远程温度监测系统设计毕业论文.docx
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远程温度监测系统设计毕业论文
远程温度监测系统设计毕业论文
1绪论
1.1选题的目的和意义
温度是工业生产中常见的被控参数之一。
从食品生产到化工生产，从燃料生产到钢铁生产等等，无不涉及到对温度的控制，可见，温度控制在工业生产中占据着非常重要的地位，而且随着工业生产的现代化，对温度控制的速度和精度也会越来越高。
近年来，温度控制领域发生了很大的变化，工业生产中对温度的控制不再局限于近距离或者直接的控制，而是需要进行远距离的控制，这就产生了远程温度控制。
远程控制的通信方式有多种，如通过微型计算机
、有线网络、无线电等等。
每一种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。
这种方法速度缓慢，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、电子技术
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（遥控电路）
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。
1.2国内外研究现状
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎所有的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
目前国内外对于温度监控的研究和应用已非常普遍，但对于无线远程温度监控这方面的研究和应用还有相当大的提升空间。
无线温度监控不仅可以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将会见到它的影子，无线远程温度监控将会有更广阔的发展空间。
随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。
温度测量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。
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。
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。
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。
21世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于生产的各个领域。
随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，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。
本设计就是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方面的需求。
远程控制所实现的作用如下：
1.采集与处理功能作用：
主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。
2.监督功能作用：
将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以存储。
3.管理功能作用：
利用己有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊断、险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警。
4.控制功能作用：
在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。
因此，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。
1.3本设计主要研究内容
本设计是基于单片机
的无线温度监控系统，经过大量查阅资料和研究，最终确定采用AT89S51为主控芯片，DS18B20作为温度采集芯片，NRF24L01作为无线接收和发射模块，采用LCD1602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。
经过设计和一系列的调试，测试结果基本达到了该设计预期制定的各项要求，顺利地完成了本次毕业设计的目标。
2设计要求与方案论证
2.1设计要求
（1）温度监测范围：
室温-55.0～125.0℃；
（2）接收系统显示温度实际值，收发距离：
20米以内（以测试值为准）；
（3）可以人工设定报警温度上、下限定值；
（4）超过温度限定值时蜂鸣器报警和发光报警。
2.2系统基本方案选择和论证
2.2.1单片机芯片选择方案与论证
方案一：
采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。
FPGA可实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并可用EDA软件仿真、在线调试，易于进行功能扩展，响应速度快。
但成本高，同时由于引脚较多，电路板的布线比较复杂，加重了电路设计
和实现焊接的工作。
因此不采取此方案。
方案二：
采用8位单片机作为主要的控制芯片。
8位单片机具有价格比较便宜，并且技术比较成熟，低功耗，易于购买等优点，但是8位机程序执行速度比较慢，内部资源比16位单片机少很多。
考虑到本系统对程序运行速度的要求不高以及成本问题，最后选择用8位单片机，由于AT89S51单片机比其他8位单片机价格便宜，并且其内部具有丰富的资源，故采用AT89S51单片机作为本系统主控制芯片。
单片机内部微机控制技术
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。
可采取此方案。
2.2.2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。
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，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。
其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。
在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。
DS18B20直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择此方案。
2.2.3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：
采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。
但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。
方案三：
采用一对NRF24L01作为无线收发模块。
NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便，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。
2.2.4显示模块的选择方案与论证
方案一：
采用数码管显示，成本低、亮度高。
但本系统所要实现较多的内容，硬件电路设计会比较复杂，而且功耗大，所以不适合本设计。
方案二：
采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。
方案三：
采用LCD1602液晶屏显示，显示内容较多，方便组合，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省软件中断资源。
系统中需要显示温度和上限温度等信息，要求显示内容丰富。
比较上述三种方案，方案三电路简单、显示信息量大、能很好的满足题目要求，因此采用方案三。
2.2.5报警模块的选择方案与论证
方案一：
采用555定时器构成蜂鸣器，常用于定时报警，非常实用，其时间可控，但本设计报警时间是随机的，取决于试验现场的温度，因此不可行。
方案二：
采用9012三极管驱动蜂鸣器，当达到温度上下限值，就会给三极管一个高电平驱动蜂鸣器，实现声音报警，并且可以接个发光二级管，同时点亮二极管，实现发光报警。
此方案实行起来方便，电路也简单，因此选用此方案。
2.3电路设计最终方案的确定
由以上讨论的各种方案最终得出本次设计的方案为：
采用单片机芯片AT89S51作为主控制芯片，DS18B20数字温度传感器，NRF24L01作为无线收发模块，LCD1602作为显示模块，采用蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。
系统的核心是AT89S51单片机，系统通过控制选择某一个DS18B20，并把其检测到的温度数据
送到单片机进行处理，在把处理后的温度送到数码管显示，并显示是那个点的温度，系统也可以
多点温度循环扫描显示。
该系统主要由AT89S51单片机，nRF24L01无线射频模块，液晶显示，温湿度传感器，时钟模块和电源模块组成如图2-1。
图2-1接收端系统原理图
发射模块即下图2-2所示。
图2-2发射端系统原理图
复位电路电路图：
复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
单片机的外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种方式，按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位。
而本次设计选择按键电平复位，按复位键后复位端通过电阻与VCC电源接通。
如图3-2所示，因为采用了12MHz,每机器周期为1us，则只需要2us以上时间的高电平，在RST引脚（在电容器C3的负端）出现高电平后的第二个机器周期执行复位，利用电容充电来实现，在接电的瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降，当按下RESET键，此时电源VCC经过电阻R1、R2分压，在RESET端产生复位高电平。
该系统硬件包括微控制器，温度检测电路，键盘控制电路，时钟电路，显示，报警，驱动电路和外部RAM。
基于AT89S51单片机，DS18B20的将温度信号传送到数字信号的检测。
3系统的硬件设计与实现
系统硬件电路主要分为：
单片机AT89S51主、从系统、显示电路、接收电路、键盘电路、发射电路、温度采集电路。
设计总框图如图3-1所示。
图3-1总设计框图
3.1系统硬件概述
硬件电路是由单片机芯片AT89S51为控制核心，具有在线编程，丰富的中断源、灵活性强、低功耗等功能，能在3V低压工作；温度的采集由DS18B20来构成，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片；无线收发模块用NRF24L01，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段，NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便；显示部份由1602LCD来完成；声光报警电路可以采用三极管驱动蜂鸣器及发光二极管来实现。
3.2主要单元电路的设计
3.2.1单片机主控制模块的设计
主控单片机是以集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力的微处理器（CPU）,随机存取RAM（数据存储器），ROM（只读程序存储器），I/O（输入输出电路），可能还包括定时计数器，SCI（串行通信口），显示驱动电路（LED驱动电路），模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。
总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：
集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。
单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。
然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序
，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。
AT89S51单片机为40引脚双列直插芯片,如图3-2所示。
有四个I/O口P0,P1,P2,P3,每一条I/O线都能独立地作输出或输入。
AT89S51具有以下标准功能：
4k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S51单片机的管脚图如图3-2。
图3-2AT89S51管脚图
其引脚分配如下：
P3.0：
RXD,串行输入。
P3.1：
TXD,串行输出。
P3.2：
INT0,外部中断0输入。
P3.3：
INT1,外部中断1输入。
P3.4：
T0，计时计数器0输入。
P3.5：
T1，计时计数器1输入。
P3.6：
WR,外部数据存储器的写信号。
P3.7：
RD,外部数据存储器的读信号。
单片机
主控制电路即包括了单片机的复位电路和时钟电路。
本设计采用的是内部时钟电路及所需的C语言程序
。
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，18引脚XTAL1是放大器的输入端，19引脚XTAL2是放大器的输出端，这两个引脚之间跨接的晶振和微调电容作为反馈元件一起构成一个稳定的自激振荡器。
9引脚是单片机的复位输入端，接上电容，电阻及电阻和按钮组成手动复位电路。
如图3-3所示。
图3-3单片机复位和时钟电路
3.2.2温度采集电路模块的设计
在20世纪90年代中期温度传感器问世了。
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，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向飞速发展。
在人民的日常生活和工农业生产中，数字式温度传感器DS18B20正是朝着精度准、功能完整、总线标准化、安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
因此。
我们的已经离不开对温度上的控制了。
它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较都有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果。
可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
温度采集电路如图3-4所示。
我们取用数字式温度传感器DS18B20，DS18B20是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，具有微小型化、低功耗、高性能、搞干扰能力很强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。
它具有3引脚TO－92小体积封装形式，温度测量范围为一般在－55℃～＋125℃，可编程的位数在9位～12位A/D转换精度，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到2根及多根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
它具有测量精度高，电路连接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用P10与DS18B20的I/O口连接，VCC接电源,GND接地。
DS18B20的内部结构图示3-5。
图3-4温度传感器应用电路
图3-5DS18B20内部结构
3.2.3无线收发电路模块的设计
NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强ShockBurs技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
NRF24L01主要特性有GFSK调制：
硬件集成OSI链路层；具有自动应答和自动再发射功能；片内自动生成报头和CRC校验码；数据传输率为lMb/s或2Mb/s；SPI速率为0Mb/s～10Mb/s；125个频道：
与其他NRF24系列射频器件相兼容；QFN20引脚4mm×4mm封装；供电电压为1.9V～3.6V。
NRF14L01引脚排列如图3-6所示。
图3-6NRF24L01管脚图
CE：
使能发射或接收;
CSN，SCK，MOSI，MISO：
SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：
IRQ：
中断标志位；
VDD：
电源输入端；
VSS：
电源地；
XC2，XC1：
晶体振荡器引脚;
VDD_PA：
为功率放大器供电，输出为1.8V；
ANT1,ANT2：
天线接口；
IREF：
参考电流输入。
NFR24L01模块采用3.3V电压供电，其应用电路及电源转换电路如图3-7所示。
图3-7NRF24L01应用电路
3.2.4显示电路模块的设计
如图3-8所示，采用1602LCD显示。
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，具体各个脚的功能如表3-1。
表3-1LCD引脚功能表
引脚
符号
功能说明
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
VSS
VDD
V0
RS
R/W
E
DB0
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
DB7
一般接地
接电源（+5V）
LCD对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高
RS为寄存器选择，高电平时选数据寄存器、低电平时选指令寄存器。
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
底4位三态、双向数据总线0位（最低位）
底4位三态、双向数据总线1位
底4位三态、双向数据总线2位
底4位三态、双向数据总线3位
高4位三态、双向数据总线4位
高4位三态、双向数据总线5位
高4位三态、双向数据总线6位
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
由于1602LCD具有功耗低、寿命长、体积小、显示内容丰富、接口控制方便等优点。
因此在各类电子产品中被广泛的推广和使用。
本系统采用它来作为显示器件，不仅简化了硬件电路，而且极大的提高了系统的可靠性。
如图3-9所示。
1602LCD与单片机AT89S51的连接电路很简单。
图3-8LCD1602管脚图
图3-9LCD1602应用电路
3.2.5报警电路模块的设计
我们采用的蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，而不是555定时器，我们采用的蜂鸣器用直流电压供电，应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
三极管工作属电流放大状态（就是射极跟随器），三极管的C极接地，其电压永远为0，e极电压跟随基级输入电压的变化而变化，Ue=Ub+0.7V：
当基级输入高电平时，三极管的e极电压为高电平，喇叭里没有（或很小）电流通过；
当基级输入为低电平时，三极管的e极电压为低电平，喇叭里有电流（Vb越低就越大）通过。
这里的三极管接法为射极跟随器，和普通的开关工作的三极管工作（e极接地，c极输出）有所不同。
射极跟随器的输出电压是跟随基极电压变化而变化的（Ue=Ub+
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