温度测量与报警系统设计

毕 业 设 计题 目 温度测量与报警系统的设计 学生姓名 李梦茹 学号 1210064087 所 在 院 (系 ) 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 电子信息科学与技术 1203 指导教师 黄朝军 完成地点 博远楼 1012 室 2016 年 6 月 5 日陕西理工学院毕业设计 温度测量与报警系统的设计李梦茹（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息科学与技术专业电信 1203 班，陕西，汉中 723000）指导教师：黄朝军摘 要以 STC89C51 单片机为核心的温度控制系统，以芯片 DS18B20 为温度采集系统，以 LCD1602 为显示系统，结合无线通信电路和一些接口电路完成了温度测量与报警系统的设计。基于 STC89C51 单片机的环境温度检测系统不仅可以第一时间将信息达给管理人员， 让其实时了解情况，而且还节省了不必要的人才资源浪费。温度的测量及控制，在工农业生产及日常生活中具有重要意义。关键词 温度测量；报警系统；设计The design of detection and demonstration about temperature Li Mengru（Grade12 ，Class03，Major Electronic Information Science and Technology ，School of Physics and Telecommunication Engineering，Shaanxi University of Technology， Hanzhong，723000 Shaanxi ）Tutor: Huang ChaojunAbstractThis design take STC89C51 monolithic integrated circuit as core temperature control systems. Chip DS18B20 as temperature acquisition system， LCD1602 display system，In combination with the wireless communication circuit and some interface circuit of temperature measurement and alarm system design.Microcontroller based STC89C51 ambient temperature detection system can not only reach the first time information to managers， allowed real-time to understand the situation， but also saves personnel unnecessary waste of resources.Measurement and control of temperature， and has important significance in industrial and agricultural production and daily life.Key wordstemperature measurement， alarm system， design陕西理工学院毕业设计 目 录1 引言 .11.1 研究目的及意义 .11.2 研究现状及发展趋势 .11.3 主要研究内容 .22 设计方案 .22.1 系统基本方案 .22.1.1 单片机芯片 .22.1.2 温度传感器 .22.1.3 显示电路 .32.2 系统设计框图 .32.3 模块功能介绍 .33 硬件电路 .43.1 STC89C51 单片机最小系统 .43.2 温度检测电路 .53.3 显示电路 .63.4 硬件电路 .64 系统软件设计 .74.1 温度检测电路流程图 .74.2 显示电路流程图 .84.3 键盘电路流程图 .94.4 仿真结果及作品指标 .95 结语 .10致谢 .11参考文献 .12附录 A:实物图 .13附录 B:程序清单 .13陕西理工学院毕业设计 第 0 页 共 22 页1 引言1.1 研究目的及意义随着时代的发展，科学的进步，各行各业高性能的设备越来越多，对于温度的要求也日益增高，传统的温度检测是依靠着人工轮流值班，巡回查看等传统方式来测量并记录环境情况。在传统的温度检测模式下，存在着效率低和科学性差等不足。而温度检测系统可以轻松解决由于上述方法造成的不能及时管理等问题。以单片机为基础的环境温度检测系统不仅仅可以及时的将信息传达给管理人员， 让其第一时间了解情况，而且还可以节省人力资源，提高效率。单片机由于成本低、功耗低、抗干扰能力强、使用方便、微型化、扩展灵活、质量轻、控制能力强和体积小等优点比专用处理器更加适合用于嵌入式系统中，所以现代人类生活中几乎每一件电子机械产品之中都会集成有单片机。现今，单片机已经渗透到我们生活中的各个领域，包括航空航天、家用电器、医用设备、仪器仪表、专用设备的智能化的管理以及过程控制等领域。应用单片机对温度进行控制，不仅可以提高被控温度的技术指标，而且具有控制方便和组态简单的优点。1.2 研究现状及发展趋势虽然温度控制系统已经在国内得到了广泛的应用，但就国产的温度控制器来说，总体发展水平不高，与日本、美国、德国等国家生产的温度控制器依然存在较大的差距。一般而言，成熟的温控产品常采用常规的 PID 控制器及 “点位”控制器，而这两种控制器仅能适应要求不高的温度系统的控制，应用于较高控制场合的自适应、智能化控制仪表，现今国内技术还未成熟，能够广泛应用并形成商品化的控制仪表甚少。伴随国内经济的迅猛发展，特别是在加入 WTO 之后，我国政府以及企业对此给予高度重视，加强对相关企业的重视，建立国家、企业研发中心，加大在此方面的研究力度，促进了国内仪表业的迅速发展。数字温度计采用温度传感器（如热敏电阻，半导体，热电偶，铂电阻等），用电信号（如电压、电流）的变化代替温度的变化，电信号的变化和温度的变化有一定的关系，例如一定的曲线关系或者线性关系等，而电信号可以通过模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，再将数字信号传输给处理单元，例如 PC 机或单片机等，处理单元通过内部的软件计算将温度和数字信号关联起来，就成为了可以显示的温度数值，如 25.0，最后再经过显示单元，如电脑屏幕、LCD 或者 LED 等显示出来便于观察，这样便完成了数字温度计基本的测温功能。国内外相应技术的发展状况温度传感器技术：第一阶段：传统分立式的温度传感器此阶段温度传感器主要通过利用非电量同电量之间的转换完成温度测量，其代表为热电偶传感器。这里提到的热电偶传感器是过去在工业温度监控当中使用最为广泛的温度传感器，因其工作原理的特殊性需要在测量温度过程当中将其与被测对象直接完成接触，这样可以不受中间传导介质的影响。热电偶传感器具备拥有较高精度以及测量范围相对广泛等特点 1。第二阶段：模拟集成温度传感器所谓模拟集成温度传感器主要是利用硅半导体集成工艺制作而成，因此又称之为硅半导体传感器或者单片性的集成温度传感器。这种技术的模拟集成温度传感器诞生于 20 世纪 80 年代，其已经实现将温度测量传感器集成在一个芯片上并且能够完成诸如温度监测或者模拟信号正常输出等功能。其主要特点可以概括为功能简单(因为只能测量温度) 、监测温度的误差较小、成本低廉、响应速度陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 22 页相对较快、能够传输距离较远、体积小巧功耗低等。结合其特点模拟集成温度传感器十分适用于远距离的测温系统，这样不需要进行一些非线性校准并且外围电路设计简单可靠 2；第三阶段：智能温度传感器现今，国际上的先进温度传感器正在从传统的模拟式向智能化、数字式以及高度集成化的方向发展。新型的智能温度传感器具有高安全性、高可靠性、拥有高测量精度、总线标准化以及多功能性等特点。智能温度传感器可以自主实现温度数据采集而且具备一定的数据处理功能，可以实现高度集成化的温度采集功能，极大的减少了相关系统的功能电路设计。1.3 主要研究内容温度测量与报警系统是一款简单实用的迷你数字温度计，所采用的元件包括 LCD1602 字符液晶一个，单片机 STC89C51，传感器 DS18B20，电容电阻若干。所用传感器 DS18B20 是美国DALLAS 半导体公司生产的智能温度传感器，可以实现“ 一线总线”接口，测量温度范围-55C+125C。在-10+85C 范围内，精度为 0.5C。最高分辩率可达 0.06253。现场的温度直接采用“一线总线”的数字方式传输，大大增强了系统的抗干扰能力。在对恶劣环境的现场温度测量中依然适用，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。主控制器即单片机部分，用于存储程序和控制电路；LCD 显示部分是用 1602 字符液晶显示温度；传感器部分，即温度传感器，用来采集温度，进行温度转换；复位部分，即复位电路。测量的总过程是，传感器采集到外部环境的温度，并进行转换后传到单片机，经过单片机处理判断后将温度传递到 LCD1602 上显示。并支持硬件手动配置温度上下限，通过 4 个键实现温度上限和下限设置，超过此上下限即实现报警功能。2 设计方案2.1 系统基本方案2.1.1 单片机芯片方案一:采用 STC89C51 芯片作为硬件核心。 STC89C51 内部具有 8KB ROM 存储空间，512 字节数据存储空间，带有 2K 字节的 EEPROM 存储空间，与 MCS-51 系列单片机完全兼容，STC89C51 可以通过串口下载 4。方案二:选用 AT89S51，AT89S51 片内拥有 8K 字节程序存储空间，256 字节的数据存储空间没有EEPROM 存储空间，这也与 MCS-51 系列单片机完全兼容，并且具有在线编程可擦除技术。两种方案均能够满足设计要求，比较而言，STC89C51 的价格比 ATS89C51 便宜，而且抗干扰性更加优秀，因此本次设计选用 STC89C51 更加合适。2.1.2 温度传感器方案一: 因为此次设计的是测温电路，所以考虑到可以采用热敏电阻之类的器件，利用这类器件的感温效应，然后将跟随被测温度变化的电压或者电流信号采集起来，进行模数转换，再应用单片机对采集的数据进行处理之后，在显示电路上，被测温度就可以显示出来，此种设计方案需要用到模数转换电路，感温电路实施过程比较麻烦。方案二:可以考虑使用温度传感器，在设计单片机电路的时候，往往都是使用传感器，所以考虑到采用一只温度传感器 DS18B20。这种传感器，可以很方便的直接读取被测的温度值，进行转换，就可以实现设计需求，由此可见，此方案较方案一简单。陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 22 页比较方案一和方案二，两种方案都完全能够满足此次设计的需要，但是，从设计方法来看，采用方案二，电路设计，软件设计都比较简单，所以采用方案二更加合理。2.1.3 显示电路方案一：使用数码管显示，数码管是由多个发光二极管封在在一起组成“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。有共阴，共阳两种。方案二：采用液晶显示屏 lcd1602 显示，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，每位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 5。对两种方案比较之后，将选用第二种方案，液晶显示屏 lcd1602 操作简单，可以直接对 1602的引脚直接操作。综上各方案所述，对此次设计的方案选定: 采用 STC89C51 单片机作为主控制系统;采用DS18B20 为传感器；采用 lcd1602 液晶显示屏。2.2 系统设计框图在该温度控制系统中 STC89C51 单片机与温度传感器 DS18B20，LCD1602 以及按键模块等连接，系统上电后，STC89C51 单片机驱动温度传感器 DS18B20 工作，进行温度数据采集，传输。STC89C51 单片机在接到温度传感器 DS18B20 传送过来的温度数据后，进行操作，一方面送至LCD 显示模块进行温度显示，通过 4 个键实现温度上限和下限设置，超过此上下限即实现报警功能。系统设计框图如下：2.3 模块功能介绍温度控制器硬件模块主要由以 下四个模块组成：单片机模块，温度传感器模块，显示模块，按键模块。单片机模块主要功能是实现硬件系统中各个模块功能之间的相互协调，输出执行，数据的处理等功能，其中单片机最小系统包括复位电路与起振电路。温度传感器模块的作用是将测量到的温度采集并传输到单片机，LCD1602 显示模块主要将温度在液晶显示屏中显示出来，按键模块共有四个按键，作用分别是设置，温度+1C，温度-1C，确认。图 2.1 系统原理框图STC89C51主控制器复 位 电 路起 振 电 路按 键 模 块 LCD显 示 模 块温 度 采 集 模 块陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 22 页3 硬件电路本设计是一款简易，实用的小型数字温度计，设计中需要的主要元件包括:温度传感器DS18B20，单片机 STC89C51，LCD1602 字符液晶一个以及电容电阻若干。温度传感器使用美国DALLAS 半导体公司生产的智能温度传感器 DS18B20，此传感器支持 “一线总线” 接口，测温范围为-55C+125C 。在-10+85C 范围之内时，精度为0.5C。最高分辩率可以达到 0.0625。现场温度直接采用“一线总线” 的数字方式传输，使系统的抗干扰性大大增强。适合进行恶劣环境的现场温度测量，如：测温类消费电子产品、设备或过程控制以及环境控制等。 单片机部分是主控制器，用于控制电路和存数程序；LCD 显示部分使用 1602 字符液晶显示温度；在传感器部分，使用温度传感器，作用是采集温度并且进行温度转换；复位部分，即复位电路。系统运行的总过程是，首先温度传感器采集到外部的环境温度，并进行 A/D 转换之后传给单片机，再经过单片机的处理判断后将温度传递到显示模块，由显示模块显示。 本设计的测温范围是-55C+125C，测试精度为 1C，并且支持温度正负提示，设计中软件的预设上限温度为 30C，下限温度为 20C，而且设计支持硬件手动设置温度上下限，只需通过 4 个按键就可以实现上限温度和下限温度的设置，当超过温度上下限时即可以实现报警功能。 63.1 STC89C51 单片机最小系统(一)STC89C51 引脚介绍 7 主电源引脚（2 根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V 电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚（2 根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端控制引脚（4 根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚（32 根）STC89C51 单片机有 4 组 8 位的可编程 I/O 口，分别位 P0、P1 、P2、P3 口，每个口有 8 位（8根引脚），共 32 根。P0 口（Pin39Pin32 ）：8 位双向 I/O 口线，名称为 P0.0P0.7P1 口（Pin1Pin8 ）：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P1.0P1.7 P2 口（Pin21Pin28 ）：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P2.0P2.7 P3 口（Pin10Pin17 ）：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P3.0P3.7陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 22 页EA/VP 31X119 X218RESET9P37/RD17 P36WR16P32/INT012 P33/INT113P34/T014 P35/T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P2122P22 23P23 24P2425P25 26P26 27P2728PSEN 29ALE/P 30P31/TXD11 P30/RXD10GND20VCC 40U1STC89C52（二）单片机最小系统单片机的最小系统中还包含了晶振电路和复位电路。晶振电路是单片机最小系统的重要组成部分之一。一般典型的晶振是取 11.0592MHz(原因是能够准确地得到 9600Bd 和 19200Bd，用于有串口通讯的场合 )/12MHz(产生准确的的 US 级时歇，容易定时操作)。特别注意:关于 31 脚(EA/Vpp)，当接高电平的时候，单片机在复位之后将从内部 ROM 的0000H 开始执行；当接到低电平时候，复位之后将从外部 ROM 的 0000H 开始执行。单片机最小系统的另一重要组成部分是复位电路。主要作用是，在单片机系统运行的过程中，当系统受到环境干扰而出现程序错乱之时，可按下复位键，内部的程序便从头重新开始执行。复位电路的工作原理是当单片机的 RST 引脚接到 2us 以上的电平信号时，只需使电容的充放电时间大于 2US，就可以实现复位，因此电路中的电容值是允许变化的。按键按下系统复位，是电容处于短路电路当中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加而引起的。单片机最小系统中的复位电路的极性电容的大小是影响单片机复位时间的直接因素，常采用的是 1030uF，51 单片机最小系统电容的值越大则所需复位时间就越短。3.2 温度检测电路DS18B20 的数字数据输出与温度检测都集成在一个芯片上，所以抗干扰力很强。DS18B20 的一个工作周期包括温度检测与数据输出两个部分。在了解 DS18B20 工作流程之前我们需要了解其内部存储器资源。18B20 总共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM 只读存储器，作用是存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是 19H），接来下的 48 位是芯片唯一的序列号，末尾的 8 位是以上 56 的位的 CRC 码（冗余校验）。数据在出产时已经设置，不由用户更改。DS18B20 共 64 位 ROM。RAM 数据暂存器，作用是内部计算以及数据存取，数据在掉电后会丢失，DS18B20 共有 9 个字节 RAM，每个字节为 8 位。前两个字节是温度转换之后的数据值信息，第 3、4 个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像，在上电复位时其值将被刷新。第 5 个字节则是用户第3 个 EEPROM 的镜像。第 6、7、8 个字节为计数寄存器，目的是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第 9 个字节为前 8 个字节的 CRC 码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，图 3.1 STC89C51 封装图陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 22 页DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在 RAM 都存在镜像，以方便用户操作 8。3.3 显示电路LCD1602的介绍： LCD 内部结构：由 CGRAM（自建字型产生器）、DDRAM （数据显示存储器）、CGROM(内含字型产生器)、指令寄存器、数据寄存器、地址计数器、指令译码器等组成。LCD 显示原理：利用旋光效应对光进行偏转，再利用偏振片滤去不需要透过光的相应像素，从而实现图像显示。LCD 驱动原理：分成两大步，即写指令，写数据，其中写数据之前要找到显示的位置 9。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，每位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 10。LCD1602是指显示的内容为16X2，