赵晓强09930144109供热远程监测系统的设计.docx
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赵晓强09930144109供热远程监测系统的设计
天津职业技术师范大学
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业设计
专业：
应用电子技术教育
班级学号：
应电1112-0993*******
学生姓名：
赵晓强
指导教师：
于万霞副教授
二〇一六年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
供热远程监测系统的设计
TheDesignofHeatingRemoteMonitoringSystem
专业班级：
应用电子技术教育--应电1112
学生姓名：
赵晓强
指导教师：
于万霞副教授
学院：
电子工程学院
2016年06月
摘要
随着时代的发展，新型技术时代的来临，微小型监控技术的迅速发展与应用，单片机的发展也到了一个白热化的程度，这样带动各种传统监测得到了改善与进步。
在实时监测控制的单片机系统中，单片机在其中起到承上启下的作用，它的地位不容替代，但是仅仅只有单片机知识也是不行的，其外围的硬件电路也很重要，根据不同的硬件结构来进行不同的软件设计，得以完善整个研究。
现代各种检测都离不开环境监控，温度监控技术普遍应用在工农业生产、制造业以及人们的生活当中。
在进行本次设计之前，对国内外多种类型的温度检测系统进行调查、研究，在其基础上提出基于无线模块的温度传感器监控系统的初步设计方案。
本系统主要应用于供热场所，通过监测点实时监控环境的温度。
本设计是以STC15F2K60S2单片机为核心控制，以DS18B20测量温度的测量器件作为采集所在环境的器件，单片机对此类器件进行控制，利用无线射频技术实现包括对数据的采集、处理，利用液晶对所处环境的参数进行实时显示以及语音播报功能，让工作人员对所测得的数据进行记录、处理。
本系统实现了对供热环境的温度实时监测和控制，在有些地方不方便走线或由于环境导致不能进行布线的环境，使得之前的有线网络存在局限性，如果这些地方采用无线网络进行监测，对其所要的数据进行收集、传送更加有效率，具有消耗低、便于微处理器控制的特点，实现了环境温度检测的自动化和智能化。
关键词：
STC15F2K60S2；DS18B20温度传感器；显示；报警
Abstract
Withthedevelopmentofthetimes,theadventofnewtechnologyage,therapiddevelopmentandapplicationofMCUdevelopmentofmicroandsmallsurveillancetechnologyalsototheextentofawhite-hot,sotodriveavarietyoftraditionalmonitoringhasbeenimprovedandprogress.Inthesingle-chipreal-timemonitoringandcontrolofthemicrocontrollerwhichplayaconnectingrole,itsstatuscannotbeanalternative,butwithonlymicrocontrollerknowledgeisnotenough,itsperipheralhardwarecircuitisalsoveryimportant,dependingonthehardwareconfigurationfordifferentsoftwaredesign,toimprovethroughoutthestudy.
Modernvarietyofdetectionareinseparablefromenvironmentalmonitoring,temperaturemonitoringtechnologywidelyusedinindustrialandagriculturalproductionamongmanufacturingandpeople'slives.Beforethisdesignonavarietyofdomestictypeoftemperaturedetectionsystemtoinvestigate,study,preliminarydesignofthetemperaturesensormonitoringsystemofwirelessmodulesbasedonitsbasis.Thissystemismainlyusedinheatingspaces,bymonitoringthereal-timemonitoringpointtemperatureoftheenvironment.ThedesignisbasedonSTC15F2K60S2microcontrollerasthecorecontrol,inordertomeasurethetemperaturemeasuringdeviceDS18B20ascollectiondevicesinyourenvironment,single-chipdevicesforsuchcontrol,includingtheuseofradiofrequencytechnologyfordatacollection,processing,useofaliquidcrystalinwhichenvironmentalparametersforreal-timedisplayandvoicebroadcastfeatureallowsthestafftothemeasureddatarecording,processing.Thesystemrealizestheheatingtemperatureoftheenvironmentinreal-timemonitoringandcontrol,andinsomeplacesisinconvenienttracesorwiringcannotbeduetoenvironmentalcauseofenvironment,beforemakingawirednetworklimitations,iftheselocalwirelessnetworkmonitoring,tobecarriedtoitsdatacollection,transfermoreefficient,withlowconsumption,easymicroprocessortocontrol,toachievetheambienttemperaturesensorandintelligentautomation.
KeyWords:
STC15F2K60S2;DS18B20temperaturesensor;displays;alarms
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2设计的背景及意义1
1.3国内外研究现状2
1.3.1国外研究现状2
1.3.2国内研究现状2
1.3.3总的发展阶段2
1.4设计研究的内容3
2总体设计方案4
2.1设计思路4
2.2总体设计框图4
2.3设计主要功能4
3系统的硬件设计6
3.1远程监控端的设计6
3.1.1主控单片机电路的设计6
3.1.2COG12864液晶显示模块电路设计7
3.1.3HC-11无线串口模块电路的设计8
3.1.4语音播报模块电路的设计9
3.1.5独立按键模块电路的设计10
3.2自动控制端的设计10
3.2.1温度检测模块电路的设计11
3.2.2报警模块电路的设计12
3.2.3继电器控制模块电路的设计12
3.3供电电源端的设计13
4系统的软件设计14
4.1远程监控端的程序设计14
4.1.1通讯程序模块程序设计14
4.1.2COG12864显示模块程序设计15
4.1.3语音播报模块程序设计15
4.1.4温度设定模块程序设计15
4.2自动控制端的软件设计15
4.2.1温度采集模块程序程序设计16
4.2.2温度控制模块程序设计17
5系统调试18
结论21
参考文献22
致谢23
1绪论
1.1引言
温度在我们现在的生活有着不可忽略的地位，它在很多的领域中占有重要的地位。
随着国家新型行业的快速发展，科研、工业、农业等相关领域对温度远程监控有着严重的依赖性。
测温度的器件在和其它仪器设备联合起来使用，可以很好的提高加工产品的质量，对生产的环境进行改观，可以有效的监控温度从而采取有必要的措施，避免不必要的损失。
现阶段的无线温度控制方面还存在很多的不足，现在很多领域采用人工定时定点的采集温度，这种方式花费成本高，效率低，不能实时监控温度的变化。
本文设计的是远程实时供热监控系统，在设计中采用HC-11无线串口发送、接收模块作为数据传送模块，采用DS18B20温度检测其环境性能的器件作为现场温度数据的采集单元，还能对现场温度进行实时更新与显示，超过温度设定值以后进行语音播报的功能，能较好的解决现在存在的主要问题。
1.2设计的背景及意义
温度是各个领域进行生产时极其重要的参数，根据温度对所处场所不同进行不同的温度控制也是频频出现，比如农业中的生态农业、大棚蔬菜种植；工业中的化工制造、采掘等，每时每刻在对其的温度进行监测以及控制，由此可见，温度的监控在工、农业中占据很重要的地位。
随着当代新型技术的飞速发展，其中传感器技术、通信技术尤为明显，各种数据信息的采集与监测得到了普遍的运用，运用这几种技术制作出来的仪表也越来越受到人们的青睐。
这些仪表一般都是分布在各个不同的场所，类型也不一样，而在传统收集这些都采用人工采集，工作量大，不能有效的提高工作效率。
怎么样才能效率高的采集这些分散在各个场所的数据是现在需要快速解决的难题。
对于很多监测场所而言，由于很多监测环境的不同，所需要的范围也不同，需要在监测这一方面投入很多的人力，物力来对其进行设备的安装、维护和监测工作。
同时，在监测的环境中不免有一些非常恶劣的环境，使工作人员的工作效率降低，如果对这种恶劣环境进行大量的投入等工作是不合理的。
近年来，在温度监控上面发生了翻天覆地的变化，温度监控在工、农业中不仅仅是人工采集、近距离的监测以及控制，正在引进无线通信技术，这样打开了以往的僵持局面，产生了供热远程监控的新型名词。
原先的温度监测系统要制造时花费的成本价格高、占地面积大，在遇到很多环境恶劣的情况时，电源的供给不易布局，一旦布置完成，不能再根据监测环境的变化来改变，重新布置会造成巨额的浪费，不能重复使用。
因此采用无线进行监测给予很大的方便，也是目前各个领域研究的重点。
为了适应时代的发展，慢慢出现了分布式的无线监测技术，应用此技术对那些不在同一地方、不容易走线的场所的参数数据进行监控，得以实现数据的远距离测量、传送和控制等功能。
传统的温度检测，是使用热电阻把热信号转为电信号，通过转换得到所需要的温度值，要使用这种方式工作效率低、危险系数高、不方便执行。
本设计以改变当前停滞不前的温度监控技术，解决温度监控中遇到的难题为最终目标，利用分布式无线监测技术的优点，打破了传统的思路，以新型科技、超低成本提高监测的水平，为各个领域提供可靠、高效率的监测数据，方便工作人员随时随地的观看所要监测的环境参数。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外研究现状
在20世纪70年代起，各发达国家将传感器技术作为新时代新型技术发展的关键。
在研究初期采用的是模拟的仪器，运用此类仪器进行现场的信息数据采集、记录和控制。
再往后发展10年左右的时候，出现了分布在不同地方需要控制其的系统，现在的发达国家都在研究超自动化，在原先的基础上实现更好的发展方向。
1.3.2国内研究现状
随着信息时代的来临，信息技术对时代的进步起了关键的决定性因素，新型的技术成为现在信息化时代的支柱，在20世纪80年代，我国的技术人员在参考发达国家监控技术的基础上，基本掌握了微控制技术。
近几年，我国的传感器监控技术越来越趋向于智能化、自动化，随着社会发展的速度，新型的产物会不断出现，达到真正的智能化。
1.3.3总的发展阶段
无线监控网络在20世纪70年代就已经形成了初模型，将传统的传感器采用点点传输的方式联合到一起，从而形成网络的雏形，第一代传感器的网络就此诞生了。
随着各种技术的不断进步，传感器网络具备了采集现场数据的能力还能够实现多种信息的处理，通过与控制器的互相连接，形成了信息综合性的监控网络，这就有了第二代的网络。
可是由于这两代都是有线传输，会给后续的工作带来很多不便和局限性。
20世纪90年代开启了无线网络的时代，从有线迈向无线时代。
无线网络也是从此正式开启。
无线监控网络有很大的发展前景，成功的引起了世界很多国家的关注。
新型的传感器网络国内跟国外的差距不是很大，可以看到，此技术随着我国相关技术的发展，让它普遍应用在各个领域，这项技术对人类未来的生活有着深远的影响，对整个国家乃至整个世界的社会经济有着重大的意义。
1.4设计研究的内容
本设计是基于HC-11无线串口传输的实时供热监控系统，经过大量的查看书籍和研究最新技术，采用STC15F2K60S2为核心控制主芯片，DS18B20为温度采集数据的芯片，HC-11无线模块作为通讯的主要器件，COG12864液晶屏作为实时显示数据的载体。
该设计主要由远程监控和自动控制组成，自动控制进行对所监测环境温度的采集、数据处理以及数据发射，远程控制作为本设计中的主要系统，对自动控制发送过来的数据进行接收、处理并实时显示出来。
本设计超过设定温度值及时报警的功能，设有5个独立按键，主要用作进行温度所需设定值的设定。
本设计可以进行远距离操控，操作方便等优点，符合现在新型的嵌入式技术的发展，有较为好的发展前景。
在本设计中主要解决这几点问题
（1）温度数据采集是否长期准确。
温度数据采集是整个设计的关键所在。
（2）远程通信模块能否及时准确的传输数据。
（3）按键设定温度值能否稳定运行，对设计稳定性的完善。
2总体设计方案
2.1设计思路
本系统是以STC15F2K60S2单片机为控制核心，采用温度传感器采集现场温度数据，通过液晶进行实时的显示，可根据需要设置温度限制值，系统具有超过限定温度值自动报警等功能，通过无线传输实现对人体无法接近的高温或危险场所的温度参数的实时采集。
2.2总体设计框图
本系统总体设计分为三部分：
自动控制端、远程监控端、供电电源端。
总体设计框图如图2-1所示。
图2-1总体设计框图
本设计以远程监控端为主要部分，可以设置控制温度限制值，并实时通过液晶屏显示当前温度。
远程监控端与自动控制端之间的通信通过无线串口传输，当从自动控制端中的DS18B20温度传感器要对所要监测的环境进行监测时，所监测的数据值通过无线串口通讯被发送到远程监控端，远程监控端接收数据、对其进行解析处理并实时显示温度值。
当设置限制温度值时，将其通过无线串口通信被发送到自动控制端，所设定的温度值跟实时温度值进行比较，从而控制自动控制端的继电器通断，达到自动控制的功能。
2.3设计主要功能
本设计可以实现以下几种主要功能：
实时显示当前温度值：
在远程监测控制端有显示屏。
在进行温度监测时，当前所测环境的温度值实时显示在显示屏上，为工作人员提供最直观的温度值。
设置限制温度值：
通过远程监控控制端的5个独立按键，可以调节设定温度值，满足不同环境的使用情况，提高使用性。
自动报警及语音播报：
在自动控制端设有蜂鸣器，如果当前更新的温度值比设定的温度值大时，报警模块进行警示。
在远程监测端设有语音播报功能，对所超出的温度值进行播报，给工作人员警示的作用。
继电器模块控制：
根据当前温度与设定值得比较来判断继电器模块的通断，从而达到自动控制的效果。
3系统的硬件设计
3.1远程监控端的设计
远程监控端的设计主要有主控单片机、COG12864液晶显示、HC-11无线串口模块、语音播报模块、独立按键，其硬件组成框图如图3-1所示。
图3-1远程监控端硬件组成框图
远程监控端采用STC15F2K60S2作为系统的主要控制核心，用于控制自动控制端，COG12864液晶屏用于直观显示所需要的数值，在此基础上设有5个独立按键，作为更改所需数值的按钮，用于设置所需温度的限制值。
通过采用HC-11无线串口模块，实现远程控制端串口与自动控制端串口之间的通讯，以此链路作为远程监控端控制信号发送的途径。
远程监控端与自动控制端实时通信获取当前信息的数据:
当前温度值，所需设定的温度值。
远程监控端通过分析处理自动控制端传来的数据，实现语音播报功能。
核心控制芯片通过串口连接HC-11无线串口模块，通过此无线传输模块连接自动控制端，并对传来的数据进行分析处理实时显示，实现两者之间的通信，从而对所监测的环境进行实时监控。
3.1.1主控单片机电路的设计
在本次设计中采用STC15F2K60S2主控单片机，在进行设计时，本来是想采用51单片机一款老一代最熟悉的80C51单片机，后来经过考虑采用不需要设计外围电路的一款超前单片机，程序编码完全兼容，它相比于老一代的单片机内存容量增大，运行的速度是原来的很多倍，可以很方便的省掉外部EEPROM，提高了芯片使用的稳定性，简化设计电路的结构。
利用IAP技术，将高内存嵌入到单片机中，不需要繁琐的外部晶振，在单片机的CPU里面已经集成了外部晶振电路，复位电路也在其中。
ISP/IAP系列的芯片支持串口在线仿真，在很大程度上方便了系统程序的开发调试，超高速双串口/UART，该单片机功能强大，静电干扰很小，可靠性较高，适合完成本次设计中的所有功能。
其电路的设计如图3-2所示。
图3-2主单片机电路的设计
3.1.2COG12864液晶显示模块电路设计
在本次设计中采用COG12864液晶显示屏，此屏具有4位/8位并行接口、二线或三线串行接口等多种接口方式，为了本次的设计采用传统的液晶屏改制的自制液晶屏，点阵128*64，可在3.0V-5.5V低电源电压下工作，所用的屏有占地面积小、轻便、超薄等优点，该液晶显示屏特别适合本设计中的要求，在设计中采用三线串行接口方式进行控制，在设计硬件电路中，单片机的P2.5口接着点阵屏第三个管脚SCL，单片机的P2.4接口连接着液晶屏的SDA口，单片机的P2.3的I/O口连着屏的第5个接口，单片机的P2.2、P2.1、P2.0分别连着液晶显示屏的DC、CS、BK接口上。
其硬件连接图如图3-3所示。
图3-3COG12864液晶屏硬件连接图
3.1.3HC-11无线串口模块电路的设计
在本次设计中采用汇承科技的HC-11无线串口模块，此模块的无线通信频段在434MHz-437MHz范围内，该模块由微控制芯片MCUSTM8S以及CC-1101射频芯片组成，模块可直接收发串口数据，改变了传统的串口传输模式，从而实现无线数据的传输。
模块共有四种串口透传模式，在本次设计中采用FU1模式，以半双工的方式互传送数据，可以设置8种串口波特率。
两端的单片机直接与两个模块的串口连接在一起，使用单片机的串口传送即可实现无线传输，称为无线串口透传。
功能使用示意图如图3-4所示。
图3-4功能使用示意图
在本设计中，该模块作为远程监控端和自动控制端之间的无线数据传输,主单片机通过串口将数据送到无线模块，两个无线模块互传数据，与自动控制端温度检测模块测得的温度值作比较,来决定是否触发继电器。
在此模块与单片机的连接中，单片机的P3.0口接到模块的接收数据管脚上，单片机的P3.1口连接到无线模块的发送数据接口上，最后剩下的SET设置管脚接到单片机的P3.2脚上。
硬件具体电路连接图如图3-5所示。
图3-5无线串口模块硬件电路图
3.1.4语音播报模块电路的设计
在本次设计中采用WT588D系列语音单片机，它是打破传统的一款语音模块，把单片机与语音电路放到一起的可以直接编辑的语音芯片，而且可以重复擦写。
此模块还有专门的上位机操作软件作为后盾，通过所配套的上位机可以随意更换语音单片机的任何一种模式，把所要输出的数据通过SPI口下载到其Flash上，对Flash进行读写。
此模块是一款以语音为基础的单片机，它的音质效果特别好，它可以几乎是无伤害的将加载到的音质完美的表现出来。
在之前的语音播报模块中，在编辑语音方便需要花很大的功夫，语音没有组合技术，造成了很多的不便。
此系列的语音单片机很好的解决了存在的问题。
它刚出现在市面上的时候，引起了很大的旋风，在语音市场有着不可替代的地位，支持在线下载，让它的实用性得到了更一步的加深。
其芯片封装如图3-6所示，各个引脚的功能如下表：
图3-6WT588D芯片封装
表3-1引脚的功能
封装引脚
引脚标号
简述
功能描述
1
/RESET
/RESET
复位脚，低电平保持
2
DAC
DAC
DAC音频输出脚，需要从软件设置DAC输出才生效
3
PWM+
PWM+
PWM+音频输出脚，需要从软件设置PWM输出才生效
4
PWM-
PWM-
PWM-音频输出脚，需要从软件设置PWM输出才生效
5
P14
P14
SPI-FLASH数据输入脚
6
P13
P13
SPI-FLASH数据输出脚
7
P16
P16
SPI-FLASH时钟脚
8
GND
GND
地线脚
9
P15
P15
SPI-FLASH片选脚
10
P03
P03
按键/三线时钟/一线数据输入脚
11
P02
P02
按键/三线片选输入脚
12
P01
P01
按键/三线数据输入脚
13
P00
P00
按键输入脚
14
VCC
VCC
存储器电源输入脚
15
BUSY
BUSY
语音播放忙信号输出脚
16
VDD
VDD
数字电源输入脚
上表简单明了的介绍了语音模块各个管脚的功能，从表中可以看出该模块的功能强大，它有大致15种控制模式，在最小单片机上的任意一个按键可以任意改变它的控制模式，不过它的每一种控制模式只对应一种控制程序，是一款非常具有前景的语音产品。
3.1.5独立按键模块电路的设计
在本次设计中采用五位独立按键作为温度设定的输入部分，为了让设计的实用性增加故采用6*6mm的按键次数能达到几十万次以上的触动开关，将按键的接点焊接到电路印刷板上，触动柱塞，在反作用弹簧的作用下，通过它受力的变化来实现按键的通断。
在设计硬件电路时，将按键开关的一端接至单片机相应的引脚，另外一端接至GND，当按下按键开关时，所按下的按键与单片机相连接的接口会被拉为低电平，通过此方法判断按键是否按下，从而实现按键输入信息的读取。
在硬件设计电路中，KEY1是否设置设定数值，KEY2取消设置设定数值，KEY3的用途是当所需设定的温度值高于之前设定的温度，用此按键来增加值，KEY4当数值高于所想的温度值是按下此键减少数值，KEY5确定数值键，其电路硬件连
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