车间智能温度上下限可调数字检测报警器.docx
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车间智能温度上下限可调数字检测报警器
车间智能温度上下限可调数字检测报警器
[摘要]：
本设计系统地介绍了基于AT89C51的智能温度预警系统的组成、设计方案、电路原理、程序设计以及系统仿真过程。
DS18B20多点温度测量系统是以AT89C51单片机作为控制核心，数字温度传感DS18B20为控制对象，运用C语言编程实现系统的各种功能。
该系统由单片机最小系统、传感器电路、报警电路、LCD显示电路、行列式键盘电路、电源电路六大部分组成。
借助PROTEUS软件，实现了系统电路设计和仿真。
它适用于电力工业、煤矿、森林、火灾、高层建筑等场所，还可以用于环境恶劣的工业控制现场。
通过DS18B20的单总线技术，系统实现了对远程环境的温度测量与监控。
[关键词]：
DS18B20;仿真；测量系统；PROTEUS;单片机
Abstract
Thedesignsystematicallyintroducedthecomposition,thedesign,thecircuittheory,theprogramdesignandthesystemsimulationprocessofthemultipointtemperaturemeasurementsystemwhichbasedontheAT89C51.TheAT89C51intelligencetemperaturemeasurementsystem,theAT89C51MCUasitscontrolcore，digitaltemperaturesensingDS18B20asitscontroltarget,usetheC-languageprogrammingsystemtorealizethefunctions.Thesystemcomposedofsixmajorcomponents，whicharethesmallestMCUsystem,thesensorcircuit，thealarmcircuits,theLCDdisplaycircuit，thekeyboard，thepowercircuit.ThesystemrealizesthecircuitdesignandsimulationwithPROTEUSsoftware.Itappliestothepowerindustry,coal，forest，fire,high-risebuildingsandotherplaces,itcanalsoappliestoindustrialcontrolfieldwiththebadenvironment.ThroughthemonobustechnologyoftheDS18B20,thesystemachievesthemeasurementandmonitoringofthelong-rangeenvironmentaltemperature.
Keywords:
DS18B20；simulation；measurementsystem；PROTEUS；MCU
目录
第一章绪论……………………………………………………………..1
1.1本课题的研究的背景以及现实意义……………………………1
1.2本课题对于专业知识的综合应用情况…………………………1
1.3课题论述总体结构安排…………………………………………2
第二章车间温度上下限可调及温度报警器的工作概述以及原理分析3
2.1车间温度上下限及温度报警器的工作概述……………………3
2.2车间温度上下限及温度报警器的产品功能与特点……………3
2.3系统硬件电路总体结构框图……………………………………3
2.4车间温度上下限可调及温度报警器总体电路原理图…………3
2.5主要器件介绍……………………………………………………4
2.6产品各单元电路原理介绍………………………………………7
第三章应用Protel实现电路原理图的绘制及PCB设计……………11
3.1设计软件Protel简介………………………………………11
3.2应用Protel绘制车间温度上下限可调及温度报警器……11
3.3PCB人工布局、人工布线设计…………………………………11
3.4车间温度上下限可调及温度报警器的制作…………………14
第四章车间温度上下限可调及温度报警器程序的编写与实现……15
4.1软件编程实现…………………………………………………15
4.2车间温度上下限可调报警器的实现………………16
第五章车间温度上下限可调及温度报警器安装与调试……………20
5.1车间温度上下限可调及温度报警器焊接的注意事项………20
5.2车间温度上下限可调及温度报警器的实物调试……………21
第六章设计总结……………………………………………………25
6.1设计功能分析…………………………………………………25
6.2心得体会………………………………………………………25
致谢…………………………………………………………………26
参考文献……………………………………………………………27
第一章绪论
1.1本课题的研究的背景以及现实意义
温度是国际单位制七个基本量之一，与人类的生活环境息息相关。
它是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，同时也是一种最基本的环境参数。
在实验研究和工业生产中，在机械、电力、化工、生物、冶金、农业、实验等行业和人们的家居生活里经常需要对环境温度进行检测和控制。
例如，汽车发动机气缸的温度必须保持在一定的范围内；在合适温度微生物的新陈代谢才能正常进行。
许多化学反应在不同的温度下会生成不同的反应物；温度过高，粮仓的粮食就会霉烂变质，电子设备的工作效率会降，低使用寿命会缩短，饭菜会变馊。
由此可见，研究温度测量工具有着极其重要的实用价值。
随着现代嵌入式技术和传感器技术的发展，作为各种信息的采集、处理、传输的功能器件，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。
本课题结合现在嵌入式技术和传感技术设计的智能温度预警系统就是满足生产生活中人们对温度测量的需求。
1.2本课题对于专业知识的综合应用情况
在学院三年的单片机学习过程中，我们学习单片机都是采用学院设计的单片机开发板以及C语言进行学习，学院的51单片机开发板在单片机最小系统的基础上配置了数码管显示、LCD显示区、独立键盘输入区以及模拟量输入、A/D转换等资源，满足了单片机实际开发的绝大部分要求。
开发板上常见的电路模块可以为车间温度上下限可调及温度报警器设计提供较好的电路基础，本课题的选题难度适中，能够对应用电子技术专业学习的专业课程有较为全面的应用与掌握，能够应用所学习的专业进行实际工业产品的开发，同时也与自己的专业能力符合，与就业的岗位能力符合。
随着科学技术的高速发展，科技的进步带动了传感技术的发展，自动控制设备的性能和性价比发生了巨大的变化，新世纪是嵌入式技术迅猛发展的时代，传感技术也成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于生产和生活中。
基于AT89C51的智能温度预警系统的设计，其目的在于：
1、掌握数字温度传感器AT89C51单片机的工作原理、和使用方法，利用C语言编写单片机程序。
2、掌握数字温度传感器DS18B20的工作原理、和使用方法，利用C51对系统进行编程。
3、本课题综合了现代嵌入式技术和传感器技术专业领域方面的知识，可全面提高学生的理论水平和动手能力。
1.3课题论述总体结构安排
第一章叙述了温度上下限及温度报警的背景以及现实意义；
现代生活中，温度测量跟报警的重要性，在有些方向上，温度起着非常重要的决定因素，直接决定了产品的成与败。
第二章则主要介绍设计工作总体概述以及产品工作的原理；
按照功能电路的分别进行详细的分析讨论，最终分析电路的总体工作原理。
让大家更加清晰的了解这款温度报警器的工作原理，对这款温度报警器的了解更加深刻。
第三章主要讨论应用protel软件来实现电路原理图的绘制以及印制板设计；
设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统。
是新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块主要包括电路原理图设计、印制电路板设计、可编程逻辑设计等。
它采用数据库的管理方式，是一款非常好用而且实用的电路设计软件。
第四章是温度上下限及温度报警的软件实现部分，主要是利用C语言进行程序的编写，完成产品运行功能。
它可以作为工作系统设计语言，编写系统程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。
它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言。
第五章为温度上下限及温度报警安装与调试。
主要分析了调试的一般方案以及要求，重点阐述了电路板的电源、ADC电路的调试。
第六章为总结和展望，总结本课题设计的总体思路，产品的功能以及对于产品功能升级等进行情景展望。
第二章车间温度上下限及温度报警安装与调试的工作概述以及原理分析
2.1车间温度上下限及温度报警的工作概述
该方案由温度传感器、运算放大器、、AD转换器、51单片机、键盘、液晶显示屏、集成功率放大器、报警器组成传感器将测量的温度变换转换成变化的电流，再通过模拟电路将电流的变化转换成电压的变化，使用运算放大器将信号进行适当的放大，最后通过AD转换器将模拟信号转换成数字信号，传送给AT89C51。
AT89C51将温度值进行处理之后用液晶显示屏显示，有报警信号时，信号通过集成功放放大，传给报警器。
根据温度值控制1602LCD、红色发光二极管。
绿色发光二极管蜂鸣器工作。
2.2车间温度上下限及温度报警产品功能与特点
1.方面快捷，能有效的随时显示温度值。
2.可以调节温度的上下限值，运用于不同的行业。
3.整机工作稳定、性能可靠，适应性强。
总体设计框图：
温度计电路设计总体设计方框图如图所示。
制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用4位共阴LED数码管以并口方式传递数据实现温度显示。
图2-1总体设计方框图
2.3系统硬件电路总体结构框图
图2-2电路总体结构框图
2.4车间温度上下限及温度报警总体电路原理图
图2-3电路原理图
2.5主要器件介绍
2.5.1、电阻
在物理学中，用电阻（Resistance）来表示导体对电流阻碍作用的大小。
导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。
不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。
电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。
电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。
电阻是所有电子电路中使用最多的元件。
在本设计中电阻作为限流元件使用对于电路的正常工作具有重要的意义。
2.5.2、液晶数字显示LCD1602
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用。
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
图2-4液晶显示1602
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
首先显示质量高，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁；其实是数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便；再者体积小、重量轻，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多；功耗比较低，相对而言，液晶显示器的功耗主
要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
2.5.3、AT89C51
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图所示
图2-5AT89C51
管脚说明：
VCC:
供电电压；
GND：
接地；
RST：
复位输入；
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；
XTAL2：
来自反向振荡器的输出；
2.5.3、DS18B20
DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢。
图2-6DS18B20数字温度传感器
封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。
主要根据应用场合的不同而改变其外观。
封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。
耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
2.6产品各单元电路原理介绍
基于AT89C51的智能温度预警系统以AT89C51为控制芯片，以Keil软件为系统开发平台，用C51进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件。
系统主要由传感器电路
、单片机最小系统、键盘电路、液晶显示电路、报警电路、电源电路组成，系统原理图如图所示。
图2-7系统原理图
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。
DS18B20的管脚排列如图2-8所示。
图2-8DS18B20管脚图
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法,如图2-9所示:
把DS18B20的数据线与单片机的13管脚连接,再加上上拉电阻。
图2-9DS18B20与单片机的管脚连接
第三章应用Protel实现电路原理图的绘制及PCB设计
3.1设计软件Protel简介
使用电脑设计电路原理图和电路板图是把电子技术从理论运用到实际的第一步。
只有会设计电路原理图和电路板图才能进行电子产品的研发与开发。
本软件就是从理论走向实际，掌握电子产品开发的基本技术。
Protel99SE是澳大利亚ProtelTechnology公司推出的一个全32位的电路板设计软件。
该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件设计者可以容易设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真，是夜内人士首选的电路板设计工具。
3.2应用Protel绘制车间温度上下限及温度报警电路原理图
应用Protel软件绘制电路原理图一般要遵循模块化的设计思路，在电路中将按照不同模块进行绘制，电路要遵循信号的流向，电路图中的走线要满足结构化的设计要求，电路原理图的绘制一般要经过初始环境的设置、元器件的放置、元器件之间的连线、电路正确性的检查以及封装的定义等步骤，绘制完成的单片机开发系统部分的原理图如图3-1所示
图3-1温度上下限及温度报警电路原理图
3.3PCB人工布局、人工布线设计
人工布局就是将所有的元件一个一个放置到PCB上各个位置。
操作较为繁琐，但是能够结合工艺的要求以及设计中实际要求进行，人工布局的效果一般来说效果要比自动布局好很多。
在设计中，工程师基本都是采用自动布局的方案进行。
这也要求作为电路板设计人员要具有丰富的经验以及长时间坚持的毅力。
元件的布局与走线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容都有很大的影响，是应该特别注意的地方。
一般来说应该有以下一些原则：
在放置顺序上应该先放置与结构有关的固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件之类，这些器件放置好后用软件的LOCK功能将其锁定，使之以后不会被误移动。
再放置线路上的特殊元件和大的元器件，如发热元件、变压器、IC等。
最后放置小器件。
元件布局还要特别注意散热问题电路板板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；
作为电路的输人及输出用的印制导线应尽量避兔相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间最好加接地线。
走线拐角尽可能大于90度，杜绝90度以下的拐角，也尽量少用90度拐角同是地址线或者数据线，走线长度差异不要太大，否则短线部分要人为走弯线作补偿。
走线尽量走在焊接面，特别是通孔工艺的PCB，尽量少用过孔、跳线，单面板焊盘必须要大，焊盘相连的线一定要粗，能放泪滴就放泪滴，一般的单面板厂家质量不会很好，否则对焊接和RE-WORK都会有问题，大面积敷铜要用网格状的，以防止波焊时板子产生气泡和因为热应力作用而弯曲，但在特殊场合下要考虑GND的流向，大小，不能简单的用铜箔填充了事，而是需要去走线，元器件和走线不能太靠边放，一般的单面板多为纸质板，受力后容易断裂，如果在边缘连线或放元器件就会受到影响；必须考虑生产、调试、维修的方便性；
模拟电路来说处理地的问题是很重要的，地上产生的噪声往往不便预料，可是一旦产生将会带来极大的麻烦，应该未雨绸缎。
对于功放电路，极微小的地噪声都会因为后级的放大对音质产生明显的影响；在高精度A/D转换电路中，如果地线上有高频分量存在将会产生一定的温漂，影响放大器的工作。
这时可以在板子的4角加退藕电容，一脚和板子上的地连，一脚连到安装孔上去（通过螺钉和机壳连），这样可将此分量虑去，放大器及AD也就稳定了。
另外，电磁兼容问题在目前人们对环保产品倍加关注的情况下显得更加重要了。
晶振是常见的一种高频信号源，在功率谱上晶振的各次谐波能量值会明显高出平均值。
可行的做法是控制信号的幅度，晶振外壳接地，对干扰信号进行屏蔽，采用特殊的滤波电路及器件等。
图3-2PCB电路板
3.4车间温度上下限及温度报警控制板的制作
印制板是产品功能实现的载体，在产品的设计过程中具有重要的意义。
常用产品的印制板一般设计为单面板与双面板。
单面电子线路板和双面电子线路板制造工艺流程基本相同，不过双面电子线路板为了实现双面电子线路板的电气连接，其工艺流程相对单面电子线路板而言多了道工序镀通孔，它的作用就是把铜沉积在贯通两面导线或焊盘的孔壁上，使原来非金属的孔壁金属化。
PCB工艺制作流程：
开料---钻孔---图形制作---图形电镀蚀刻---阻焊---文字---表面处理---成型---测试---检验。
第四章车间温度上下限及温度报警的程序的编写与实现
4.1软件编程实现
主程序是系统的监控程序，在程序运行的过程中必须先经过初始化，包括键盘程序，中断程序，以及各个控制端口的初始化工作。
。
系统在初始化完成后就进入温度测量程序，实时的测量当前的温度并通过显示电路在LCD上显示。
程序中以中断的方式来重新设定温度的上下限
if（wen_du>shang）//超过温度上限
{
TR0=1;
h_led=0;
yj1602_init（）;
while（wen_du>shang）
{
deal_with（）;
display（）;
keyscan（）;
}
yj1602_init（）;
TR0=0;
h_led=1;
beep=1;
}
if（wen_du{
TR0=1;
l_led=0;
yj1602_init（）;
while（wen_du{
deal_with（）;
display（）;
keyscan（）;
}
yj1602_init（）;
TR0=0;
l_led=1;
beep=1;
}
}
voidmain（）
{
yj1602_init（）;
TMOD=0x01;
TH0=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-50000）%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=0;
shang=310;
xia=240;
while
（1）
{
deal_with（）;
display（）;
keyscan（）;
baojing（）;
}
}
voidT0_time（）interrupt1
{
TH0=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-50000）%256;
num++;
if（num==10）
{
num=0;
beep=~beep;
}
}
51单片的中断系统有中断请求源，用户可以用关中断指令“CLREA”来屏蔽所有的中断请求，也可以用开中断指令“SETEA”来允许CPU接收中断请求。
在本设计中我们选用INTO来作为中断请求源。
4.2报警器的实现
通上电以后，液晶第一行会显示当下的环境温度，第二行TH为上限温度，TL为下限温度，按下K1第一次可以设置温度的上限，K2加（+）按一下上升5度，K3减（-）按一下下降1度，按下K1第二次可以设置温度的下限限，K2加（+）按一下上升5度，K3减（-）按一下下降1度，按下K1第三次，恢复正常显示，此时方可正常采集温度信号，并报警。
测试可将上限温度（下限温度）调整的低于（高于）环境温度，就会报警并指示。
高温可以设置0~100度，低温可以设置0~80度，超出此范围蜂鸣器报警。
第五章车间温度上下限及温度报警器的安装与调试
5.1温度上下限及温度报警器的焊接的注意事项
5.1.1手工焊接的基本概述
手工焊接是一种比较传统的焊接方法.手工焊接的质量直接影响到维修效果,而且它是一项实践性很强的技能,初学手工焊接人员一定要多练.多实践,才能达到较好的焊接效果,即有好的焊接质量。
5.1.2焊接材料的物理特性
（1）溶解温度:
有铅焊锡的溶解温度一般在183℃左右。
（2）导电性:
焊锡连接的导电性描述了它们电气信号的传输性能,主要是电子流产生的.我们知道电阻与导电性能成反比,所以焊锡的导电性随着温度的上升,电子的移动性减弱,导电性变差。
（3）导热性:
焊锡的导热性通常同导电性直接相关,因为电子的导电就导热.因此焊锡的导热性能也随着温度的上升而减弱。
（4）温度膨胀系数:
它发生在SMT连接材料特性的温度膨胀系数通常较大
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