基于单片机的温度监控系统方案设计书.docx
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基于单片机的温度监控系统方案设计书
1.1课题背景
本课题要求实现温室温度的自动检测和控制，能够显示温室温度，当温度超出正常范围时系统发出报警信号。
温度是工业生产过程中最普遍、最重要的检测参数之一。
任何物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关。
温度检测和控制都直接与安全生产、节约能源等技术经济指标相联系。
温度测量在工业、民用、军事等领域占有重要的地位。
航空、汽车、家电、科研等领域都需要温度测试设备，用于测试和确定电工、电子及其他产品及材料进行高温、低温、交变温度或恒定实验的温度环境的变化，判断当检测目标的温度值达到警示条件时发出警告信号。
一般系统运行时，温度不可过高，温度检测系统可以设定一个报警值，对于温度超过该温度值时进行声光报警，提示管理人员尽快断电对设备进行检修，这样就可以防止温度过高对电机、部件所造成的损坏，避免造成更大的损失[2-3]。
传统的温度检测系统采用热电阻、热敏电阻、热电偶等传感器作为感测器件，采用差动放大器进行放大，用单片机进行数据处理，最终显示出温度值。
本设计的核心部件用精密温度传感器，专门负责现场温度的测量、变换和数字量化，选用单片机作为微控制器进行温度采集，然后将采集到的温度值的数据利用微控制器将当前温度显示出来。
通过RS-485总线将当前采集到的温度值发送到PC机，在控制室的观察人员能够及时准确的监视当前温度情况。
1.2课题现状
温度检测具有广泛的应用性，在工业、民用、军事等领域都有着极其重要的应用。
1.2.1CPU温度检测
现在的电脑主板具有老式主板所没有的CPU温度检测报警功能。
CPU温度过高会导致系统工作不稳定或者死机，甚至损坏CPU等，所以对CPU的温度检测是很重要的。
它会在CPU温度超出安全范围时发出警告检测。
温度的探头有两种：
一种集成在处理器之中，依靠BIOS的支持；另一种是外置的，在主板上面可以见到，通常是一颗热敏电阻。
它们都是通过温度的改变来改变自身的电阻值，让温度检测电路探测到电阻的改变，从而改变温度数值。
1.2.2TH-IR101F红外测温仪
设备由红外传感器和显示报警系统两部分组成，它们之间通过专用的五芯电缆连接。
安装时将红外传感器用支架固定在通道旁边或大门旁边等地方，使得被测人与红外传感器之间的距离相距35cm。
在其旁边摆放一张桌子，放置显示报警系统。
只要被测人在指定位置站立1秒钟以上，红外快速检测仪就可准确测量出旅客体温。
一旦受测者体温超过38℃，测温仪的红灯就会闪亮，同时发出蜂鸣声提醒检查人员。
红外温度快速检测仪为在人流量较大的公共场所降低非典的扩散和传播提供快速、非接触测量手段，可广泛用于机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所，对体温超过38℃的人员进行有效筛选。
1.2.3TH-IR201S计算机红外测温系统
用户能够利用红外传感器、USB变换器和附带的红外温度测量软件，非常方便、快速地组成红外测温系统，或将红外体温快速检系统集成在保安监控系统中。
1.2.4矿用隔爆型电气设备外壳电子最高表面温度的检查
GB3836.1-2000《爆炸性气体环境用电气设备第1部分：
通用要求》中规定，Ⅰ类（煤矿用）电气设备采取措施能防止煤粉堆积时，最高表面温度不得超过450℃，有煤粉沉积时最高表面温度不得超过150℃。
在实际检查中，若感觉电气设备外壳表面温度过高，难以用手触摸或烫手，可要求进行实际温度测量，以保证电气设备安全运行。
1.3课题意义
随着农业和工业的发展，温室在生产和生活中起着越来越重要的作用，然而传统的温室仅凭人工操作，从而造成故障发现不及时，温度控制不精确，并且浪费了大量的人力和物力，通过本课题的研究，可以实现温室温度的测量，控制，报警全自动化，通过对系统的温度进行实时监测，可以及时发现故障苗头，使问题刚刚出现就得到及时解决，对事故的发生和扩大将起到有效地预防作用[4]。
因此，该课题的开发有着重要意义。
2系统总体方案设计与工作原理
2.1系统的结构
系统主要有计算机、通信接口、智能控制器、MAX6576/6577温度传感器等组成。
每个智能控制器采用单片机设计，可与系统计算机组成计算机网络监测系统。
计算机通过通信接口控制所有智能控制器，通信接口完成通信信号的转换、驱动、放大，保整机算机和单片机数据通信正确。
计算机、通信接口、等放在专用操作室或其他办公室，通信接口与所有智能控制器采用一根四芯（两芯电源线，两芯通信线）电缆连接，安装方便。
智能控制器通过通信接口与计算机构成计算机监测系统，在计算机上事先设定好温度报警值，并通过存储器存储起来。
在系统运行时，16路循环检测，温度正常绿灯亮，温度超限红灯亮，并蜂鸣报警。
16路测点相互独立。
这样就可以在计算机上直观的看出当前温室温度是否正常，达到温度实时监控的目的，能够实现对系统的温度检测。
系统结构图如下：
计算机
通信接口
智能控制器
温度传感器
测点1-16
图1系统结构图
Fig.1Thestructurechartofthesystem
该系统具有很多优点，具有功能强，控制使用方便，维护工作少，显示直观，可独立、异步（不同时）工作，主要技术特点如下：
⏹16路测点均与智能控制器相连接，经过一系列的转化与处理，实时显示本温度传感器所受温度。
⏹智能控制器还具有声光报警功能，当现场温度超出设定的温度报警值时，控制器发出声光报警信号，表示该测点温度超标严重或有异常。
提示监控人员及时采取措施，避免更大的经济损失的产生。
⏹每只温度传感器可独立工作，即我们可以使用16路传感器的任何一路进行使用，而不像其他报警仪那样必须等到所有被测点准备就绪后再通过按键开始同时检测，造成第一个与最后一个存在较长时间差。
⏹控制器还能自动根据现场温度大小采用不同的报警常数，在低温时候和高温时候采用不同的报警设定值可以提高设备应用的灵活性，报警值的写入通过拨码开关，存储到93C46中存起来，扩大系统的应用范围。
2.2课题研究内容
本课题需要解决二个方面的关键问题：
一是被测温度信号的采集、处理和显示，二是实现温度信号的远程监控。
2.2.1被测信号的采集、处理、显示
本课题所要开发的这套系统将主要对现场的温度信号进行采集，我们主要是要选择一种适当的温度传感器准确的采集这些信号使之进入微处理器进行处理，并在其进入微处理器之前进行信号的调理，一般要经过信号的放大和模数转化环节。
然后进入微处理器中，通过一系列的公式转化，得出当前所得的温度值，并用7279驱动数码管显示出来。
当信号进入微处理器之后，要在软件上进行处理。
首先，为了保证掉电后数据不丢失，采集电路中应设有掉电不丢失数据存储器EEPROM，本设计采用的是存储芯片93C46，将读取的数据写入其中，并将预先设定好的温度报警值也存入其中。
其次，微处理器的外围电路中应含有显示电路，将采集的数据就地显示出来。
此外，还需配备多机之间的通信驱动电路，使得可以实现远程温度信号的显示。
2.2.2数据通信
本系统为了实现温度信号的远程监控，这就要涉及多个单机之间的通信，集中的问题在于通信方式的选择。
目前数据通信的方式多种多样，根据其各自的特点，适应的场合各有不同。
如何在满足要求的基础上，选择一种可靠、方便且成本较低的通信方式是要解决的关键问题。
设计中采用485芯片将TTL电平转换成485电平，这样监控人员就可以在监控室里通过计算机实时监测设备当前运行的正常情况，实现远距离通信，完成远程显示和控制。
该系统采用KJJ12型通信接口，主要技术参数如下：
工作电压：
ACC220±10%
本质安全电路最高开路电压：
22v
本质安全电路最大短路电流：
小于100mA
2.2.3智能控制器的结构
单片机技术的发展使数据采集和处理变得越来越容易，利用单片机技术可以方便的进行数据采集，单片机强大的计算能力对数据的计算、处理也有着不可比拟的优越性，并能够对测量结果进行显示、保存和传输，有些情况下还可以参与控制。
本系统采用ATMEL公司生产的51系列低功耗、高性能8位单片机AT89C52作为总控制单元，单片机AT89C52为低价位的单片机[5-10]。
单片机的原理框图如下图所示：
通信电路
单
片
机
自动复位电路
测频模块
信号指示电路
电源电路
拨码开关
报警电路
存储电路
显示电路
2.3系统的工作原理
工作原理是：
系统工作时，通过温度传感器MAX6577将外界温度信号采集出来，经过一系列的转化变成频率信号，将该信号输入到单片机中，检测仪测到它的信号，通过温度传感器的计算公式，计算出它的频率。
通过数码管现场显示测点号码和相应的测点温度，并事先设定一个温度报警值，由拨码开关存储到计算机中，如若超过该设定的温度安全值便报警。
该系统还可以通过计算机实现远程显示和控制。
可实现的功能不仅包括对温度信号的实时采集，还包括对信号数据的存储以及超温报警等。
该系统具有设置功能，可以预先设置报警的温度值，放入93C46里存储起来；测试功能，当系统一旦发现温度超标时即刻报警；显示功能：
对于该系统的16路温度信号可以通过7279从数码管里将温度值显示出来；通信电路可以实现远距离监控，方便使用。
在系统运行时，测量所得的温度值与预定的报警值进行比较，是否发出报警信号。
报警仪是可以脱机运行的。
将报警仪通过一个通讯接口与计算机相连可以实现更多的功能，而且连机方式报警仪工作的主要方式。
我们可以通过计算机巡测数据，在上位机现场同时将测点的温度显示出来，在巡测的同时，计算机会将所有数据存放在数据库中，以供随时调用和检索；当需要传感器的初频时，可以向检测仪发出调零指令，进行调零；还可以向报警仪写入新的报警常数。
2.4元件选型
2.4.1传感器的简介
2.4.1.1传感器的定义[11-15]
传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
国际电工委员会（IEC:
InternationalElectroTechnicalCommittee）的定义为：
“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。
按照Gopel等的说法是：
“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的系统”。
传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。
传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。
有两类：
有源的和无源的。
有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。
无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能，传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。
其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态（即过程）的。
对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。
对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。
按照其工作原理，它将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。
2.4.1.2传感器原理结构
在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：
（1）能源环形变压器的次级线圈，
（2）信号环形变压器初级线圈，（3）轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。
在传感器的外壳上固定着：
（1）激磁电路，
（2）能源环形变压器的初级线圈（输入），（3）信号环形变压器次级线圈（输出），（4）信号处理电路。
2.4.1.3传感器的分类
传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。
按被测物理量划分的传感器，常见的有：
温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。
2.4.1.4传感器的选型原则
智能采集器所用传感器主要是电压传感器、电流传感器、温度传感器。
传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。
因此，传感器对系统的功能起决定性作用，设计中选择合适的传感器显得非常重要。
各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽各不相同，但对它们的主要性能要求都是一致的。
这些要求是：
高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；工作可靠；抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单、使用维护方便、功耗低等。
传感器的性能指标包括很多方面，企图使某一传感器的各项指标都优良，在实用上没有必要。
因此应根据实际要求与可能，保证主要性能指标，放宽对次要性能指标的要求，以提高性能价格比，恰如其分地选用能满足使用要求的产品。
2.4.2看门狗电路的选择
看门狗（WTD-watchtimedog）电路防止系统死机或是程序进入死循环，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护硬件电路。
一般看门狗电路用来监视MCU内部程序运行状态，在程序跑飞或死锁情况下，可以自动复位。
不过由于厂家、型号不同可能有些差别。
看门狗电路的工作原理是：
当系统工作正常时，CPU将每隔一定时间输出一个脉冲给看门狗，即“喂狗”，若程序运行出现问题或硬件出现故障时而无法按时“喂狗”时，看门狗电路将迫使系统自动复位而重新运行程序。
主要作用是防止程序跑飞或死锁。
看门狗电路其实是一个独立的定时器，有一个定时器控制寄存器，可以设定时间（开狗），到达时间后要置位（喂狗），如果没有的话，就认为是程序跑飞，就会发出RESET指令。
一个看门狗电路通常被描述成一块在有规律的时间间隔中进行更新的硬件，该更新必须由微控制器或是使微控制器重新启动的电路来完成。
看门狗电路分为外部和内部两种，一个外部的看门狗电路是最好的，因为它不依赖微控制器，如果微控制器发生故障需要看门狗更新，则该电路将给出reset信号使微控制器重新启动。
一个看门狗通常由一个硬件定时器构成，如果没有来看微控制器的更新或是报告信息，该定时器将会溢出，看门狗就给微控制器复位信号使之复位。
2.4.2.1由专用芯片构成的看门狗电路
MAX692
由专用芯片MAX692构成的看门狗电路如图3所示，系统所用外围元件少。
缺点是定时周期固定无法改变，成本高。
MAX692是微系统监控电路芯片，具有后备电池切换、掉电判别、看门狗监控等功能。
其中WDI是看门狗检测输入端，接到DSP的一个专用I／O口或一个总线口上。
是复位信号输出端，接DSP的复位端。
MAX692的WDI定时周期为1.6s，复位脉冲宽度是200ms。
如果WDI保持高或低超过"看门狗"定时周期（1.6s），端将发生200ms宽（最小140ms）的负脉冲使DSP复位。
MAX692构成的看门狗电路
MAX1232
MAX1232是MAXIM公司生产的微处理器监视器,不光提供了看门的功能，而且同时还能检测供电电源的变化，并提供了高电平、低电平上电复位方式，用户能够设置它的超时时间、设定电源电压被动允许范围。
用MAX1232芯片作为单片机系统以及其他电子设备的看门狗电路，不需要其他的电子元器件配合，可以直接和微控制器相连，使用简单方便，性能可靠，被大量应用在一些单片机系统上。
MAX1232在以下情况下发送复位信号：
电源电压下降到设置的复位电压处，即检测到了下降值超过所设置的5%或10%的允许波动电压（4.62v或4.37v）；PB/RST引脚电压被拉低；ST引脚没在设定的超时时间内收到喂狗信号；电源上电。
TOL是电源电压波动允许设置（接地为5%，接VCC为10%）。
2.4.3开关电路的选择
74HC151是8选1数据选择器，引脚S起选通作用。
加到D0～D7中的一个输入，依靠A、B、C3根二进制码选择，被正相输出到Y,返相输出到W。
当S=1时，Y=0,W=1,74HC151被禁止使用。
传感器的信号进入传感器激发电路经调整后进入74HC151的I0引脚。
模拟信号发生电路输出的信号进入74HC151的I1引脚。
74HC151的B、C接低，P1.0控制A。
当A=P1.0=1时，由Y输出的是I1的信号，也就是模拟信号发生器的信号；当A=P1.0=0时，由Y输出的是I0的信号，也就是传感器信号。
4051：
八选一模拟开关
图4.12CD4051管脚图
Fig.4.12ThepinconfigurationofCD4051
CD4051是八选一模拟开关，相当于一个单刀八掷开关，引脚功能如图4.12所示。
开关接通哪一通道，由3位地址码ABC来决定，当A＝0、B＝0、C＝0时，选通通道0；当A＝1、B＝0、C＝0时，选通通道1；当A＝0、B＝1、C＝0时，选通通道2；……按8421码排列，直到A＝1、B＝1、C＝1时，选通通道7。
“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不选通。
CD4067是十六选一模拟开关，相当于一个单刀十六掷开关，原理与CD4051相同，只不过地址码为4位，通过单片机的I/O口控制地址码ABCD来选通十六个通道。
4052：
双4选1模拟开关
4067：
16选1模拟开关
4512：
八路数据选择器
2.4.4微处理器（单片机）的选型
八位单片机由于内部构造简单，体积小，成本低廉，被广泛应用于各种控制系统中。
至今，在单片机应用中，仍占有相当的份额。
因此,本系统仍以八位单片机作为控制核心。
而八位单片机种类繁多，各有特色，其应用场合也随其特点有所不同。
在此，对几种流行八位单片机作一个简单的比较[22-26]。
（1）51系列单片机该类产品硬件结构合理，指令系统规范，生产历史“悠久”，已经成为市场上最为流行的单片机之一。
它优点之一是它无论从内部的硬件还是到软件都有一套完整的按位操作系统。
因而，这不仅可以进行位的逻辑运算，而且对于一个较复杂的程序，当在运行过程中遇到分支的时候，可以通过对标志位的置位、清零或检测操作，很容易地确定程序的运行方向。
此外，51系列单片机的具有乘法和除法指令，编程相当方便。
但是，该类单片机高电平输出无驱动能力，软件操作时过于依赖累加器A进行运算。
（2）PIC系列单片机该类单片机是当前市场份额增长最快的单片机之一。
其CPU采用RISC结构，属精简指令集。
采用Harvard双总线结构，运行速度快（指令周期约160～200ns），此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。
它的驱动能力为低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA，相对于51系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。
但是，在编程过程中，它需要反复地选择对应的存储体，数据的传送和逻辑运算基本上都得通过工作寄存器W来进行，因此，编程不是很方便。
（3）AVR系列单片机该类单片机显著的特点为高性能、高速度、低功耗。
它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。
但其通用寄存器仅有32个（R0～R31），前16个寄存器（R0～R15）都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。
而且当程序复杂时，通用寄存器应用起来就显得比较紧张[11-14]。
本系统中，对单片机的速度要求不是很高，而且显示器将选用液晶显示器，因此，输出电平也不需要很大的驱动能力。
从软件上讲，编程需要进行大量的数据运算，这对于编程复杂的PIC系列单片机和寄存器资源有限的AVR系列单片机也都不是很合适。
此外，考虑到个人的熟练掌握程度和单片机的价格，本系统选用了当今最流行的八位单片机51系列的典型产品AT89C52。
AT89C52是ATMEL公司生产的一种低功耗/低电压，高性能的8位单片机。
片内带有一个8KB的FLASH可编程可擦除只读存储器（EPROM）。
它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。
片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程，操作十分方便。
目前，又很多的单片机都与AT89C52的管脚和功能兼容，可以在许多场合进行替换。
选用AT89C2051作为主CPU芯片。
AT89C2051的最大的优点是体积小、低
成本，是当前性/价比较高的一种八位单片机，完全符合本课题的要求。
3系统的硬件设计
3.1测频电路
3.1.1温度传感器
传感器是连接被测对象和检测系统的接口，给系统提供处理和显示所必需的原始信息,直接决定了系统的功能和精确度。
温度的测量控制一般采用各式各样的温度传感器，常用的温度传感器及其测温范围（℃）为：
热电偶（-184～230），热电阻（-200～850），热敏电阻（-55～300），半导体（-55～150）。
根据温度传感器输出方式及接口方式的不同，大体可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器。
模拟温度传感器输出的模拟信号，必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。
数字温度传感器输出的数字信号，一般只需少量外部元器件就可直接送至微处理器进行处理。
随着计算机及半导体技术的飞速发展，温度传感器尤其是具有数字接口的半导体温度传感器得到了广泛的应用和快速的发展。
3.1.1.1DS18B20数字温度传感器
DS1820数字温度传感器，该传感器提供9位温度读数,指示器件的温度信息经过单线接口送入DS1820或从DS1820送出因此从中央处理器到DS1820仅需连接一条线和地读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。
DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，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。
该温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线（和地）。
DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。
因为每一个DS18B20有唯一的系列号（siliconserialnumber），因此多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。
此特性的应用范围包括环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。
具体来说，DS18B20具有如下特性：
（1）独特的单线接口，只需1个接口引脚即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。
（2）多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化。
（3）DS18B20在使用中不需要任何外围元件。
（4）可用数据线供电。
（本设计中单独提供+5V电源）。
（5）不需备份电源。
（6）与前一代产品DS1820相比，体积更小、适用电压更宽、更经济。
DS18B20支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
（7）测量范围从-55℃至+125℃，增量值为0.5℃。
等效的华氏温度范围是-67℉至257℉，增量值为0.9℉。
（8）测量结果以9位数字量方式串行传送。
（9）在1秒（典型值）内把温度变换为数字。
（10）用户可定义的，非易失性的温度告警设置。
（11）告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度告警情况）。
（12）应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统。
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
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