基于单片机的远程温度监控系统设计毕业设计.docx
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基于单片机的远程温度监控系统设计毕业设计
本科毕业设计（论文）
基于单片机的远程温度监控系统设计
2015年6月
本科毕业设计（论文）
基于单片机的远程温度监控系统设计
学院：
电气工程学院
专业：
11级测控技术与仪器
学生姓名：
学号：
指导教师：
答辩日期：
2015年6月26日
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
电气工程学院系级教学单位：
仪器科学与工程系
学
号
1101030
学生
姓名
专业
班级
精仪11-2
题
目
题目名称
基于单片机的远程温度监控系统设计
题目性质
1.理工类：
工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）。
2.文管类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）。
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（√）
主
要
内
容
1.掌握温度测量原理及控制方法
2.温度采集单元设计
3.温度控制单元设计
基
本
要
求
1.按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份（不少于2万字），A0图纸。
2.说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。
3．按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。
参
考
资
料
1.数据采集相关资料
2.控制理论相关知识
3.STM32相关知识
周次
1—4周
5—8周
9—12周
13—16周
17周
应
完
成
的
内
容
查阅资料，学习信号采集相关知识
系统总体设计
温度采集与控制单元设计
撰写论文
制作PPT,准备答辩
指导教师：
王娜
职称：
讲师2014年12月30日
系级教学单位审批：
年月日
摘要
温度是工、农业生产中常见的被控参数之一。
温度监控在工业生产中占据着非常重要的地位。
随着微电子技术和通信技术的发展，远程监测和远程控制得到了广泛的应用。
本设计采用STM8单片机作为控制单元，采用温度传感器DS18B20和无线收发模块CC1101对试验现场温度数据进行远程无线测量与控制。
整个系统包括两个系统，即主系统和从系统。
主系统完成对试验现场设定温度值、设定值显示、实际值显示、失控报警和接收数据功能。
从系统完成温度采集、温度控制和发送数据功能。
该系统结构简单实用、功能齐全，通用性强，可被应用于许多工业生产领域。
它可使操作人员与恶劣的工作环境分离开来，实现生产自动化，提高企业的生产效率。
关键词 STM8单片机；DS18B20温度传感器；CC1101
Abstract
Temperatureisoneofthecommonparametersintheproductionofindustryandagriculture.Temperaturemonitoringplaysaveryimportantroleinindustrialproduction.Withthedevelopmentofmicroelectronicstechnologyandcommunicationtechnology,remotemonitoringandremotecontrolhasbeenwidelyused.ThisdesignusesSTM8microcontrollerasthecontrolunit,theuseoftemperaturesensorDS18B20andwirelesstransceivermoduleCC1101totestthefieldtemperaturedataforremotewirelessmeasurementandcontrol.Thewholesystemconsistsoftwosystems,themainsystemandsubsystem.Themainsystemiscompletedtosetthetemperaturevalueofthetestsite,setthevalueofthedisplay,theactualvalueofthedisplay,thealarmandreceivedatafunction.Subsystemtocompletethetemperaturecollection,temperaturecontrolandsenddatafunction.Thesystemissimple,practical,completeandversatile,whichcanbeusedinmanyindustrialfields.Itcanseparatetheoperatingpersonnelfromthebadworkingenvironment,realizetheproductionautomationandimprovetheproductionefficiency.
Keywords STM8SCM;DS18B20temperaturesensor;CC1101
附录1实物图
附录2程序
第1章绪论
1.1引言
温度与我们的生活息息相关，它涉及到我们生活的各种领域。
随着时代的进步，科研、农业、工业、电力控制等部门都越来越依赖的对温度的监控。
温度传感器在和其他的仪器设备配合使用中，可以有效提高的产品质量，优化生产环境，改善生活环境，因此，必须采取有效的措施去监控温度变化。
但是现在温度监控方面存在诸多问题，比较突出的问题是采用人工定时采样温度的方法，极大的限制的效率的最优化。
人工采样效率低，成本高，也不能随时监控温度变化，因而，采用基于单片机的无线温度监控设计。
本文所设计的无线温度监控系统，采用CC1101无线收发模块作为数据传输单元，采用DS18B20型数字式温度传感器作为温度采集单元，并且具有显示、报警、温度控制等功能，较好的解决了存在的问题。
1.2研究背景和意义
温度是工、农业生产中重要的被控参数之一。
现实生活中无处不存在温度控制。
比如农业生产中的温室大棚、酒窖发酵、无土栽培；工业生产中的食品加工、化工制药等，无处不存在到对温度的监督控制，可见，温度控制在工业生产、农业发展中占据着非常重要的地位。
并且随着科技的不断发展，工农业的现代化，对温度控制的效率和精度的要求也越来越高。
近年来，温度监控领域正在发生着巨大变化，温度的监控在工农业生产中不再仅仅局限于近距离或者人工直接的监控，而是逐渐改进发展成为远距离的控制，这就产生了远程温度监控。
远程温度监控的通信方式多种多样，如通过有线网络、无线电等进行远程监控。
每一种通信方式都有其优点和缺点。
利用无线电通信，方便、灵活，而且经济。
它不需要像有线网络控制耗费巨大的通信资源，也不受网络速度的影响。
在温度控制的方法上，传统的控制方法（包括经典控制和现代控制）在处理具有非线形或不精确特性的被控对象时十分困难。
而温度系统为大滞后系统，较大的纯滞后可引起系统不稳定。
在温度采集方法上，通常是利用热电偶把热化为电信号，再通过A/D转换得到温度值。
这种方法速度慢，而且精度不是很高。
综合上面的考虑，本次毕业设计设计了基于无线电通信的远程温度控制系统。
现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制，早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。
在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。
近年来，单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃发展，单片机已经渗透到工业、农业、国防，科研以及日常生活等各个领域。
传统的温度采集的方法不仅费时，而且精度差满足不了各行业对于温度数据提高精度，设备高可靠性的需求。
单片机的出现使得温度数据的采集和处理得到了很好的解决。
选择适当的单片机和温度传感器以及前端处理电路，可以获得较高的测量精度，不但方便快捷，成本低廉，省事省力，而且大幅度提高了测量精度。
1.3国内外研究动态
温度是反映物体冷热状态的物理参数，它与人类生活环境有着密切关系。
早在2000多年前，人类就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。
在人类社会中，无论工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系[1]。
随着国内外工业的日益发展，温度监控技术也有了不断的进步。
温度监控系统主要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信号转换为电信号。
另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。
对应于不同的温度段及测量精度要求，测温装置也不尽相同，从传感器方面看，己出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。
仪器本身也趋向小型化，多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。
对于测点较多，并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置，一般采用单片机电路。
目前的温度检测技术原理很多，大致包括以下几种:
（1）物体热胀冷缩原理
（2）热电效应（3）热阻效应（4）利热辐射原理。
传统的温度传感器（如,热电偶、铂电阻、双金属开关等）虽然有着各自不可替代的优点,但由于自身因自热效应影响了测量精度,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用[1]。
与之相比较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是频率输出,在相当大的温度范围内（-55～150℃）都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应用。
目前,半导体温度传感器工作的温度范围还限于-50～150℃。
未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面。
目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。
测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。
温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。
温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有:
膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。
随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种:
热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。
1.3社会影响
随着时代的进步，科研、农业、工业、电力控制等部门都越来越依赖的对温度的监控。
温度与我们的生活息息相关，它涉及到我们生活的各种领域。
工业上，常到液体加热，比如电镀厂的电镀液有温度要求，需要加热或者冷却；再比如注塑机的模具温控机也有循环水温度加热的要求；这些加热都要求温度控制精准，波动范围小，靠人工是一定不行的，只能用自动温度控制。
一般用测温探头（比如铂电阻、热电偶等）对液体进行测温，变换成其它信号接入温控仪表，再通过温控仪表来显示温度，并控制加热或者冷却设备或者仪器的起停，达到自动控制的目的。
工业自动化技术作为21世纪现代制造领域中最重要的技术之一，是实现大规模工业生产安全、平稳、优质、高效的基本条件和重要保证，是传统产业优化升级的有效手段，对钢铁、石化、冶金、电力、纺织等支柱性产业的技术进步具有重要作用，其技术水平已成为衡量一个国家国民经济发展水平和现代化程度的标志。
据统计，对自动化控制系统投入和企业效益方面提升产出比约在1:
4至1:
6之间[2]。
现代工农业生产追求安全生产，将测量人员与数据的采集现场分离能有效的降低工程作业的危险指数。
远程温度监控符合现代社会安全生产的原则。
远程温度监控室对操作人员的一个保护伞，从根本上隔离了采集现场和操作人员。
远程温度监控系统的实施开发，不仅能有效的提高效率，还能解放劳动力，优化劳动资源。
在工业生产中，无线温度监控能够有效的提高生产效率，改变以往的温度采集方式，使温度采集更为方便可靠。
在农业生产中，例如酒庄发酵、温室大棚等，远程温度监控也发挥着重要的作用。
远程温度的自动控制也能很好的提高农业生产量，在农业自动水平道路上具有突出的
1.4研究内容和结构
本设计是基于单片机的远程温度监控系统，经过大量查阅资料和研究，最终确定采用STM8为主控芯片，DS18B20作为温度采集芯片，CC1101作为无线接收和发射模块，采用QC1602液晶屏进行显示。
该系统由发射系统和接收系统组成，发射系统进行温度采集以及数据发射，接收系统作为主系统，对数据接收处理并显示出来。
该系统具有温度过限报警功能，设有4个独立按键，分别进行温度高低限定值的选择、设定，清除报警声和报警灯。
该系统具有操作方便，远距离操控，功能多样，电路简洁，成本低廉等优点，符合电子技术的发展趋势，有很广阔的市场前景。
主要解决下列几点问题
（1）数据采集是否长期准确无误。
数据采集是整个设计的关键。
（2）数据远程传输（无线收发）模块能否及时准确无误的传输数据问题。
（3）按键设定系统能否长时间稳定运行，对系统稳定性的完善问题。
第2章设计方案的选择和论证
2.1温度采集模块选择方案与论证
方案一：
使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。
此设计方案需用A/D转换电路，增加了线路的复杂程度，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。
因此此方案不可行。
方案二：
采用DS18B20。
DS18B20的数字温度输出通过1-Wire总线，又称为“一线”总线，这种独特的方式可以使多个DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大的可能性。
DS18B20的测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625℃。
DS18B20可以直接读出被测温度值。
而且采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
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。
一线总线将独特的电源和信号复合在一起，并仅使用一条线，每个芯片都有唯一的编码，支持联网寻址，简单的网络化的温度感知，零功耗等待等特点。
它在测温精度、转换时间、测数距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步。
DS18B20直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择此方案。
2.2无线收发模块的选择方案与论证
方案一：
采用TX315A-T01和TX315A-R01的无线收发模块。
应用目前最先进的声表面波器件和数据专用ASK超外差式单片接收电路开发生产了TX315系列模块电路，其中含有RF、TF、DATA等高频、中频、数字处理电路。
TX315A可应用于无线遥控、数据传送、自动抄表系统、无线键盘操作系统、警戒系统。
TX315A由TX315A-T01发射组件和TX315A-R01接收组件两部分组成，因其频率绝对一致，故在使用时可随意增加发射和接收组件，以组成所需的功能系统。
此系统用此模块很好，但是这个模块的价格太昂贵，所以放弃此方案。
方案二：
CC1101是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。
其主要针对工业、科研和医疗（ISM）以及短距离无线通信设备（SRD）。
CC1101可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示（RSSI）、空闲信道评估（CCA）、链路质量指示以及无线唤醒（WOR）的广泛硬件支持[3]。
CC1101在代码、封装和外引脚方面均与CC1101兼容，可用于全球最为常用的开放式低于1GHz频率的RF设计。
工作电压范围：
1.9V～3.6V，与数据采集模块工作电压协调，待机模式下电流仅为200nA。
工作温度范围：
-40℃～+85℃足够满足设计要求。
而且价格相对其他无线模块较低，易于购买，因此选择此方案。
2.3显示模块的选择方案与论证
方案1：
LCD显示器LCD1602
工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
（16列2行）。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
方案2：
八段数码管
LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。
LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。
共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。
选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。
由项目要求可知，我们的显示装置要显示实时的光照度和预定的光照度，显示的数据比较简单，我们采取数码管分段显示或者分时显示都能达到显示效果，而且数码管控制原理简单明了，易于控制，成本低，综上所述我们选择数码管作为显示装置。
2.4工程造价
本次设计采用了单片机，CC1101无线传输模块，DS18B20传感器模块等模块，具体开支见下边的表2-1工程造价。
表2-1工程造价
器件
数量（个）
单价（元）
合计（元）
STM8开发板
2
77
154
DS18B20
2
8.5
16
CC1101
2
16
32
LED显示屏
1
5.5
5.5
排线
2
2.5
5
pl2303下载线
1
7.3
7.3
在调试过程中，烧毁DS18B20温度传感器一个。
最后的工程造价合计为：
77*2+8.5*2+16*2+5.5+2.5*2+7.3=219.8元
共计219.8元人民币。
2.5本章小结
最终方案确定为采用单片机芯片STM8作为主控制芯片，DS18B20数字温度传感，CC1101作为无线收发模块，QC1602A作为显示模块，采用蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。
温度传感器对实验现场的温度进行采集，副控芯片STM8对采集温度数据进行处理，将有用数据送给发射模块CC1101，主系统的接受模块CC1101接受数据送给主控芯片STM8，STM8对数据进行分析处理，对现场实际温度进行显示；另外，可以人工通过独立键盘对所测温度进行监控，先设定好规定的温度范围，当采集的温度超过此范围时，蜂鸣器响，同时点亮发光二极管，通过按键选择，可以独立实现声音报警、发光报警及声光同时报警。
第3章系统的硬件设计
3.1系统硬件概述
系统硬件电路主要分为：
单片机STM8主、从系统、接收电路、显示电路、键盘电路、温度采集电路、发射电路，继电器控制。
温度传感器对实验现场的温度进行采集，副控芯片STM8对采集温度数据进行处理，将有用数据送给发射模块CC1101，主系统的接受模块CC1101接受数据送给主控芯片STM8，STM8对数据进行分析处理，对现场实际温度进行显示；另外，可以人工通过独立键盘对所测温度进行监控，先设定好规定的温度范围，当采集的温度超过此范围时蜂鸣器响同时点亮发光二极管，通过按键选择，可以独立实现声音报警、发光报警及声光同时报警；当检测温度不在设定范围内时，系统正常运行，时刻显示着现场的温度值。
设计总框图如图3-1所示。
图3-1总设计框图
3.2主要单元模块设计
3.2.1单片机控制模块设计
本设计采用STM8S105xx基础型系列8位单片机，如图3-2。
该单片机提供容量为16K~32K字节的Flash程序存储器，集成真正的数据EEPROM。
在STM8S微控制器系列的参考手册（RM0016）中，被归为中密度系列。
STM8S105xx基础型系列所有的单片机具有以下性能：
a.该单片机具有更低的系统成本，它的内部集成真正的EEPROM数据存储器，可以达到30万次的擦写周期并且高度集成了内部时钟震荡器、看门狗和掉电复位功能。
b.该单片机具有高性能和高可靠性，16MHzCPU时钟频率而且具有强大的I/O功能，拥有分立时钟源的独立看门狗。
c.它可以缩短开发周期也可根据具体的应用在通用的产品系列中选择，具有合适的封装、存储器大小和外设模块的芯片。
STM8S105xx基础型系列所有的单片机具有完善的文档和多种开发工具选择。
d.该系列所有的单片机具有很强产品可延续性，最新技术打造的高水平内核和外设，系列产品广泛适应2.95V~5.5V的工作电压[4]。
图3-2STM8S开发板
2009年3月4日，意法半导体发布了针对工业应用和消费电子开发的微控制器STM8S系列产品。
STM8S平台打造8位微控制器的全新世代，高达20MIPS的CPU性能和2.95-5.5V的电压范围，有助于现有的8位系统
向电压更低的电源过渡。
新产品嵌入的130nm非易失性存储器是当前8位微控制器中最先进的存储技术之一，并提供真正的EEPROM数据写入操作，可达30万次擦写极限。
在家用电器、加热通风空调系统、工业自动化、电动工具、个人护理设备和电源控制管理系统等各种产品设备中，新产品配备的丰富外设可支持精确控制和监视功能。
功能包括10位模数转换器，最多有16条通道，转换用时小于3微秒；先进的16位控制定时器可用于马达控制、捕获/比较和PWM功能。
其它外设包括一个CAN2.0B接口、两个U（S）ART接口、一个I2C端口、一个SPI端口。
下图3-3是STM8S的引脚图。
图3-3引脚图
STM8S平台的外设定义与STM32系列32位微控制器相同。
外设共用性有助于提高不同产品间的兼容性，让设计灵活有弹性。
应用代码可移植到STM32平台上，获得更高的性能。
STM8S的组件和封装在引脚上完全兼容，让开发人员得到更大的自由空间，以便优化引脚数量和外设性能。
引脚兼容
还有益于平台化设计决策，产品平台化可节省上市时间，简化产品升级过程。
STM8S主要特点:
a.速度达20MIPS的高性能内核抗干扰能力强，品质安全可靠b.领先的130纳米制造工艺，优异的性价比程序空间从4K到128K,芯片选择从20脚到80脚，宽范围产品系列系统成本低，内嵌EEPROM和高精度RC振荡器c.开发容易，拥有本地化工具支持。
STM8S主要应用包括a.汽车电子：
传感器、致动器、安全系统微控制器、DC马达、车身控制、汽车收音机、LIN节点、加热/通风空调。
b
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