【JL049】基于MCS-51的多路温度检测系统
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【JL049】基于MCS-51的多路温度检测系统,jl049,基于,mcs,51,温度,检测,系统
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本科毕业设计论文 题 目 基于 多路温度检测系统的模拟设计与实现 专业名称 自 动 化 学生姓名 武 俊 宏 指导教师 宋 彩 利 毕业时间 2014 年 6 月 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 毕业 任务书 一、题目 基于 多路温度检测系统的模拟设计与实现 二、指导思想和 目的要求 本题目可锻炼学生对计算机应用系统的理论与设计 能力、绘制电路图的能力和程序设计能力。要求能用 件绘制基于单片机的模拟量检测硬件电路，在 件下用 C 语言编写温度检测程序，将程序与仿真进行关联，实现模拟量检测与显示。 三、主要技术指标 1掌握 片机的工作原理和单片机应用系统的开发过程和系统模拟调试方法。 2掌握 件的应用方法，熟练应用 件编写应用程序代码。 3掌握 件，熟练模拟量检测系统原理图，能将目标程序与硬件关联，进行系统的模拟调试。 4掌握 、 关、 晶显示等常用设备的工作原理，绘制单片机对这些设备控制的原理图，编写控制程序并进行模拟调试。 5掌握 理，设计模拟量检测系统原理图，用 行编程，实现模拟量检测与显示。 6. 按时、按质、按量完成论文撰写，按标准格式装订成册。 四、进度和要求 第 1 周：熟悉 件和 件环境。 第 2 周第 3 周：熟悉单片机最小系统工作原理，用单片机控制 实现流水灯效果。 第 4 周第 5 周：熟悉 晶显示系统的工作原理， 用单片机控制实设计 论文 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 现静态和动态两种显示效果。 第 6 周第 7 周：熟悉开关量输入方法，用单片机控制接收开关值，并将接收值进行显示。 第 8 周第 9 周：熟悉 制 原理图，编写多路关联程序与显示程序。 第 10 周第 11 周：进行设备联调，实现模拟量实时监测与显示。 第 12 周第 13 周：总结设计内容，完成毕业论文初稿。 第 14 周：修改论文，完成正式稿。 第 15 周：提交毕业设计论文，准备答辩工作。 第 16 周：毕业答辩。 五、主要参考书及参考资料 1谭浩强 . C 程序设计（第四版） 华大学出版社， 2蔡美琴，张为民，何金儿，毛敏，陶正苏，毛义梅 . 列单片机系统及其应用（第二版） 等教育出版社， 印） 3彭伟 .单片机 C 语言程序设计实训 100 例 基于 8051+真 子工业出版社， 4邓红，曾 屹 .单片机应用技术实例 金工业出版社， 5黄继昌，张海贵，程宝平，徐巧鱼，贾江涛 .检测专用集成电路及其应用 民邮电出版社， 6刘克刚 .复杂电子系统设计与实现 子工业出版社， 7赵志杰 .集成电路应用系统分析 国电力出版社， 8谢兰清，黎艺华 .数字电子技术项目教程 子工业出版社， 9 ，温度 、 电流、压力、电压、流量 等 已经成为一个必不可少的技术参数，与 现代化大生产紧密联系在一起。温度的检测和控制更是涉及安全生产、产品质量、生产效率、能源优化等方面，而温度检测工具则因此得到了广泛应用和人们的重视。由于传统的温度测量仪器响应慢、精度低、可靠性差、效率低下，难以适应现代化工业的发展进程。目前，随着技术的进步，计算机的迅猛发展，以单片机为核心的微型计算机嵌入式系统已广泛应用于工业控制领域，为温度的测量提供了新的解决路径。 本报告详尽地介绍了基于 路原理、程序以及软件仿真过程。 列单片机以其功 能强、兼容性好而闻名，而 数字式温度传感器 因其高精度著称，二者结合为本设计提供了良好基本功能。此多路 温度测量系统则以 列中的片机为控制核心、智能温度传感器 温度测量元件、晶显示器为显示模块，通过编写 C 语言实现温度的多路检测与报警功能。该系统程序包含主程序，显示程序，温度检测程序以及报警程序等，能够满足高精度、优良的实用性和多路检测等要求，可广泛应用于 高温报警、远距离多点测温 监查等诸多领域。 关键词 ： 温度，多路检测，单片机 ，智能温度传感 器 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 n an of of is to so so of to to of At of of CU in a on of is of in to of as as of of be to 北工业大学明德学院本科毕业设计论文 目录 第一章 绪论 . 1 于单片机的多路温度检测系统概述 . 1 . 1 度传感器技术概念 . 1 多路温度检测系统 . 2 第二章 基于 . 3 统总体结构方案设计与论证 . 3 案一 . 3 案二 . 3 案分析论 证 . 3 统结构方框图 . 4 统的硬件选用 . 4 片机 . 4 晶显示模块 . 5 度传感器 . 6 他部分元器件选用 . 6 件选用列表及代号 . 7 统总体原理综述 . 8 统总体原理 及电源选择 . 8 统整体仿真图 . 8 第三章 系统各模块设计 . 9 控制模块 . 9 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 片机 . 9 钟电路 . 10 位电路 . 11 度采集模块 . 11 度传感器 构 . 12 要组成部分及其功能 . 13 工作原理及应用 . 15 示模块 . 17 块结构详解 . 17 晶显示器 引脚及功能 . 18 晶显示器 工作原理 . 19 警模块 . 22 学报警功能 示灯的作用 . 22 鸣器的声音报警提示 . 22 键模块 . 23 第四章 系统软件设计 . 24 统总体程序结构、流程图及编程 . 24 统 I/O 口分配 . 25 心功能模块程序设计 . 26 度采样模块流程图及程序 . 26 度显示模块流程图及程序 . 29 助功能软件设计 . 34 光报警模块流程图及程序 . 34 键扫描及中断功能设置 . 35 第五章 仿真调试 . 41 试环境 . 41 真软件 . 41 程调试软件 . 41 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 . 41 统初始化，多路温度显示 . 42 度超限报警指示 . 43 键功能仿真实现 . 44 第六章 全文总结 . 46 参考文献 . 47 致谢 . 48 毕业设计小结 . 49 附录 . 50 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1 第一章 绪论 于单片机的多路温度检测系统概述 单片微型 计算机 简称单片机 （ ，是典型的嵌入式微 控制器 ， 诞生于 1971年 ，经历了 大阶段， 这种 集成 I/形成的超大规模集成电路芯片在 不同角度 上 ， 又 可以分为通用型 /专用型、总线型 /非总线型及工控型 /家电型 ，其中本次设计所用到的 列单片机则为通用型，用途广泛。在 很多 领域 单片机 的功能 比专用处理器更适应于嵌入式系统 ， 它 的 广泛的应用 使得单片机成为 世界上数量最多处理器 ，应用到现代人生活的方方面面，比如：计算器，家用电器，手机，电子玩具等等。它所具备的测控能力使它既可以测量电信号，又可以测量温湿度等非 电信号，因此在工业控制，通信信息处理等领域有广泛应用，目前，在电子工业设备领域愈发流行的智能化，遥控化，人性化等高性能都是以单片机为核心的。 美国 1980 年推出 的 8 位 列单片机 ，功能型强，运行速度高，是 工业控制系统中较为理想的机种。 在 片机中已内建时钟产生器，在使用时只需接上石英晶体谐振器（或其它振荡子）及电容，就可以让系统产生正确的时钟信号 ，从 较早 12到如今 40时钟频率，无一不展示出这个系列单片机的强大兼容性和生命力。 度传感器技 术概念 温度是表征物体冷热程度的物理量， 工业化大生产时代是 一个非常 重要 且很普遍的测量参数。温度的测量及控制 在工农业方面发挥的重大作用 促进 了 国民经济的 发展， 如在 冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制。 在广义理论上来看， 传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 转换成可用信号的装置 ，因此它 由信号感受器和信号转换器组成，能够 根据传感器的类型接受特定 信号并将这种信号转换成信息处理系统便于接收和处理的信号 ， 温度传感器就是 （ 指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器 。 人类从 17 世纪伽利略发明温度计开始就走上了科学测量温度之路，随着科学技术的进步，如今 温度传感器 以其 使用范围广，数量多，居各种传感器之首 ，历经了 传统的分立式温度传感器 ， 模拟集成温度控制器 ， 智能温度传感器 3 个 发展 阶段 ， 目前，国际上新型温度传感器正从模拟式 、 数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展 。 数字 温度传感器 在上世纪 90 年代问世， 内部 不仅仅包括 温度传感器、 更有A/D 传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路 ，甚至包括了 多路选择器、 机存取存 （ 和只读存储器（ ，功能强大，可以 输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（ 并且可通过软件来实现测试功能 。 多路温度检测系统 由此，在科技日益进步的今天将测温设备与单片机技术相结合，形成以嵌 入式技术为基础的检测性能好，控制能力强的温度检测系统便应运而生。 以 片机 进行温度处理 ， 数字温度传感器进行温度的采集，使得系统不仅可以提高检测温度的可靠性和方便性，同时能够兼备控制方便，灵活性强，兼容性好等优势 ， 能够在此基础上 同时 辅以显示系统以及其他所需要的辅助功能，还可以满足同时检测多个温度测量点且精确处理多信号的要求。 综上所述，在满足各方面要求的前提下，本文介绍了一种可以实时对四路温度兼测量与显示于一体，并且提供低温或高温超限报警功能 ，同时能够对所检测温度设定温控范围 （设置范围在 0以上） 四大功能于 一身的多路温度检测系统，可以可靠的应用于工农业领域，具有满足高精度，可控能力强，灵活性大等优势。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3 第二章 系统的总体结构设计 统总体结构方案设计与论证 根据设计目的要求，经过研究汇总，温度检测设备选用可行 的方案设计可以分为两种。 案一 基本原理： 首先，采用热敏元件利用其感温效应，将被测环境的温度变化由电压或电流的方式进行采集，之后经过 A/D 转换，形成可由单片机处理的温度数据，经过进一步的运算放大和信号处理后经过单片机处理最终可以在显示面板上表现出来。 该方案在排除显示电路，报警电路和 A/算放大几部分构成。 温度传感器 单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成一定比例，与 A/D 转换器 适配可以经行温度采集。 案二 基本原理：采用数字温度传感器可以直接采集不同被测环境下的温度并直接传递给单片机，由单片机处理后再进行显示。 该方案在排除显示电路，报警电路和 片机外仅仅需要采用多个数字温度传感器 可做为多路温度数据采集模块。 案分析论证 方案一的设计中应用的 时数模转换芯片 者，放大电路在对所采集的信号进行放大处理时容易在温度变动中 受到干扰、损耗，产生较大的测量误差。 方案二采用的数字温度传感器 它可以直接测量温度，采集数据，将温度传感器，数模转换器， 信号放大 几大功能于西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 一身，而且电路简单，可适应单总线和多总线的采集方式，精度高，易于控制。 综上，本次设计采取方案二的设计思路，同时简单化的模块设计，在现场环境中也有利于降低成本，方便装配协调。 系统总体方框图如图 2 图 2统结构方框图 件选用 列单片机是 基础上于 1980 年推出 的 8 位单片机 ，功能显著增强，在其 指令和运行速度 方面较之前的 得很大进展 ，在工业生产，控制设备，点子仪器，家电产品等方面得到广泛应用。在 司将 技术 核心技术授权给了其它 很多 公司 之后 以 8051 为核心 ，根据功能要求而做出适当改变 的 单片机便层出不穷， 是其中之一。 为 列单片机的一种，是基于 8051 的增强版的低电 压，高性能 的 单片机 ， 与最初的 比 间 扩大到 256 字节，内部 4K 字节增加一倍，达到 8K 字节，同时 额示 警 蜂鸣器报警 按键 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 外增加了一个定时器 /计数器 ，同时该单片机采的 工业标准的 核 ，使其兼容标准 指令和引脚，因此在此次设计中采用了 图 2示。 图 2物图 要性能参数： 与 令系统和引脚功能完全兼容； 8擦写周期 大于 1000 次） 全静态操作：时钟频 率 024 三级加密程序存储器； 256 8 字节内部 32 个可编程双向 I O 口线； 3 个 16 位可编程位定时计数器中断； 8 个中断源； 可编程串行 低功耗空闲和掉电模式， 软件设置睡眠和唤醒功能 。 晶显示模块 下流行的液晶显示器除传统的数字显示功能之外还可以满足显示 数字、符号等 要求， 有体积小、功耗少、显示内容丰富等很多优点， 1602是个 可以显示两行，每行 16个 共 32个 字符 的 液晶模块（ 包括 字符和数字） ，显示画面质量 高，内容丰富，且硬件数字式接口可以保证其可靠地操作性，在本设计中，所需 要显示较多的数字和符号，因此，它比传统的七段数码显示器更具优势， 如图 2 图 2602 字符显示图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 度传感器 国 导体公司的数字化温度传感器 世界上第一片支持单接口的温度传感器，体积更小、适用电压更宽、更经济，在使用时可以在程序中设定 9到 12位的分辨率，它的测量精度为 C。 主要特性有： 适应 寄生电 源方式下可由数据线供电； 独特的单线接口方式， 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 双向通讯； 持多点网络功能，多个 以并联在一条三线网络上； 使用中不需要任何外部元件，其传感器和转换电路都集成于一 只类似三极管的集成电路内； 测温范围区间 55 125，其中当温度在 +85时精度为 可编程的分辨率为 9 12 位，对应的温度分辨精度依次为 实现高精度测温； 温度转换速度快：在 9 位分辨率时能够在 将温度转换为数字， 12 位分辨率则可以在 750把温度值转换为数字； 测量结果直接输出数字温度信号，以 一线总线 串行传送给 时可 传送 验码，有强大的抗干扰纠错能力； 电源极性接反时，芯片不能继续正常工作，但不会烧毁。 图 2物图 他部分元器件选用 在本系统中除了完成温度检测的核心功能之外还需要有温度报警功能，温度西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 测量范围设置 功能，于是在本系统的设计中则采用了多个 和蜂鸣器协同完成声光报警以及利用多个按键的配合设置进行控温调整。 除此之外，必备的电容、电阻、三极管也必不可少。部分硬件如图 22 图 2色 图 2鸣器 件选用列表及代号 综合以上诸条，则选取的各部分硬件如表 2示 。 表 2件选用列表 名称 代号 数量 晶显示 单片机 1 度传感器 电容 晶振元件 电解电容 灯 灯 灯 灯 排阻 电阻 7 按键开关 极管 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 电源选择 根据设计要求和硬件选择，系统的核心部分为 及数字温度传感器 助部分为显示电路、报警电路、按键模块、时钟电路、复位电路等构成。 在加载程序后，由中央处理器 多个温度传感器 送温度采集指令； 受指令并开始工作测量温度并 将被测温度转为二进制数据后依次发往 片机接收数据并按照程序处理后使所得数据变为十进制温度值，并在 对应的点阵位置显示出来；同时根据 所编程序，由蜂鸣器和 示灯共同完成温度超限报警，其中 示灯分别对应四个五个按键控制温度上下限的设定，在单片机处理后可以使设定温度在液晶板上显示出来。 由于 本次设计 是 以软件仿真的形式实现，因此，系统（包括 温度采集模块）统一采用 供的 +5V 模拟电源，同时由于 数字温度传感器电源要求范围为 以， +5V 的电压源完全符合要求。但是在在实际应用中，为了提高 温度数据采集模块 的稳定性 将以外部供电的方式加入 在限定范围内的 电源供电。 根据系统原理，在 图 2统整体仿真图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 第三章 系统各模块设计 系统控制核心由单片机、晶振电路、复位电路构成，如图 3 图 3制模块原理图 片机 有 32个外部双向 I/O 口，内含 2 个 外部中断源 ， 3 个 16位可编程定时计数器 ， 2 个全双工串行通信 接口和 2 个读写口线 总共 40 个引西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 脚 。 但不可以在线编程 (S 系列的才支持在线编程 )。其将通用的微处理器和 储器结合在一起，特别是可反复擦写的 储器可有效地降低开发成本。 主要 引脚及其功能分别为： 外接 12振。 外接电阻电容组成的复位电路。 别接 +5V 电源的正负端。 ： 3， 其功能用途由软件定义 。 构封装下的 片机引脚图如图 3示。 图 3脚示意图 钟电路 片机的时钟产生 分为 内部时钟方式和外部 时钟 方式。 其中外部时钟方式多应用于多片单片机系统，在本次设计系统中采用内部时钟方式。在单片机 内部 的 震荡电路 不足以 形成时钟 ， 外部 必须要有 附加电路 ，而这种方式就是通过 在 外接 晶振 作 为 定时元件， 由 内部反相放大器自激振荡，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路 ， 产生时钟 。 在该模块中 引脚 别为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入和来自反向振荡器的输出 ；晶振 的振荡频率与单片机的时钟频率和运行速度成正比，其震荡范围通常在 12间；电容的大小会对石英晶体振荡器频率、振荡器的稳定性和起振的快速性产生影响。 在这里采用频率为 120成一个稳定的西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 自激振荡器， 如图 3示 。 图 3钟电路 位电路 在 片机中为 复位脚 加高电平 2 个机器 周期 （ 24 个振荡周期） 即 可使单片机复位。 单片机 复位后 ， 各 I/O 口呈高电平， 同时 程序计数器从零开始执行程序 ，单片机正常工作。 片机的 复位 电路 方式 一般分为按键复位和上电复位两种方法。按键 复位 在按键 按下 后 得到高电平，单片机复位， 按键 松开后，单片机 则 开始工作。 在本次设计中该模块采用上电复位的方式，在上电瞬间， 过复位电容为 脚施加高电平，同时通过电 阻回路放电向电容器反向充电，使得复位脚电压逐渐降为零（约 10，从而实现复位功能 ， 单片机开始工作。其中复位电容为 10阻为 10k 欧，如图 3示 。 图 3位电路 度采集模块 温度采集模块由多个 字温度传感器组成，多个温度传感器同使用时有两种 选择，其一为以单总线方式布局，形成温度数据采集网络，一般常用于 控制引脚较为紧缺的情况下；其二为采取独立式布局，每个西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 数据 I/O 口 单独与单片机相连。 在本设计中采用的 片机引脚较 多，足以满足需要功能，故采用独立式布局， 同时以外部供电的方式驱动，使得这样的系统 工作稳定 高 ，抗干扰能力强，且电路简单 ， 如图 3示 。 图 3度采集模块 度传感器 构 引脚有三条，分别为 ：接 地 引脚 数字信号 I/O 口引脚 接电源输入端 引脚 其引脚 如图 3部结构如图 3示 。 图 3脚示意图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 图 3部结构图 要组成部分及其功能 数据部分组成及功能： 64 位 的 64 位序列号是出厂前被光刻好的， 首 8 位是产品类型编号， 中间的 48 位 是单个 一序 号， 末 8 位是前 56 位的 光刻 使得 每个 不相同，从而实现多个 在同一总线上的要求。 温度传感器；用来完成温度的测量。 存储在 18两个 8 比特的 ，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0， 这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 如表 3示，当温度显示位设置为 12 位 时在数据转换 后得到的数据 表格式。 表 3度数据格式表 S 3 22 21 20 2S S S S
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