基于单片机的多路温度采集控制新版专业系统设计Word文档格式.docx
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基于51单片机多路温度采集控制系统设计
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摘要
伴随现代信息技术飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及大家日常生活中饰演着一个越来越关键角色，它对大家生活含有很大影响，所以温度采集控制系统设计和研究有十分关键意义。
此次设计目标在于学习基于51单片机多路温度采集控制系统设计基础步骤。
本设计采取单片机作为数据处理和控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，把温度信号经过单总线从数字温度传感器传输到单片机上。
单片机数据处理以后，发出控制信息改变报警和控制实施模块状态，同时将目前温度信息发送到LED进行显示。
本系统能够实现多路温度信号采集和显示，能够使用按键来设置温度限定值，经过进行温度数据运算处理，发出控制信号达成控制蜂鸣器和继电器目标。
我所采取控制芯片为AT89C51，此芯片功效较为强大，能够满足设计要求。
经过对电路设计，对芯片外围扩展，来达成对某一车间温度控制和调整功效。
关键词：
温度多路温度采集驱动电路继电器
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofmoderninformationtechnology,temperaturemeasurementandcontrolsystemisplayingamoreandmoreimportantroleinindustry,agricultureandpeople'
sdailylife,ithasgreatinfluenceonpeople'
slife,hasveryimportantsignificancetoresearchanddesignofthetemperatureacquisitionandcontrolsystem.
Thisdesignaimstostudybasedonthebasicprocessdesignofmulti-channeltemperatureacquisitionandcontrolsystemof51singlechipmicrocomputer.Thisdesignusesamicrocontrollerasdataprocessandcontrolunit,inordertocarryonthedataprocessing,SCMcontroldigitaltemperaturesensor,thetemperaturesignalthroughsinglebusdigitaltemperaturesensortransfertomcu.Afterthemicrocomputerdataprocessing,sendscontrolinformationtochangethealarmandcontrolexecutionmodulestate,atthesametime,thetemperatureinformationissenttotheLEDfordisplay.Thissystemcanrealizethemulti-channeltemperaturesignalacquisitionanddisplay,youcanusethebuttontosetthetemperaturelimitvalue,byMCU,sendsacontrolsignaltocontrolthebuzzerandrelaydestination.
IadoptedthecontrolchipAT89C51,thechipfunctionisrelativelystrong,canmeetthedesignrequirements.Throughthecircuitdesign,onchipperipheralexpansion,toachievethecontrolofaworkshopoftemperatureandregulatingfunction.
Keywords:
TemperatureMultitemperatureacquisitionDrivecircuitRelay
第一章绪论
本设计关键设计一个多路温度采集检测系统，采取现在低价位但技术十分成熟AT89S52单片机作为内核，选择DS18B20作为温度传感器，送到显示器循环显示所测四路温度数值，并依据现场工业需要，设置了一定范围报警值，报警优先显示，利用按键消除报警。
可用按键查看某一路温度值，查看时数据采集不中止。
软件算法上采取了直接拟合方法（经过电压-温度关系来计算温度值），符合课题要求。
本课题组成多路温度系统含有结构简单、价格低廉、测量精度高、量程宽特点，在很多场所含有一定适用性。
第一节选题背景
测量控制作用是从生产现场中获取多种参数，利用科学方法，综合多种优异技术，是生产每个步骤全部能够得到有效控制，不仅确保了生产规范化、提升产品质量，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、轻工和纺织等行业。
温度是工业对象中关键被控参数之一，在各个种类企业中应用广泛多种加热设备、反应炉设备等全部需要严格控制温度。
伴随时代进步，科技发展，各行各业对于温度采集系统要求也在不停提升以达成设备环境、生产步骤安全要求，也越来越成为温度采集系统多个关键指标。
伴随集成电路技术越来越快、越来越大规模化发展，因为单片机含有体积小、功效强、性价比高等优点，基于单片机开发出来一系列采集、控制系统也逐步受到广泛关注。
采取单片机作为关键，可完成对温度采集要求。
所以基于单片机多路温度采集系统被广泛应用于很多工业过程控制中，使产品既提升了产品功效和质量，又降低了成本，简化了设计。
采取单片机设计多路温度采集系统，可进行温度检测、采集及显示，对于提升生产效率，节省能源、资源全部有很关键作用。
第二节本设计任务和关键内容
怎样基于AT89S52对4路温度进行采集具体要求，有以下几点：
（1）选择哪种传感器将温度信号转化为电信号；
（2）单片机外围硬件电路设计；
（3）内部程序编写。
在温度采集系统中我们常常见到集成型温度传感器，集成型传感器能够达成较高精度，在集成型温度传感器使用过程中，因为采取单总线传输方法进行对远距离多点温度进行检测，故在程序控制上较复杂。
新型温度传感器DS18B20含有体积小、精度高、使用电压宽采取一线总线等优点，在实际应用中取得了良好测温效果。
用四只DS18B20同时采集4路温度。
AT89S52单片机P3.7接口接单线总线。
单片机有一个全双工串行通讯口，单片机和电脑之间能愈加好地进行串口通讯。
第二章系统总体设计
第一节系统概述
依据设计要求性能指标，本系统不仅要满足一定精度温度采集基础功效，而且因为测量路数为4路，还存在多路信号循环显示问题，还要考虑温度超限报警输出功效，同时系统还含有显示目前各路测量温度值功效和键盘选择显示路数功效。
第二节系统工作原理分析
在测温系统中我们常常见到集成型温度传感器，集成型温度传感器能够达成较高精度，在集成型温度传感器使用过程中，因为采取单总线传输方法进行对远距离多点温度进行检测，所以在程序控制上比较复杂。
在温度测量系统中，采取抗干扰能力强新型数字温度传感器是处理这些问题最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20含有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采取一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好测温效果。
依据本课题设计目标和硬件特点，本系统总体设计框图图2.1所表示。
图2.1总体设计框图
第三章系统硬件设计
一个温度采集系统,包含被采集信息采集、转换、显示等步骤，在本多路温度采集系统设计中，包含CPU选型和包含显示电路、存放器、报警电路、电源电路等设计。
第一节温度采集系统开发过程
本设计中以DS18B20为传感器、AT89S52单片机为控制关键组成多点温度测试系统。
用4只DS18B20同时测控4路温度（视实际需要还可扩展通道数）。
因为每片DS18B20含有唯一硅串行数，所以在一条总线上可挂接多个DS18B20芯片。
从DS18B20读出信息或写入DS18B20信息，仅需要一根口线（单线接口）。
读写及温度变换功率起源于数据总线，总线本身也能够向所挂接DS18B20供电，而无需额外电源。
DS18B20提供9位温度读数，组成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。
处理时，将DS18B20信号线和单片机一位口线相连，单片机可挂接多片DS18B20，从而实现多点温度检测系统。
因为DS18B20只有三个引脚，其中两根是电源线VDD和GND，另外一根用作总线DQ（DataIn/Out），因为其输出和输入均是数字信号且和TTL电平兼容，所以其能够和微处理器直接进行接口，从而省去了通常传感器所必需中间转换步骤。
第二节单片机最小系统设计
一、单片机选型
现在，生产单片机厂商有很多，尤其是多年来微电子技术、计算机技术飞速发展，比较著名有Intel、Philips、Microchip、Motorola、Zilog、Atmel等半导体企业。
在上述著名半导体企业产品中，尤其在工业测控场所，利用较多为Intel企业MCS-51系列，Microchip企业PIC系列，假如作单路温度测量，恐怕要选择该系列CPU，但因为本系统包含是多路，各路报警输出信号需要单独输出，而且考虑信号调理电路切换等还需要不少控制线，所以该系列少引脚特点就不适合本设计需要，所以，本设计还是选择了ATMEL最新8位单片机AT89S52作为本系统CPU。
二、AT89S52性能及应用
功效特征描述：
AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS8位微控制器，含有8K在系统可编程Flash存放器。
使用Atmel企业高密度易失性存放器技术制造，和工业80S52产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash许可程序存放器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效处理案，其引脚图3.1所表示。
AT89S52含有以下标准功效：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中止结构，全双工串行口，片内晶振立即钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，许可RAM、定时器/计数器、串口、中止继续工作。
掉电保护方法下，RAM内容被保留，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中止或图3.1是AT89S52引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中止口和P3口复用。
其对应引脚功效：
Pin40:
正电源脚，正常工作或对片内EPROM誊录程序时，接+5V电源。
Pin19:
时钟XTAL1脚，片内振荡电路输入端。
Pin18:
时钟XTAL2脚，片内振荡电路输出端。
AT89S52时钟有两种方法，一个是片内时钟振荡方法，但需在18和19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容,振荡电容值通常取10PF-30PF；
另外一个是外部时钟方法，立即XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。
本设计采取片内时钟电路，外接晶振和电容组成振荡器。
图3.1AT89S52引脚
输入输出（I/O）引脚：
Pin39-Pin32为。
P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输硬件复位为止入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。
在对单片机设计中，P0作为数码管段选选通端口何数字键盘接口。
Pin9:
RESET/复位信号复用脚，当AT89S52通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现2个时钟周期以上高平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始实施程序。
值得注意是，P0、P1、P2、P3口作为一般I/O口使用时全部是准双向口结构，其输入操作和输出操作本质不一样，输入操作是读引脚状态，输出是对锁存器写入操作。
当内部总线给口锁存器置0或1时，锁存器中0、1状态立即反应到引脚上。
但在输入操作时，假如锁存器状态为0引脚被钳位0状态，造成无法读出引脚高电平输入。
所以，准双向口作为输入口时，应先使锁存器置1（称之为置输入方法）。
然后，再读引脚，比如：
要将P1口状态读入到累加器A中，应实施以下两条指令：
MOVP1，#0FFH；
P1口置入方法。
MOVA，P1；
读P1口引脚状态到A。
另外，I/O口端口自动识别功效，确保了不管是P1口（低8位地址）P2口（高8位地址）总线复用，还是P3口功效复用，内部资源自动选择不需要用指令进行状态选择。
伴随计算机技术发展，单片机功效越来越强大，寿命长、速度快、低功耗、低噪声、可靠性高特点及16位、32位单片机出现，在工业领域仍含有很大发展潜力。
三、时钟电路设计
本设计采取内部时钟方法来为系统提供时钟信号。
时钟电路通常由晶震控制芯片、电容和晶体震荡器组成。
时钟电路是用来产生AT89C51单片机工作时所需要时钟信号。
通常时钟设计有两种形式：
内部时钟和外部时钟。
AT89C51单片机内部有一个高增益反响放大器，它用来组成振荡器。
此放大器有两个引脚，一个是输入引脚XTAL1，另一个是输出引脚XTAL2，这两个引脚跨接晶体振荡器和用于微调电容，目标是用来组成一个自激励振荡器。
图3-2时钟电路，晶体振荡器频率范围通常在1.2MHz和12MHz之间，单片机运行速度会受到晶振频率影响，所以晶振频率选择很关键。
晶振起振频率有两个，一个是11.0592MHZ，另一个是12MHZ，本设计AT89S52单片机采取是12MHz。
通常电路中电容C1和C2值全部取为30PF。
电路对外接电容值尽管没有明确要求，然而电容晶体振荡器频率会受到电容大小影响，和振荡器稳定性和起振快速性全部会受到影响。
为了降低寄生电容，晶振和电容应该和单片机芯片安装时尽可能靠近，以确保振荡器稳定，可靠地工作。
本设计使用NPO电容，原因是它温度稳定性比很好。
时钟电路图3.2所表示：
图3.2时钟电路
四、复位电路设计
为了使系统能够从正确初始状态开始工作，就必需在开启单片机时候对单片机复位。
对电源+5V而言，电容C3和电阻R3组成了微分电路。
对于上电复位，上电以后，复位电路经过电容使RST连续一段时间高电平，假如RST能够连续充足时间高电平，系统就有足够时间复位，那么就实现了系统复位可靠性。
不过，电容充电时间决定了RST端连续高电平时间。
伴随电容充电完成，RST端变成低电平。
图3-3所表示。
对于手动按钮复位，它是经过手动操作按键来给RST一个高电平，这种复位方法能够满足设计要求，原因是，手动按键时候总是有一个过程，在这个时间段内，系统能够有足够时间复位。
图3.3中C7=10uf，R21=4.7kΩ。
图3.3复位电路
第三节温度采集接口电路设计
一、DS18B20介绍
DS18B20是美国Dallas半导体企业推出第一片支持"
一线总线"
接口温度传感器。
它含有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理。
DS18B20特点以下：
硬件接口简单，性能稳定，单线接口，仅需一根口线和MCU连接无需外围元件；
由总线提供电源；
测温范围为-55～75℃；
精度为0.5℃；
9位温度读数；
A/D变换时间为200ms；
用户自设定温度报警上下限，其值是非易失性；
报警搜索命令可识别那片DS18B20超温度限。
（1）DS18B20引脚介绍
TO－92封装DS18B20引脚排列见图3.4，其引脚功效描述见表3.1。
表3.1DS18B20具体引脚功效描述
序号
名称
引脚功效描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也能够向器件提供电源。
3
VDD
可选择VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必需接地。
图3.4DS18B20管脚排列
（2）DS18B20产品特点
1）只要求一个端口即可实现通信；
2）在DS18B20中每个器件上全部有独一无二序列号；
3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；
4）测量温度范围在－55℃到＋125℃之间；
5）数字温度计分辨率用户能够从9位到12位选择；
6）内部有温度上、下限告警设置；
7）支持多点组网功效，多个DS18B20能够并联在一根三线上，实现多点测温；
8）负压特征，电源极性接反时，温度计不会因发烧而烧毁，但不能正常工作。
DS18B20工作原理是：
DS18B20采取3脚PR-35封装，其中GND为地；
I/O为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平；
VDD是外部+5V电源端，不用时应接地；
DQ为空脚。
图3.5所表示为DS18B20内部框图，它关键包含寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据高速暂存器（内含RAM），用于存放用户设定温度上下限值TH和TL触发器存放和控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。
图3.5DS18B20内部结构图
DS18B20一线工作协议步骤是：
初始化→ROM操作指令→存放器操作指令→数据传输。
其工作时序包含复位时序、写时序和读时序，图3.6，3.7，3.8所表示。
因为DS18B20采取是1－Wire总线协议方法，即在一根数据线实现数据双向传输，而对AT89S52单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，所以，我们必需采取软件方法来模拟单总线协议时序来完成对DS18B20芯片访问。
因为DS18B20是在一根I/O线上读写数据，所以，对读写数据位有着严格时序要求。
DS18B20有严格通信协议来确保各位数据传输正确性和完整性。
该协议定义了多个信号时序：
初始化时序、读时序、写时序。
全部时序全部是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据传输全部是从主机主动开启写时序开始，假如要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需开启读时序完成数据接收。
数据和命令传输全部是低位在先。
DS18B20复位时序：
图3.6DS18B20复位时序
DS18B20读时序，对于DS18B20读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
对于DS18B20读时序是从主机把单总线拉低以后，在15μs之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在完成一个读时序过程，最少需要60μs才能完成。
图3.7DS18B20读时序
DS18B20写时序，对于DS18B20写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。
图3.8DS18B20写时序
对于DS18B20写0时序和写1时序要求不一样，当要写0时序时，单总线要被拉低最少60μs，确保DS18B20能够在15μs到45μs之间能够正确地采样I/O总线上“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低以后，在15μs之内就得释放单总线。
图3.9DS18B20测温原理框图
DS18B20温度测量原理以下：
DS18B20测量温度时使用特有温度测量技术，其测量电路框图图3.9所表示。
内部计数器对一个受温度影响振荡器脉冲计数，低温时振荡器脉冲能够经过门电路，而当抵达某一设置高温时，振荡器脉冲无法经过门电路。
计数器设置为-55℃时值，假如计数器抵达0之前，门电路未关闭，则温度寄存器值将增加，这表示目前温度高于-55℃。
同时，计数器复位在目前温度值上，电路对振荡器温度系数进行赔偿，计数器重新开始计数直到回零。
假如门电路仍然未关闭，则反复以过程。
温度表示值为9bit，高位为符号位。
另外，因为D
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