177.毕业论文 多路数字式温度测量系统

物理电气信息学院本科毕业设计1摘要本文结合实际使用需求，采用DS18B20数字温度传感器及单片机设计硬件连接电路，并给出了软件流程图及程序。系统由多个外接的温度传感器及显示器、键盘电路、电子看门狗电路、报警电路、单片机、通信接口及上位机组成。传感器将温度转为电信号后，经过通信接口交微处理器处理，最后将温度值显示并存储起来。通过键盘可以控制数据的回放，且可以通过接口与上位机进行通信。系统具有超温报警功能。由于采用了智能温度传感器DS18B20，它的转换速率极快，进行读、写操作非常简便。它具有数字化输出，可测量远距离点温度。系统具有微型化，微功耗，测量精度高，功能强大等特点，同时可测量多路温度参数，报警的温度值能方便地设置。由于有先进的看门狗电路，加之DS18B20内部的差错检验，所以它的抗干扰能力强，性能可靠，结构简单。系统由上位机和下位机两大部分组成。下位机实现温度的检测并提供标准的通信接口，上位机部分使用了通用PC。该系统可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域。关键字关键字关键字关键字温度测量传感器单片机集成电路物理电气信息学院本科毕业设计2ABSTRACTBASEDONTHEACTUALEXPERIENCEANDNEEDS,THISTHESISMAINLYDESIGNSTHEHARDWARECONNECTINGCIRCUITBYUSINGDS18B20ANDMCUMEANWHILE,ITSHOWSTHEFLOWCHARTOFSOFTWARESYSTEMSANDPROCEDURESTHISSYSTEMCONSISTSOFSEVERALEXTERNALTEMPERATURESENSORSANDDISPLAYS,KEYBOARDCIRCUIT,ELECTRONICWATCHDOGCIRCUIT,ALARMCIRCUIT,MICROPROCESSOR,COMMUNICATIONSINTERFACEANDTHEHOSTCOMPUTERTHETEMPERATURESENSORTURNSTEMPERATUREINTOSIGNALSANDTHENTHROUGHTHEDISPOSALOFTHEMICROPROCESSORINTERFACE,THETEMPERATUREISSHOWEDANDSTORAGEDFINALLYTHEDATACANBECONTROLLEDBYTHEKEYBOARDINTERVALS,ANDCANCOMMUNICATEWITHTHEHOSTCOMPUTERTHROUGHTHEINTERFACETHISSYSTEMHASTHEOVERTEMPERATUREALARMSYSTEMFUNCTIONBECAUSETHEDS18B20INTELLIGENTTEMPERATURESENSORSYSTEMISUSED,ITHASFASTRATEOFCHANGEANDITISVERYCONVENIENTTOREADANDWRITEITHASDIGITALOUTPUT,ANDCANMEASURETHEREMOTETEMPERATURETHISSYSTEMHASTHECHATACTERISTICSOFMICROMINIATURIZATION,LOWPOWER,ANDHIGHACCURACYITCANMEASURETHEMULTICHANNELTEMPERATUREPARAMETERSATTHESAMETIMEANDTHEALARMTEMPERATURECANBEEASILYINSTALLEDBECAUSEOFTHEADVANCEDWATCHDOGCIRCUITANDTHEINTERNALERRORTESTINGOFDS18B20,ITSANTIINTERFERENCECAPABILITYBECOMESBETTER,ITSFUNCTIONMORERELIABLEANDITSSTRACTURESIMPLERTHISSYSTEMISMADEUPOFTHEUPPERANDLOWERCREWOFTWOMAINCOMPONENTSTHELOWERCOMPONENTMEASURESTHETEMPERATUREANDPROVIDESASTANDARDCOMMUNICATIONINTERFACEPARTSOFTHEUPPERCOMPONENTSUSETHEGENERALPCTHISSYSTEMCANBEUSEDFORMEASURINGTHETEMPERATURE,CONTROLLINGANDMONITORINGTHEPROCESSOFTHEAIRCONDITIONINTHEBUILDINGSKEYWORDSTEMPERATUREMEASURESENSORSINGLECHIPMICROCOMPUTERINTEGRATECIRCUIT物理电气信息学院本科毕业设计3目录第一章绪论111国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状512设计的目的及意义设计的目的及意义设计的目的及意义设计的目的及意义513主主主主要研究内容要研究内容要研究内容要研究内容6第二章系统总体结构设计与性能指标721传感器的选择传感器的选择传感器的选择传感器的选择7211模拟式传感器7212数字式传感器7213DS18B20的选用822系统性能指标要求系统性能指标要求系统性能指标要求系统性能指标要求1023系统总体结构设计方案系统总体结构设计方案系统总体结构设计方案系统总体结构设计方案10第三章硬件电路设计1231高精度稳压电源高精度稳压电源高精度稳压电源高精度稳压电源12311高精度稳压电源的组成12312高精度稳压电源设计1232看门狗电路看门狗电路看门狗电路看门狗电路1433声光报警电路声光报警电路声光报警电路声光报警电路1534键盘电路键盘电路键盘电路键盘电路16341键盘电路原理16342开关状态的可靠输入16343对按键进行编码16344选择键盘监测方法1735温度显示电路温度显示电路温度显示电路温度显示电路1736温度测试电路温度测试电路温度测试电路温度测试电路1937串口通讯电路串口通讯电路串口通讯电路串口通讯电路21第四章软件设计2341软件设计概述软件设计概述软件设计概述软件设计概述2342主程序方案主程序方案主程序方案主程序方案2343中断控制程序设计中断控制程序设计中断控制程序设计中断控制程序设计2444温温温温度测试子程序设计度测试子程序设计度测试子程序设计度测试子程序设计2545串口通信程序设计串口通信程序设计串口通信程序设计串口通信程序设计25第五章系统调试2851硬件调试硬件调试硬件调试硬件调试2852软件调试软件调试软件调试软件调试29物理电气信息学院本科毕业设计453系统联调系统联调系统联调系统联调2954现场调试现场调试现场调试现场调试30第六章结论与展望3061结论结论结论结论3062展望展望展望展望31参考文献31附录1程序清单33致谢38物理电气信息学院本科毕业设计5第一章绪论11国内外研究现状在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。传感器主要大体经过了三个发展阶段模拟集成温度传感器该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。此种传感器具有功能单一仅测量温度、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。模拟集成温度控制器模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。增强型集成温度控制器例如TC652/653中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它们自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。智能温度传感器智能温度传感器亦称数字温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术ATE的结晶。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器或寄存器和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器CPU、随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器MCU；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。温度传感器的发展趋势进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。12设计的目的及意义目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，在这些温度测量系统,往往采用模拟技术进行设计,这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题而其中某一环节处理不当,就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学技物理电气信息学院本科毕业设计6术的飞速发展,特别是大规模集成电路设计技术的发展,微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国DALLAS半导体公司推出的数字温度传感DSL8B20,具有独特的单总线接口,仅需要占用一个通用I/O端口即可完成与微处理器的通信在50125温度范围内具有00625精度用户可编程设定912位的分辨率。以上特性使得DSL8B20非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵，测量精度不高，系统可扩展性能差。针对目前市场的现状，本设计提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机多路测温系统。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械等。13主要研究内容本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（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。该系统采用RS232串行通讯标准，通过上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值既可以送回主控PC进行数据处理，由显示器显示。也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。基于单片机采用数字温度传感器DS18B20组成下位机系统。DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，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。物理电气信息学院本科毕业设计7第二章第二章第二章第二章系统总体结构设计与性能指标系统总体结构设计与性能指标系统总体结构设计与性能指标系统总体结构设计与性能指标温度检测系统有着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，就会造成测量系统较大的偏差；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。本章主要论述了如何将温度信号转换为易于测量的电信号、器件的选择，以及怎样实现多路温度的测量，即多点分布式测量。21传感器的选择211模拟式传感器温度检测的传统方法是使用诸如热电偶、热电阻、半导体PN节（如AD590）之类的模拟传感器，经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示温度的数字信号，再交由微处理器或DSP处理。被测温度信号从敏感元件接收的非电模拟量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者需考虑的线路环节较多，相应测温装置中元器件数量难以下降，随之影响系统的高可靠性及体积微缩化。而模拟信号在长距离传输过程中，抗电磁干扰是令人伤脑筋的问题。对于多点温度检测的场合，各被测点到测试装置之间的距离往往不同，此外，各敏感元件参数的不一致性，都将会导致误差的产生，并且难以完全清除。在数字化测量和控制系统中，一个模拟式传感器的输出必须经过A/D转换。但模拟式传感器自身的测量精度和分辨率都受到一定的限制，通常只有1左右。例如，对于一个普通的以电压量输出的模拟式传感器，要获得高精度，不但对传感器本身的性能有要求，而且对传感器的基准电压有要求。如果为了达到001的测量精度，基准电压的精度要达到0001，这就是说对一个10V的基准电压要求有01MV的精度，要经济的获得这样高精度的电压是很困难的。另一方面，模数转换系统的精度也不会很高。212数字式传感器采用直接数字量输出的传感器就能避免上述问题。因此，人们越来越重视数字式传感器的发展。所谓数字式传感器，是指能把被测（模拟）量直接转换成数字量输出的传感器。物理电气信息学院本科毕业设计8数字式传感器有下列特点（1）具有高的测量精度和分辨率，测量范围大。（2）抗干扰能力强，稳定性好。（3）信号易于处理、传送和自动控制。（4）便于动态和多路测量，读数直观。（5）安装方便，维护简单，工作可靠性高。213DS18B20的选用在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行A/D转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。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模拟温度传感器与微处理器接口时需要的A/D转换和较复杂的的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线性较好。在0100摄氏度时，最大线性偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一是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DS18B20,因此可以非常容易实现多点测量,轻松的组建传感器网络。采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化的趋势。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快。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。本方案应用数字式温度芯片DS18B20，也是顺应这一趋势。DS18B20是美国达拉斯DALLAS半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。下面是它的主要技术特性（1）独特的单总线接口方式DS18B20与主机连接时仅需要一条IO线即可实现双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用正常供电，也可以用IO寄生供电方式工作，电压范围3055V。（4）测温范围55125，085误差SBITP1_3P13TYPEDEFUNSIGNEDCHARBYTEUNSIGNEDCHARDISPBUF4BYTECODEDTAB0X42,0XEE,0X58,0X68,0XE4,0X61,0X41,0XEA,0X40,0X60,0X00/延时子程序VOIDDELAYINTTICKSFORTICKS0TICKS/BYTEOW_READ_BYTEVOIDBYTEIBYTEVALUE0FORI8I0IVALUE1DELAY0IFP1_3VALUE|0X80DELAY5RETURNVALUE/物理电气信息学院本科毕业设计35VOIDOW_WRITE_BYTECHARVALBYTEIFORI8I0IP1_30P1_3VALDELAY7P1_31VALVAL/2DELAY5/UNSIGNEDINTREAD_TEMPERATUREVOIDUNSIGNEDINTXBYTEC2OW_RESETOW_WRITE_BYTE0XBEC0OW_READ_BYTEC1OW_READ_BYTEOW