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温度报警器系统的设计的毕业论文

第一章绪论1

第一节选题的背景与意义1

第二节温度报警器系统的发展概况1

第三节课题概述与论文结构2

第二章元件介绍与选用4

第一节温度测量的分类4

第二节数字式温度传感器5

第三节显示器的分类与简介9

第四节单片机的分类与简介12

第三章温度报警器硬件的设计与研究16

第一节硬件系统基本设计思想16

第二节电路模块的分类与简介16

第三节设计总原理图19

第四章温度报警器软件的设计与研究21

第一节软件系统基本设计思想21

第二节测温处理程序的设计22

第三节显示模块程序设计24

第四节软硬件结合后调试结果25

第五章结论与展望27

第一节工作总结27

第二节课题研究成果27

第三节未来展望28

参考文献28

附录32

致谢40

第一章绪论

第一节选题的背景与意义

在日常生活中，温度对于我们并不陌生，它是一个时时刻刻存在的物理量在我们的日常生活中占据了十分重要的地位。

温度的大小时刻与我们的生产、生命、安全息息相关。

因此对温度的测量与控制对各个行业领域有着很及其重要的作用尤其是在金属冶炼、化学研究、建材生产、食品加工、机械制作、石油提炼等工业领域，占据不可忽视的作用。

众所周知，当我们进行陶瓷烧烤，制作陶瓷工艺时，必须很精确的控制其烧烤温度，只要我们控制好其温度，这样才能创造出完美的、无瑕疵的艺术品，一旦温度控制不佳，将会一件次品；另外当我们进行酿酒时，同样也需要对温度进行合理适当的控制，只有这样，我们才能够生产出大家公认的好酒。

如此可见，对于温度的检测与把控在我们日常生活以及工业生产占据着举足轻重的地位【4】。

目前，在日新月异的生活变化中，工业和农业领域得到了快速的发展与进步,人们的需求也是不断地扩，对于电子工业领域，自动化的产品无疑是得到大家的欢迎，随着微型处理器功能的不断强大，单片机无疑成了人们心目中最美好的选择，它的出现为人民的生活带来了不可否认利益，对于工业领域，提高了生产效率，方便了人民的生活。

然而随着人们的要求越来越高，对现代科学研究，工作，生活，提供更便利的设施需要从单片机技术开始，向着数字控制系统，智能控制方向不断地发展。

目前，我们在科技迅速发展的现在社会中不断成长，信息技术已经不知不觉的渗透到我们生活的各个方面。

为了确保这些科技产品的安全，减少其对我们生命和财产造成损失，我们首先需要控制它们的温度，确保它们在正常的温度之间正常运行，因研究兼备经济实用为一体的温度报警装置具有重要的意义。

第二节温度报警器系统的发展概况

在现代社会中，由于工业过程控制系统的不断发展，特别是计算机领域中微电子技术以及自动控制理论和设计方法的快速发展，相对中国而言，国外一些发达国家在温度监控系统研究中已经成功取得了超前的成绩，具体的表现其自适应、智能化、参数自整定的特点。

以德国、日本、美国等发达国家为例，在上个世纪，他们已经成功生产出了一批商业化的、性能优异的温度监控器以及仪表设备，并且已经投入市场，在工业、家庭等领域得到了广泛的应用，而中国才处于研究的初级阶段，相对于国的温度监控系统，国外的温度监控系统具有以下的特点。

1）鲁棒性好、高精度控制、抗干扰能力强是温度监控系统一大亮点。

目前，相对国而言，人性化、微型化、高精度的温度监控系统以及仪表设备是国外发达国家正在快速发展的趋势。

2）拥有自动校正控制、自适应控制、人工智能、模糊控制等先进功能，采用了先进的计算机理论以及计算机技术。

由于先进的数学算法，使得温度监控系统更加适用性更加广泛。

3）通过先进的受控系统数学模型来建立温度监控报警系统，能够很好的适应于各种大滞后、大惯性等复杂温度监控系统。

能够很好的适应于复杂的监控系统，对于参数不断变化的温度监控系统得到良好的控制。

4）拥有参数自整定的功效，凭借着先进的计算机软件程序，对温度监控器的参数及特性等进行全面的控制【7】。

实现其自整定的功能。

同时，该温度监控系统拥有智能的功能，如像人类一样，拥有自主学习的能力，它可以凭借自己以往的经验，根据其控制对象的变化情况的需要，自动监控周围环境温度，人性化的调整合适的监控参数，来达到最精确化、最佳的控制效果。

虽然温度监控系统在国各行各业也有着广泛的应用和发展前景，但是相对于一些发达国家的产品，国研发技术的薄弱性，目前国的温度监控器总体水平仍然不高，在技术上仍有较大的差距。

现阶段我国过的总体水平技术相对国外一些发达国家仍然比较落后，目前处于上世纪80年代的水平。

目前，常规的PID控制器以及“点位”控制器是工业界公认的先进、成熟的产品，功能方面只能适应一般温度系统的监控，但是很难监控复杂、时变、滞后的温度系统。

由于国技术的局限性，对于国场合需求较高的场所，都离不开智能化和先进的自适应控制仪表设备，国只能是无能为力，只能需要通过国外贸易来满足国的需求。

对于处于社会主义初级阶段的我们来说，国的温度监控系统相比国外发达国家的产品的差距大致体现在如下方面【11】：

1）国市面上的产品主要是基于PID的控制器，智能化的设备无论是在家庭还是在工业都是十分少见，同国外发达国家有着天壤之别。

目前，国企业主要依靠进口温度控制仪表设备来满足公司的正常运行。

2）国生产企业规模少，并且企业坐落位置较不集中，造成技术力量不团结，引发研发力量薄弱，研发能力不强，制约着工业的发展。

3）国在仪表的控制技术、软件的设计、先进的数学算法等方面的研究相对国外发达国家依然比较落后。

对于先进的自整定功能，目前国外发达国家已经成功研制出许多智能化的产品，但是由于国外技术的性，在加上国开发工作技术的落后，没能成功研发出一款性能可靠稳定的自设定软件，对于控制参数的研究只能来自具有经验的工人，通过人工不断实验摸索，不断调试来获得。

第三节课题概述与论文结构

本毕业设计是基于单片机的温度报警器，主要选取51单片机作为数据的处理器部分，选取一总线的DS18B20作为数字式温度传感器，用16x2的LCD1602液晶显示器作为改款设计的显示模块，用来清晰的显示数字式DS18B20芯片所测量的数据。

越温报警电路实现温度报警。

整个报警系统主要由五大部分组成。

对于该款报警器的功能大致表现在以下过程：

首先用户可以根据自己的实际需要通过初始值调节按钮实现对温度报警器报警值的上限或者下限进行设定调整，温度的调整围是在125℃～-55℃之间。

通过1-wireDS18B20数字式温度传感器实现对目标温度的检测与采集，并将采集的数据转换为相映的脉冲信息，将脉冲信息通过单总线DQ传入单片机微型处理器。

处理器对输入的脉冲信号进行相应的加工处理，将实时的温度值清晰的显示在LCD1602液晶显示器供用户观看。

当实时的温度超过用户提前设定的报警值界限时，根据单片机正在处理的软件，直接跳转到报警子程序，打开报警驱动电路，通过扬声器发出警报，实现温度报警的报警功能。

当温度接近设定的温度报警值时，黄色LED指示灯将会闪烁提醒用户注意。

若实时的温度在正常的围之，绿色指示灯将会常亮，表示设备运行一切正常。

一、课题的研究意义

在现代工业生产过程中，温度对于生产来说是最主要的参数，它是一个关乎产品质量和产品效率的物理量，在工程研究与各个领域也是极其重要，必须精确测量和不可忽略的物理量。

自古以来，无论是工业的炉温、自然环境的气温，还是人体温度；从航天学、航海学到农业学，每个技术领域都离不开温度检测与控制。

工业生产中，当温度测量不准确，很可能导致产品的失败，阻碍工业的发展，在家庭生活发面，但温度监控不准确，很可能导致家庭电器的正常运行，不能达到预想的工作效果，在设备比较密集的核心地带，如果温度控制不精确，很有可能导致火灾的发生。

因此，温度报警器的研究对我们人类生活具有重要的意义。

二、本课题的各项要求

1.硬件要求

设计合理可靠的电子电路，研究出性能可靠、稳定，使用方便、体积小、易包装的硬件控制系统，并且打包成产品，并且能够方便对硬件各个部件进行测试与维护。

对于硬件元件需要显示元件、温度采集元件、数据处理元件、LED指示灯和报警元件。

2.软件要求

程序设计简单，延时时间小，交互性好，功能齐全，用户能够实现调节温度

上限值或下限值，并且能够将设置的报警值清晰的反映在液晶显示屏LCD1602界面上，同时能够通过1-wireDS18B20数字式芯片实现读取当前目标实际的温度值，并且能够清晰的显示在LCD1602界面上，如果采集的实际温度超越用户提前设定的温度报警值时，通过调用报警子程序，实现温度报警。

第二章元件介绍与选用

第一节温度测量的分类

温度是我们现实日常生活中最常见的物理量，主要用来合适的参数来反应物体冷热程度，通常根据温度不同的特性，可以将其分为不同的类型。

1.根据温度的高低分类

根据目标实际温度的高低我们大致可以将其化分为高温、中温和低温测量。

（1）高温测量：

在现代工业生产领域中，热电偶传感器无疑是目前应用最广

的热电式温度传感器，具有生产简单、构造简单、热惯性小、精确度高、温度识别围广、易于远距离传输信号等优点，在现代化工业生产中占据着极其重要的地位。

（2）中温测量：

集成温度传感器主要是用来现实生活中中温的测量，尤其主

要适用于室温环境。

其突出的特点是测量精度高、成本低、感应速度灵敏、功能简单、远距离传输、体积小、低功耗。

主要广泛的适用于较远距离温度的检测与控制，完全摆脱复杂的非线性校准，是国目前最普遍的集成温度传感器。

其具有典型代表性的产品型号有AD592、AD590和LM135等。

（3）低温测量:

热电阻传感器是低温测量最主要的测量工具，它主要是利用电

阻随温度变化而不断变换的特性制作而成的，根据它的性质我们可以将其分为半导体热电阻和金属热电阻两种，对于前者我们叫做热敏电阻，而后者叫做热电阻。

电阻传感器主要应用于温度很低的场合，一般常用于-℃至500℃之间，由于热电阻传感器的不断发展与改善，目前低温测量已经成功应用于1K-3K的极低温度。

目前对于电阻温度传感器有以下特点:

测量温度精度高，测量围广，对于非温度测量不敏感；线性度好，易于自动测量；测量围更加广泛，灵敏度高。

2.按照传感器的使用方式分类

根据其使用方式可以分为非直接触式测量法和直接触式测量法。

前者具有

保持被测介质周围环境温度，可用于测量位置不断移动变化的温度，其具有较快响应速度，一般在2-3S之间，对于1000℃以上的温度测量较为精准，而对于1000℃以下的物体，表现比较迟钝，测量温差较大，准确度不够。

而直接触式测量能够灵活方便的测量物体的每个位置的温度，方便自动控制和多点集中测量，针对不断移动的物体和热容量微小的物体有很大的困难，因为其通常响应速度较慢，一般反应时间在1-3min之间，根据这一特性，直接触折测量主要应用在测量1000℃以下的温度，对于1200℃以上较高的温度，测量精度不够，性能表现则无能为力。

3.按照被测对象温度分类

根据目标物体温度值的大小我们大致可以将其化分为超高温、高温、中温、低温和超低温等五种。

超低温大致围在0-10K之间，对于10-800K之间的温度都则被认定为低温，中温大致围在800-1900K之间，1900-2800K之间我们称为高温，而2800K以上的温度通常被人们认为超高温。

第二节数字式温度传感器

该款数字式传感器是一款能够能把温度这一变化的物理量，能够通过温度采集电路和温度敏感元件将采集的温度信息转换为能够让计算机、plc、智能仪表等电子设备直接处理与识别的传感器。

该设备的工作原理是初始上电时，数字式温度传感器处于能量关闭的状态，该设备一旦供电以后，用户可以根据自己的实际需要，通过调节寄存器的不同的分辨率，来选择是连续转换温度模式还是单一转换的模式。

如果用户需要选择连续转换模式，数字式温度传感器将会不断的转换实时的温度，并且不断的将检测到的实时温度存储在温度寄存器中，温度的读取与存储是相对独立的，互相不会影响，当读取温度寄存器中的容将不影响实时温度的转换;如果用户需要选择单一模式转换，数字式温度传感器就只执行一次温度转换，然后将采集的实时温度值存储在温度寄存器中，最后将其模式关闭，在现实开发应用中，用户可以根据自己实际的需要通过编写相应的软件程序选择相应的分辨率寄存器，来确保自己需要数据的精确性，目前，数字式温度传感器分辨率主要有5种，具体的是8位、9位、10位、11位或12位，同时它们的分辨率值分别为1.0℃、0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃等【2】。

一、数字式温度传感器DS18B20的特点

1-Wire单总线是一项先进的技术，主要由美国的Maxim全资子公司Dallas成功研制的，与大多数标准的串行数据通信相比较，在通信原理和方式上截然不同，它主要是依据一根数据信号线，既能够传输时钟信号，又能够传输数据信号，并且数据的传输方向是双向的，同时能够利用该单一信号线向元器件提供短暂的电源，减少了I/O端口的占用，在很大程度上，节省了端口线资源。

同时还具有简单的构造，低成本、易于总线的维护和扩展等许多特点。

DS18B20芯片是一家美国Dallas子公司研发的一款单一总线的数字式传感器，具有简单的构造、体积小、测量精度高、操作灵活、使用方便等特点，其拥有多样的封装形式，这种微型化的芯片大都利用在空间比较狭小的电子设备中，实现对电子设备很好的监控，确保设备的正常运行。

目前，市面上存在的1-wire数字式温度传感器，具体的有DS1820、DS1822、DS18S20等几款典型的型号，对于它们每款的特性和工作原理都是小异，根本上没有什么区别，DS18B20具有以下特点【3】。

（1）1-wire接口，单片机只凭借一个I/O端口与该器件相连进行正常的通信。

能够轻松的实现多点测温。

（2）无需外部元件，只需采用数据线作为芯片的供电，电源电压的围是3.0-5.5V之间。

（3）对于每个芯片都用具有一个独一无二64位光刻ROM编码，对应的家族码是28H.

（4）温度测量围为-55至125℃，在-10至85℃之间，测量精度可以达到±0.5℃.

（6）每款温度传感器的分辨率可编程的部分在9至12位之间，其中里面有1位是符号位。

（7）DS18B20的转换时间的大小离不开分辨率的设定，一般是设定的分辨率越大，转换的时间越长。

如果我们选择9位的分辨率，其最大的转换时间一般低至93.75ms；如果我们选择10的位分辨率，其转换时间一般是187.5ms;如果分辨率设定为11位时，转换时间长达375ms；如果我们选择12位的分辨率时，转换起来相对比较慢，时间最长，长达750ms。

（8）温度的数据主要由两个字节组成，分别为LSB和MSB，DS18B20在使用11位数据时，对应的分辨率为0.125℃.

（9）DS18B20数字式温度传感器部有EEPROM的存在，用户先前设定的温度报警上限或下限值以及设定的分辨率倍数，即使中途断电，数据也不会丢失。

二、数字式温度传感器DS18B20的结构

DS18B20引脚定义封装形式如图2.1：

（1）DQ为数据信号输入/输出端。

（2）GND为电源地。

（3）VDD用来作为电源供给端，一般为+5V直流电压（如果选择寄生电源接线形式，该引脚需要接地）。

图2.1DS18B20的封装形式

DS18B20数字式温度传感器的部框架结构图如图2.2所示，主要分别由64位ROM、温度传感器、高温触发器、低温触发器、暂存寄存器和八位的CRC发生器和高速暂存RAM组成。

其中64位ROM主要用于存储各自单一序列号（在出厂前已写入片ROM），高温触发器和低温触发器主要由用户通过软件写入报警的上、下限值，高速RAM由9个字节组成。

图2.2DS18B20部框架结构

三、数字式温度传感器DS18B20的工作原理

DS18B20数字式芯片的高速暂存RAM的1、2字节分别为温度寄存器的低位字节（50H）和高位字节（05H），它们对应着上电初始温度为+85℃.详见表2.1，其具体的字节格式如下表2.2所示。

其中高位字节的高5位主要为符号位，当S=1时，表示0℃以上，为正值；若S=0时，表示0℃以下，为负值。

在实际研发过程中，如果我们通过软件将DS18B20数字传感器置为12位分辨率，则在温度寄存器单元低位字节中低四位的数据位都为有效位【15】；如果我们将DS18B20数字传感器置为11位分辨率，则低字节中低四位的Bit0位数据无效，其余三位有效；如果我们将DS18B20数字传感器置为10位分辨率，那么低字节中低四位的Bit0、Bit1位数据均无效，其余两位有效；如果DS18B20数字传感器被置为9位分辨率，那么低字节的低四位的Bit0、Bit1、Bit2位数据均无效。

表2.1DS18B20的高速暂存RAM的寄存器分布

LSB（50H）：

温度寄存器的低位字节

保留（FFH）

MSB（05H）：

温度寄存器的高位字节

保留

用户字节1TH

保留（10H）

用户字节2TL

CRC

配置寄存器（见下表）

位

字节

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

LSB

2-1

2-2

2-3

2-4

MSB

表2.23DS18B20温度寄存器字节格式

表2.3配置寄存器各位的定义

表2.4DS18B20的分辨率及转换时间

R0R1

温度分辨率

温度最大转换时间

9位

10位

11位

12位

93.75ms

187.5ms

375ms

750ms

我们根据DS18B20数字传感器与单片机之间的通讯协议，主机（单片机）对DS18B20数字式传感器的数据处理过程相对比较复杂，这一过程的实现大致的分为三个步骤：

首先在处理信息之前，先对单总线进行复位的操作，进行初始化，初始化之后通过单总线发送ROM指令，紧接着在发送一条RAM指令，这个过程我们已经完成了对DS18B20数字式温度传感器的预定设置。

当启动复位时，通过CPU将DQ数据线接口主动下拉大致为500us的等待延时时间，等待时间过后，紧接着CPU将释放DQ总线，当DS18B20数字传感器DQ端收到数据后，延迟时间约为16-60us，然后发送60-240us低脉冲信号，该CPU接收低脉冲信号后复位成功。

表2.5ROM的操作指令

指令功能

指令代码

指令含义

SearchROM

ReadROM

MatchROM

SkipROM

AlarmROM

0FOH

33H

55H

CCH

ECH

检测总线上存在的DS18B20数字式传感器

读取系列代码、序列号及CRC校验码

允许总线控制器在多点总线上定位一只特定的DS18B20

跳过对ROM编码的搜索

搜索有报警的DS18B20

DS18B20的功能命令包括两类：

温度转换命令和存储命令，具体命令如表2.6所示:

表2.6DS18B20功能命令

指令功能

指令码

指令含义

ConvertT

ReadScratchpad

WriteScratchpad

CopyScratchpad

RecallEEPROM

ReadPowerSupply

44H

BEH

4EH

48H

B8H

B4H

启动温度转换

读取高速暂存RAM的数据

写入数据到暂存RAM

将复制TH、TL、配置寄存器的容到EEPROM

将EEPROM的数据回调至高速暂存RAM

检测供电方式

第三节显示器的分类与简介

液晶是一种处于固态和液态之间的有机化合物质，其部分子排列具有一定的规则性。

当我们对其受热时，就其会呈现出透明的液体状态，如果我们对其适当的降温冷却之后，其将会由原来的透明状态转变为结晶颗粒的混浊固体状态。

将这一物理现象成功的应用在液晶显示器上。

现实中LCD具有电压低、功耗小、显示容丰富、板型结构、被动显示型、容易着色、无辐射、寿命长等特点。

液晶按照部分子结构排列的不同大致可以分为以下几种：

类似粘土状的Smectic液晶，类似细火柴棒的Nematic液晶以及类似胆固醇状的Cholestic液晶。

物理特性上，这三种液晶的各有所长，一般Nematic液晶主要应用于我们常见的液晶显示器，如电脑、笔记本、导航仪数码相机等，通常我们称该类液晶显示器为LCD。

一、显示器LCD1602的特点

LCD1602是一款能够显示2行32个字符的液晶显示器，每个字符由5×7的点阵形成，每一行能够显示16个字符。

目前现实生活中我们所见到的的LCD字符液晶主要是由HD44780液晶芯片制作而成，它们具体工作方法与控制原理都是一模一样，这样对于程序编写在很大程度上带来了方便。

这样基于HD44780写的控制程序能够很好的用于市面上多数的字符型液晶，LCD1602显示器拥有微型化、功耗低、色彩鲜艳、轻薄等诸多优点【2】。

其具体的参数如下表2.7。

表2.7LCD1602液晶显示器大致的技术参数表

显示容量

16x2个字符

芯片工作电压

4.5-5.5V

正常工作电流

2mA（5.0V直流电压源）

模块最佳工作电压

5.0V

字符块大小

2.95mm×4.35mm（宽×乘×高）

二、显示器LCD1602的结构

LCD1602液晶一共16个引脚，每个引脚的功能各有所不同，引脚图如图2.3所示。

图2.3LCD1602引脚封装

（1）VSS：

供电电源地。

（2）VDD：

供电电源输入端（接+5V）。

（3）VEE：

LCD显示器对比度端口，通过调节端口电流大小可以调节屏幕的显示度。

当接正+5v直流电压源时，对比度最低，屏幕显得的较暗；当将该端口接地时，对比度最强。

我们可以通过给予端口连接一个电位器（滑动变阻器）来调整其对比度的大小。

（4）RS:

寄存器选择输入端.RS=0:

表示我们选择指令寄存器，能够完成写指令、读取LCD忙标志位和地址计数器。

RS=1：

选择数据寄存器，可以写或读数据。

（5）R/W：

读/写控制信号。

当R/W=1，都操作。

当R/W=0，写操作。

R/W与RS配合使用，可写指令、读LCD忙标志、写数据等操作。

（6）E：

命令使能端口。

只有该端口由高电平信号转化为低电平信号，LCD模块才能正常执行命令，否则lCD处于关闭状态，不能正常显示。

（7）D0～D7：

8位双向数据线。

三、显示器LCD1602的工作原理

LCD1602字符型显示器模块部存在2种寄存器，它们分别是指令寄存器和数据寄存器。

LCD1602在应用时，首先对LCD进行初始化操作（单片机向指令寄存器写入不同的指令数据），然后确定显示字符的地址，最后把需要显示的字符写入LCD的数据寄存器，来实现对数据的显示功能。

具体的LCD1602显示器的指令集如下表2.8所示。

表2.8具体的LCD1602模块指令集

指令功能

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

清屏（光标回原点）

光标回原点

进入模式设定

I/D

显示开关控制

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