基于单片机的水温测量控制及高温报警系统设计

SHANDONG毕业设计说明书基于单片机的水温测量控制及高温报警系统设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 苏 红 学 号： 0812202793 指导教师： 季 画 2012 年 6 月IV 摘 要摘 要现代生活中温度控制系统可以称得上无所不在，热水器系统、空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等家电产品甚至手持式高速高效的计算机和电子设备等，均需要提供温度控制功能。本次系统的系统设计可以用于热水器温度控制系统和饮水机等各种电器电路中。它主要以单片机AT80C51为核心，使用单总线温度转换芯片DS18B20实时采集温度，通过4个数码管显示温度和4个按键实现人机对话，并通过数码管显示实现对水温的测量，而且利用了语音报警系统实现高温报警并提供各种运行指示灯用来指示系统现在所处状态，如：温度设置，加热，停止加热，测温等，整个系统通过使用四个按键来设置加热温度和控制运行模式。关键词：单片机AT89C51,数码管,DS18B20,语音报警 AbstractAbstractIn modern life，the temperature control system can be said omnipresent, for example，water heater system, air conditioning system, refrigerator, electric cooker, electric fans and other household electrical appliances and even a high performance computer and electronic equipment are required to provide temperature control function. This system can be used for water heater temperature control system and drinking fountains and various electrical circuits. It is mainly on AT80C51 single-chip microcomputer as the core, the use of single bus temperature conversion chip DS18B20 real-time acquisition of temperature, through four digital display of temperature and four keys to achieve human-computer dialogue, and through the digital display of temperature measurement, and the use of the voice alarm system to achieve high temperature alarm and provide a variety of running indicating lamp is used to indicate the state of the system now, such as: the set temperature, heating, heating, temperature. The system uses four buttons to set the heating temperature and control of operating mode.Keywords: SCM AT89C5, digital tube, DS18B20, voice alarm目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1课题背景11.2温度检测与报警系统的发展情况11.3.1 温度参数21.3.2温度检测31.3.3语音报警特点3第二章 系统总体设计52.1硬件总体设计52.2系统设计方案的讨论62.2.1温度传感器的选择62.2.2主控制部分设计82.3总结8第三章 硬件系统设计93.1单片机最小系统电路93.2温度检测模块113.2.1 DS18B20性能特点与内部结构113.2.2 DS18B20的测温原理163.2.3 DS18B20在测温系统中的应用173.3语音电路183.3.1 ISD1420语音芯片介绍183.3.2语音电路录放音的过程193.4键盘显示电路及可编程接口芯片8279与单片机链接203.4.1 8279芯片的主要特征是203.4.2 8279的结构203.4.3 8279的功能说明223.5串行通信电路233.6 RS232简介243.7 MAX232简介253.8电源电路26第四章 系统软件设计274.1软件开发工具的选择274.2 系统软件设计的一般原则274.3系统软件设计的一般步骤274.4 软件实现274.4.1主程序流程图284.4.2温度传感器程序流程图284.4.3键盘显示流程图294.4.4通信模块程序设计31总 结32参考文献33致 谢34附录一 硬件电路原理图35附录二 程序源36第一章 绪 论第一章 绪 论1.1课题背景温度是一个很重要的物理参数，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在工业生产过程中，温度检测和控制都直接和安全生产、产品质最、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各个领域中都受到普遍重视。温度检测类仪表作为温度计量工具，也因此得到广泛应用。随着科学技术的发展，这类仪表的发展也日新月异。特别是随着计算机技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于工业控制领域，形成了智能化的测量控制仪器，从而引起了仪器仪表结构的根本性变革。1.2温度检测与报警系统的发展情况多路温度的测量、记录、传输在工业及民用领域应用中一直是量大面广的设备之一，所以目前多路温度巡检仪并不少见。甚至其中有很多己经作为典型例题出现在许多关于单片机应用的教科书中，虽然在电路结构、元器件的选择和相应的软件编程上略有区别，但是它们均能以单片机为核心，完成巡检、显示、报警和记录等功能。但是这些温度巡检仪都有一个共同的主要缺点，那就是只能检测的路数不能任意增加。这是由于温度的检测离不开温度传感器，而传统的温度传感器例如PT100 、K 、J 等都是模拟量输出，需要进行信号的放大和A/D转换方能被单片机接受，如果要增加测试路数，那未必定要增加放大器和A/D转换器的个数，接线将十分复杂。并且它们的准确性易受环境、接线、放大等因素的影响，因而误差大，远传受距离的限制等，多路共测时，检测效果也大打折扣。随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的要求越来越高，在很多场合，诸如啤酒、饮料、食品、白酒发酵生产线，中频热处理行业的水路温度保护，提升机、通讯机、发电厂等轴温记录，变电所各电节点的温度检测，农业大棚、鸡舍等，温度巡检仪有着越来越广阔的应用与发展前景。监测点的增加，就硬件电路和软件编程而言，并非意味着简单的增加几条电路连线和循环指令，而是与相关的软硬件技术有极为密切的联系。随着单片机技术及其外围芯片、现场总线技术的发展越来越完善，使得设计能够满足对更多测试点的温度的测试、报警、记录等的温度巡检仪成为可能。目前，温度传感器的发展日新月异，种类繁多，各有千秋，特别是数字式温度传感器开始越来越多的应用于温度检测仪表中。所谓数字式温度传感器即集温度感应、变换、数码调制于一体，对外输出数字信号5。具有抗干扰性好、可靠性高、硬件电路简单、使用方便等优点。尤其是对于数十个乃至上百个点的检测，采用数字式温度传感器便可以摒弃A/D转换和放大器，无疑对简化电路起到不可估量的作用。在设计电路时，使用不同的温度传感器，对电路性能有极大的影响。测控对象与计算机之间的信息交换是通过总线进行的，常见的有C总线、SPI 总线等被广泛应用着，它们技术成熟，有众多的芯片和功能完善的软件相支持6。近年美国DALLAS 半导体公司推出了一项新技术-单总线技术，即用一根信号线( 1-wire)在其上可以挂接许多测控对象，甚至电源也经这根信号线馈给，从而可以方便地组建一个测控系统。该技术有较高的性能价格比，适用于温度测控场合，当测控对象很多时更可以显示其优越性，抗干扰性能好，具有CRC 校验功能，系统简明直观易于掌握。本课题将综合运用先进的元器件和技术设计温度巡检仪，使其可以真正方便地实现对温度监控的自动化，为生产管理部门提供高精度的实时温度，使操作者可以在生产过程中及时了解关于温度的参考信息，保证生产能够在正常的环境温度下进行，对于保障安全生产、节约能源、提高效率、保障产品质量有重要的社会意义。并且在上面提到的行业中，都需要多路同时检测，应用面广，需求量大，任何一个厂的一次使用量都在10 台仪器以上，因此多路温度巡检仪一旦设计成功并投入生产必将带来良好的经济效益，前景非常广阔。1.3温度参数 温度检测和语音报警1.3.1 温度参数传统的机械式温度检测仪表在工矿企业中己经有上百年的历史了。一般均具有指示温度的功能，由于测温原理的不同，不同的仪表在报警、记录、控制变送、远传等方面的性能差别很大。例如热电阻温度计，它的测温范围是-200650 ，测量准确，可用于低温或温差测量，能够指示报警、远传、控制变送，但维护工作量大并且不能记录；光学温度计测温范围是3003200 ，携带使用方便，价格便宜，但是它只能目测，也就是说必须熟练才能测准，而且不能报警、远传、控制变送。本文设计的温度范围：CC，精度误差Th或TTl,则将器件内的报警标志位，将对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。一旦某温度点越限，主机利用报警搜索命令，即可识别正在报警的器件，并读出其序号，而不必考虑非报警器件。3.2.2 DS18B20的测温原理每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM 中。主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。DS18B20的测温原理如图3-7所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3-7中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。减法计数器斜坡累加器减到0减法计数器预 置低温度系数振 荡 器高温度系数振 荡 器计数比较器预 置温度寄存器减到0图3-7 DS18B20内部结构3.2.3 DS18B20在测温系统中的应用DS18B20与单片机的接口极其简单，只需将DS18B20的信号线与单片机的一位双向端口相连即可其电路图如图3-8所示。一般测温电缆采用屏蔽4芯双绞线，其中一对接地线与信号线，另一对Vdd和地线，屏蔽层在源端单点接地。本次温度传感器采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，另一种是寄生电源供电方式，如下图所示单片机端口接单线总线，本设计采用电源供电方式，为保证在有效的时钟周期内提供充足的电流，可用P2.6来完成对总线的上拉，上拉开启时间最大为10us。图3-8 DS18B20与单片机接口电路主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个过程即：（1）初始化（2）ROM操作指令（3）存储器操作指令我们要求的温度在一定范围内为安全温度，我们设置的上界温度为110下界为-50，当测量值在这个范围内时候，程序控制P2.6输出低电平，音频信号不发生，当超出这个范围内时报警电路开始工作，P2.6为高电平，音频发音报警，操作人员观察音频发生器是否发音，就可知道被测量器件工作是否正常。3.3语音电路3.3.1 ISD1420语音芯片介绍ISD1420为单片机语音记录和回放一体化的芯片，记录时长为20s。ISD1420与AT89C51的接口电路如图3-9所示，及其相应的语音放大电路如图3-10所示。本次设计所录语句共4段，每段不超过5s。语音录放的起始地址是通过设定ISD1420的地址位A0A7编码来实现的，图中A3和A5，A4和A6分别连在一起，再与相应的开关K1、K2相连，根据不同的组合状态实现分4段录存功能。语音报警电路和语音放大电路是分不开的。图3-9语音电路图3-10语音放大电路3.3.2语音电路录放音的过程录音过程：录存第一段语音时，按下键（S3键）并使K1、K2打开，开始录音，数据从0地址开始存储，直到松开按键为止。注意录音时间不能超过5s。录存第二、第三、第四段语音过程和第一段类似。放音过程：放音的过程与录音过程相反，可手动放音，也可通过单片机控制来实现自动播放语音。手动放音时，按下键（S2键）和相应的分段控制开关（K1、K2开始放音，直到松开或本段存储器用完为止。自动放音时，只需使引脚为低，同时将手动开关K1、K2闭合时拉高电平的引脚给高电平，其余引脚给低电平即可。本系统要实现自动语音播放，用单片机的引脚来控制地址线A3A6电平的高低状态，和单片机的连接情况如下：P1.6控制；P2.1和A3、A5相连；P2.2和A4、A6相连。端和电源VCC间加接一个0.001uF的电容，用以减缓接通电源瞬间或更换电池时VCC的上升速度不至于出现低电平而引发产生一个EOM标志，造成无信息可放的错觉。另外，采用的驻极体麦克风需要电源为其提供偏置电流。如果偏置电路直接接地，那么不管录音与否将有持续电流造成不必要的损耗，为此将其通过端接地，因为该端只有在录音时才为低电平，它使LED灯亮，表明正在录音，而且为麦克风提供偏置通路。录音结束，该端为高电平而切断了此通路。语音信号由驻极体话筒拾取，从MIC和MIC REF两端输入芯片内部的放大器放大，该放大器的输出信号从ANAOUT端引出，外部使用电容耦合至另一个放大器的输入端ANAIN，做进一步放大，经功放后的音频信号从SP+和SP-端输出并推动扬声器发音。扬声器的接法也可以一端接地，另一端任意接SP+或SP-，在此电路里，SP+和SP-被用来与电话接口电路相连，以送出语音信号。3.4键盘显示电路及可编程接口芯片8279与单片机链接 8279是Intel公司生产的通用可编程键盘和显示器I/O接口器件。由于它本身可提供扫描信号，因而可代替微处理器完成键盘和显示器的控制，单个芯片就能完成键盘输入和LED显示控制两种功能.3.4.1 8279芯片的主要特征是 可兼容MCS85， MCS48，MCS51等微处理器。 能同时执行键盘与显示器操作。 扫描式键盘工作方式 有8个键盘FIFO（先入先出）存储器 带触点去抖动的二键锁定或N键巡回功能。 两个8位或16位的数字显示器。 可左/右输入的16字节显示用RAM。 由键盘输入产生中断信号。 扫描式传感器工作方式。 用选通方式送入输入信号。 单个16字符显示器。 工作方式可由CPU编程。 可编程扫描定时。3.4.2 8279的结构（1）8279主要由下列部件组成： I/O控制和数据缓冲器，双向的三态数据缓冲器将内部总线和外部总线 DB0-7相连，用于传送CPU和8279之间的命令、数据和状态。 控制逻辑，控制与定时寄存器用以寄存键盘及显示器的工作方式，锁存操作命令；通过译码产生相应的控制信号，使8279的各个部件完成一定的控制功能。定时控制含有一些计数器，其中有一个可编程的5位计数器，对外部输入时钟信号进行分频，产生 100 kHz的内部定时信号。外部时钟输入信号周期不小于 500 us。 扫描计数器，扫描计数器有两种输出方式。一种为外部译码方式，计数器以二进制方式计数。4位计数状态从扫描线SL0SL3输出，经外部译码器译码出16位扫描线；另一种是扫描计数器的低二位译码后从 SL0SL3输出。此时键盘矩阵为4*8，显示字符为4位。 键输入控制，这个部件完成对键盘的自动扫描，锁存RL0RL7的键输入信息，搜索闭合键，去除键的抖动，并将键输入数据写入内部先进先出（FIFO）的RAM存储器。 FIFO传感器RAM和显示 RAM，8279具有8个先进先出的键输入缓冲器；并提供16个字节的显示数据缓冲器18。CPU将段数据写入显示缓冲器，8279自动对显示器扫描，将其内部显示缓冲器中的数据在显示器上显示出来。（2）封装与引脚配置： RL0RL7为反馈输入线，作为键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由键盘上按键拉成低电平， SL0-3为扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。 OUTB0-3，OUTA0-3为显示段数据输出线，可分别作为两个半字节输出，也可作为8位段数据输出口，此时OUTBO为最低位，OUTA3为最高位。 BD为消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时或使用显示消隐命令时，将显示消隐。 RESET为复位输入线，高电平有效。当RESET输入端出现高电平时，8279被复位，复位后8279被置于下列方式：16个8位字符显示为左端输入。编码的扫描键为两键连锁。程序时钟前置分频器被置为31。 SHIFT，CNTL/STB为控制键输入线；由内部拉高电阻拉成高电平，也可由外部控制按键拉成低电平，SHIFT为换档，CNTL为控制，STB为选通。 CLK为外时钟输入端，CLK信号由外部振荡器提供。需说明的一点是：CLK是系统来的外时钟，8279靠设置定时器将外部时钟变为内时钟。其内部基频= 外时钟/定时器值，内部时钟的高低控制着扫描时间和键盘去抖动时间的长短，若8279内部时钟为 100 kHz。则扫描时间为 5.1ms。去抖动时间为 10.3 ms。3.4.3 8279的功能说明8279分两个功能部分，即键盘部分和显示器部分其接口电路如图3-11所示。 键盘部分，该部分提供的扫描方式，可以和组成8*8阵列的键盘或传感器相连，具有去抖动和N键封锁（或N键巡回）功能。SL0SL3是8279提供的扫描信号线。如果编程为译码方式（内部译码），可提供4选1扫描信号，此时可接4*8=32个键。如果编程为编码方式（外部译码），则可通过3-8译码器产生8条行扫描。线（此时SL3不可用），可接8*8=64个键。RL0RL7是8279提供的8条键盘列输入线，由去抖动电路对这些线进行监测15。若去抖动电路检测到键盘矩阵上有某一键按下时，就等待10ms，然后重新检测该键是否按下，若该键仍按下，就将该键的键值（该键在键盘矩阵中的行、列值，以及换挡SHI控制CNTL线上的状态）送入先入先出寄存器（FIFO寄存器），并且使中断请求信号线IRQ有效 （高电平有效），通知CPU，FIFO寄存器中已存有一项内容了。FIFO寄存器是一个8*8的RAM，可存贮8个数据字节，即CPU读8279键值以前，可以保存8次按键信息。存入FIFO寄存器的数据（键值）个数由FIFO状态字的字符个数计数部分（状态字的低3位）予以指示。FIFO不空时，IRQ为高电平；CPU读FIFO寄存器时，IRQ变低；如果FIFO中存贮的数据未读完，则IRQ又重新为高电平。换档信号线上接一开关或具有位置锁定功能的按键，可以使键盘上的所有按键成为双功能健，因它可使一个按键产生两个不同的键值12。 显示部分，该部分可完成8个或16个（编程决定）八段LED显示器的扫描控制。OUTA0OUTA3以及OUTB0OUTB3是8279的段码输出口（高电平有效），经驱动后接至八段LED显示器各段。SL0SL3经4-16译码器产生16个八段LED显示器的扫描控制信号，接16个LED的COM端。OUTA0OUTA3以及OUTB0OUTB3输出的段码（存贮在16 X 8显示用RAM中，16个显示用RA M的地址编号为0000B 1111B）与8279的扫描输出SL0SL3同步，输出0000B单元中存贮的段码， SL0SL3为1111B时，输出1111B单元中存贮的段码。16 x 8 显示用RAM中存贮的段码可根据需要随时刷新。图3-11键盘及显示接口电路3.5串行通信电路单片机与数据间的传送方式可采用串行通讯和并行通讯两种方式。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。 根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。信息只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时双向传送则称为全双工13。串行通讯中，两个设备之间通过一对信号线进行通讯，其中一根为信号线，另外一根为信号地线，信号电流通过信号线到达目标设备，再经过信号地线返回，构成一个信号回路。其通信电路图如图3-12所示。图3-12 串行通信电路3.6 RS232简介目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平19。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。表3-5 RS232的特性功能表规定RS232RS422R485工作方式单端差分差分节点数1收、1发1发10收1发32收最大传输电缆长度50英尺400英尺400英尺最大传输速率20Kb/S10Mb/s10Mb/s最大驱动输出电压+/-25V-0.25V+6V-7V+12V驱动器输出信号电平(负载最小值)负载+/-5V+/-15V+/-