粮仓多点温度控制系统的设计与实现

湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 0 f f 毕业设计论文毕业设计论文 粮仓多点温度控制系统的设计与实现 系系 别 别 电气与铁道供电学院 班班 级 级 铁道信号 112 姓姓 名 名 鲁杰 指导老师 指导老师 蒋小军 日日 期 期 2013 年 12 月 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 1 2014 届毕业设计任务书 一 课题名称 粮仓多点温度控制系统的设计与实现 二 指导老师 蒋小军 三 设计内容与要求 1 课题概述 粮食是人类生存的必需品 我国的公粮现均集中存放在国家或地方的粮库 中 温度是保存好粮食的先决条件之一 为了保证存放在粮仓中的粮食不致腐 烂变质 必须定期抽样检查各点的粮食温度 并使粮仓内的温度 湿度保持在 一定的范围内 可是 我国最大的粮库方圆几公里 仓库房数为数十个 测量 点可达数千个 若采用人工测温 不仅效率低 劳动时间长 而且由于抽样不 彻底 导致部分粮食变质 从而引起大面积的粮食变质 造成重大的经济损失 和严重的后果 因此 粮仓管理的智能化必不可少 本课题意在设计一个粮仓多点温度控制系统 以实现粮仓温度的精确测量 与稳定控制 2 设计要求与内容 1 功能要求 1 定时对粮仓内多点温度和环境温度自动巡检或人为选测 定时间隔可调 2 8 路输入信号 可检测 7 点仓库温度和环境温度 自动比较检测点温度 与环境温度 各点与环境温差超标则闪光响铃报警 温差处于安全范围保持正常 状态不变 3 检测电路 24 小时工作 各检测点编号和温度可显示或记录 2 设计内容 1 确定系统的设计方案 绘制系统组成框图 2 使用 protel 软件绘制各模块电路原理图 并分析其工作原理 3 使用 protel 软件绘制整机电路原理图和 PCB 板图 4 制作实物并进行系统的软硬件调试 5 编写毕业设计说明书 3 主要技术指标 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 2 1 温度检测范围为 40 60 2 温度误差 1 0 3 超过规定的温度范围时报警 4 工作电源 3 6V 四 设计参考书 模拟电子技术 数字电子技术 单片机原理及应用 等 五 设计说明书要求 1 封面 包括设计题目 班级 姓名 指导老师 完成时间 2 目录 根据说明书的内容决定 一般采用 2 3 级 3 设计任务书 包括课题名称 目的 用途 主要技术性能指标 参照教 材目录编排 4 中文题目 摘要 关键词 英文题目 摘要 关键词 5 正文 设计方案框图及电路工作原理 包括系统方框图 电气原理图 各单元电路的设计 简述主要部件 包括主要集成电路 的工作原理 工作条 件 给定参数 理论公式及详细的计算步骤 计算结果 这是说明书的主要部 分 6 元件参数表 包括所选用的元器件名称 参数 型号 7 调试方案 包括调试的条件 方法 使用仪器设备的型号 并对测试数 据进行分析 8 设计心得 包括对本课程设计的客观评价 设计特点 存在的问题以及 改进意见等 9 参考文献 包括作者 署名 出版地 出版年等 六 设计进程安排 第 1 周 资料准备与借阅 了解课题思路 第 2 3 周 设计要求说明及课题内容辅导 完成图纸初稿 第 4 6 周 进行毕业设计 完成说明书初稿 第 7 周 第二次检查设计完成情况 并作好毕业答辩准备 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 3 第 8 周 毕业答辩与综合成绩评定 七 毕业设计答辩及论文要求 1 毕业设计答辩要求 答辩前三天 每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文 专题报告等 必要资料交指导教师审阅 由指导教师写出审阅意见 学生答辩时对自述部分应写出书面提纲 内容包括课题的任务 目的和意 义 所采用的原始资料或参考文献 设计的基本内容和主要方法 成果结论和 评价 答辩小组质询课题的关键问题 质询与课题密切相关的基本理论 知识 设计与计算方法实验方法 测试方法 鉴别学生独立工作能力 创新能力 2 毕业设计论文要求 文字要求 说明书要求打印 除图纸外 不能手写 文字通顺 语言流畅 排版合理 无错别字 不允许抄袭 图纸要求 按工程制图标准制图 图面整洁 布局合理 线条粗细均匀 圆弧连接光滑 尺寸标注规范 文字注释必须使用工程字书写 曲线图表要求 所有曲线 图表 线路图 程序框图 示意图等不准用徒 手画 必须按国家规定的标准或工程要求绘制 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 I 摘要摘要 粮食是人类赖以生存的基本物质 是关系国民生计的重要物资 随着人们 生活水平的提高 全社会对粮食质量问题提出了新的要求 目前我国地方各大 型粮库都存在着不同程度的粮食储存变质的问题 据统计 我国每年因粮食储 存不当而发霉变质的粮食就达上亿斤 造成无法估量的的经济损失 因此对粮 食的温度监控技术在农业上的应用是十分重要的 本设计是一个粮仓多点温度控制系统 是以实现粮仓温度的精确测量与稳 定控制为目的 它主要是由 STC89C51 单片机控制模块 DS18B20 温度采集模块 报警模块 按键模块 数码显示模块等几部分组成 整个系统由单片机通过温度 传感器控制采集温度信息 并将温度信息送入控制电路进行计算和处理 让其在数码 显示管上显示 出环境温度与粮仓内各点温度的当前温度差的测量值 当温度差超 过规定范围时就发出警报 它的优势是抗干扰能力强 功耗低 操作简单 功 能齐全 关键词 STC89C51 单片机 DS18B20 温度传感器 数码显示 报警器 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 II Abstract Food is the basic material of human survival is an important material related to the livelihood of the people with the improvement of people s living standard the whole society puts forward new requirements for the food quality problems at present our country local large grain depot there are different levels of grain storage deterioration of the problem According to statistics every year in China because of the improper storage of grain moldy grain amounted to billions of pounds incalculable economic losses So the application of temperature monitoring technology for grain in agriculture is very important This design is a granary multi point temperature control system is to achieve accurate measurement and stable temperature control for the purpose of It is mainly by the STC89C51 control module DS18B20 temperature gathering module alarm module keyboard module display module The whole system is composed of MCU through the temperature sensor collects temperature information and the temperature information to the control circuit to calculate and process in which the digital display shows the current measurement of the ambient temperature and the temperature difference of each point in the granary temperature value when the temperature exceeds the range will sound the alarm It is the advantage of strong anti interference ability low power consumption simple operation complete function Keyword STC89C51 MCU DS18B20 temperature sensor digital display alarm 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 目录目录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 1 1 课题设计的意义和目的 1 1 1 2 粮情测控系统现状及其发展 2 1 2 国内外温度检测技术的动向与趋势 2 1 3 课题的任务要求 3 1 3 1 设计要求与内容 3 1 3 2 主要技术指标 3 第 2 章 系统方案设计 4 2 1 方案的选择与论证 4 2 1 1 系统总体设计 4 2 1 2 方案的比较与论证 4 第 3 章 系统的硬件设计 7 3 1 单片机技术的发展及应用 7 3 1 1 单片机技术的发展 7 3 1 2 技术的应用 7 3 2 系统温度传感器 9 3 2 1 DS18B20 工作原理 9 3 2 2 DS18B20 的主要性能 10 3 2 3 DS18B20 的内部结构 10 3 2 4 DS18B20 的管脚功能 11 3 2 5 DS18B20 与单片机接口 12 3 3 STC89C52 的介绍 13 3 3 1 STC89C52 的主要性能 13 3 3 2 STC89C52 的引脚功能说明 14 3 4 报警电路 15 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 3 5 显示电路 16 3 5 1 LED 显示器结构与原理 16 3 5 2 LED 数码管编码方式 16 第 4 章 系统的软件设计 19 4 1 模块流程图 19 4 1 1 数码显示程序 19 4 1 2 报警程序流程图 19 4 1 3 主程序流程图 19 结论 21 参考文献 22 致谢 23 附录 1 电路原理图 24 附录 2 电路板 24 附录 3 程序 25 附录 4 元器件清单 35 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 课题背景 粮食存储是国家为了防止战争 灾难及其他突发性事件而采取的有效措施 因此 粮食的安全储藏具有重要的意义 目前 我国很多地方的各种大型粮库 都还存在着程度不同的粮食储存变质的问题 根据国家粮食保护法规 必须抽 样检查粮库各点的粮食温度 以便及时采取相应的措施 早期粮情信息的检测 都是采用手工作业 存在着效率低 劳动强度大等问题 而目前运用的一些粮 情测控系统也存在着结构复杂 测量精度低 维护困难 系统缺乏标准化 系 列化等问题 尤其是大型粮库的温度检测系统任务不能及时彻底完成 则有可 能会造成粮食大面积变质 据有关资料统计 我国每年因粮食变质儿损失的粮 食达到 100 亿斤 直接造成的经济损失是惊人的 粮食的保存至关重要 为了实现粮食的大量储存 本课题设计了一个粮仓 多点温度控制系统 以实现粮仓温度的精确测量与稳定控制 其应用范围甚广 1 1 1 课题设计的意义和目的 当代科学技术日益向高速化 智能化 信息化 网络化发展 不管是生活 还是生产 都离不开自动化 信息社会对工业和农业生产提出了更高 更新的 要求 不仅要节约成本 而且要高效化 温湿度的测量是工业和农业生产中重要的一个环节 尤其对于农业发展 比如大棚种植 粮仓管理等等 都必须保证精确的温湿度控制 防潮 防霉 防腐 防爆是粮仓日常工作的重要内容 也是衡量粮仓管理工作的重要指标 为了保证日常工作的顺利进行 必须加强粮仓内温湿度的监测工作 但传统的 监测方法既费时又费力 而且误差较大 因此需要造价低廉 使用方便 测量 精确的监测系统 为了满足粮仓温湿度的精确控制要求 满足测温湿度过程信号易处理要求 设计一种可远程无线传输的多点监测数字显示的温湿度测量系统 可以完成多 点粮仓温湿度的测量和显示功能 该系统操作简单 功能齐全 是单片机智能 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 2 化的一种应用 1 1 2 粮情测控系统现状及其发展 建国以来 我国粮食储藏工作一直认真贯彻 以防为主 综合防治 的保粮方 针 本着 安全 经济 有效 的原则 广泛开展以清洁卫生为主的物理机械 化学药剂等方面的综合防治及储粮害虫的调查研究工作 学习国内外科学保粮方 法 推广应用科研成果 从而使粮油储藏从最初采用的土法保粮逐步发展到 20 世 纪 80 年代的气控 温控 三低 低温 低氧 低剂量 害虫科学防治 机 械通风和电子测温等科学保粮 到 20 世纪 90 年代初 我国科学保粮数达到储 粮总数的 65 左右 将储粮损失控制在国家规定的标准之内 进入 21 世纪 伴 随绿色食品的快速发展和人民生活水平的不断提高 国家中长期科技发展规划 战略 农业拓展战略研究 中确定了 粮食绿色一条龙 和 农产品绿色 储运 战略 粮食绿色储藏在我国掀开了新的篇章 并得到高度重视 关注和 长足的发展 1 2 国内外温度检测技术的动向与趋势 温度检测的动向与趋势随着工业生产效率不断提高 自动的水平与范围也 不断扩大 因而对温度检测技术的要求也愈来愈高 一般可以归纳一下几方面 1 扩展检测范围 现在工业上通用的检测温度范围为 200 300 摄氏度 而今后要求能测量超高温与超低温 尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切 如 10K 以下的温度检测是当前重点研究课题 2 扩大测温对象温度检测技术将会由点测量发展到线 面 甚至是立的测 量 应用范围将同工业领域延伸到环境保护 家用电器 汽车工业及航天工业 领域 3 发展新型产品利用老的检测技术生产出适合于不同场合 不同工况要求 的新型产品 以满足于用户需要 4 适应特殊环境下测温在工业生产中 对许多场合的温度检测器有特殊要 求 如防硫 防爆 耐磨等性能要求 5 显示数字化 温度仪表向数字化方向发展 其最大优点是直观 无读数 误差 分辨率高 测量误差小 因而有广阔的销售市场 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 3 6 标定自动化应用计算机技术 快速 准确 自动地标定温度检测器 根据上述要求 国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展 a 继续生产量大面广的传统温度检测元件 如 热电偶 热电阻 热敏电阻等 b 加强新原理 新材料 新加工工艺的开发 如近年来已开发的碳化硅薄膜热 敏电阻温度检测器 c 向智能化 集成化 实用化 机电一体化方向发展 1 3 课题的任务要求 1 3 1 设计要求与内容 1 功能要求 1 定时对粮仓内多点温度和环境温度自动巡检或人为选测 定时间隔 可调 2 8 路输入信号 可检测 7 点仓库温度和环境温度 自动比较检测点温 度与环境温度 各点与环境温差超标则闪光响铃报警 温差处于安全范 围保 持正常状态不变 3 检测电路 24 小时工作 各检测点编号和温度可显示或记录 2 设计内容 1 确定系统的设计方案 绘制系统组成框图 2 使用 protel 软件绘制各模块电路原理图 并分析其工作原理 3 使用 protel 软件绘制整机电路原理图和 PCB 板图 4 制作实物并进行系统的软硬件调试 5 编写毕业设计说明书 1 3 2 主要技术指标 1 温度检测范围为 40 60 2 温度误差 1 0 3 超过规定的温度范围时报警 4 工作电源 3 6V 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 4 第 2 章 系统方案设计 确定了课题的目的和意义 根据本课题的研究内容和任务要求 设计出本 课题的研究方案 并将方案进行比较论证 选择较优的方案 阐述方案各个模 块的功能 2 1 方案的选择与论证 2 1 1 系统总体设计 温度检测系统有共同的特点 测量点多 环境复杂 布线分散 现场离监 控室远等 若采用一般温度传感器采集温度信号 则需要设计信号调理电路 A D 转换及相应的接口电路 才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送 到计算机去处理 这样 由于各种因素会造成检测系统较大的偏差 又因为检 测环境复杂 测量点多 信号传输距离远及各种干扰的影响 会使检测系统的 稳定性和可靠性下降 所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分 温度 传感器的选择和主控单元的设计 温度传感器应用范围广泛 使用数量庞大 也高居各类传感器之首 2 1 2 方案的比较与论证 一 传感器部分 方案一 采用热敏电阻 可满足 40 摄氏度至 90 摄氏度测量范围 但热敏电阻精度 重复性 可靠性较差 对于检测 1 摄氏度的信号是不适用的 而且在温度测量 系统中 采用单片温度传感器 比如 AD590 LM35 等 但这些芯片输出的都是模拟 信号 必须经过 A D 转换后才能送给计算机 这样就使得测温装置的结构较复杂 另外 这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器 不能进行多点测量 即使能实 现 也要用到复杂的算法 一定程度上也增加了软件实现的难度 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 5 方案二 AD590 是一种单片集成的两端式温度敏感电流源 它具有线性优良 性能 稳定 灵敏的高 无需补偿 热容量小 抗干扰能力强 可远距离测温且使用 方便的优点 首先要通过温度传感器将温度转换成电量 把它的电流信号转换 成电信号 然后放大 输入到 A D 转换电路 在输入到数码管显示出来 方案三 进而考虑到用温度传感器 在单片机电路设计中 大多都使用传感器 所 以可以采用一只温度传感器 DS18B20 此传感器可以很容易直接读取被测温度 值 进行转换就可以满足设计要求 采用数字温度芯片 DS18B20 测量温度 输 出信号全数字化 便于单片机处理及控制 省去传统的测温方法的很多外围电 路 且该芯片的物理化学性很稳定 它能用做工业测温元件 此元件线形较好 在 0 100 时 最大线形偏差小于 1 DS18B20 的最大特点之一采用了单总 线的数据传输 由数字温度计 DS1820 和微控制器 AT89C51 构成的温度测量装置 它 直接输出温度的数字信号 可直接与计算机连接 这样 测温系统的结构就比较 简单 体积也不大 且由于 AT89C51 可以带多个 DSB1820 因此可以非常容易实现 多点测量 轻松的组建传感器网络 方案论证 从以上三种方案 很容易看出 方案一 方案二需要对温度信号进行放大 转换 十分麻烦 电路复杂 且工作量大 稳定性差 方案三 电路比较简单 软件设计也比较简单 故采用方案三 采用温度芯片 DSB1820 测量温度 可以 体现系统芯片化这个趋势 部分功能电路的集成 使总体电路更简洁 搭建电 路和焊接电路时更块 而且 集成块的使用 有效地避免外界的干扰 提高测 量电路的精确度 所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势 本方案应 用这一温度芯片 也是顺应这一趋势 二 单片机控制部分 方案一 此方案采用 PC 机实现 它可在线编程 可在线仿真的功能 这让调试变得 方便 且人机交互友好 但是 PC 机输出信号不能直接与 DS18B20 通信 需要通 过 RS232 电平转换兼容 硬件的合成在线调试 较为繁琐 很不简便 而且在 一些环境比较恶劣的场合 PC 机的体积大 携带安装不方便 性能不稳定 给 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 6 工程带来很多麻烦 方案二 此方案采用 STC89C51 八位单片机实现 单片机软件编程的自由度大 可通 过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制 而且体积小 硬件实现简单 安 装方便 既可以单独对多 DS18B20 控制工作 还可以与 PC 机通信 运用主从分 布式思想 由一台上位机 PC 微型计算机 单片机多点温度数据采集 组成 两级分布式多点温度测量的巡回检测系统 实现远程控制 另外 STC89C51 在工 业控制上也有着广泛的应用 编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟 方案论证 从以上两个方案可以看出 方案二更适合本设计 因为它而且体积小 硬 件实现简单 安装方便 故本设计采用方案二 三 系统方案 综上所述 传感器部分采用温度传感器 DS18B20 主控部分采用 AT89C51 单片机 总体结构方框图如图 2 1 1 所示 单片机 STC89C52 温度传感器 按键模块 显示模块 报警模块 温度传感器 温度传感器 温度传感器 温度传感器 温度传感器 温度传感器 温度传感器 图 2 1 1 总体结构方框图 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 7 第 3 章 系统的硬件设计 3 1 单片机技术的发展及应用 3 1 1 单片机技术的发展 单片机 又称微控制器 Microcontroller 是把中央处理器 存储器 定 时 计数器 Timer Counter 各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片 上的微型计算机 与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比 它更强调自供 应 不用外接硬件 和节约成本 它的最大优点是体积小 可放在仪表内部 但存储量小 输入输出接口简单 功能较低 由于其发展非常迅速 旧的单片 机的定义已不能满足 所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器 自单片机出现至今 单片机技术已走过了近 20 年的发展路程 纵观 20 年来 单片机发展历程可以看出 单片机技术的发展以微处理器 MPU 技术及超大规模 集成电路技术的发展为先导 以广泛的应用领域拉动 表现出较微处理器更具 个性的发展趋势 其发展速度大约每两三年就要更新一代 集成度增加一倍 功能翻一番 其发展速度之快 应用范围之广 已经达到了惊人的地步 它已 渗透到生产和生活的各个领域 目前单片机的品种很多 但其中最典型的是 MCS 51 单片机 它是美国 INTE 公司于 1980 年推出的产品 与 MCS 48 单片机相比 它的结构更先进 功能更 强 在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令 指令数达 111 条 MCS 51 单片机可以算是相当成功的产品 一直到现在 MCS 51 系列或其兼容的单片机 仍是应用的主流产品 3 1 2 技术的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单片 机的踪迹 导弹的导航装置 飞机上各种仪表的控制 计算机的网络通讯与数 据传输 工业自动化过程的实时控制和数据处理 广泛使用的各种智能 IC 卡 民用豪华轿车的安全保障系统 录像机 摄像机 全自动洗衣机的控制 以及 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 8 程控玩具 电子宠物等等 这些都离不开单片机 更不用说自动控制领域的机 器人 智能仪表 医疗器械以及各种智能机械 单片机广泛应用于仪器仪表 家用电器 医用设备 航空航天 专用设备 的智能化管理及过程控制等领域 大致可分如下几个范畴 智能仪器 单片机具有体积小 功耗低 控制功能强 扩展灵活 微型化和使 用方便等优点 广泛应用于仪器仪表中 结合不同类型的传感器 可实现诸如 电压 电流 功率 频率 湿度 温度 流量 速度 厚度 角度 长度 硬 度 元素 压力等物理量的测量 采用单片机控制使得仪器仪表 数字化 智 能化 微型化 且功能比起采用电子或数字电路更加强大 例如精密的测量设 备 电压表 功率计 示波器 各种分析仪 工业控制 单片机具有体积小 控制功能强 功耗低 环境适应能力强 扩展灵 活和使用方便等优点 用单片机可以构成形式多样的控制系统 数据采集系统 通信系统 信号检测系统 无线感知系统 测控系统 机器人等应用控制系统 例如工厂流水线的智能化管理 电梯智能化控制 各种报警系统 与计算机联 网构成二级控制系统等 家用电器 现在的家用电器广泛采用了单片机控制技术 从电饭煲 洗衣机 电 冰箱 空调机 彩电 其他音响视频器材 再到电子秤量设备和白色家电等 网络和通信 现代的单片机普遍具备通信接口 可以很方便地与计算机进行数据 通信 为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件 现在的通 信设备基本上都实现了单片机智能控制 从手机 电话机 小型程控交换机 楼宇自动通信呼叫系统 列车无线通信 再到日常工作中随处可见的移动电话 集群移动通信 无线电对讲机等 医用设备领域 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛 例如医用呼吸机 各种 分析仪 监护仪 超声诊断设备及病床呼叫系统等等 汽车电子 单片机在汽车电子中的应用非常广泛 例如汽车中的发动机控制器 基于 CAN 总线的汽车发动机智能电子控制器 GPS 导航系统 abs 防抱死系统 制动系统 胎压检测等 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 9 此外 单片机在工商 金融 科研 教育 电力 通信 物流和国防航空 航天等领域都有着十分广泛的用途 3 2 系统温度传感器 本设计系统选用的是增强型单总线数字温度传感器 DS18B20 它在测温精度 转换时间 传输距离 分辨率等方面有很大的优点 DS18B20 有三只引脚 GND DQ VDD 如图 3 2 1 1 GND 为电源地 2 DQ 为数字信号输入 输出端 3 VDD 为外接供电电源输入端 在寄生电源接线方式时接地 图 3 2 1 DS18B20 引脚图 3 2 1 DS18B20 工作原理 DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上 从而抗干扰力 更强 其一个工作周期可分为两个部分 即温度检测和数据处理 18B20 共有 三种形态的存储器资源 它们分别是 1 ROM 只读存储器 用于存放 DS18B20ID 编码 其前 8 位是单线系列编码 DS18B20 的编码是 19H 后面 48 位是芯片唯一的序列号 最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 码 冗余校验 数据在出产时设置不由用户更改 DS18B20 共 64 位 ROM 2 RAM 数据暂存器 用于内部计算和数据存取 数据在掉电后丢失 DS18B20 共 9 个字节 RAM 每个字节为 8 位 第 1 2 个字节是温度转换后的数 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 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 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 10 3 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 DS18B20 共 3 位 EEPROM 并在 RAM 都存在镜像 3 2 2 DS18B20 的主要性能 1 可用数据线供电 电压范围 3 0 5 5v 2 测温范围 在 10 85 时精度为 0 5 3 可编程的分辨率为 9 12 位 对应的可分辨温度分别为 0 5 0 25 0 125 和 0 0625 4 独特的单线接口仅仅需要一个端口引脚进行通讯 3 2 3 DS18B20 的内部结构 DS18820 的内部结构主要由 64 位光刻 ROM 温度传感器 非易失性温度报 警触发器 TH 和 TL 配置寄存器等组成 如图 3 2 2 64位ROM 和单总线 端口 暂存器 存储器和控制部分 高速暂存器 下线触发TL 上限触发TH 温度传感器 8位CRC产生器 图 3 2 2 DS1802 内部结构图 1 64 位光刻 ROM 可以看作为该器件的地址序列号 其作用是使每一个出 厂的 DS18820 地址序列号都各不相同 这样 就可以实现一根总线上挂接多个 DS18820 的目的 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 11 2 DS18820 中的温度传感器完成对温度的测量 输出格式为 16 位符号扩 展的二进制补码 当测温精度设置为 12 位时 分辨率为 O 0625 即 O 0625 LSB 其二进制补码格式如图 3 2 3 所示 图 3 2 3 二进制补码格式 3 DS18820 中的低温触发器 TL 高温触发器 TH 用于设置低温 高温的报 警数值 DS18820 完成一个周期的温度测量后 将测得的温度值和 TL TH 相比 较 如果小于 TL 或大于 TH 则表示温度越限 将该器件内的告警标志位置位 并对主机发出的告警搜索命令做出响应 需要修改上 下限温度值时 只需使 用一个功能命令即可对 TL TH 写入 十分方便 4 DS18820 中的高速暂存器是一个 9 字节的存储器 开始两个字节为被测 温度的数字量 第 3 4 5 字节分别为 TH TL 配置寄存器的复制 每一次上 电复位时被重写 配置寄存器有 R0 R1 组成 其值决定温度转换的精度位数 转换时间 第 7 字节为测温计数的剩余值 第 8 字节为测温时每度的计数值 第 9 字节读出的是前 8 个字节的 CRC 校验码 通过此码 可判断通讯是否正确 3 2 4 DS18B20 的管脚功能 如图 3 2 4 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 12 图 3 2 4 DS18B20 引脚图 序 号 名称引脚功能描述 1GND地信号 2DQ数据输入 输出引脚 开漏单总线接口引脚 当被用着在寄生电源 下 也可以向器件提供电源 3VDD可选择的 VDD 引脚 当工作于寄生电源时 此引脚必须接地 3 2 5 DS18B20 与单片机接口 DS1820可以采用两种方式供电 一种是采用电源供电方式 此时DS1820的1 管脚接地 2脚作为信号线接单片机的I O口 电源与数字输入管脚间需接一个 4 7K的电阻 3管脚接电源 如图4 1所示 另一种是寄生电源方式 如图4 2所 示 单片机端口接单片机总线 为保证在有效的DS1820 时钟周期内提供足够的 电流 可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉 当 DS18B20 处于些存储器操作和温度 A D 转换操作时 总线上必须有强的 上拉 上拉开启时间最大为 10 s 采用寄生电源供电方式时 VDD和 GND 端均接 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 13 地 由于单线制只有一根线 因此发送端接口必须是三态的 单片机 VC C D Q GND Vcc 4 7 K 图 3 2 5 DS18B20 采用电源供电方式的电路图 单片 机 Vcc Vc c DS18B 20 DS18B 20 DS18B 20 4 7 K 图 3 2 6 DS18B20 采用寄生电源的电路图 3 3 STC89C52 的介绍 本系统选用的单片机型号为 STC89C52 STC89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 STC89C52 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 STC89C52 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 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 14 冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash 3 3 1 STC89C52 的主要性能 STC89C52RC 单片机 8K 字节程序存储空间 512 字节数据存储空间 内带 2K 字节 EEPROM 存储空间 可直接使用串口下载 AT89S52 单片机 8K 字节程序存储空间 256 字节数据存储空间 没有内带 EEPROM 存储空间 3 3 2 STC89C52 的引脚功能说明 如图 3 3 1 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 15 图 3 3 1 STC89C51 引脚图 1 8 脚 I OP1 口 P1 0 P1 7 P1 口是从内部提供上拉电阻器的 8 位双 向 I O 口 P1 口缓冲器能接收和输出 4 个 TLL 门电流 9 脚 复位脚 RST Vpd 复位输入 当振荡器复位时 要保持 RST 引脚 2 个机器周期的高电平时间 10 17 脚 I OP3 口 P3 0 RXD P3 1 TXD P3 2 INT0 P3 3 INT1 P3 4 T0 P3 5 T1 P3 6 WR P3 7 RD P3 口是 8 个带内部上拉电 阻器的双向 I O 口 可接收和输出 4 个 TLL 门电流 18 19 脚 晶振 18 XTAL2 19 XTAL1 反向振荡放大器的输出 输入 20 脚 地 Vss 接地 21 28 脚 I OP2 口 P2 0 P2 7 P2 口为内部上拉电阻器的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收和输出 4 个 TLL 门电流 29 脚 PSEN 外部程序存储器的选通信号 30 脚 ALE PROG 31 脚 EA Vpp 32 39 脚 I OP0 口 P0 7 P0 0 P0 口为 8 位漏极开路双向 I O 口 每 引脚可吸收 8 个 TTL 门电流 40 脚 5V 电源 3 4 报警电路 本系统采用单片机与蜂鸣器相连来显示当前系统所处的状态来报警 如图 3 4 1 所示 其中 P3 0 口与蜂鸣器中间接一个电阻起到防止电流过大 保护器 件的作用 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 16 图 3 4 1 报警电路模块 图 3 41 为系统报警模块的电路图 单片机把接收来的数字温度信号与所设 置的温度信号比较 一旦发现超出了设定的范围 由单片机的 P2 0 引脚置高电 平 驱动三极管 8550 使继电器吸合 二极管亮 同时 蜂鸣器响 发出报 警信号 当实际温度值低于温度下限值时 蜂鸣器不报警 表示当前温度低于 上限值 系统处于安全状态 相反 当实际温度值高于温度上限值时 蜂鸣器 报警 系统则需要报警 3 5 显示电路 在单片机应用系统中 如果需要显示的内容只有数码和某些字母 使用 LED 数码管是一种较好的选择 LED 数码管显示清晰 成本低廉 配置灵活 与 单片机接口简单易行 3 5 1 LED 显示器结构与原理 七段 LED 显示器共有 8 个发光二极管 其中 7 个发光二极管用于构成七笔 字形 另一个发光二极管构成小数点 七段 LED 显示器有共阴极和共阳极两种 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 17 接法 如下图所示 共阴极接法 将 8 个发光二极管的阴极连接在一起 高电 平输入有效 LED 发光 共阳极接法 将 8 个发光二极管的阳极接在一起 低电 平输入有效 LED 发光 七段 LED 显示器显示原理简单 只要控制其中各段 LED 的亮与灭即可显示出相应的数字 字母或符号 如图 3 5 1 所示 图 3 5 1 7 段 LED 显示器 3 5 2 LED 数码管编码方式 当 LED 数码管与单片机相联时 一般将 LED 数码管的各笔段引脚 a b g Dp 按某一顺序接到 MCS 51 型单片机某一个并行 I O 口 D0 D1 D7 当该 I O 口输出某一特定数据时 就能使 LED 数码管显示出 某个字符 例如要使共阳极 LED 数码管显示 0 则 a b c d e f 各笔段 引脚为低电平 g 和 Dp 为高电平 LED 数码管编码方式有多种 按小数点计否可分为七段码和八段码 按共 阴共阳可分为共阴字段码和共阳字段码 不计小数点的共阴字段码与共阳字段 码互为反码 按 a b g Dp 编码顺序是高位在前 还是低位在前 又可 分为顺序字段码和逆序字段码 甚至在某些特殊情况下将 a b g Dp 顺 序打乱编码 图 3 5 2 为共阴和共阳 LED 数码管几种八段编码表 这里采用共 阴极数码管的编码方式 图 3 5 2 共阴和共阳 LED 数码管几种八段编码 共阴顺序小数点暗 共阴逆序小数点暗共阳共阳 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 18 Dp g f e d c b a 16 进 制 a b c d e f g dp 16 进 制 顺序 小数 点亮 顺序 小数 点暗 0 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH1 1 1 1 1 1 0 0FCH40HC0 H 1 0 0 0 0 0 1 1 0 06H0 1 1 0 0 0 0 0 60H79HF9 H 2 0 1 0 1 1 0 1 1 5BH1 1 0 1 1 0 1 0DAH24HA4 H 3 0 1 0 0 1 1 1 1 4FH1 1 1 1 0 0 1 0F2H30HB0 H 4 0 1 1 0 0 1 1 0 66H0 1 1 0 0 1 1 066H19 H99 H 5 0 1 1 0 1 1 0 1 6DH1 0 1 1 0 1 1 0B6H12 H92 H 6 0 1 1 1 1 1 0 1 7DH1 0 1 1 1 1 1 0BEH02 H82 H 7 0 0 0 0 0 1 1 1 07H1 1 1 0 0 0 0 0E0H78 HF8 H 8 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH1 1 1 1 1 1 1 0FEH00 H80 H 9 0 1 1 0 1 1 1 1 6FH1 1 1 1 0 1 1 0F6H10 H90 H 图 3 5 3 为本系统数码管显示电路模块 它的主要工作就是将单片机控制 系统里处理出来的温度差进行数码显示 数码显示管下面的四个三极管是用来 驱动数码管显示的 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 19 图 3 5 3 数码管显示电路模块 第 4 章 系统的软件设计 4 1 模块流程图 4 1 1 数码显示程序 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 20 显示子程序流程图 4 1 2 报警程序流程图 4 1 3 主程序流程图 软件的设计相较于硬件设计 更容易让人一目了然 简单明了 下图为本 系统的主程序流程图 首先初始化定时器 判断按下哪个按键 然后定时时间 到显示读取下一个的温度差值 由单片机通过温度传感器控制采集温度信息 并将温度信息送入控制电路进行计算和处理 让其在数码显示管上显示 当温 差超值时就显示 报警 温差未超值就只显示 如此循环 以每按一个不同的 开始 当前数字温度 报警 与设定值比较 是否超出范 围 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 21 按键来判断环境温度与其它 7 个粮仓温度的温度差是否超值 来进行是否报警 的循环 主程序流程图 结 论 两个多月的毕业设计终于在今天画下了句点 在这两个多月中 我遇到了 很多很多的问题 对于 WORD 文档的笨拙使用以及对于课题的不理解 一直在都 在拖着毕业论文的进度 还好 身边有许多老师和同学的帮助让我如期的完成 本次的设计论文 开始 结束 初始化定时器 报警 定时时间到显示读取下一 通道的温度值 显示温度值 判断是哪个按键按 下 并执行相应操 作 温差超值 按键按下 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 22 本次设计中不仅要求我具有扎实的理论基础 还需要很强的动手能力 善 于发现问题 分析问题 解决问题的思维能力 同时 此次毕业设计也是我踏 入社会大门之前对自身水平的一次考验和检测 通过设计对自身的技能水平和 理论基础有一个全面的 客观的评价 此次设计是不同于以往的任何一次课程设计 从选题到制作都是经过深思 熟虑的 所选的设计要符合本专业 全面的涉及所学的知识 并能高于课本 是对自己理论知识和实际操作能力的一个考验和检查 而且制作过程中需要足 够的自觉性和责任感 遇到问题 绝不能马虎了事 要有严谨的科学态度 正 确的分析方法 此次课程设计对我来说收获颇多 采用单片机 STC89C52 处理温度数据的多点温度监测系统的设计已基本实现 所有要求的功能 本系统能够提供直观的温度数据显示 从那些温度数据的变 化情况 人们可以了解特定环境的温度变化状况 然后 可针对不利环境采取 一系列的措施 本系统也有一些不完善的地方 例如 可以通过红外无线技术实现远程测 温 这样就能够运用到各种密闭的环境中 没有完备的抗干扰措施防止系统在 恶劣环境下收到干扰 通过这次的课题设计 我学到了很多东西 我想这对自己今后的学习或者 工作都会有很大的帮助 特别是这次的论文 以前一直不知道用 WORD 写一篇论 文原来是这么的不容易 现在对 WORD 的运用更熟练了 当然更重要的是进一步 消化了课堂里学到的一些知识的同时 我对单片机的学习产生了更加浓厚的兴 趣 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 23 参考文献 1 张菁 单片机温度控制系统方案的研究 上海交通大学报 2007 41 2 王永志 刘媛媛 大型粮库的温湿度监测报警控制系统 J 农机化研究 2008 08 3 丁英丽 基于电容式传感器的粮食水分测量仪 J 传感器技术 2003 04 30 37 4 林文华 粮库的温度湿度自动测试系统 J 电脑学习 2003 04 50 55 5 高美珍 基于 PIC16 单片机和 HM1500 的湿度测量 J 电子工程师 2004 10 6 何立民 单片机高级教程 应用与设计 M 北京航空航天大学出版社 2002 7 徐爱钧 单片机高级语言 C51 Windows 环境编程与应用 M 电子工业出版社 2001 8 Wolfgang GopelSensorsandAcmatorsB J 18 19 1 21 1994 9 周虹 赵克勤 仓贮环境的湿度测量与仪器的选用 J 茶叶机械杂志 2000 03 20 23 10 苏宝平 全力 新型粮仓温湿度智能化测控系统 J 农机化研究 2004 02 10 16 11 胡劲松 吴捷 单片机多机通信的新型方式 J 电子技术应用 1997 08 12 李德振 湿度监测系统设计方案 J 电子制作 2010 01 11 14 25 13 Microchip 推出超低功耗的 18 引脚 PIC 单片机 J 电子与电脑 2010 01 73 14 程海婴 基于 DS18B20 粮仓温湿度智能控制系统 J 知识经济 2010 01 117 118 15 龙庆华 智能温室计算机自动监控系统 J 华南师范大学学报 自然科学版 2002 01 16 赵海涛 张政保 基于单片机的火炮膛内瞬态温度测试系统 J 仪表技术 2010 02 16 18 17 何鹏 袁琪 丁春欣 传感器在温室大棚环境控制中的应用 J 计算机与 农业 2002 07 21 23 18 王立琦张礼勇 基于 CAN 总线的通用多点温度控制系统 哈尔滨商业大学 学报 自然科学版 2004 01 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 24 致 谢 本次论文从选题到完成 每一步都是在导师的悉心指导下完成的 倾注了 导师大量的心血 在此 谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢 首先 我要 衷心的感谢