基于单片机实现的多点温度检测系统毕业设计.docx
《基于单片机实现的多点温度检测系统毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机实现的多点温度检测系统毕业设计.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机实现的多点温度检测系统毕业设计
第一章绪论
1.1系统背景
温度是一般工业领域最容易碰到的检测参数，如环境温度的检测，工业工艺温度参数的检测，设备的温度保护检测等，而市场上专用的、通用的各类温控仪产品也比较丰富，国内外的温度检测仪器的发展水平主要体现在仪器的智能化水平、测量的温度范围、测量的精度以及仪器的功耗等技术指标上，目前国内的温度测量，在精度上很少有高于0.10C。
在同一个行业，各个企业之间的现代化水平的差异也十分大，尽管目前的计算机技术和电子技术的发展水平都十分迅猛，但仍有一部分企业对温度的测量，还停留在用水银温度计作为测量工具。
近年来，信息化一词在自动化领域内十分叫响，它在一定程度上推动了自动化技术的发展，我们的许多厂矿企业，运用计算机的水平不再体现在办公室的管理上，而且深入到生产的各个环节，各种可能导致安全生产隐患的各个环节在可能的条件下均运用了先进的计算机监控，例如:
煤矿计算机调度监控系统、胶带输送机的计算机综合保护系统、各种现场的电机温度保护系统、各种炉窑的温度控制系统以及化工行业的温度工艺参数的自动调节等，无不有温度参数的监测。
1.2系统概述
本设计由一台上位机（PC微型计算机）、下位机（单片机）、多点温度数据采集电路，组成多点温度测量的巡回检测系统。
该系统采用RS-232串行通信标准，通过上位机（PC）来控制下位机（单片机）进行现场温度采集。
温度值既可以送回PC机进行数据处理，由显示器显示出来。
也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。
下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。
DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，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。
第二章论证
2.1主控制部分
方案一：
此方案采用AT89C52单片机实现。
能很好的进行键盘扫描、多路温度采集、显示温度。
实现电路简单，但此方案存储的数据不多，只能实现实时测温及显示，而且不能对数据进行处理，不适合对温度有严格要求的工业现场对温度的实时控制。
方案二：
此方案采用上下位机实现。
下位机使用AT89C52，可以实现按键控制，多路温度采集，对温度的实时显示；上位机可以实现对下位机的控制，对于下位机采集到的数据可以利用绘图软件绘成图显示出来。
这种方案能够存储很多的数据，方便对数据的处理，适合工业现场的实时控制。
2.2传感器部分
方案一：
采用MF58型高精度负温度系数热敏电阻器及其外围电路，组成温度信号采集电路。
MF58型高精度负温度系数热敏电阻器有许多优点：
稳定性好，可靠性高；阻值范围宽：
0.1-1000K，阻值精度高。
由于玻璃封装，可在高温和高温等恶劣环境下使用。
此方案能够较好的体现物理思想，通过实验标定温度，可以使我们更好的理解模拟信号与数字信号的转化，但后续电路较复杂，且在远距离传输时精确度会降低。
方案二：
采用AD590,LM35等热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。
而且在温度测量系统中,这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。
方案三：
在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法和很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。
在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C52构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C52可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建传感器网络。
采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。
部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。
而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。
所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。
本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。
2.3键盘及显示部分
方案一：
直接使用I/O口作为键盘行线和列线选择按键，这样的好处是比较简单，但是当需要按键消抖和多个按键同时按下处理时，软件部分显得比较繁琐，且需要连接显示电路，I/O口不够用。
方案二：
采用通用键盘显示器接口芯片8279，8279对键盘部分提供一种扫描工作方式，能对64个按键键盘阵列不断扫描，自动消抖，自动识别出闭合的按键并得到键号，并能对双键或N键同时按下进行处理。
综上所述,主控部分采用第二方案；温度传感器采用第三方案；键盘部分采用第二方案。
系统采用针对传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的特点，运用分布式通讯的思想。
设计一种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。
该系统采用的是RS-232串行通讯的标准，通过下位机（单片机）进行现场的温度采集，温度数据既可以由下位机模块实时显示，也可以送回上位机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。
实际采用电路方案如下图：
第三章电路设计
系统底层电路的功能主要包括：
多点温度测试及其相关处理，实时显示温度信息，与上位机通讯传输温度数据。
硬件设计主要包括以下几个模块：
键盘以及显示电路，测温电路，串口通讯电路。
下面对电路分模块进行说明
3.1测温电路
这里我们用到温度芯片DS18B20。
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式。
测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。
其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。
CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
DS18B20内部结构
（1）DS18B20的内部结构如下图所示。
图3.1DS18B20内部结构图
DS18B20有4个主要的数据部件：
①64位激光ROM。
64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码（28H）组成。
②温度灵敏元件。
③非易失性温度报警触发器TH和TL。
可通过软件写入用户报警上下限值。
④配置寄存器。
配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。
DS18B20在0工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值，其各位定义如表所示。
表3-1DS18B20配置寄存器结构图
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
MSB
LSB
其中，TM：
测试模式标志位，出厂时被写入0，不能改变；R0、R1：
温度计分辨率设置位，其对应四种分辨率如下表所列，出厂时R0、R1置为缺省值：
R0=1，R1=1（即12位分辨率），用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率具体关系如下表：
表3-2配置寄存器与分辨率关系表
R0
R1
温度计分辨率/bit
最大转换时间/us
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
（2）高速暂存存储器
高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如下图所示。
当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。
单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如图所示。
对应的温度计算：
当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值
表3-3DS18B20存储器映像图
温度低位
温度高位
TH
TL
配置
保留
保留
保留
8位CRC
温度值格式图DS18B20温度数据表如下表：
表3-4温度数据表
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
MSB
LSB
S
S
S
S
S
26
25
24
典型对应的温度值表如下:
表3-5温度值表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
+25.0625
+10.125
+0.5
0
-0.5
-10.125
-25.0625
-55
0000011111010000
0000000110010001
0000000010100010
0000000000001000
0000000000000000
1111111111111000
1111111101011110
1111111001101111
1111110010010000
07D0H
0191H
00A2H
0008H
0000H
FFF8H
FF5EH
FE6FH
FC90H
DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。
硬件连接电路如下图：
本系统为多点温度检测，DS18B20采用外部供电方式，理论上可以在一根数据总线上挂256个DS18B20，但实践应用中发现，如果挂接25个以上的DS18B20仍旧有可能产生功耗问题。
另外单总线长度也不宜超过80M，否则也会影响到数据的传输。
在这种情况下我们可以采用分组的方式，用单片机的多个I/O来驱动多路DS18B20。
在实际应用中还可以使用一个MOSFET将I/O口线直接和电源相连，起到上拉的作用。
对DS18B20的设计，需要注意以下问题
（1）对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20进行操作，需要用较为复杂的程序完成。
编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行，读、写时间片程序要严格按要求编写。
尤其在使用DS18B20的高测温分辨力时，对时序及电气特性参数要求更高。
（2）有多个测温点时，应考虑系统能实现传感器出错自动指示，进行自动DS18B20序列号和自动排序，以减少调试和维护工作量。
（3）测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。
DS18B20在三线制应用时，应将其三线焊接牢固；在两线应用时，应将VCC与GND接在一起，焊接牢固。
若VCC脱开未接，传感器只送85.0℃的温度值。
（4）实际应用时，要注意单线的驱动能力，不能挂接过多的DS18B20，同时还应注意最远接线距离。
另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。
3.2键盘及显示电路
键盘显示电路主要用到8279芯片，8279是可编程的键盘、显示接口芯片。
它既具有按键处理功能，又具有自动显示功能，在单片机系统中应用很广泛。
8
升级会员 