免积分单片机与组态王实现多点远程温控系统免积分.docx
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免积分单片机与组态王实现多点远程温控系统免积分
编号：
毕业设计（论文）说明书
题目：
基于单片机与组态王实现
多点远程温控系统
院（系）：
计算机与控制学院
专业：
自动化
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2008年1月6日
摘要
在工、农业生产和日常生活中，各个环节都与温度紧密相联，温度的测量及控制占据着极其重要地位。
温度已成为大多数仪器正常工作的前提，而且对温度的要求也越来越严格。
因此，温度检测与控制方法的研究越来越受到人们的重视。
本文介绍了简易集散温度控制系统,系统为两层结构,上位机用组态王软件完成对下位机的监控。
下位机利用数字温度传感器DS18B20,结合单片机组成传感器网络，设计了相关的硬件和软件，实现多点温度检测与控制。
论文中介绍了使用DS18B20进行循环温度检测并对温度加以控制的方法，技术核心是通过单片机产生所需的时序对DS18B20进行温度读取控制。
系统能对多个对象进行准确测量与控制，控制范围为室温至125℃，误差小于0.5℃。
上位机PC与单片机之间的通信采用RS-485协议，由RS-485总线组成构成的分布式测控系统，具有设备简单、价格低廉、能进行长距离通信等优点。
上位机组态软件KingView具有强大的数据采集、处理功能和友好的人机界面。
基于组态王软件的多点远程温度测控系统,理想地实现了对相关设备的实时监测。
该系统具有成本低、可靠性高和使用方便等特点,可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域。
关键词：
DS18B20；单片机；温度控制；集散控制系统；组态王
Abstract
Inindustrialandagriculturalproductionanddailylife,allsectorsarecloselyrelatedtotemperature,TemperatureMeasurementandControloccupyaveryimportantposition.Atpresent,temperaturemeasurementandcontrolequipmenthasbecomenormalworkingmajorityofthepremisethatandthetemperaturerequirementsmorestringent.Therefore,thetemperaturemeasurementandcontrolmethodofattractingincreasingattention.
Thepaperintroducesasimpletemperaturedistributedcontrolsystem（DCS）,thedetectionandcontrolofthecontrolledobjectsareaccomplishedbyslavecomputers,andthesupervisionofthecontrolledobjectsandslavecomputersisimplementedinthehostcomputerbasedonKingView.DS18B20typedigitalthermometerhasthecharacteristicofone-wirebus.UsingDS18B20andMicroprocessorAT89C51buildupsensornetworks,whichachievethedesignofhardwareandsoftwareformultiplespotstemperaturedetectedandcontrolsystem.ThemainresearchtopicisDS18B20temperaturecycletesting.ThecoretechnologywasgeneratedtheDS18B20timingthroughAT89S51microprocessortocontrolDS18B20readtemperature.ConversionandreaddatathroughaunifiedAT89S51microprocessor.Finally,thetemperaturewasdisplayedbyLED.Theentiretemperaturedetectionandcontrolsystemiscapableofdetectingandcontrollingmultipointtemperatureforaccuratemeasurement,thecontrollingrangefromroomtemperatureto125℃,controlerrorislessthan0.5℃.ThecommunicationbetweenPCandmicroprocessorbasedonRS485isdescribedindetailinthepaper.ThedistributedmonitorandcontrollingsystemwhichwasconstitutiveofRS485bus,havesomeadvantage,suchasfewequipment,low-cost,longdistancescommunicationandsoon.KingViewsoftwaresupportsapowerfulplatformforrealtimedetectionproject.Itsupportspowerfulfunctionfordataacquisitionandmanagementandman-machineinterface.TherealtimestatedetectionfortemperaturedetectedandcontrolsystembasedonKingViewsoftwareisdesignedtodetectthedevicesandmakesurethedevicesworkinareliable,effectiveandsecureway.
Withlowcost,highreliabilityandconvenienceofoperators,thesystemcanbeusedinmanyfieldssuchasthetemperaturemeasurementsystemofwarehouse,theairconditioningcontrolofbuildingandthemonitorofproductiveprocess.
Keywords:
DS18B20;Microprocessor;Temperaturecontrol;DCS;KingView
目录
1课题的现状及研究意义........................................2
1.1课题现状............................................................2
1.2研究意义............................................................2
1.3课题要求............................................................2
2方案论证...................................................4
2.1集散温度控制系统工作原理.............................................4
2.2主要器件选型.........................................................4
2.2.1传感器.............................................................4
2.2.2主控单元...........................................................7
2.2.3显示器件...........................................................7
2.2.4控制模块...........................................................7
2.2.5MAX485.............................................................9
2.3上位机组态监控......................................................11
2.4系统总体设计框图....................................................11
3硬件电路实现..............................................12
3.1单片机最小系统......................................................12
3.2DS18B20连接方式.....................................................13
3.3键盘和数码显示电路..................................................14
3.4远距离通信电路......................................................17
3.5控制电路............................................................18
4软件设计..................................................19
4.1概述..............................................................19
4.2主程序.............................................................19
4.3温度读取程序........................................................20
4.4DS18B20初始化、读写程序.............................................26
4.5数码显示程序........................................................27
4.6按键扫描程序.......................................................28
4.8控制程序...........................................................31
4.9组态王监控界面设计..................................................32
5系统调试..................................................33
6结论......................................................35
谢辞.........................................................36
参考文献.....................................................37
附录........................................................38
引言
目前,典型的温度测控系统是由模拟式温度传感器、A/D转换电路和单片机组成。
自动化程度和可靠性较高,使用方便,得到了广泛应用。
但是由于模拟式温度传感器输出为模拟信号,必须经过A/D转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口,使得硬件电路结构复杂,成本较高。
而以DS18B20为代表的新型单总线数字式温度传感器集温度测量和A/D转换于一体,直接输出数字量,与单片机接口几乎不需要外围元件,使得硬件电路结构简单,广泛使用于远距离、多节点的场合。
具有较强的推广应用价值。
DCS是分散控制系统（DistributedControlSystem）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
DCS具有高可靠性、灵活性、易于维护等特点。
本文将介绍一种基于DS18B20的典型温度集散控制系统。
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1课题的现状及研究意义
1.1课题现状
温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。
其测量控制一般产用各式各样形态的温度传感器。
根据它们在讯号输出方式上的不同又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：
模拟温度传感器有多种输出形式（绝对温度、摄氏温度和华氏温度）以及电压偏移值。
后者让组件在使用单电源的情形下就能对负温度值进行监测。
模拟温度传感器的输出还可以送到比较器来产生超温指示信号，或直接送到模拟数字转换器的输入，用来显示实时温度数据。
模拟温度传感器适合需要低成本、小体积和低功耗的应用。
另一种是温度开关或逻辑输出传感器，这种传感器会在温度超过某个默认值时输出特定的逻辑讯号。
而这个触发点（限制值）可以预设，因此，这类组件让设计更加简单，成本也更低。
它的典型应用如关闭系统电源，启动风扇、空调、加热器等。
数字温度传感器：
对于更紧密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求带动了数字温度传感器的发展。
被测温度信号从敏感元件接收的非电量到转换为微处理器可处理的数字信号，环节较多，而且模拟信号在长距离传输的过程中，受到的干扰较多，误差较大。
因此，从非电量转换到数字信号，一般将其处理过程集成在单片IC器件体内部，这样就形成了功能强大，精确的数字传感器。
由于各有优缺点、各有自己的应用范围和市场，数字式传感器和模拟传感器会并存很长一段时间，但随着材料科学和半导体技术的深入发展与合作，数字式传感器测温精度进一步提高，测温范围拓宽，生产成本和销售价格不断降低，其发展趋势必将取代模拟传感器。
1.2研究意义
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、网络化的方向飞速发展。
智能温度传感器DS18B20将温度传感器、A/D传感器、寄存器、接口电路集成在一个芯片中,具有直接数字化输出、测试及控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强、微型化、微功耗的特点。
DS18B20可以让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
1.3课题要求
设计的任务是采用单片机为核心器件，配合单总线数字温度传感器DS18B20实现多点温度采样与控制，数码管实时显示温度，通过RS485协议实现与上位机的远距离通信。
上位机通过组态王软件对下位机的工作进行实时监视并能设定下位机的工作参数。
系统能有良好的实时性、准确性和可靠性。
2方案论证
温度检测系统有则共同的特点：
测量点多、环境复杂、布线分散、现场远离监控室等。
若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。
这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。
所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：
温度传感器的选择和主控单元的设计。
温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。
2.1集散温度控制系统工作原理
DCS集散式温度控制系统可由一台带打印机的工控机（或配置较好的家用机）采用工业RS232/RS485转换器串行总线连接，与多个智能模块实现通信，工控机上采用组态软件编制人机界面，从而实现集散温度控制的功能。
每个智能模块的控制输出端通过调压模块控制电加热器，传感器直接将温度数据传入智能模块，实现闭环温度控制。
其系统结构如图2.1所示。
图2.1DCS集散温度控制系统结构图
2.2主要器件选型
温度检测系统有则共同的特点：
测量点多、环境复杂、布线分散、现场远离监控室等。
若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。
这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。
所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：
温度传感器的选择和主控单元的设计。
温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。
2.2.1传感器
方案1：
采用热敏电阻，可满足40℃至90℃测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1℃的信号是不适用的。
而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。
方案2：
在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。
在0～100℃时，最大线形偏差小于1℃。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89S51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量。
轻松的组建传感器网络。
采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化的趋势。
部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。
而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。
所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。
本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。
DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的单总线可组网数字式温度传感器。
它的测量范围为-50℃至+125℃，精度可达0.1℃不需A/D转换电路，直接将温度值转换成数字量。
DS18B20遵循严格的单线串行通信协议，每一个DS18B20在出厂时都用激光进行了调较，并具有唯一的64位序列号，所以多个DS18B20可以共存与同一条线上。
DS18B20的内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。
封装为TO-92的DS18B20将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如图2.2。
其外围电路简单，可广泛应用于温度控制，温度测量，工作系统及任何热敏感系统中。
图2.2DS18B20引脚
DS18B20的内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM、单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM）用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。
DS18B20的内部结构如图2.3所示。
图2.3DS18B20内部结构
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。
DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f。
，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。
当计数门打开时，DS18B20对f。
计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。
芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。
测量结果存入温度寄存器中。
一般情况下的温度值应为9位（符号占1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表2.1给出了温度和数字量的关系。
表2.1DS18B
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