用于完成程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态等情况下的系统复位。
3.2.3时钟电路
在51系列单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1、XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
本设计在设计时钟电路时，在引脚XTAL1、XTAL2两端跨接适应晶体振荡器或陶瓷谐振器和两个电容一起组成一个稳定的自激振荡电路。
通常电容C1和C2取30pF，对振荡频率有微调作用。
晶振频率范围是1.2MHz-12MHz。
其具体设计原理如下图3-4所示。
图3-4时钟电路
3.2.4电源电路
单片机电源电路是给单片机提供稳定的工作电压，保证单片机正常工作的电路。
由于单片机在工作时很可能受到电压波动、电磁干扰以及其它器件工作时产生干扰等的影响，所以很容易造成单片机电源电压的不稳定，从而影响单片机的正常工作。
所以，为了在单片机工作时为其提供一个稳定的工作电压，保证其正常工作，我们在这里采用LM317和电容组来共同组成的一种稳压抗干扰电路来为单片机提供工作电压。
这种稳压电路能够有效的克服种种干扰，保证电压值的稳定，有效的避免了单片机因工作电压不稳定而造成的系统工作异常的情况。
其具体设计的电路原理图如图3-5所示。
图3-5单片机电源电路
3.3数字量单元的设计
3.3.1DS18B20温度传感器的性能特点
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器。
与传统的热敏原件等测温原件相比，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。
DS18B20的性能特点如下：
●适应电压范围更宽，电压范围为3.0-5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
●独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一根口线即可实现与微处理器的双向通信。
●支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
●DS18B20在使用中需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路个在形如一只三极管的集成电路内。
●温度范围为-55℃-+125℃，在-10℃-85℃时精度为±0.5
●可编程的分辨率为9-12位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.06
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