安全监测课程设计-以AT89S52单片机的厂房温度检测与监控系统设计.doc

课程设计名称：安全检测课程设计 以AT89S52单片机的厂房温度检测与监控系统设计 系（部） 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 2013年 7 月 2 日1.绪论本设计主要设计一种多路温度采集检测系统，采用目前低价位但技术十分成熟的AT89S52单片机作为内核，选用DS18B20作为温度传感器，送到显示器循环显示所测的四路温度数值，并根据现场工业需要，设置了一定范围的报警值，报警优先显示，利用按键消除报警。可用按键查看某一路的温度值，查看时数据采集不中断。软件算法上采用了直接拟合的方法（通过电压-温度关系来计算温度值），符合课题要求。本课题构成的多路温度系统具有结构简单、价格低廉、测量精度高、量程宽的特点，在很多场合具有一定的适用性。1.1选题背景温度是工业对象中主要的被控参数之一，在各个种类的企业中应用广泛的各种加热设备、反应炉设备等都需要严格的控制温度。随着时代的进步，科技的发展，各行各业对于温度采集系统的要求也在不断提高以达到设备环境、生产流程的安全要求，也越来越成为温度采集系统的几个重要指标。随着集成电路技术的越来越快、越来越大规模化的发展，由于单片机具有体积小、功能强、性价比高等优点，基于单片机开发出来的一系列采集、控制系统也逐渐受到广泛关注。采取单片机作为核心，可完成对温度的采集要求。所以基于单片机的多路温度采集系统被广泛应用于很多工业过程控制中，使产品既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。采用单片机设计的多路温度采集系统，可进行温度检测、采集及显示，对于提高生产效率，节约能源、资源都有非常重要的作用。1.2本设计国内外状况二十世纪七十年代单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。在不断的完善通用操作系统的过程中，单片机在数据处理，模拟仿真，人工智能等得到了广泛的应用。单片机目前以8位机为主流，不断增强控制能力，降低成本，减小体积，改善开发环境，以空前的速度迅速而广泛地取代经典电子系统。温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一，它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术的不断提高，温度测量采集技术也在不断的发展着。温度采集是过程控制中的重要课题，各行业对高性能的温度采集系统的需求也在日益增加。在温度采集方面各国均取得了许多可喜的成果，其中前苏联的压石英频率温度计分辨能力可达0.0001摄氏度，而且在-40230摄氏度范围内温度与频率的线性特性；我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001摄氏度，误差在0.05摄氏度以内。国内的温度控制仪发展经历了三个阶段：第一阶段为动圈式控温仪，显示精度差，升温速度和加热时间设定都不能自动控制；第二阶段为数字式控温仪，精度有所提高，但控制精度低，反应不灵敏；第三阶段为智能型控温仪，带有特有的程序，控制精度高，减少了误差。虽然温度的采集方法有很多种，但在很多情况下，对于一些特殊条件的温度测量来讲，想要的到精确的结果并不容易，需要熟练掌握各种测量方法的原理及特点，同时结合设计要求才能完成。与此同时，还需探究新的采集方法，改进以前的技术，以满足不同条件下的温度采集需要。1.3本设计的任务和主要内容如何基于AT89S52对4路温度进行采集的具体要求，有以下几点：（1）选用哪种传感器将温度信号转化为电信号；（2）单片机外围硬件的电路设计；（3）内部程序的编写。在温度采集系统中我们经常用到集成型温度传感器，集成型传感器可以达到较高的精度，在集成型温度传感器的使用过程中，由于采用的单总线传输方式进行对远距离的多点温度进行检测，故在程序的控制上较复杂。新型温度传感器DS18B20具有体积小、精度高、使用电压宽采用一线总线等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。用四只DS18B20同时采集4路温度。AT89S52单片机P3.7接口接单线总线。单片机有一个全双工的串行通讯口，单片机与电脑之间能更好地进行串口通讯。2.系统总体设计2.1系统的概述根据设计要求的性能指标，本系统不仅要满足一定精度的温度采集的基本功能，而且由于测量的路数为4路，还存在多路信号的循环显示问题，还要考虑温度超限报警输出的功能，同时系统还具有显示当前各路的测量温度值的功能和键盘选择显示路数的功能。2.2系统工作原理分析在测温系统中我们常常用到集成型温度传感器，集成型温度传感器可以达到较高的精度，在集成型温度传感器的使用过程中，由于采用的单总线传输方式进行对远距离的多点温度进行检测，所以在程序的控制上比较复杂。在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。根据本课题的设计目标以及硬件的特点，本系统的总体设计框图如图2-1所示AT89S52报警时钟电路键盘电路4位LED显示DS18B20 1DS18B20 2DS18B20 3DS18B20 4 图2-1总体设计框图3.系统的硬件设计一个温度采集系统,包括被采集信息的采集、转换、显示等环节，在本多路温度采集系统设计中，包括CPU的选型以及包括显示电路、存储器、报警电路、电源电路等设计。3.1温度采集系统的开发过程本设计中以DS18B20为传感器、AT89S52单片机为控制核心组成的多点温度测试系统。用4只DS18B20同时测控4路温度（视实际需要还可扩展通道数）。由于每片DS18B20含有唯一的硅串行数，所以在一条总线上可挂接多个DS18B20芯片。从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息，仅需要一根口线（单线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。DS18B20提供9位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。处理时，将DS18B20信号线与单片机一位口线相连，单片机可挂接多片DS18B20，从而实现多点温度检测系统。由于DS18B20只有三个引脚，其中两根是电源线VDD和GND，另外一根用作总线DQ(Data In/Out)，由于其输出和输入均是数字信号且与TTL电平兼容，因此其可以与微处理器直接进行接口，从而省去了一般传感器所必需的中间转换环节。3.2单片机的最小系统设计3.2.1单片机的选型目前，生产单片机的厂商有很多，尤其是近年来微电子技术、计算机技术的飞速发展，比较著名的有Intel、Philips、Microchip、Motorola、Zilog、Atmel等半导体企业。在上述著名的半导体企业产品中，尤其在工业测控场合，运用较多的为Intel公司的MCS-51系列，Microchip公司的PIC系列，如果作单路温度测量，恐怕要选择该系列的CPU，但由于本系统涉及的是多路，各路报警的输出信号需要单独输出，而且考虑信号调理电路的切换等还需要不少的控制线，因此该系列的少引脚特点就不适合本设计的需要，因此，本设计还是选用了ATMEL最新的8位单片机AT89S52作为本系统的CPU。下面简单地介绍一下AT89S52。3.2.2 AT89S52的性能及应用功能特性描述：AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度易失性存储器技术制造，与工业 80S52 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决案，其引脚如图3-1所示。AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或图3-1是AT89S52的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口与P3口复用。其对应的引脚功能：Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM抄写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。AT89S52的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10PF-30PF；另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。本设计采用片内时钟电路，外接晶振和电容组成振荡器。图3-1 AT89S52引脚输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32为。P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输硬件复位为止入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。在对单片机设计中，P0作为数码管的段选选通端口何数字键盘接口。Pin9:RESET/ 复位信号复用脚，当AT89S52通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现2个时钟周期以上的高平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H， P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。 值得注意的是，P0、P1、P2、P3口作为普通I/O口使用时都是准双向口结构，其输入操作和输出操作本质不同，输入操作是读引脚状态，输出是对锁存器的写入操作。当内部总线给口锁存器置0或1时，锁存器中的0、1状态立即反映到引脚上。但在输入操作时，如果锁存器状态为0引脚被钳位0状态，导致无法读出引脚的高电平输入。因此，准双向口作为输入口时，应先使锁存器置1（称之为置输入方式）。然后，再读引脚，例如：要将P1口的状态读入到累加器A中，应执行以下两条指令： MOV P1，#0FFH ；P1口置入方式。MOV A， P1 ；读P1口引脚状态到A。此外，I/O口的端口自动识别功能，保证了无论是P1口（低8位地址）P2口（高8位地址）的总线复用，还是P3口的功能复用，内部资源自动选择不需要用指令进行状态选择。随着计算机技术的发展，单片机的功能越来越强大，寿命长、速度快、低功耗、低噪声、可靠性高的特点及16位、32位单片机的出现，在工业领域仍具有很大的发展潜力。3.2.3时钟电路设计本设计采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。时钟电路通常由晶震控制芯片、电容和晶体震荡器组成。时钟电路是用来产生AT89C51单片机工作时所需要的时钟信号。一般时钟设计有两种形式：内部时钟和外部时钟。AT89C51单片机内部有一个高增益反响放大器，它用来构成振荡器。此放大器有两个引脚，一个是的输入引脚XTAL1，另一个是输出引脚XTAL2，这两个引脚跨接晶体振荡器和用于微调的电容，目的是用来构成一个自激励振荡器。如图3-2时钟电路，晶体振荡器的频率范围一般在1.2MHz和12MHz之间，单片机的运行速度会受到晶振频率的影响，因此晶振频率的选择很重要。晶振的起振频率有两个，一个是11.0592MHZ，另一个是12MHZ，本设计的AT89S52单片机采用的是12MHz。通常电路中的电容C1和C2的值都取为30PF。电路对外接电容的值尽管没有明确的要求，然而电容的晶体振荡器频率会受到电容大小的影响，以及振荡器的稳定性和起振的快速性都会受到影响。为了减少寄生电容，晶振和电容应该与单片机芯片安装时尽可能的靠近，以确保振荡器稳定，可靠地工作。本设计使用NPO电容，原因是它的温度稳定性比较好。时钟电路如图3-2所示。图3-2 时钟电路3.2.4复位电路设计为了使系统能够从正确的初始状态开始工作，就必须在启动单片机的时候对单片机复位。对电源+5V而言，电容C3和电阻R3构成了微分电路。对于上电复位，上电以后，复位电路通过电容使RST持续一段时间的高电平，如果RST能够持续充足时间的高电平，系统就有足够的时间复位，那么就实现了系统复位的可靠性。但是，电容的充电时间决定了RST端持续高电平的时间。随着电容充电的完成，RST端变成低电平。如图3-3所示。对于手动按钮复位，它是通过手动操作按键来给RST一个高电平，这种复位方式可以满足设计的要求，原因是，手动按键的时候总是有一个过程，在这个时间段内，系统能够有足够的时间复位。图3-3中：C7=10uf，R21=4.7k图3-3 复位电路3.3温度采集借口电路设计本设计中以DS18B20为传感器、AT89S52单片机为控制核心组成的多点温度测试系统。用4只DS18B20同时测控4路温度（视实际需要还可扩展通道数）。由于每片DS18B20含有唯一的硅串行数，所以在一条总线上可挂接多个DS18B20芯片。从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息，仅需要一根口线（单线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。DS18B20提供9位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。处理时，将DS18B20信号线与单片机一位口线相连，单片机可挂接多片DS18B20，从而实现多点温度检测系统。由于DS18B20只有三个引脚，其中两根是电源线VDD和GND，另外一根用作总线DQ(Data In/Out)，由于其输出和输入均是数字信号且与TTL电平兼容，因此其可以与微处理器直接进行接口，从而省去了一般传感器所必需的中间转换环节。3.4显示器与键盘电路的设计基于DS18B20的多点温度采集，共模拟了4点温度，具有各点温度采集功能，通过按键设置也可以监控某一通道的温度,还设置报警温度，具有越限报警功能。SW1SW4通道0通道3报警， XUNJIAN为巡检键,关闭进入巡检模式。 在本系统中，由于该温度计还要进行信息的实时显示，所以设计了LED显示电路。LED显示器采用8段发光二极管。共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压。该电路由晶体管（NPN）、显示器（共阳极LED）和电阻构成。3.5报警电路设计在单片机采集温度发生低于或超出所设定的温度时，单片机系统能相应发出提醒。本次设计采用蜂鸣器。蜂鸣器可用AT89S52的I/O口线通过设置PNP的饱和截止驱动蜂鸣器发声,当I/O口线发出具有一定的低电平信号,即可使蜂鸣器报警。报警电路如图3-11所示。图3-11 报警电路总结使用DS18B20数字化温度传感器；实现多路测温；简化了硬件系统，减少了使用模拟传感器要进行放大A/D转换等工作。由于它的级联功能，可以在单总线上挂靠多个器件，而不必占用多个I/O口，因此使系统更简捷。如果长距离测温，还可以使用它的寄生电源功能，省去一根电源线。进行设计和测试后，用模拟值检测按键功能，接着实现了DS18B20对多路温度信号通道的采集，同时也完成了四路通道的循环采集和单通道采集，再根据采集到的实际信号进行运算处理转换成温度值送入显示器显示。在本次设计过程中，对于如何实现软件和硬件的结合有着很大的考验，所要考虑很多因素的影响。如按键去抖动，高低电平的变化等。在毕业设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。 综上所述，用简单的硬件以及编程方法自动建立关系表，在单总线多点温度测量系统中实现了数字温度传感器的自动识别，大大有利于系统的调试、维护，减少维护工作量，并解决了过去维护工作必须由专业人员来完成，而不是由运行人员来完成的不便。本设计创新点在于将单片机技术和一线总线技术相结合，改进现有的用放大和集成电路采集系统。同时充分利用有限端口，在保证