毕业设计（论文）-基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真.doc

学校代码：11517 学号： HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 毕业设计毕业设计 题目 学生姓名 专业班级 学号 系 （部） 电气信息工程学院 指导教师(职称) 完成时间 2015 年 06 月 11 日 河南工程学院论文版权使用授权书河南工程学院论文版权使用授权书 本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷 本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提 供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家 有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校 可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 论文作者签名： 年月日 河南工程学院毕业设计河南工程学院毕业设计(论文论文)原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作 的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法 律责任由本人承担。 论文作者签名： 年月日 河南工程学院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 题目题目基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 专业专业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学号学号 201350712130 姓名姓名宋红娜宋红娜 主要内容：主要内容： 1系统硬件设计。 2模块化设计。 3主控电路的设计。 4系统设计的仿真实现。 基本要求：基本要求： 1能够实时测量对象温度，超过设定值声光报警。 2DS18B20 测温范围-55oC+128oC，以 0.1oC 递增。 3得到优化的仿真软件程序；蜂鸣器的原理是由振动产生声音。 主要参考资料主要参考资料： 1张开生,郭国法.MCS-51 单片机温度控制系统的设计J.微计算机信息,2005,21(7) 68-69 2 余发山,王福忠.单片机原理及应用技术M.中国矿业大学出版社,2007. 3何立民.单片机应用技术选编M.北京:北京航空航天大学出版社,2004. 4高云红.数字温度传感器在多点温度测量系统中的应用J.沈阳航空工业学院学报, 2006,(02):61-63. 完完 成成 期期 限：限： 指指导导教教师师签签名名： 专业负责人签名：专业负责人签名： 年年 月月 日日 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 目录 摘要.I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 课题设计的背景.1 1.2 课题研究的目的和意义.1 1.3 国内外发展的现状及水平.2 1.4 课题设计的主要内容.3 2 方案的论证比较与选择 .4 2.1 方案设计.4 2.1.1 设计方案一.4 2.1.2 设计方案二.5 2.1.3 设计方案三.6 2.2 方案的比较与选择.6 2.3 本章小结.7 3 系统的硬件设计 .8 3.1 单片机系统设计.8 3.2 温度传感器.10 3.2.1 温度传感器的选用.10 3.2.2 温度传感器 DS18B20.10 3.3 按键及显示电路设计 .12 3.4 本章小结 .14 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 4 软件设计.15 4.1 软件开发工具的选择 .15 4.2 系统软件设计的一般原则 .15 4.3 系统软件设计的一般步骤 .15 4.4 软件的实现 .16 4.4.1 系统主程序流程图.17 4.4.2 传感器程序设计.17 4.4.3 温度测量程序设计.18 4.4.4 键盘程序的设计.19 4.4.5 报警程序的设计.20 4.5 本章小结 .20 5 仿真调试.21 5.1 仿真结果.21 5.2 本章小结 .23 结束语.25 致谢.26 参考文献.27 附录一：硬件仿真图.28 附录二：系统原理图.29 附录三：主程序.30 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 I 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 摘 要 随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素。许多产品对温 度测量范围要求严格，而目前市场上的温度测试仪器都是单点测量，且温度信息传 输是不及时的、不够精确的，从而不利于工业控制来及时做出决定。在这种情况下， 制定出可以多点测量、实时性高、高精度的同步测量方案是很有必要的。因此，毕 业设计以单片机作为核心的部件设计出一种多点温度监测系统。 毕业设计的硬件方面：温度检测部分使用数字温度传感器 DS18B20 检测温度信 号传给单片机 STC89C52 进行显示；温度的显示环节利用 LCD1602 液晶显示器显示 温度；温度上限设定环节利用三个按键调节温度的设定值；按键电路利用三个按键 实现对温度值和功能键的设定；声光报警电路主要有蜂鸣器、发光二极管、三极管， 利用三极管控制电路通断，并且三极管高电平导通。软件方面：根据毕业设计要求 建立仿真原理图，利用 Altium Designer Release 10 软件画原理图，利用 ISIS 软件对 原理图进行仿真，利用 Keil uVision4 软件编译 LCD1602 显示 DS18B20 读温度的程 序。它适用于如大棚温度监控、冷库测温、粮仓温度监控等场所，通过 DS18B20 的 单总线技术，实现对环境的温度测量和监控。 关键词多点温度监测；仿真；单片机；DS18B20 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 II DESIGN AND SIMULATION OF TEMPERATURE MONITORING SYSTEMBASED ON MCU ABSTRACT With social progress and development of industrial technology, People pay more and more attention to the factor of temperature. Many of the products have strict requirements in the range of temperature measurement, currently temperature test instrument is a single point measurement on the market, and the temperature information is not timely, not accurate enough, which is disadvantageous to the industrial control to make timely decisions. IN this form, it is necessary to work out program that can be multi-point measurement, real-time synchronization precision measurement. So,the design of the Single chip microcomputer as the core of the component designs a multi-point temperature monitoring system. The hardware of the graduation design:Temperature detection part of the use of digital temperature sensor DS18B20 detection temperature signal to the microcontroller display;Display link of the Temperature exploits LCD1602 LCD display temperature;Temperature upper and lower limit set link use three key to adjust temperature setting value；The key circuit uses three buttons to realize the setting of temperature and function keys；Sound and light alarm circuit mainly buzzer, light-emitting diode, transistor，the control circuit is broken through the use of transistor,and the low level of the transistor is low.Software:According to the graduation design requirements to establish simulation diagram, Altium Designer Release 10 software painting schematics,Simulation of the schematic diagram with theISIS software,UVision4 Keil software compiled LCD1602 display DS18B20 read temperature program, it is suitable for such as greenhouse temperature monitoring, cold storage temperature, and temperature monitoring and other places of the barn,Single bus technology of through DS18B20,realize temperature measurement and monitoring of the environment. KEY WORDSMulti-point temperature monitoring;Simulation; Single chip processor; Thermometer DS18B20 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 1 1 绪论 1.1 课题设计的背景 温度是关于物体冷热程度的度量，是自然界主要的物理量之一，而温度测量 是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目，温度在工农业生产、现代科 学研究及高新技术开发过程中是一个极其普遍而重要的测量参数，温度测量仪现己 广泛应用于农业实验室，工业，环保，卫生防疫，仓储运输，博物馆，温室等领域， 因此温度测量技术的研究是一个很重要的课题1。同时，温度也是和人们生活环境 有着很大关系的一个物理量，是国际单位制七个基本量之一，它也是一种最基本的 环境参数。人民的生活与环境温度息息相关，物理、化学、生物等学科都离不开温 度。在工业生产和实验研究中，在电力、化工、石油、冶金、机械制造、大型仓储 室、实验室、农场塑料大棚甚至人民的居室里经常需要对环境温度进行检测，并根 据实际的要求对环境温度进行控制。例如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范 围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常运行。炼油过程中， 原油必须在不同的温度和条件下进行分流才能得到汽油、柴油、煤油等产品；没有 合适的温度环境，许多电子产品不能工作，粮仓的储粮就会变质腐烂，酒类的品质 就没有保障。可见，研究温度的测量具有重要的理论意义和推广价值。 随着工业的不断发展，对温度测量的各种要求越来越高。然而随着现代计算机 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2。毕业设计就 是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方便的需求。 1.2 课题研究的目的和意义 在粮库测温系统、冷库测温系统、智能化建筑系统、中央空调系统等多种系统 中都需要多点温度测量系统。因此，多点温度测量技术的实现显得非常的重要。 毕业设计，其目的是在于：掌握数字温度传感器 DS18B20 的原理、性能、使用 特点和方法，利用 Keil 对系统进行编程。本课题综合了电子信息、计算机技术专业 领域方便的知识，具有综合性、科学性、代表性，可全面检验和促进学生的理论素 质和工作能力。本课题的研究可以使学生更好的掌握基于单片机应用系统的分析与 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 2 设计方法，培养创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，提高电子产品研发素 质、增强针对实际应用进行控制系统设计制作的能力。 1.3 国内外发展的现状及水平 传感器的发展处在信息技术的前沿尖端位置，尤其是温度传感器被广泛应用于 工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。目前，国际上新 型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，同时 具有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。随着我国四个现 代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，发展以温 度传感器为载体的温度测量技术具有重大意义。 传感器主要大体经过了两个发展阶段：模拟集成温度传感器，该传感器具有功 能单一、测量误差小、传输距离远、价格低、体积小、微功耗、响应速度快、适用 于远程温度测量和温度控制、不需要非直线性校准、简单的外部电路等优点。在国 内和国际应用集成传感器中它是最常见的典型产品，如 AD590、LM135、TMP17、AD592 等；模拟集成温度控制器包括一个可编程温控开 关、温度控制器，其中 LM56、AD22105 和 MAX6509 为其典型产品。智能温度传 感器是出现在 90 年代中期，是微电子技术、计算机技术和自动测试的结果。在智能 温度传感器包含一个温度传感器、模数转换器、信号处理器、内存和接口电路。一 些产品有多路选择器，中央控制单元(中央处理器)、随机存取存储器(内存)和只读 存储器(光盘)。智能温度传感器能输出温度数据和温度控制的相关量，适合各种单 片机；它是基于硬件在软件测试能力的基础之上开发的，其智能化的高低还取决于 软件开发水平。 综上所述，前人的不足之处我认为有：一般的测量和控制生产都采用不同形式 的温度传感器。在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这将 不可避免地遇到误差补偿，如多点测量的切换误差和信号调理电路的误差问题；如 果处理某一过程的步骤不正确，可能会导致整个系统的性能退化。 随着现代科学技术的迅速发展，特别是大规模集成电路技术的发展，小型化、 一体化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。在美国达拉斯半导体公司推出 的数字温度传感器 DS18B20，具有独特的接口，只需要占用一个输入/输出接口就 可以完成与单片机的通讯；在-10+85温度范围是0.5精度；用户可编程设 定 912 位的分辨率。采用 DS18B20 数字温度传感器组成的多点温度测量系统, 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 3 克服了传统温度测量系统测量精度低、外围硬件电路复杂、可靠性较低等缺点, 具 有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等许多优点, 为多点温度的 测量带来了极大的方便。这些特点使 DS18B20 是非常适合于构建高精度、多点温度 测量系统3。 综上所述：毕业设计采用数字温度传感器 DS18B20 作为测温元件。 1.4 课题设计的主要内容 毕业设计研究的内容主要如下： (1)在查阅相关资料后，毕业设计采用以 STC89C52 为核心的单片机系统，来实现对 温度的监测、报警等功能。 (2)研究比较各相关元器件的功能与特点，选择合适的元器件。 (3)系统硬件设计。系统硬件设计主要包括：温度检测、单片机数据采集处理、显示、 键盘设定、报警电路等部分。 (4)系统软件设计。本课题采用 C 语言，利用 Keil uVision4 编译器进行编程及调试。 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 4 2 方案的论证比较与选择 温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器大致可以 分为传统的分立式温度传感器，模拟集成温度传感器/控制器，智能温度传感器。 2.1 方案设计 2.1.1 设计方案一 AD590 是美国 ANALOG DEVICES 公司的单片集成两端感温电流源，其输出电 流与绝对温度成比例4。 这个方案采用单片机、通过温度传感器 AD590 采集温度信号、经运算放大器把 信号放大、送到 A/D 转换器、利用 44 键盘、LCD 显示电路、集成功率放大器、报 警器，实现多点温度测量和显示，如图 2-1 所示。 44键盘 LCD显示 蜂鸣报警装置 温度传感器2 单 片 机 温度传感器3 温度传感器1 温度传感器4 运算放大器 A/D转换器 集成功放 多路选择器 模拟传感器 AD590 图 2-1 基于模拟温度传感器的测量系统方案 这个方案使用的温度传感器 AD590 元件的性能指标如下： (1) AD590 的测温范围为55oC+150 oC。 (2) AD590 的电源电压范围为 4V30V，可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压， 因而器件反接也不会被损坏。 (3) 输出电阻 710m。 (4) 精度高，AD590 在55oC+150 oC 范围内，非线性误差为0.3oC。 (5) 优点：AD590 可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测 量，AD590 特别适合远程检测应用，具有精度高、价格低、不需辅助电源、线 性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿，得到广泛应用。 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 5 （6）缺点：A/D 转换电路设计较烦琐，而且使用 AD590 进行温度检测必须对端口 进行补偿，以减小误差5。测量温度是把整个器件放到需要测温度的地方， 以及读取数据时，注意的方面较多，这都会给测量造成很大的误差。 2.1.2 设计方案二 这个方案使用 AT89C51 单片机作为控制的核心，以数字温度传感器 DS18B20 为 温度的测量元件，在这个电路中采用 4 个 DS18B20 对各点温度进行检测，通过 44 键盘模块对正常温度进行设置，显示电路采用 LCD1602 模块，如图 2-2 所示。 报警电路可以在被测温度不在上限范围内时，发出报警鸣叫声音。当 DSl8B20 采集到多个温度信号后，进行电信号转换送至 AT89C51 中处理，同时将温度送到 LCD1602 液晶显示器中显示，单片机根据初始化设置的温度上限进行判断处理，即 如果温度大于所设的最高温度和小于所设定的最低温度就启动报警装置6。 优点：DS18B20 利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，系统的抗 干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。 缺点：程序设计复杂，44 键盘模块电路容易发生抖动现象，电路中采用 4 个 DS18B20 对多点温度进行检测，电路繁琐。 按键 LCD显示 蜂鸣报警装置 温度传感器1 单 片 机 温度传感器2 温度传感器2 温度传感器2 图 2-2 基于数字温度传感器的测量系统方案 毕业设计采用数字温度传感器 DS18B20 作为测温元件，它具有如下特点： （1）独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯。 （2）每个器件有唯一的 64 位的序列号存储在内部存储器中。 （3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4）测量温度在-55OC+128 OC 之间。 （5）数字温度计的分辨率用户可以从 912 位选择。 （6）内部有温度上、上限告警设置。 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 6 （7）可通过数据线供电。供电范围为 3.0V5.5V。 （8）在1085范围内精确度为5 2.1.3 设计方案三 这个方案使用 STC89C52 单片机作为控制的核心，以数字温度传感器 DS18B20 为温度的测量元件，在这个电路中采用 2 个 DS18B20 对各点温度进行检测，通过三 个按键对正常温度进行设置，显示电路采用 LCD1602 模块，如图 2-3 所示。 按键 LCD显示 蜂鸣报警装置 温度传感器1 单 片 机 温度传感器2 图 2-3 基于数字温度传感器的测量系统方案 这个方案与方案二工作原理相同，只是这个方案选用 STC89C52 单片机作为控 制的核心，选用三个按键对测量温度进行设置，电路中采用 2 个 DS18B20 对各点温 度进行检测。 优点：毕业设计采用的 STC89C52 单片机作为控制的核心，和 AT89C51 单片机 的区别在于：STC89C52 单片机是一种带有 8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的 低电压，高性能 COMOS8 的微处理器。AT89C51 是一种带有 4K 字节的 Flash ROM。其他的功能基本相同。这个方案电路简单，容易操作7。 2.2 方案的比较与选择 毕业设计采用 2 个 DS18B20 对各点温度进行检测，测温范围为-55 OC+128 OC，精度为0.5 OC。采用 LCD1602 液晶显示器，同时显示路数和温度。 综合模拟温度传感器和数字温度传感器的性能指标，以上三个方案都能达到设 计的要求。 方案一采用模拟温度传感器 AD590，转换结果需要经过运算放大器和 A/D 转换 器传送给处理器。它控制虽然简单，成本低，但是后续电路复杂，且需要进行温度 标定，集成温度传感器 AD590 输出为电流信号，且输出信号较弱，所以需要后续放 大及 A/D 转换电路，如采用普通运放则精度难以保证，而测量放大器价格较高，这 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 7 样会使系统成本升高。 方案二以DS18B20为传感器和AT89C51单片机为控制核心组成多点温度测试系 统，该系统包括电源电路、复位电路、时钟电路、传感器电路、键盘与温度显示电 路、上限报警电路等组成部。采用美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器 DS18B20，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。它具有独特的单总线接口， 仅需要占用一个通用I/0端口即可完成与微处理器的通信。 因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。大大提高了系统的抗 干扰能力。DS18B20 体积小、经济、使用方便灵活，测试精度高，较高的性能价格 比，有 CRC 校验，系统简明直观8。适合于恶劣环境的现场温度测试，如：环境控 制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。但是程序设计比较复杂，稍微操作 不当，都会造成设计的失败。 方案三以 DS18B20 为传感器和 STC89C52 单片机为控制核心组成多点温度测试 系统，该系统包括电源电路、复位电路、时钟电路、传感器电路、键盘与温度显示 电路、上限报警电路等组成部。 方案三和方案二工作原理基本相同，这个方案程序设计比较简单，电路也比较 简单，操作起来更方便，不易出错，如果操作过程中某个方面出错了，更改起来也 比较方便。 综上所述，毕业设计采用方案三对系统进行设计。 2.3 本章小结 随着社会经济的发展，电子产品更新换代的速度也随之呈指数的上升，因此， 元器件的选择和使用成为了难点。温度是日常生活和工农业生产中经常需要测试的 重要参数。传统的方式一般采用热电偶或热电阻,其输出的模拟信号,需经 A/D 转换 后才能送入单片机等微处理器,这样的硬件电路结构复杂,制作成本较高9。近年来,各 种新型温度传感器和测量方法大量出现并成功应用。单总线数字式智能型传感器技 术彻底改变了传统的温度测量方法,直接将温度物理量转化为数字信号并以总线方法 传送到微处理器进行数据处理。其中以美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 为代表 的数字式智能温度传感器凭借其突出优点广泛使用于各种环境的自动化测量及控制 系统中，所以，毕业设计选用了数字温度传感器 DS18B20 作为测温元件。 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 8 3 系统的硬件设计 毕业设计研究的多点测温系统是以 STC89C52 单片机和单总线数字温度传感器 DS18B20 为核心，充分利用单片机优越的内部和外部资源及数字温度传感器 DS18B20 的优越性能构成一个完整的测温系统，实现对温度的测量。整个系统由 STC89C52 单片机控制，能够接收传感器 DS18B20 的温度数据并通过 LCD1602 液晶 显示器显示出来，可以从三个按键输入命令，系统根据命令，选择对应的温度传感 器，并由 LCD1602 液晶显示器对温度显示。设计了一种合理、可行的单片机监控软 件，完成测量和显示的任务。由于单片机具有强大的运算和控制功能，使得整个系 统具有模块化、硬件电路简单以及操作方便等优点。 毕业设计的整个系统主要是由 STC89C52 单片机、LCD1602 液晶显示电路、按 键电路、报警电路等构成。 3.1 单片机系统设计 在快速发展的时代，今天的新科学和技术的发展，单片机的应用越来越受到人 们的重视，它被广泛用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化领域等10。单片机全 名为单片微型计算机，是计算机的一个基本组成部分，使之微型化，可以集成在单 片微机上。目前市场上比较流行的单片机英特尔公司，菲利普公司的 8051 单片机， 摩托罗拉的 M6800 系列微控制器，英特尔 MCS96 系列单片机11。 STC89C52 单片机和 AT89C51 相比具有以下优点： （1）STC89C52 是 ISP 系列的，在线用串口编程，只需要三四根线就可以，但是 AT89C51 要取下来编程比较麻烦。 （2）STC89C52 内带 EEPROM，可以断电后保存资料，比如，温度告警的上限，但 是 AT89C51 要实现断电保存就得另外扩展存储器。 （3）STC89C52 带 ADC 的可以直接接模拟的温度探头，但是 AT89C51 还要外置 ADC。 综上所述：毕业设计运用深圳智威（香港）电子有限公司（WINBOND 代理商）的 STC89C52 进行系统控制，运用到了复位电路，时钟电路，串口，I/O 口。 （1）复位电路：复位操作完成初始化该芯片的单片机电路，可以使单片机从确定的 开始状态运行。复位操作通常是一个上电和开关复位。自动上电复位要求接通电源 后，自动复位操作。开关复位是用按钮来控制单片机的复位电路，如果发生死机， 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 9 单片机的复位按钮按下，使单片机复位。常用的上电复位开关和复位电路如图 3-1 所示。由于电容器充电，使复位持续为一段高电平。当单片机已经投入运行，按复 位按钮，以达到复位操作。单片机复位操作是单片机的初始化过程，包括程序计数 器寄存器 PC=0000H，P0-P3=FFH，SP=07H，其他寄存器是零。 图 3-1 单片机复位电路 （2）时钟电路：STC89C52单片机时钟信号通常是内部振荡器和外部振荡器模式。 XTAL1和XTAL2引脚连接外部晶体振荡器，可以构成内部振荡器方式。单片机有高 增益反相放大器，当连接外部晶体振荡器后，它构成自激振荡器和产生振荡时钟脉 冲。晶体通常用6MHZ、12MHz或24MHZ。内部振荡器如图3-2所示，电容C3、C2 稳定振荡频率，快速振动的作用，电容值通常是530PF。内部振荡器模式获得的时 钟信号比较稳定。外部振荡器的时钟信号送入单片机，这种方法适合用于单片机的 时钟与外部信号保持统一。 图 3-2 单片机时钟电路 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 10 3.2 温度传感器 3.2.1 温度传感器的选用 现代传感器的原理和结构有很大差别，如何根据测量的目的，测量对象和测量 环境合理选择传感器，是在测量前首先要解决的问题。当传感器被确定后，一个匹 配的测量方法和设备就可以使用在实践当中了。测量结果的是否可行在很大部分上 要取决于所选择的传感器能否满足要求。 据测量对象和环境来确定选择哪种类的传感器，需要一个具体而可行的测量准 备工作。必须首先考虑使用哪种原理的传感器，这就需要去分析各种因素来决定。 因为，即使测量一个相同的物理量，有许多传感器原理是可行的，什么样的原理的 传感器更为合适，需要考虑以下具体问题：范围的大小；测量位置对传感器测量体 积的限制；方式是接触式或不接触式；有信号线或非接触测量；传感器是国产或进 口，价格不能站立，或自行开发12。 考虑到灵敏度、频率响应特性、稳定性、线性范围、精度等这些因素，如果测 量目的为定性分析，选择一个重复精度高的传感器就可以了，不推荐使用绝对精度 高的传感器；如若为了得到定量分析，必须获得准确的测量，精度等级应选择满足 要求的传感器。 3.2.2 温度传感器 DS18B20 DS18B20 是美国 DALLAS 公司继 DS1820 之后推出的增强型单总线数字温度 传感器。 它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 DS1820 有了很大 的改进, 给用户带来了更方便的使用13。 采用 DS18B20 数字温度传感器组成的多 点温度测量系统, 克服了传统温度测量系统测量精度低、外围硬件电路复杂、可靠 性较低等缺点, 具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等许多优 点, 为多点温度的测量带来了极大的方便。 DS18B20 是数字温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接 受主机发送的命令，根据 DS18B20 内部的协议进行相应的处理，把转换的温度以串 口发给主机。主机按照通信协议用一个 I/O 口模拟 DS18B20 的时序，发送命令（初 始化命令、ROM 命令、RAM 命令）给 DA18B20，转换完成之后读取温度值，在内 部进行相应的数据处理，用图形液晶模块显示各点的温度。在系统启动之时，用按 键设置各点温度的上限值，当某点温度超过设置值时，报警器开始报警，LCD1602 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 11 液晶显示器显示该传感器的路数、设置温度值、实际温度值、从而实现了对各点温 度的实时监控。 其 DS18B20 原理图如图 3-3 所示。 GND 1 DQ 2 VDD 3 U3 DS18B20 图 3-3 DS18B20 原理图 (1)DS18B20 与单片机的接口设计 DS18B20 温度测量系统有一个简单的测温系统，测温精度高，方便连接。 DS18B20 与单片机的硬件连接方式有： VDD 连接到一个外部电源，GND 接地，输 入/输出接口和单片机的输入/输出接口相连；利用寄生供电，VDD 和 GND 接地。 输入/输出接单片机的输入/输出接口。不管是何种电源方式，输入/输出端口引脚必 须连接大约 4.7k 上拉电阻14。 如图 3-4 所示，在外部电源供电方式下，DS18B20 工作电源由 VDD 引脚接入， 其 VDD 端用 3V55V 电源供电，此时 I/O 线不需要强上拉，不存在电源电流不 足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个 DS18B20 传感 器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20 的 GND 引脚不能 悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是 85。 图 3-4DS18B20 外部电源供电方式 （2）报警电路的设计 系统设计中有光电报警电路，如图 3-5 所示。 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 12 图 3-5 声光报警电路 声光报警电路主要有蜂鸣器，发光二极管，三极管组成。三极管控制蜂鸣器和 二极管的电路通断，并且三极管高电平导通。 3.3 按键及显示电路设计 毕业设计要将传感器的温度信号和按键输入的控制信号都显示出来，利用单片 机 STC89C52 传输控制信号。 （1）毕业设计中，按键主要是用来设置温度的上限，对其上限加和上限减操作，以 达到所要求的温度值。 因此采用三个按键来完成这一功能。按键与单片机连 接电路如图 3-6 所示。 图 3-6 按键与单片机连接电路 （2）显示电路的设计 毕业设计采用长沙太阳人电子有限公司的 1602 字符型液晶显示器显示所测的 温度，一般 1602 字符型液晶显示器的外观和引脚如图 3-7 所示。 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 13 图 3-7LCD1602 的外观 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 LCD2 LM016L 图 3-7 LCD1602 的引脚 LCD1602 引脚功能的说明： 1602LCD 采用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说 明如表 3-1 所示。 表 3-1 LCD1602 引脚功能 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9 D2数据 2VDD电源正极10 D3数据 3VL液晶显示偏压11 D4数据 4RS数据/命令选择12 D5数据 5R/W读/写选择13 D6数据 6E使能信号14 D7数据 7D0数据15 BLA背光源正极 8D1数据16 BLK背光源负极 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 14 3.4 本章小结 在元器件的选取上，应该对 DS1820 的选取多注意，因为 DS18B20 虽然具有测 温系统简单、测温精度高、连接方便等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面 的问题4： （1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS18B20 与微处理器间 采用串行数据传送，因此，在对 DS18B20 进行读写编程时，必须严格的遵守 读写时序，不然无法读取温度测量结果。 （2）在 DS18B20 的有关资料中都没有提到单总线上需要挂接传感 DS18B20 数量问题， 致使让人们误理解可以连接无穷多个 DS18B20，事实上并非如此。只要单总线 上连接的传感器 DS18B20 超过 8 个时，必须解决单片机的总线驱动这个难题， 这个问题需要注意。 （3）挂接传感器的 DS18B20 总线电缆是有长度大小限制的。实践中，当使用普通信 号电缆传输超越 50m 时，获取的温度测量数据就会发生错误。当使用总线电缆 换为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更 多的双绞线带屏蔽电缆时，正常情况下的通讯长度可以得到改善。在这个问题 下主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 DS18B20 进 行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 （4）在 DS18B20 测温程序设计中，向 DS18B20 发出温度转换命令后，程序总要等 待 DS18B20 的返回信号，一旦某个 DS18B20 接触不好或断线，当程序读该 DS18B20 时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 DS18B20 硬 件连接和软件设计时也要给予一定的重视。 基于单片机的多点温度监测系统设计与仿真 15 4 软件设计 4.1 软件开发工具的选择 编程语言是在人机信息交流中最基本的工具，可分为机器语言、汇编语言和高 级语言。用机器语言编写的程序是不容易记住，难以解决，不易于修改。为了克