分布式温湿度监测系统的设计.doc

郑州航空工业管理学院毕 业 论 文（设 计） 2008 届 通信工程 专业 0813071 班级题 目 分布式温度监测系统 姓 名 学号 指导教师 楚随英 职称 高级实验师 二一二年 5 月 16 日内 容 提 要本系统采用单总线传感器网络的设计思想，包含了二个组成部分：数据采集，单片机控制，是基于DS18B20传感器和STC89C51单片机为核心的采用数字化单总线技术的智能检测系统,其中控制部分外接显示电路、报警电路、按键、以及基本的晶振复位电路。本设计通过智能传感器DS18B20采集并存储测量数据,然后将数据传送给单片机并与设定的温度高、低界限相比较,若当前温度值超过高温界限，LED1灯会亮并启动报警器，三极管Q1导通,继电器U1的常开触点闭合;若当前温度值低于低温界限，LED2灯会亮并启动报警器,三极管Q2导通,继电器U2常开触点闭合。通过LED显示器和LED灯来显示当前温度值并判断当前温度是否超过了所设定的最高和最低温度界限。关 键 词单片机；温度；传感器；测量The design of distributed temperature monitoring081307120 Ma Xiaolong The tutor Chu SuiyingSenior ExperimentlistAbstractThis system uses an design idea based on one-wire sensor network, consisting the data acquisition, and MCU control. It is an intelligent detection system based on DS18B20 sensors and STC89C51 MCU as the core of digital one-wire technology.Control circuit consists of warning,serial communication, display and temperature acquisition. In this system, intelligent sensor DS18B20 collection and storage measurement datas.Then datas are sent to microcontroller and compared with the temperature boundries has been set.If current temperature is higher than upper bound,the LED1 will be bright and start clarm, the transisitor-Q1 will be conduct and the ralay will be contact closed at the same time.On the countrary,if it is lower than lower limit,the LED2 will be bright and start clarm, the transisitor-Q2 will be conduct and the ralay will be contact closed at the same time. Through the LED display and LED lights to display the current temperature and the temperature is more than the judge to set the highest and lowest temperature limits.KeywordsSingle chip microcomputer;Temperature;Sensor;Measurement目 录一、绪论11.1选题意义11.2 温度检测与控制系统在国内外的发展概况1二、总体系统的设计以及关键器件的选择22.1 总体系统的设计32.2.1 DS18B20简介32.2.2 DS18B20的工作原理82.2.3 DS18B20的控制方法102.2.4 DS18B20使用中的注意事项12三、系统硬件电路设计133.1 原理图电路13图3.1 原理图电路143.2 各部分电路153.2.1 显示电路153.2.2 单片机电路153.2.3 DS18B20传感器电路163.2.4 继电器电路163.2.5 晶振控制电路163.2.6 复位电路17四、系统软件设计174.1 系统设计的整体思想174.2 系统总流程图184.3 系统各部分流程图194.3.1 写入子程序流程图194.3.2 读温度子程序流程图204.3.3 复位,应答子程序流程图224.4 系统程序设计23致 谢28参考文献29 111温度监测系统的设计081307120 马孝龙 指导教师 楚随英 高级实验师一、绪论1.1选题意义随近年来，在我国以信息化带动的农业生成技术正在蓬勃发展.在农业生产中，对一些反季节种植作物大棚进行温湿度的检测和控制是非常必要的，直接关系到作物的生长状况，进而决定着菜农的收入状况，结果造成了不必要的损失.目前，我国很多地方的种植大棚温度检测和控制的方法还比较落后原始，还在采用温度计进行对温度的检测，这样不利于大规模的种植，限制了农业生产规模的扩大。为了提高农作物的产量和产品质量，因此对种植大棚室内温湿度的检测系统的改进研究是迫切需要进行的.1.2 温度检测与控制系统在国内外的发展概况我国对模糊控制理论的研究与应用起步比较晚，虽然发展很快，在各个领域取得了许多有影响的成果。诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。但是依然和国外发达国家的技术有一定的差距，具体表现在如下几个方面：1.行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。2.仪表控制关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。随着我国经济的发展以及加入WTO以后，我国政府和企业也逐渐认识到了这种差距，对此都非常重视，对相关企业资源进行重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式组建了一批合资、合作及独资企业，是我国温度控制系统的到迅速发展，取得了惊人的成果。自70年代以来，由于工业控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法的推动下，国外温度调节系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，日本、美国、德国、瑞典等国走到了世界的前列，掌握了领先的技术，并且都已经生产出一批商品化的、性能优异的温度控制器和仪器仪表，在各个行业都得到的广泛应用。它们主要具有如下特点：1.适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。2.能够适应于控制系统数学难以建立的温度控制系统的控制。3.能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。4.温度控制系统具有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。5.温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能控制等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广。6.普遍控制器既有参数自定功能。目前，外国温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型便携化等方面发展。二、总体系统的设计以及关键器件的选择2.1 总体系统的设计本文要设计的是一款农业种植大棚温度检测系统，因此要求该系统必须有较好的实时温度显示以及温度变化曲线显示的功能，以便较好的观测温度变化情况以及及时采取措施保证植物的健康生长，而且能够同时显示多个大棚温室里的温度。本次设计为了突出经济、可靠、耐用的特点，决定采用以单片机系统设计代替常规模拟电路系统设计。本系统在硬件设计上采用STC89C51单片机和DS18B20数字温度传感器组成下行机硬件系统，具有即时温度采集，可实现温度自动记录，分析，持续运行，使系统有良好的可靠性、扩展、人性化设计和较低的生产成本性能。本系统的电路设计方框图如图2.1所示，它由三部分组成:控制部分主芯片采用单片机89C51；显示部分采用3位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示；温度采集部分采用DS18B20温度传感器。LED温度显示电路STC89C51单片机传感器电路加热继电器电风扇继电器 温度报警指示灯图2.1 系统电路2.2.1 DS18B20简介继美国DALLAS半导体公司生产的DS1820传感器之后，该公司又推出了一种新型数字式温度传感器DS18B20，这是一种最新的数字化单总线器件，它是一种改进型数字温度传感器，基于最新一代适配微处理器而制造的，较之于传统的热敏电阻，该类传感器可以直接读取温度值，并可通过一定的编程实现912位数字读数，其次读写信息可通过单总线来完成，方便快捷，另外，DS18B20可以直接由其悬挂的总线供电，而无需外加电源，从而使系统结构简单化，也增加了其可靠性。DS18B20单总线独特及其经济的特点，便于用户组建所需的传感器网络，使得测量系统有了全新的构建方式。DS18B20数字温度传感器支持单总线接口，能够实现-55+125的温度测量范围，并且在-10+85范围内，测量误差为0.5。并且可单独设定实际系统的分辨率，并不论断电与否，均能保存在EEPROM中，现场温度的测量以单线总线数字方式传输，即温度的测量值通过串行通讯的方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力。因此DS18B20数字式温度传感器能够应用于复杂恶劣的环境中温度的测量，如地下实验监测、生产线温度检测控制和家用电器的温度控制，因此广泛用于工业、农业、军事等的温度测量控制领域。DS18B20有以下几点特点：独特的单线总线接口方式：DS18B20与上位机连接时可通过一条传输线路实现双向数据传输。可通过数据线供电，供电电压容许范围大，为+3.0+5.5V，也可选用外部+5V供电。实际工作过程中，不需要添加外围器件。用户可自行设定温度报警上下限值，其值是非易失性的。可测温度范围为-55+125，测温分辨率为0.5（-10+85），2（-55+125）。负压特性，电源反接时能够自动保护DS18B20不会被烧毁，此时的芯片无法正常工作。转换速度快，效率高，可在93.75ms内完成9位温度转换。可实现多点测温，多个DS18B20温度传感器可并联在唯一的三线上。适用于各种微处理器和上位机系统。内含64位的只读存储ROM，每片DS18B20出厂前就有唯一的产品序号。大型测温系统，单线上可挂接多片DS18B20传感器。DS18B20有两种封装形式。一种是采用3脚PR35封装，另一种是8脚SOIC封装。本系统采用PR3三脚封装，管脚排列与封装如图2.2所示 图2.2 DS188B20的引脚和封装1脚GND:接地。2脚I/O：数据输入/输出端(即单线总线)，属于漏极开路输出。外接上拉电阻后，常态下成高电平。3脚VCC:电源端，为可供选用的外部+5V电源端，不用时接地。DS18B20的内部结构框图如下图2.3所示，主要由7个部分组成：寄生电源；温度传感器；64位激光ROM与单线接口；高速暂存器，即便筏式RAM,用于存放中间数据；TH触发寄存器和TL触发寄存器，用来存储用户自行设定的温度上下限值；存储器和控制逻辑；8位CRC（循环冗余校验码）发生器。64位ROM与单线接口存储器与控制逻辑高速暂存器温度传感器低温触发器高温触发器8位CRC发生器电源检测内部VDDI/OCVDD配置寄存器图2.3 DS18B20内部结构64位光刻ROM，结构如下8位CRC编码48位产品序列号8位产品系列号MSB LSB MSB LSB MSB LSB光刻ROM中的64位序列号中高8位是CRC校验码，接着是48位的产品序列号，低8位是产品类型的编号。这64位序列号是传感器DS18B20的地址序列码，在出厂前已经被刻录好，每个DS18B20传感器的地址是不一样的，这样就可以使得多个DS18B20采用一线总线进行通信。非易失性温度报警触发器TH和TL，主要作用是在系统控制中利用软件设置用户需要的温度报警上下限。高速暂存寄存器DS18B20的内部存储器包含有一个高速暂存RAM和一个非易失性的E2RAM,用来存储TH和TL，写入RAM的数据在校验结束后传入E2RAM。配置寄存器的作用是确定温度值的数字转换分辨率，位于高速暂存器中的第5个字节，DS18B20温度传感器工作时将温度转换为相应精度的数值，该转换过程是按照配置寄存器中的分辨率进行的。TM测试模式位为这一字节中的最高位，用来设置该传感器的模式是在工作模式还是在测试模式。第7、6位R0、R1作为分辨率设置位，决定温度转换的精度位数，0011模式分别表示分辨率为912位，所需要的温度数据转换时间随设定的分辨率的提高而延长，实际应用中应该综合权衡考虑分辨率和转换时间。高速暂存器由9个连续的字节组成的，分配如下图所示温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRCLSB MSB前两位用来存放当前温度的测量值，温度的低8位是第一个字节，温度的高8位是第二个字节，紧接着后面两个是TH、TL位为温度易失性的备份，三个保留位是系统计算所用，最后一个字节CRC校验所用，用来保证通信正确。当温度传感器DS18B20接收到温度转换命令后就开始启动转换。转换后的温度值以16位二进制补码形式存储于高速寄存器的前两个字节中。该温度值通过单总线接口传到单片机中。DS18B20温度传感器完成温度转换后，就把测得的温度值与TH和TL作比较，如果出现T大于TH或T小于TL，则将告警标志位置位，并对主机发出的告警搜索命令做出响应。从而，多只DS18B20温度传感器可以同时测量温度并进行告警搜索。CRC的产生循环冗余校验码CRC在64位光刻ROM的最高字节，主要用来实现串行通信中的数据校验，主机根据ROM的前56位算出CRC值，然后比较传感器中的CRC值，判断接收的数据是否正确。CPU对DS18B20的访问流程是先进行初始化，然后再进行ROM操作，最后才能执行存储器操作和数据操作。而传感器DS18B20的每一部操作都必须严格保证它的工作时序和通信协议。2.2.2 DS18B20的工作原理根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：(1) 每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位；(2) 复位成功后发送一条ROM指令；(3) 最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1560微秒左右后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。初始化时序如图.5所示: 图2.5 初始化时序总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，主机响应应答脉冲。应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。主机输出低电平，保持低电平时间至少480us，以产生复位脉冲。接着主机释放总线，4.7K上拉电阻将总线拉高，延时1560us，并进入接受模式，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时480us。写时序如图2.6所示: 图2.6 写时序写时序包括写0时序和写1时序。所有写时序至少需要60us，且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间，都是以总线拉低开始。写1时序，主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us。写0时序，主机输出低电平，延时60us，然后释放总线，延时2us,。读时序如图2.7所示:图2.7 读时序总线器件仅在主机发出读时序是，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取总线当前电平，然后延时50us。2.2.3 DS18B20的控制方法DS18B20在硬件上与单片机的连接方法有两种，一种是采用寄生电源供电，这时的传感器DS18B20的VCC和GND接地，它的 I/O口与单片机任意一个I/O口相连，还要接一个值为4.7K的上拉电阻。DS18B20从单线信号线上汲取能量，当I/O端口为高电平时，能量存储于内部电容里。信号线I/O为低电平时，消耗电容上的能量，等到高电平到来寄生电源电容再次被供电。另外一种是采用外部电源供电，DS18B20的VCC接外部电源，GND接地，I/O口连接单片机的I/O口，而此时注意电源电流一定是足够的，也可以保证转换精度，而且在理论上，总线可接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。比较两种工作方式，寄生电源工作方式：无需本地电源，在无常规电源的条件下也可以读取ROM；电路简洁，只用一根I/O口就能实现测温。但是这种方式下，I/O线必须要能够保证在温度转换期间有足够的能量，电流达到1mA, 当多个温度传感器挂接在一根I/O线上进行多点测温时，光靠4.7K上拉电阻不能提供所需能量，使得DS18B20不能进行精确地温度转换，因而会造成无法转换温度或者造成很大的温度误差，综上所述，寄生电源供电方式只适合于单一温度传感器测温情况，不适合采用电池供电系统中，并且工作电源必须保证在5V,否则会造成较大的温度误差。外部电源供电方式：这是DS18B20的最佳工作方式，稳定性好，可靠性高，抗干扰能力强，且电路简单，温度测量精度高，可开发出稳定可靠的多点温度监测系统。分析比较，本系统采用外部电源供电方式。DS18B20有六条控制命令，其功能分为两类：温度转换命令和存储器命令。命令 如图2.8所示:图2.8 DS18B20的功能命令命令描述约定代码 总线响应温度转换命令温度转换启动温度转换44H主机发出命令后，若读时隙中读到0，则表示温度正在转换，若为1，说表示转换结束存储器命令读SRAM从SRAM中读取包括CRC在内的全部字节BEH传感器会从字节0开始输出9个字节，其中包括CRC，如果不需要读取全部9个字节，主机可以根据输出复位脉冲终止当前的读操作写SRAM向SRAM中的TH、TL和配置寄存器中写入数据4EH将需要的数据写入SRAM的温度报警上下限值和配置寄存器复制SRAM复制SRAM中的TH、TL和配置寄存器的值到E2PROM中48H将SRAM中的TH、TL和配置寄存器的值复制到E2PROM中，主机发出命令后，若随后的读时隙中读到0，则表示复制正在进行；若读到1，表示复制结束回读E2PROM从E2PROM中将TH、TL和配置寄存器的值回读到SRAM中B8H 从E2PROM中将TH、TL和配置寄存器的值回读到SRAM中，主机发出该命令后，若随后读时隙中读到0，则表示回读正在进行；若读到1，则回读结束读电源读取DS18B20的供电方式B4H主机发出这个命令后，若随后的读时隙中读到0，则表示当前使用的是寄生电源，若读到1，则表示当前使用的是外部供电CPU对DS18B20的访问流程是先进行初始化，然后再进行ROM操作，最后才能执行存储器操作和数据操作。而传感器DS18B20的每一部操作都必须严格保证它的工作时序和通信协议。2.2.4 DS18B20使用中的注意事项DS18B20具有体积小、精度高、测温电路简单、价格低廉、占用总线少等优点，但是在实际使用中应该注意几个方面的问题：需要比较复杂的软件对较小的硬件开销做补偿，因为DS18B20与微处理器间的数据传送方式是串行方式，所以在对该传感器读写编程时，一定要遵循严格的读写时序，否则会无法读取测温值。在使用高级语言如PL/M、C等设计系统程序时，最好对传感器操作部分采用汇编语言实现。多点测温系统设计时要特别注意，实际应用中单总线上并非可以悬挂任意多个DS18B20温度传感器，一般来说，当单总线上的温度传感器多于8个时，就需要考虑处理微处理器的总线驱动问题。由于总线分布电容会使得信号波形产生畸变，用来连接DS18B20温度传感器的总线电缆有长度的限制。用DS18B20温度传感器进行长距离测温系统的设计时，要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。实际试验中发现，采用普通信号电缆传输距离超过50m时，测温数据的读取将发生错误。而当总线电缆为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m,通讯距离在采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时进一步加长。 一般来说建议采用屏蔽4芯双绞线测温电缆，一对线接地和信号，另一对接电源和地线，屏蔽层在源端单点接地。重视DS18B20温度传感器的硬件连接和软件设计，因为在测温程序设计时，当某个传感器接触不好或者出现断线时，读程序将没有返回信号。三、系统硬件电路设计3.1 原理图电路如下图3.1所示,该图主要由单片机控制电路、显示电路、晶振电路、继电器电路和复位电路组成。图3.1 原理图电路3.2 各部分电路3.2.1 显示电路显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写,如下图3.2所示:图3.2 显示电路3.2.2 单片机电路 STC89C51与AT89C51具有相同的引脚功能,如下图3.2所示:图3.3 单片机电路3.2.3 DS18B20传感器电路 该电路传感器采用更稳定,测量更为准确的外部供电的方式VCC端口上接5V的电源,如下图3.4所示:图3.4 传感器电路3.2.4 继电器电路 图中P1.1引脚控制加热器继电器，P1.2引脚控制电风扇继电器。给P1.1低电平，三极管导通，加热继电器开始工作；同样给P1.2低电平，三极管导通，电风扇继电器开始工作,如下图3.5所示: 图3.5 继电器电路3.2.5 晶振控制电路晶振控制电路如下图3.6所示,该系统采用12MHZ的晶振频率。图3.6 晶振控制电路3.2.6 复位电路图3.7 复位电路四、系统软件设计4.1 系统设计的整体思想一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用与S51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。程序设计语言有三种：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯一能“懂”的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序（称为源程序）最终都必须翻译成机器语言的程序（成为目标程序），计算机才能“看懂”，然后逐一执行。高级语言是面向问题和计算过程的语言，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流，所以本系统采用C语言来编写程序本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序（初始化子程序、写程序和读程序）等。主程序的功能是：启动DS18B20测量温度，将测量值与给定值进行比较，若测得温度小于设定值，置P1.1为低电平。当测得温度大于设定值，则置P1.2为低电平。4.2 系统总流程图如图4.1所示:开 始初始化DS18B20显示当前温度判断当前温度值是否超过界限超过设定温度上限红灯亮设定温度上、下限是否低于设定温度下限是红灯亮 图4.1 系统总流程图4.3 系统各部分流程图4.3.1 写入子程序流程图如图4.2所示:开始进位C清零P1.0清零延时12US带进位右移延时46USR2是否为零终止图4.2 写入子程序流程图4.3.2 读温度子程序流程图如图4.3所示: DS18B20复位,应答子程序跳过ROM匹配命令写入子程序温度转换命令写入子程序显示子程序(延时)DS18B20复位,应答子程序跳过ROM匹配命令写入子程序读温度命令子程序终止 图4.3 读温度程序流程图DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。4.3.3 复位,应答子程序流程图如图4.4所示:开始P1.0口清0延时537USP1.0口置150US是否有低电平标志位置1标志位置1有234US低电平P1.0口置1终止图4.4 复位,应答子程序流程图4.4 系统程序设计/程序名：18B20温度控制/2011.06.13#include #include sbit DQ=P10; /18B20数据端#define Out P0 /数据输出端sbit s1=P23;sbit s2=P22; sbit s3=P21;sbit s4=P20;sbit FanSw=P11;sbit HotSw=P12;sbit SetKH=P35;sbit SetKL=P36;sbit SetKU=P37; sbit Beep=P25;unsigned char dot;unsigned char Temp;unsigned char TmpH=33,TmpL=10;unsigned char Disbuf=0,0,0,0;unsigned char code tab= 0x3F,0x06,0x5B,0x4F, 0x66,0x6D,0x7D,0x07, 0x7F,0x6F,0x76,0x38, /HL;void dsxms() unsigned char i; for(i=0;i250;i+); void display(unsigned char *arr) unsigned char i; for(i=0;i0;i-) value=1; DQ = 0; / 给脉冲信号 DQ = 1; DQ = 1; if(DQ)value|=0x80; /将高位至1 delay(6); return(value);/*- 写入一个字节-*/void write_byte(char val) unsigned char i; for (i=8;i0;i-) DQ = 0; DQ = val&0x01; delay(2); DQ = 1; val=val/2; delay(5);/*- 读取温度-*/unsigned char Read_Temperature(void) unsigned char il,ih,t; ow_reset(); delay(4); write_byte(0xCC); / 跳过读序号列号的操作 write_byte(0xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度 il=read_byte(); /低位 ih=read_byte(); /高位 ow_reset(); delay(4); write_byte(0xCC); write_byte(0x44); t=il&0x0f; t=(t*625)/1000; Disbuf3=t; il=4; il=il | ih99) dat=0; while(!SetKU) display(Disbuf); if(!SetKH) disp