基于单片机实现的温度报警系统的设计与实现毕业论文.docx

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基于单片机实现的温度报警系统的设计与实现毕业论文

1绪论

1．1温度传感器的发展现状

现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输和信息处理。

传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。

近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：

（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；

（2）模拟集成温度传感器；（3）智能温度传感器。

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。

下面简单介绍一下模拟集成温度传感器和智能温度传感器。

模拟传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此也称为硅传感器或单片集成温度传感器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、刻完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测量误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微处理器；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

进入21实际后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

1．2本课题的现实意义及我的工作

随着社会的发展特别是工业的发展，人民生活的改善，安全问题变得更加重要。

目前，在许多情况下，都需要对环境的温度进行限定，其中包括人的生活工作环境、仪器设备的工作环境以及动植物的生长环境等。

如果环境温度超过限定值，必将对所处环境的人或设备造成影响，甚至给个人和社会造成巨大的损失和社会影响。

因此，在某些特定环境内使用温度报警器来对温度进行实时监控并做到超温报警，而使用单片微型计算机实时控制的温度报警系统则是其中的一种重要方式。

我主要是了解了单片微型计算机实时控制的温度报警系统的历史与现状，根据现实生活的需求以及已经掌握的理论知识，制定出单片微型计算机实时控制的温度报警系统硬件、软件的设计方案，把温度传感器这个单独的器件，配以一些其他电路，让它实现探测温度，显示温度，并且超温报警，并进行调试验证方案的可行性，最终完成设计。

2温度报警系统的功能和设计方案

2．1温度报警系统的功能与设计要求

（1）能即时从温度传感器获取精度较高的温度数值，并将数值传送至单片微型计算机（以下简称单片机）进行数值显示处理。

（2）将进行数值显示处理过的温度数据在液晶显示屏上即时显示。

对温度报警系统而言，显示现在温度是最基本的功能。

（3）能从键盘上输入需要设定的上限、下限温度。

（4）程序自动对输入的上限、下限温度进行判断。

当输入的下限温度高于上限温度时，给出错误提示。

并要求系统复位，重新输入需要设定的上下限温度。

（5）将从温度传感器上获得的温度与用户设定的上限、下限温度进行比较。

当从温度传感器上获得的温度处于用户设定的上下限温度的范围内时，不触发报警器报警；当从温度传感器上获得的温度高于用户设定的上限温度或者低于下限温度时，触发报警器报警。

（6）在温度报警系统工作过程中，随时可以对需要设定的上限、下限温度进行修改。

（7）当报警器被触发报警之后，可进行用户手动停止报警。

如果不手动停止报警，当温度回落至用户设定的上下限温度范围内时，能自动停止报警。

无需复位系统，重置上下限温度。

2．2设计方案

2．2．1微处理器

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）推出的一种16位超低功耗的混合信号处理器。

它的主要特点有：

（1）超低功耗

MSP430系列单片机的电源电压采用1.8V～3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA，活动模式耗电250μA/MIPS（MIPS：

每秒百万条指令数），I/O输入端口的漏电流最大仅50nA。

（2）强大的处理能力

MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的精简指令集结构，一个时钟周期可以执行一条指令。

（3）系统工作稳定

上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的启祯及稳定时间。

如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。

（4）方便高效的开发环境

目前MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型3种类型的器件，国内大量使用的是FLASH型。

对于FLASH型有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发（编译、调试）都可以在同一个软件集成环境中进行。

这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要专用仿真器和编程器。

而对于具体的型号，例如MSP430F147，相对于C51系列单片机而言，它具有以下突出特点：

（1）超低功耗。

MSP430系列单片机堪称世界上功耗最低的单片机

（2）体积小。

MSP430F147单片机采用LQFP封装，即薄型QFP（小型方块平面封装），尺寸仅为拇指指甲般大小。

（3）指令集相对简单。

51单片机的指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，共具有111指令。

而MSP430单片机采用了精简指令集（RISC）结构，只有简洁的27条指令，还有24条无需ROM补偿的仿真指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。

这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。

（4）仿真工具简单便宜。

基于以上几点，故决定采用MSP430F147作为本设计的处理器。

2．2．2温度传感器

在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。

另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。

因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案。

而在数字温度传感器中，美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820颇具特色。

它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

DS18B20有两种电源供电方式：

寄生电源供电方式和外部电源供电方式。

寄生电源方式：

如图

（1）所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：

在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。

要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。

    因此，图

（1）电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。

并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。

外部电源供电方式：

如图

（2），在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。

外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。

虽然比寄生电源方式多接一根VCC引线，但在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。

2．2．3显示电路

显示电路一般采用液晶显示或数码管显示。

虽然数码管具有亮度高、响应速度快、价格便宜等特点，但段式数码管由于内部结构，只能显示7段，而对于显示汉字，显然是无能为力的。

因此对需要显示汉字提示显示电路，采用液晶屏显示是最佳选择。

本设计考虑采用内部控制驱动器为ST7920A芯片的JCM12232F显示屏。

ST7920A点阵LCD控制/驱动芯片，可以显示字母，数字符号，中文字型及自定图形显示。

它提供两种控制接口，分别是8位并行接口及串行接口。

 ST7920A的字型ROM包括8192个16X16点的中文字形及128个16X8点半宽的字母符号字形。

而且ST7920A具有低电压供电（2.7Vto5.5V），JCM12232F的工作电压为3V，很适合用MSP430F147来作处理。

2．2．4键盘电路

考虑到本设计的重点在于温度的探测和对温度的自动判别，而需要设定的上下限温度范围的频率不是很高，为精简系统和节省成本，故采用中断方式的双按键作为键盘电路。

2．2．5报警电路

当温度传感器探测到的温度超出用户设定的温度范围时，需要报警。

报警电路采用蜂鸣器为主体的电路。

3温度报警系统的硬件设计

3．1温度报警系统的硬件框图

温度报警系统的硬件框图如图（3）所示。

温度报警系统主要由单片机主电路、温度传感电路、液晶显示电路、键盘电路、报警电路、电源电路六部分电路组成。

3．2温度报警系统的电路设计

温度报警系统的电路设计具体地说有：

单片机系统时钟电路的设计、单片机系统复位电路的设计、温度传感电路的设计、液晶显示电路的设计、键盘电路的设计、报警电路的设计、电源电路的设计。

3．2．1单片机系统时钟电路的设计

MSP430F147基础时钟模块有3个时钟输入源：

分别是LFXTICLK——低频时钟源（32.768KHZ）；XT2CLK——高频时钟源（8MHZ）；DCOCLK——数字控制RC振荡器。

低频时钟源和高频时钟源的接法分别如图（4）的Y1和Y2。

DCO振荡器是一个可数字控制的RC振荡器，它的频率随供电电压、环境温度变化而具有一定的不稳定性。

频率和工作电压的关系如图（5）所示。

上电复位后，DCOCLK被默认使用，DCOR被复位，DCO位被设置到标称初始频率。

而且无论LFXT1或XT2CLK产生MCLK（系统主时钟）失败，DCO将被自动选择以确保系统可靠工作。

虽然DCO的频率具有一定的不确定性，但用户可以通过设置DCOCTL（DCO控制寄存器）来获得想要的频率。

因此选择DCO作为本设计的振荡器，因为是内部振荡器，故不需要外接电路。

3．2．2单片机系统复位电路的设计

（1）专用μP监控电路

专用μP监控电路又称为电源监视电路，具有上电时产生可靠复位信号和电源电压跌到“门槛值”时产生复位信号等功能。

采用专用μP监控电路作为单片机系统复位电路，虽然可以产生可靠复位信号，但电路复杂，成本高，所以并不适用。

（2）RC复位电路

本设计采用的是RC复位方式，电路如上页图（4）所示。

该复位电路实现简单，成本低，上电且开关复位。

RC复位电路的实质是一阶充放电电路。

现结合图（4）来说明这种复位电路的特点。

系统上电时该电路提供有效的复位信号（低电平）直到电容C1充电完毕，“+”极为高电平，撤销复位信号。

该复位电路为上电且开关可控复位电路。

上电后，由于电容