基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真设计.docx

基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真设计.docx

《基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真设计.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真设计

毕业设计

题目基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真

毕业设计（论文）任务书

题目基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真

专业电气工程及其自动化学号201350712130姓名宋红娜

主要内容：

1．系统硬件设计。

2．模块化设计。

3．主控电路的设计。

4．系统设计的仿真实现。

基本要求：

1．能够实时测量对象温度，超过设定值声光报警。

2．DS18B20测温范围-55oC~+128oC，以0.1oC递增。

3．得到优化的仿真软件程序；蜂鸣器的原理是由振动产生声音。

主要参考资料：

[1]张开生,郭国法.MCS-51单片机温度控制系统的设计[J].微计算机信息,2005,21（7）68-69

[2]余发山,王福忠.单片机原理及应用技术[M].中国矿业大学出版社,2007.

[3]何立民.单片机应用技术选编[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2004.

[4]高云红.数字温度传感器在多点温度测量系统中的应用[J].沈阳航空工业学院学报,2006,（02）:

61-63.

完成期限：

指导教师签名：

专业负责人签名：

年月日

基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真

摘要

随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素。

许多产品对温度测量范围要求严格，而目前市场上的温度测试仪器都是单点测量，且温度信息传输是不及时的、不够精确的，从而不利于工业控制来及时做出决定。

在这种情况下，制定出可以多点测量、实时性高、高精度的同步测量方案是很有必要的。

因此，毕业设计以单片机作为核心的部件设计出一种多点温度监测系统。

毕业设计的硬件方面：

温度检测部分使用数字温度传感器DS18B20检测温度信号传给单片机STC89C52进行显示；温度的显示环节利用LCD1602液晶显示器显示温度；温度上限设定环节利用三个按键调节温度的设定值；按键电路利用三个按键实现对温度值和功能键的设定；声光报警电路主要有蜂鸣器、发光二极管、三极管，利用三极管控制电路通断，并且三极管高电平导通。

软件方面：

根据毕业设计要求建立仿真原理图，利用AltiumDesignerRelease10软件画原理图，利用ISIS软件对原理图进行仿真，利用KeiluVision4软件编译LCD1602显示DS18B20读温度的程序。

它适用于如大棚温度监控、冷库测温、粮仓温度监控等场所，通过DS18B20的单总线技术，实现对环境的温度测量和监控。

关键词多点温度监测；仿真；单片机；DS18B20

DesignandSimulationoftemperaturemonitoringsystembasedonMCU

Abstract

Withsocialprogressanddevelopmentofindustrialtechnology,Peoplepaymoreandmoreattentiontothefactoroftemperature.Manyoftheproductshavestrictrequirementsintherangeoftemperaturemeasurement,currentlytemperaturetestinstrumentisasinglepointmeasurementonthemarket,andthetemperatureinformationisnottimely,notaccurateenough,whichisdisadvantageoustotheindustrialcontroltomaketimelydecisions.INthisform,itisnecessarytoworkoutprogramthatcanbemulti-pointmeasurement,real-timesynchronizationprecisionmeasurement.So,thedesignoftheSinglechipmicrocomputerasthecoreofthecomponentdesignsamulti-pointtemperaturemonitoringsystem.

Thehardwareofthegraduationdesign:

TemperaturedetectionpartoftheuseofdigitaltemperaturesensorDS18B20detectiontemperaturesignaltothemicrocontrollerdisplay;DisplaylinkoftheTemperatureexploitsLCD1602LCDdisplaytemperature;Temperatureupperandlowerlimitsetlinkusethreekeytoadjusttemperaturesettingvalue；Thekeycircuitusesthreebuttonstorealizethesettingoftemperatureandfunctionkeys；Soundandlightalarmcircuitmainlybuzzer,light-emittingdiode,transistor，thecontrolcircuitisbrokenthroughtheuseoftransistor,andthelowlevelofthetransistorislow.Software:

Accordingtothegraduationdesignrequirementstoestablishsimulationdiagram,AltiumDesignerRelease10

softwarepaintingschematics,SimulationoftheschematicdiagramwiththeISISsoftware,UVision4KeilsoftwarecompiledLCD1602displayDS18B20readtemperatureprogram,itissuitableforsuchasgreenhousetemperaturemonitoring,coldstoragetemperature,andtemperaturemonitoringandotherplacesofthebarn,SinglebustechnologyofthroughDS18B20,realizetemperaturemeasurementandmonitoringoftheenvironment.

KeywordsMulti-pointtemperaturemonitoring;Simulation;Singlechipprocessor;ThermometerDS18B20

1绪论

1.1课题设计的背景

温度是关于物体冷热程度的度量，是自然界主要的物理量之一，而温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目，温度在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中是一个极其普遍而重要的测量参数，温度测量仪现己广泛应用于农业实验室，工业，环保，卫生防疫，仓储运输，博物馆，温室等领域，因此温度测量技术的研究是一个很重要的课题[1]。

同时，温度也是和人们生活环境有着很大关系的一个物理量，是国际单位制七个基本量之一，它也是一种最基本的环境参数。

人民的生活与环境温度息息相关，物理、化学、生物等学科都离不开温度。

在工业生产和实验研究中，在电力、化工、石油、冶金、机械制造、大型仓储室、实验室、农场塑料大棚甚至人民的居室里经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对环境温度进行控制。

例如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常运行。

炼油过程中，原油必须在不同的温度和条件下进行分流才能得到汽油、柴油、煤油等产品；没有合适的温度环境，许多电子产品不能工作，粮仓的储粮就会变质腐烂，酒类的品质就没有保障。

可见，研究温度的测量具有重要的理论意义和推广价值。

随着工业的不断发展，对温度测量的各种要求越来越高。

然而随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日益突出，成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域[2]。

毕业设计就是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方便的需求。

1.2课题研究的目的和意义

在粮库测温系统、冷库测温系统、智能化建筑系统、中央空调系统等多种系统中都需要多点温度测量系统。

因此，多点温度测量技术的实现显得非常的重要。

毕业设计，其目的是在于：

掌握数字温度传感器DS18B20的原理、性能、使用特点和方法，利用

Keil对系统进行编程。

本课题综合了电子信息、计算机技术专业领域方便的知识，具有综合性、科学性、代表性，可全面检验和促进学生的理论素质和工作能力。

本课题的研究可以使学生更好的掌握基于单片机应用系统的分析与设计方法，培养创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，提高电子产品研发素质、增强针对实际应用进行控制系统设计制作的能力。

1.3国内外发展的现状及水平

传感器的发展处在信息技术的前沿尖端位置，尤其是温度传感器被广泛应用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，同时具有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。

随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，发展以温度传感器为载体的温度测量技术具有重大意义。

传感器主要大体经过了两个发展阶段：

模拟集成温度传感器，该传感器具有功能单一、测量误差小、传输距离远、价格低、体积小、微功耗、响应速度快、适用于远程温度测量和温度控制、不需要非直线性校准、简单的外部电路等优点。

在国内和国际应用集成传感器中它是最常见的典型产品，如AD590、LM135、TMP17、AD592等；模拟集成温度控制器包括一个可编程温控开关、温度控制器，其中LM56、AD22105和MAX6509为其典型产品。

智能温度传感器是出现在90年代中期，是微电子技术、计算机技术和自动测试的结果。

在智能温度传感器包含一个温度传感器、模数转换器、信号处理器、内存和接口电路。

一些产品有多路选择器，中央控制单元（中央处理器）、随机存取存储器（内存）和只读存储器（光盘）。

智能温度传感器能输出温度数据和温度控制的相关量，适合各种单片机；它是基于硬件在软件测试能力的基础之上开发的，其智能化的高低还取决于软件开发水平。

综上所述，前人的不足之处我认为有：

一般的测量和控制生产都采用不同形式的温度传感器。

在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这将不可避免地遇到误差补偿，如多点测量的切换误差和信号调理电路的误差问题；如果处理某一过程的步骤不正确，可能会导致整个系统的性能退化。

随着现代科学技术的迅速发展，特别是大规模集成电路技术的发展，小型化、一体化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。

在美国达拉斯半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，具有独特的接口，只需要占用一个输入/输出接口就可以完成与单片机的通讯；在-10℃～+85℃温度范围是±0.5℃精度；用户可编程设定9～12位的分辨率。

采用DS18B20数字温度传感器组成的多点温度测量系统,克服了传统温度测量系统测量精度低、外围硬件电路复杂、可靠性较低等缺点,具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等许多优点,为多点温度的测量带来了极大的方便。

这些特点使DS18B20是非常适合于构建高精度、多点温度测量系统[3]。

综上所述：

毕业设计采用数字温度传感器DS18B20作为测温元件。

1.4课题设计的主要内容

毕业设计研究的内容主要如下：

（1）在查阅相关资料后，毕业设计采用以STC89C52为核心的单片机系统，来实现对温度的监测、报警等功能。

（2）研究比较各相关元器件的功能与特点，选择合适的元器件。

（3）系统硬件设计。

系统硬件设计主要包括：

温度检测、单片机数据采集处理、显示、键盘设定、报警电路等部分。

（4）系统软件设计。

本课题采用C语言，利用KeiluVision4编译器进行编程及调试。

2方案的论证比较与选择

温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。

温度传感器大致可以分为传统的分立式温度传感器，模拟集成温度传感器/控制器，智能温度传感器。

2.1方案设计

2.1.1设计方案一

AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例[4]。

这个方案采用单片机、通过温度传感器AD590采集温度信号、经运算放大器把信号放大、送到A/D转换器、利用4×4键盘、LCD显示电路、集成功率放大器、报警器，实现多点温度测量和显示，如图2-1所示。

图2-1基于模拟温度传感器的测量系统方案

这个方案使用的温度传感器AD590元件的性能指标如下：

（1）AD590的测温范围为－55oC～+150oC。

（2）AD590的电源电压范围为4V～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

（3）输出电阻710mΩ。

（4）精度高，AD590在－55oC～+150oC范围内，非线性误差为±0.3oC。

（5）优点：

AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量，AD590特别适合远程检测应用，具有精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿，得到广泛应用。

（6）缺点：

A/D转换电路设计较烦琐，而且使用AD590进行温度检测必须对端口进行补偿，以减小误差[5]。

测量温度是把整个器件放到需要测温度的地方，以及读取数据时，注意的方面较多，这都会给测量造成很大的误差。

2.1.2设计方案二

这个方案使用AT89C51单片机作为控制的核心，以数字温度传感器DS18B20为温度的测量元件，在这个电路中采用4个DS18B20对各点温度进行检测，通过4×4键盘模块对正常温度进行设置，显示电路采用LCD1602模块，如图2-2所示。

报警电路可以在被测温度不在上限范围内时，发出报警鸣叫声音。

当DSl8B20采集到多个温度信号后，进行电信号转换送至AT89C51中处理，同时将温度送到LCD1602液晶显示器中显示，单片机根据初始化设置的温度上限进行判断处理，即如果温度大于所设的最高温度和小于所设定的最低温度就启动报警装置[6]。

优点：

DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。

缺点：

程序设计复杂，4×4键盘模块电路容易发生抖动现象，电路中采用4个DS18B20对多点温度进行检测，电路繁琐。

图2-2基于数字温度传感器的测量系统方案

毕业设计采用数字温度传感器DS18B20作为测温元件，它具有如下特点：

（1）独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯。

（2）每个器件有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中。

（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

（4）测量温度在-55OC～+128OC之间。

（5）数字温度计的分辨率用户可以从9～12位选择。

（6）内部有温度上、上限告警设置。

（7）可通过数据线供电。

供电范围为3.0V～5.5V。

（8）在－10℃～＋85℃范围内精确度为±5℃

2.1.3设计方案三

这个方案使用STC89C52单片机作为控制的核心，以数字温度传感器DS18B20为温度的测量元件，在这个电路中采用2个DS18B20对各点温度进行检测，通过三个按键对正常温度进行设置，显示电路采用LCD1602模块，如图2-3所示。

图2-3基于数字温度传感器的测量系统方案

这个方案与方案二工作原理相同，只是这个方案选用STC89C52单片机作为控制的核心，选用三个按键对测量温度进行设置，电路中采用2个DS18B20对各点温度进行检测。

优点：

毕业设计采用的STC89C52单片机作为控制的核心，和AT89C51单片机的区别在于：

STC89C52单片机是一种带有8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能

COMOS8的微处理器。

AT89C51是一种带有4K字节的FlashROM。

其他的功能基本相同。

这个方案电路简单，容易操作[7]。

2.2方案的比较与选择

毕业设计采用2个DS18B20对各点温度进行检测，测温范围为-55OC～+128OC，精度为±0.5OC。

采用LCD1602液晶显示器，同时显示路数和温度。

综合模拟温度传感器和数字温度传感器的性能指标，以上三个方案都能达到设计的要求。

方案一采用模拟温度传感器AD590，转换结果需要经过运算放大器和A/D转换器传送给处理器。

它控制虽然简单，成本低，但是后续电路复杂，且需要进行温度标定，集成温度传感器AD590输出为电流信号，且输出信号较弱，所以需要后续放大及A/D转换电路，如采用普通运放则精度难以保证，而测量放大器价格较高，这样会使系统成本升高。

方案二以DS18B20为传感器和AT89C51单片机为控制核心组成多点温度测试系统，该系统包括电源电路、复位电路、时钟电路、传感器电路、键盘与温度显示电路、上限报警电路等组成部。

采用美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。

它具有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用I/0端口即可完成与微处理器的通信。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

大大提高了系统的抗干扰能力。

DS18B20体积小、经济、使用方便灵活，测试精度高，较高的性能价格比，有CRC校验，系统简明直观[8]。

适合于恶劣环境的现场温度测试，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

但是程序设计比较复杂，稍微操作不当，都会造成设计的失败。

方案三以DS18B20为传感器和STC89C52单片机为控制核心组成多点温度测试系统，该系统包括电源电路、复位电路、时钟电路、传感器电路、键盘与温度显示电路、上限报警电路等组成部。

方案三和方案二工作原理基本相同，这个方案程序设计比较简单，电路也比较简单，操作起来更方便，不易出错，如果操作过程中某个方面出错了，更改起来也比较方便。

综上所述，毕业设计采用方案三对系统进行设计。

2.3本章小结

随着社会经济的发展，电子产品更新换代的速度也随之呈指数的上升，因此，元器件的选择和使用成为了难点。

温度是日常生活和工农业生产中经常需要测试的重要参数。

传统的方式一般采用热电偶或热电阻,其输出的模拟信号,需经A/D转换后才能送入单片机等微处理器,这样的硬件电路结构复杂,制作成本较高[9]。

近年来,各种新型温度传感器和测量方法大量出现并成功应用。

单总线数字式智能型传感器技术彻底改变了传统的温度测量方法,直接将温度物理量转化为数字信号并以总线方法传送到微处理器进行数据处理。

其中以美国DALLAS公司生产的DS18B20为代表的数字式智能温度传感器凭借其突出优点广泛使用于各种环境的自动化测量及控制系统中，所以，毕业设计选用了数字温度传感器DS18B20作为测温元件。

3系统的硬件设计

毕业设计研究的多点测温系统是以STC89C52单片机和单总线数字温度传感器DS18B20为核心，充分利用单片机优越的内部和外部资源及数字温度传感器DS18B20的优越性能构成一个完整的测温系统，实现对温度的测量。

整个系统由STC89C52单片机控制，能够接收传感器DS18B20的温度数据并通过LCD1602液晶显示器显示出来，可以从三个按键输入命令，系统根据命令，选择对应的温度传感器，并由LCD1602液晶显示器对温度显示。

设计了一种合理、可行的单片机监控软件，完成测量和显示的任务。

由于单片机具有强大的运算和控制功能，使得整个系统具有模块化、硬件电路简单以及操作方便等优点。

毕业设计的整个系统主要是由STC89C52单片机、LCD1602液晶显示电路、按键电路、报警电路等构成。

3.1单片机系统设计

在快速发展的时代，今天的新科学和技术的发展，单片机的应用越来越受到人们的重视，它被广泛用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化领域等[10]。

单片机全名为单片微型计算机，是计算机的一个基本组成部分，使之微型化，可以集成在单片微机上。

目前市场上比较流行的单片机英特尔公司，菲利普公司的8051单片机，摩托罗拉的M6800系列微控制器，英特尔MCS96系列单片机[11]。

STC89C52单片机和AT89C51相比具有以下优点：

（1）STC89C52是ISP系列的，在线用串口编程，只需要三四根线就可以，但是AT89C51要取下来编程比较麻烦。

（2）STC89C52内带EEPROM，可以断电后保存资料，比如，温度告警的上限，但是AT89C51要实现断电保存就得另外扩展存储器。

（3）STC89C52带ADC的可以直接接模拟的温度探头，但是AT89C51还要外置ADC。

综上所述：

毕业设计运用深圳智威（香港）电子有限公司（WINBOND代理商）的

STC89C52进行系统控制，运用到了复位电路，时钟电路，串口，I/O口。

（1）复位电路：

复位操作完成初始化该芯片的单片机电路，可以使单片机从确定的开始状态运行。

复位操作通常是一个上电和开关复位。

自动上电复位要求接通电源后，自动复位操作。

开关复位是用按钮来控制单片机的复位电路，如果发生死机，单片机的复位按钮按下，使单片机复位。

常用的上电复位开关和复位电路如图3-1所示。

由于电容器充电，使复位持续为一段高电平。

当单片机已经投入运行，按复位按钮，以达到复位操作。

单片机复位操作是单片机的初始化过程，包括程序计数器寄存器PC=0000H，P0-P3=FFH，SP=07H，其他寄存器是零。

图3-1单片机复位电路

（2）时钟电路：

STC89C52单片机时钟信号通常是内部振荡器和外部振荡器模式。

XTAL1和XTAL2引脚连接外部晶体振荡器，可以构成内部振荡器方式。

单片机有高增益反相放大器，当连接外部晶体振荡器后，它构成自激振荡器和产生振荡时钟脉冲。

晶体通常用6MHZ、12MHz或24MHZ。

内部振荡器如图3-2所示，电容C3、C2稳定振荡频率，快速振动的作用，电容值通常是5～30PF。

内部振荡器模式获得的时钟信号比较稳定。

外部振荡器的时钟信号送入单片机，这种方法适合用于单片机的时钟与外部信号保持统一。

图3-2单片机时钟电路

3.2温度传感器

3.2.1温度传感器的选用

现代传感器的原理和结构有很大差别，如何根据测量的目的，测量对象和测量环境合理选择传感器，是在测量前首先要解决的问题。

当传感器被确定后，一个匹配的测量方法和设备就可以使用在实践当中了。

测量结果的是否可行在很大部分上要取决于所选择的传感器能否满足要求。

据测量对象和