基于单片机的多点温度检测软件部分毕业设计论文.docx
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基于单片机的多点温度检测软件部分毕业设计论文
毕业设计说明书
设计（论文）题目：
基于单片机的多点温度检测系统软件设计
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5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
摘要
随着人类社会的不断发展，温度在人们的生产生活中扮演着越来越重要的角色，大到工业冶炼、物质分离、环境监测、电力机房、医疗卫生等方面，小到家庭冰箱、空调、电热水器等，可以说温度与我们的生活息息相关。
电子技术的发展使得单片机得到了迅速的发展，智能化温度测量技术的应用范围越来越广，但是温度的检测和控制还有许多问题要去完善，如何更好的控制温度性能以满足不同行业的要求，是我们要研究的一个重要课题。
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，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。
随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。
本课题以STC89C52RC单片机系统为核心，能对多点温度进行实时检测。
DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松的组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠
关键词：
单片机；温度传感器；DS18B20
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofhumansociety,temperatureinpeople'sproductionandlifeplaysmoreandmoreimportantrole,tosmeltingindustry,substanceseparation,andenvironmentalmonitoring,powerroom,healthandotheraspects,tohouseholdrefrigerator,airconditioning,electricwaterheatersandothercanbecloselylinkedtemperatureandourlives. Thedevelopmentofelectronictechnology,theMCUhasbeentherapiddevelopment,intelligenttemperaturemeasurementtechnologyapplicationmoreandmorewidely,buttherearemanyproblemsinthedetectionandcontroloftemperaturetoimprove,howtobettercontrolthetemperatureperformancetomeettherequirementsofdifferentindustries,isanimportantissuethatIhavetostudy.
Intraditionaltemperaturemeasurementsystemdesign,oftenusingsimulationtechnologytocarryonthedesign,itwillinevitablyencountersuchasleaderrorcompensation,multi-pointmeasurementerrorswitchandsignalconditioningcircuiterrorproblem;andapartofadealwiththemimproperlymaycauseadeclineintheperformanceofthewholesystem. Withtherapiddevelopmentofmodernscienceandtechnology,especiallythedevelopmentoflarge-scaleintegratedcircuitdesigntechnology,miniaturization,integrationanddigitalizationarebecominganimportantdirectionofsensordevelopment..
ThisthesistakestheSTC89C52RCmicrocontrollersystemasthecore,andcandetectthetemperatureofmultipoints.. DS18B20isanetworkofhighprecisiondigitaltemperaturesensor,becauseofitsuniqueadvantagesofsinglebuscanuserseasilyestablishingasensornetwork,Itcanalsomakethenetsimpleandreliablewithit'sspecial1-wireinterface.
Keywords:
MCUtemperaturesensorDS18B20
第1章绪论
1.1课题背景
随着人类社会的不断发展，温度在人们的生产生活中扮演着越来越重要的角色，大到工业冶炼、物质分离、环境监测、电力机房、医疗卫生等方面，小到家庭冰箱、空调、电热水器等，可以说温度与我们的生活息息相关。
电子技术的发展使得单片机得到了迅速的发展，智能化温度测量技术的应用范围越来越广，但是温度的检测和控制还有许多问题要去完善，如何更好的控制温度性能以满足不同行业的要求，是我们要研究的一个重要课题。
温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数。
在工业生产过程中为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度，压力，流量，速度等进行有效的控制。
其中温度的控制在生产过程中占有相当大的比例。
准确测量和有效控制温度是优质，高产，低耗和安全生产的重要条件。
在工业的研制和生产中，为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度，采用微电子技术是重要的途径。
它的作用主要是改善劳动条件，节约能源，防止生产和设备事故，以获得好的技术指标和经济效益
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，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。
随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。
目前先进国家各种炉窑自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。
其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。
单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。
由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。
1.2课题研究意义
随着科学技术的不断进步与发展，温度控制在工业控制、电子测温计、医疗仪器、家用电器等各种温度控制系统中广泛应用，且由过去的单点测量向多测量发展。
目前温度传感器有模拟和数字两类传感器，为了克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A／D转换器的弊端，大多数多点测温控制系统采用数字传感器，并大大方便了系统的设计。
比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635、SMT160-30等。
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，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。
随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。
美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，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；在-10～+85℃温度范围内具有
0．5℃精度；用户可编程设定9～12位的分辨率。
以上特性使得DS18B20非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。
1.3温度智能测控系统的工作原理
课题采用由Dallas公司生产的智能数字温度传感器DS18B20和Atmel公司推出的单片机AT89C51以及相关外围电路实现高精度、多点温度测量系统。
同时本设计在单片机系统设计主流EDA软件Proteus环境下完成，能够及时观察效果和修改软硬件。
本课题主要是实现对温度进行多点测量并实时显示。
整个系统由单片机控制，要能够接收温度传感器的数据并在液晶上显示出来，并且通过串口向上位机发送数据，在上位机显示温度，还可以从键盘设定报警上下限，当温度超过设定范围后，发出声光报警。
第2章单片机简介
单片微型计算机自20世纪70年代问世以来，以对人类社会产生了巨大的影响。
尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在世界范围内已经得到广泛的普及和应用。
而且随着以MCS-51单片机基本内核为核心的各种扩展型、增强型的新型单片机不断推出，MCS-51系列仍是我国单片机应用领域的主流机型。
目前在工业控制、智能仪器仪表、办公室自动化、家用电器等诸多领域，到处都可看见单片机的踪影，单片机技术开发和应用高水平已成为一个国家工业化水平的标志之一。
2.1单片机的基本结构
2.1.1微处理器（CPU）
MCS-51单片机中有1个8位的CPU，包括运算器和控制器两大部分，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。
例如：
位处理、查表、状态检测、中断处理等。
2.1.2内部数据存储器（RAM）
单片机芯片共有256个RAM单元，其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。
因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。
地址范围为00H~FFH（256B）。
片外最多可外扩64KB。
RAM是一个多用多功能数据存储器，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址等空间。
2.1.3内部程序存储器（ROM）
单片机内部有4KB的ROM，用于存放程序、原始数据或表格。
因此称之为程序存储器，简称内部RAM。
地址范围为0000H~FFFFH（64KB）。
片外最多可外扩64KB。
2.1.4定时器/计数器
单片机共有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。
定时时靠内部分频时钟频率计数实现，做计数器时，对P3.4（T0）或P3.5（T1）端口的低电平脉冲计数。
2.1.5并行I/O口
MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）以实现数据的输入输出。
2.1.6串行口
MCS-51单片机有一个全双工的串行口，具有4种工作方式，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。
该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为移位器使用。
RXD（P3.0）脚为接收端口，TXD（P3.1）脚为发送端口。
2.1.7中断控制系统
MCS-51单片机的中断功能较强，以满足不同控制应用的需要。
共有5个中断源，即外中断2个，定时中断2个，串行中断1个，全部中断分为高级和低级共二个优先级别。
2.1.8时钟电路
MCS-51单片机芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
系统允许的晶振频率为12MHZ等。
2.1.9特殊功能寄存器（SFR）
特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。
实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
2.2单片机执行指令的过程
单片机执行程序的过程，实际上就是执行所编制程序的过程。
即逐条指令的过程。
计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。
即取指令-----分析指令-----执行指令。
取指令的任务是：
根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。
分析指令阶段的任务是：
将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。
如指令要求操作数，则寻找操作数地址。
计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令可循环等待指令。
2.3单片机的特点
单片机应用在检测控制领域中，具有如下特点：
1.小巧灵活、成本低、易于产品化。
可靠性好，适应温度范围宽。
易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。
2.可以很方便的实现多机和分布式控制系统，具有优异的性能价格比。
3.存储器ROM和RAM是严格分工的，采用面向控制的指令系统，输入/输出（I/O）端口引脚通常设计有多种功能。
4.品种规格的系列化，功率消耗低。
所以从工业自动化、智能仪器仪表、消费类电子产品、通信方面、家用电器方面等，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。
综观单片机几十年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内存储器容量增加和Flash存储器化方向发展。
可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成的和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便。
此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。
第3章方案论证与选择
温度测量是通过DS18B20对温度进行采集，并存储在可擦写的EPROM中，但接受到主控机的命令后，将采集的温度送至51单片机的P1口，再通过串口送至液晶显示器上将温度显示出来，并达到轮循的效果由于该温度控制采用数字输出形式，因此不需要A/D转换器。
单片机主要是对温度传感器DS18B20进行编程，由于AT89系列单片机与MCS一51系列单片机兼容，所以，本系统中的单片机选用AT89C51。
以AT89C51单片机系统作为核心，对多点的温度进行实时控制巡检。
各检测单元能对温度进行实时或定时采集，测量结果利用单片机的串行口，总线和通信协议将采集到的数据传送至主控机，通过主控机把传送到的数据进行分析、存档、处理。
主控机控制各个检测单元进行温度采集，同时收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和打印。
主控机与各检测单元之间相互作用、相互联系，相互协调，从而使系统具有整体统一和谐的控制效果。
主控系统主要由单片机实施功能。
其包括的功能有：
温度值的读取与存储、时钟芯片时间值的读取与存储、LED液晶的显示以及关于是否进行声光报警的判断。
还有就是单片机与PC机之间的通信、数据的传输也是靠单片机实现的。
从机系统的主要功能就是将外界的模拟信号变为可以传输的数字信号。
而温度传感器DS18B20本身包括寄生电源、温度传感器，64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM）、存储与控制逻辑、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器、结构寄存器，8位循环冗余校验码（CRC）发生器等八部分。
它通过程序语言可实现9位至12位的数字值读数方式，并在环境为93.7ms和750ms之间内，将温度值转化9位和12位的数字量。
而且DS18B20与单片机之间的通信是利用ONEWIRE方式，只要在编程方面多注意这个传感器的时序问题，能大大简化这个系统的硬件规模，并且能准确地读取温度信号，进而进行后续处理。
所以DS18B2O就作为一个从机系统完成其重要的功能，其可使系统结构更趋简单，同时可靠性更高。
温度测量的方案有多种，比如热敏电阻和集成温度传感器等。
本课题采用集成温度传感器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的很多外围电路。
对于控制系统可以采用计算机、单片机等。
课题要求是对温度进行多点测量，本课题以四点温度测量为例。
3.1传感器连接方案设计
3.1.1设计方案一
多I/O口连接方案，就是一个I/O口连接一个DS18B20，这种方案虽然占用单片机的四个I/O口，但采用这种方案大大地简化了编程难度，缩短了设计周期，同时也能保证系统的稳定，方案一的框图如图3.1所示：
单片机
DS18B20
DS18B20
DS18B20
DS18B20
3.1DS18B20多I/O口连接方案
3.1.2设计方案二
单总线连接方案，就是四个DS18B20连接到单片机的一个I/0口上，这种方案只用到单片机的一个I/O口，大大的节约了单片机I/O口资源。
缺点是在时序上比较复杂，DS18B20的编程增加了读ROM程序和匹配ROM程序。
方案二的框图如图3.2所示：
单片机
DS18B20
DS18B20
DS18B20
DS18B20
图3.2DS18B20单总线连接方案
3.2方案的比较与选择
方案一是把DS18B20的四个DQ端分别接到单片机的四个不同的I/O口，这种接法虽然占用的I/O口比较多，但是它的时序比较简单，不需要读取ROM序列号程序和匹配ROM序列号程序，软件上简化了很多。
方案二是把DS18B20的四个DQ端接到单片机的一个I/O口，这种接法节省了三个I/O口，在硬件上简化了不少，同时扩展方便，如需增加DS18B20的个数，可直接连在该I/O口。
但是在软件上时序就增加了难度，需要添加读ROM序列号程序和匹配ROM序列号程序。
本课题以四点的温度检测为例，同时考虑到扩展的方便，决定选用方案二。
第4章硬件电路设计
单片机多点温度测试系统底层电路的功能主要包括：
多点温度检测及其相关处理，实时显示温度信息，与单片机传输温度数据。
硬件设计主要包括以下几个模块：
单片机最小系统，按键以及显示电路，温度检测电路，超温报警电路。
下面对电路模块分别进行说明。
4.1单片机最小系统
本课题采用的单片机为AT89C51，其最小系统电路包括复位电路和时钟电路。
复位电路：
无论哪种单片机，都会涉及到复位电路。
如果复位电路不可靠，在工作中就有可能出现“死机”，“程序走飞”等现象。
所以，一个单片机复位电路的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。
复位操作完成单片机片内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。
当AT89C51单片机的复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作，如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序，因此要求单片机复位后能脱离复位状态。
复位操作通常有上电和开关复位。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。
上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。
当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。
时钟电路：
AT89C51单片机的时钟信号通常用内部振荡和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAX2外接晶体振荡器，就够成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
晶振通常选用6MHz、12MHz或24MHz，本课题选择11.0592MHz的晶振。
电容C2、C3起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般为5-30PF。
内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定。
外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内，这种方式适于用于用来使单片机的时钟与外部信号保持一致。
最小系统电路原理图如图4.1所示。
图4.1单片机最小系统
4.2按键以及显示电路
单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路,以及单一的复位功能外,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。
键盘可以分为两种：
非编码式键盘和编码式键盘。
非编码式键盘是利用按键直接与单片机进行连接而成的，这种键盘通常使用的按键数量较少，使用这
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