温度监控报警系统论文

1、-. z温度监控报警系统温度监控报警系统DD学校:瓷学院 ：付曙霞 *：1 指导教师：波 完成时间：2021-06-16目录目录1 1 系统设计系统设计。1.1 设计要求 31.2 各模块方案选择和论证1.2.1 控制器模块设计方案论证与选择. .1.2.2 温度采集模块设计方案论证与选择.1.2.3 显示模块设计方案论证与选择.1.2.4 语音模块设计方案论证与选择.1.2.5 键盘模块设计方案论证与选择.1.2.6 电源模块设计方案论证与选择.1.2.7 数据存储模块设计方案论证与选择.1.3 系统各模块最终方案2 2 系统设计硬件设计与实现系统设计硬件设计与实现2.1 温度采集下位机电路

2、设计2.2 键盘模块电路设计 52.3 语音模块电路设计 52.4 电源模块电路设计 52.5 控制模块电路设计 52.6 外部存储器模块电路设计 53 3 系统软件设计系统软件设计 7 74 4 系统测试系统测试 8 84.1 测量仪器-. z4.2 指标测试和测试结果 55 5 结论结论 9 9参考文献：参考文献：9 9附录：附录：9 9附 A：元器件明细表：9附 B：仪器设备清单 9附 C：电路图图纸 101 1系统设计系统设计1.11.1 设计要求设计要求 根本要求：根本要求：1温度测量围： 090 摄氏度，误差0.1 摄氏度；2可通过键盘设定温度值并在数码管上显示设定值，数码管显示准

3、确度0.1 摄氏度；3数码管实时显示测量温度值并可以用语音播报测量温度值，其中数码管显示准确度0.1 摄氏度；4设定温度值与实际温度值保持一致，误差1 摄氏度； 5当温度超出测量围时，能实现报警；发挥局部：发挥局部：6能实现 GSM 短信发送或通过射频模块无线发送发射距离100 米 ；7可以有其它功能改进和实现特色创新1.21.2 各模块方案选择和论证各模块方案选择和论证1.2.1 控制器模块设计方案论证与选择根据题目要求，控制器主要用于和 AD 进展通信采集 AD 转换的值，通过扫描 承受键盘的值，和语音芯片进展通信，控制液晶，控制射频芯片和其进展数据交换 ，题目任务是制作一个基于单片机的温

4、度监控报警系统，所以我们首选单片机，单片机足以。单片机是集成了 CPU、ROM、RAM、和 I/O 口的微型计算机。有很强的接口性能，此系统和外围接口芯片比较多，选单片机作为主控器是明智的，单片机运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程的饿实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低，体积小，技术成熟和本钱低等优点，使其在各个领域应用广泛。用于本系统外围接口比较多微秒采用双 CPU为主控器，分别对其他各个模块进展检测和控制，这样减轻了单个 CPU 的负担，提高了系统的工作效率，同时通过 CPU 之间的分段相互控制，减少了外围设备。由 Atmega8 采集温度传感器通过 AD 转换传来的数据

5、，1.2.2 温度采集模块设计方案论证与选择-. z方案一、用热电偶测温 优点是测温围宽，缺点是电动势低，对运放的要求高，重要的是热电偶测温需要冷端温度补偿，来消除冷端温度变化所产生的影响，对于本电路补偿温度要求精度很高，且准确，否则会给系统带来反所用，而且本钱高，操作复杂。方案二、利用热敏电阻作为温度传感器， 。NTC 热敏电阻阻值随温度的变化符合指数规律,其最大的缺点也在于它的非线性阻值分散性大复现性差,一般需要经过线性化处理, 使输出电压与温度之间基木上成线性关系。NTC 热敏电阻温度传感器的一致性和互换性较差。其次是老化较快。方案三、利用数字温度传感器，18B20，测量温度围为- 55

6、 + 125 ,在- 10 + 85 围,精度为0. 5 .DS1822 的精度较差,为2 .不符合本系统要求。方案四、利用集成温度传感器，当电源电压在515之间变化时，其输出电流的变化小于1uA，当被测温度一定时流过AD590的电流与热力学温度成正比，其灵敏度为1uA/k,。在其适用温区围具有灵敏度高、线性好、功能全和使用简单方便。无论电压输出、电流输出还是频率输出都适合于与微机。综上所述，方案四适合本设计要求。由于本系统要求误差0.1摄氏度；所以选用高精度的AD进展数据转换，综合考虑选用MA*1416，MA*1416低功耗、2通道、串行输出模数转换器(ADC)使用一个具有数字滤波器的-调制

7、器，分辨率达16位，无失码。在采用双极性测量条件下，且可编程增益设定为2，IN-端直接接到2.5V基准电压端，则可计算1的对应AD围：Data=102/250032767=262.3理论上可到达 0.0038的精度，这对于 0.1的精度来说是完全够了。 所以我们选择方案四。1.2.3 显示模块设计方案论证与选择方案一、用四位码管作为显示，动态扫描四位数字。能显示的位数太少，单调，不够人性化，且要每隔 3ms 要扫描一次，占用 MCU 资源太多，程序开销也大，对于在测量温度，要时性强的环境下，很显然在这不适应。 方案二、才用 12864 液晶作为显示，带中文字库的 128*64 是一种具有 4位

8、/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为 12864,置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84 行 1616 点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗。在实时监控的场合可以有效的显示各个数据量，及状态，界面清晰，可读性强，在此显示模块，我们选择方案二。1.2.4 语音模块设计方案论证与选择方案一、采用 APR9600 系列语音录放芯片，继美国 ISD 公司以后采用模拟存储技术的

9、又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放 32-60 秒，串行控制时可分 256 段以上，并行控制时最大可分 8 段。但不能用软件实施控制播放音，所以不适合在数字播音的场合使用。方案二、采用ISD1700系列语音芯片，ISD1720华邦 ISD 公司 2007 年新推出的单片优质语音录放电路，该芯片 提供多项新功能，包括置专利的多信息管理系统，新信息提示 vAlert , 双运作模式独立 & 嵌入式 ，以及可定制的-. z信息操作指示音效。芯片部 包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与存等的全方位整合系统功能。优点是是可录、放音十

10、万次，存储容可以断电保存一百年，两种控制方式，两种录音输入方式，两种放音输出方式。可处理多达255 段以上信息有丰富多样的工作状态提示多种采样频率对应多种录放时间。ISD1700录音区的存储地址为 0*00100*00FF；真正录音去围T=0*00FF-0*0010+1=240 位录音时间可达20秒 ，通过软件控制可进展分段录音，分段播放，本系统只是用来播简单的语音，容量不算大，操作方便。假设想增加功能可进展用ISD1700的其他语音芯片，如ISD1760录音时间可达60秒。ISD1720的接口为标准SPI接口，AVR Atmega16 单片机自带SPI接口，接口电路简单，软件易于实现。综上所

11、述语音播报模块 我们选择ISD1720。1.2.51.2.5 键盘模块设计方案论证与选择键盘模块设计方案论证与选择 本系统 键盘主要用来设置上限下限温度，进展语音播报，12864 菜单键盘 ，数据输入按钮。方案一：利用 8 个独立按键 直接和单片机连接的方式。缺点是占 I/O 口太多，而且按键数太少。方案二：利用 4*4 矩阵键盘。采用逐行逐列扫描的方法。优点占 8 个 I/O,可进展 16 个按键的设置，完全到达设计的需求， 综上所述 方案二按键丰富 占 I/O 口又少，操作简单 ，所以选择方案二。1.2.6 电源模块设计方案论证与选择系统需要多个电源，单片机使用 2.7-5V 电压，语音模

12、块是 2.45.5V，液晶需要 35。综合可知电源设置 5V 即可。 方案一：采用升压型稳压电路。用两片 MC34063 芯片分别将 3V 的电池电压进展直流斩波调压，得到 5V 稳压的输出。只需要使用两节电池，既节省了电池，又减少了系统体积重量， 但该系统供电电流小，供电时间短，无法使用相对庞大的的系统稳定运作。 方案二：采用三段稳压集成 7805 得到稳定电压，利用此方法方便简单，工作稳定可靠。综上所述，选择方案二，采用三端稳压器电路。1.2.7 数据存储模块设计方案论证与选择单片机采集来的温度数据量大 ，而且当下次上电进展温度校正需要以前的数据作为参考值 ，但是单片机上电后，所有的数据复

13、位，采集的温度也不会保存，基于这两点我们需要有一定容量，掉电数据不丧失，而且占 I/O 口要少，可方便擦除的存储器，我们选择 AT24C256 串行 E2 PROM ，通信方式与 400KHZ I2C 总线兼容；具有写保护功能掉电后不丧失可保存数据 100 年。容量为 256K满足要求。1.31.3 系统各模块的最终方案系统各模块的最终方案 经过仔细分析和论证，决定了各模块的最终方案如下。（1） 控制模块：采用 Atmega8 和 Atmega16 双 CPU 控制；-. z（2） 电源模块：采用三端稳压电路。（3） 温度采集模块：采用高精度集成传感器 AD590。AD 采用 MA*1416。

14、（4） 键盘模块：采用矩阵式键盘。（5） 显示模块：采用点阵式 12864 液晶显示。、（6） 语音模块：采用 ISD1720 语音芯片。（7） 数据存储模块：AT24C256.系统根本框图如图 1.3.1 所示AD590 采集温度电压缓冲 2.5V 电压基准MA*1416 进展 AD 转换A Atmega8tmega8无线发射模块A Atmega16tmega16 矩阵键盘 语音模块ISD170012864 液晶显示 电源和复位 数据存储模块图1.3.1 温度监控报警系统方框图单片机Atmega8主要采集AD590 传来的数据，然后通过一串口通信将数据采集分析计算的数据传送给Atmega16

15、，同时Atmega8将采集分析的数据通过无线模块发送出去，可用来远程监控。Atmega16主要用来读取键盘的值，然后进展分析控制类型 ，将相对应的控制信号通过液晶显示和语音芯片播报，Atmega16还将Atmega8采集来的数据经过分析和转换将数据显示在液晶上，同时当播报按键按下后，其控制ISD1720播报语音。-. z2.2.系统硬件设计与实现系统硬件设计与实现2.12.1 温度采集下位机电路设计温度采集下位机电路设计如图 2.1.1 所示 AD590 将温度变化成对应的电流，经 10K 电阻后，在电阻两端产生对应的电压，温度每变化 1，相应电阻两端电压变化 10mV。将它经过运放缓冲后，输

16、入到 MA*1416，经行 AD 转换，换算成对应的数字。再通过无线模块将数据发送给上位机。2.1.2AD590 传感器采集和 AD1516 接口电路 由于 AD590 是电流型集成传感器，温度变化 其电流值也随着变化，采集的电流 R2 和 R3 将电流信号转换为电压信号 然后经 MA*1516 差分输入，MA*1516采用外部基准电压基准，由于部有可编程增益放大器(PGA)，提供 1 至 128 倍增益，PGA 用软件设计为 2 ，所以实际和基准电压比较的值为 V2V1=i*R i 为 AD590 输出的电流变化R 为 10KV2=V1-2.5*2V1 为 AD590 经 10K 电阻转换来

17、的电压如果 AD 转换值 D1 则V2=(2.5*D1)/327682.22.2 键盘模块电路设计键盘模块电路设计一般来说，键盘有两种接口方式：独立式和行列式。独立式是指将每个按键一一对应地接到单片机的输入口线上。每一个键的状态通过读入键值的上下电平来区分。但当按键数目较多时，独立式键盘方式将大量占用单片机的 I/O 线，通常的方法是采用行列式键盘。行列式键盘也称矩阵式键盘，一般应用在按键较多的系统之中。行列式键盘通过 I/O 线组成行、列构造，按键设置在行、列的穿插点上，按键的作用只是使相应接点接通或断开，在相应程序配合下也可产生被按键的键码。其硬件电路极为简单，故能广泛用于微型计算机中。如

18、图所示。一个 4*4 的行列构造可组成 16 个键的键盘。这样，当单片机系统的资源有限时，可以节省大量的 I/O 口线。2.32.3 语音模块硬件路设计语音模块硬件路设计 此模块选用ISD1700 语音芯片，此芯片部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与存等的全方位整合系统功能。两种控制方式，两种录音输入方式，两种放音输出方式音质好，电压围宽，应用灵活，可进展软件控制语音芯片的录制 播放，此芯片的用两种工作方式，按键工作方式和SPI工作方式，两者互不干扰，单片机可以通过自带的SPI接口将指令和数据写到单片机中，芯片最大可以录制255段语音。如图图 2.4.1 ISD17

19、00 语音芯片电路ISD1700 的独立按键工作模式录放电路非常简单如图，而且功能强大。不仅有录、放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。这些功能仅仅通过按键就可完成。在按键模式工作时，芯片可以通过/LED 管脚给出信号来提示芯片的工-. z作状态，并且伴随有提示音，用户也可自定 4 种提示音效。音频输入方式有两种 第一种是 通过外接到 引脚 10 (MIC+) 引脚 11MIC-麦克风 ，还可以通过外接引脚 9 使用时需要一个交流耦合电容典值为 0.1uF，并且输入信号的幅值不能超出 1.0Vpp。音频输出用三极管来驱动的。注意在用单线录音时，要和芯片共地，否则会干扰很大。2

20、.42.4 电源模块硬件路设计电源模块硬件路设计根据单片机 ATmega 及其接口电路电源的要求，需要 5V 的稳定电源。各局部的工作电流的大小，估计总电流在 350mA 左右。按此计算：P=5V350mA=1.75W考虑到预留一定的功率裕量，故采用功率为 5W，副线圈输出电压为 9V 的变压器。变压器副线圈为单匝线圈，故变压器降压后整流电路采用桥式整流电路。整流后用电解电容滤除 100Hz 的纹波，再用三端稳压器 7805 稳压并用小容量电容虑除高频纹波后得到系统所需电源。其电路原理如图 2.4.1 所示。图 2.4.1 系统电源电路2.52.5 控制电路的设计控制电路的设计用于本系统外围接

21、口比较多微秒采用双 CPU 为主控器，这样减轻了单个 CPU 的负担，提高了系统的工作效率，同时通过 CPU 之间的分段相互控制，减少了外围设备。由Atmega8 采集温度传感器通过 AD 转换传来的数据，Atmega16，用来驱动液晶，采集键盘的数值，控制 ISD1700 语音芯片的发声。2.5.1 Atmega16 的最小系统就外围电路如图 2.5.1图 2.5.1 Atmega16 的最小系统及外围电路2.62.6 外部存储器模块电路设计外部存储器模块电路设计外部存储器我们选用可擦除，掉电不易失 AT24C256 E2PROM，与单片机的接口电路如图 2.6.1. SDA 和 SCL 为

22、漏极开路端,需要在和正电源间各接一个 5.1 k 的电阻上拉 R3、R18 其作用是减少 AT24C02 的静态功耗，由于 AT24C02 的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL移位脉冲和 SDA数据/地址与单片机传送数据。 图 2.6.1AT24C256 硬件电路3.3.系统的软件设计系统的软件设计系统软件设计采用 C 语言，对单片机进展编程实现各项功能。程序是在Windows *P 环境下采用 ICCAVR 软件编写的 可以实现单片机对温度采集，控制液晶，扫描键盘的值，控制语音芯片。由于系统采用双 CPU 工作，Atmega8作为下位机 采集温度并将温度上传

23、给上位机，Atmega16 作为上位机承受Atmega8 传来的数据，然后经过处理分析 ，如果要显示则需要控制 12864 显示，假设需要语播报则控制单片机控制 ISD1700.主程序在 Atmega16 单片机中。-. z开场AD 初始化串口初始化AD 转换标志位.等待YNNAD 转换K=30.Y串口发送NN图 3.1.1 下位机系统程序流程图采集来的 AD 值依次放在数组中，用 K 开计数 ，一次采集 80 个数据，然后进展从小到大排列，然后取中间的 20 个值，算出其平均值，此值就是要发送给上位机的数据。这样通过数字滤波使稳定性增强，抗干扰能力加强。3.2 上位机系统程序流程图 3.1.

24、-. z开场设备初始化按键按下YK=.设定上限温度设定下限温度语音报温度设定数值保存数值串口接收N图 3.1.2 上位机系统程序流程4.4.系统测试系统测试为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统的关键部位进展了实际的测试。4.14.1 测量仪器测量仪器 测量使用的仪器设备如表 4.1.1 所示-. z表 4.1.1 测试使用的仪器设备仪表名称型号、规格指标数量备注双通道数字示波器绿 YB43654 位半1 电子仪器厂低频信号发生器GFG-8216A20KHZ1电子数字万用表UT20064 位半1胜利公司稳压电源DF1731SC2A030V1扬中电子仪器表计算机联想 PCP2.5G 1G

25、存1联想公司4.24.2 指标测试和测试结果指标测试和测试结果4.2.14.2.1 温度与输入电压值的测试温度与输入电压值的测试温度/20222426283032343638电压值/mv2.3852.4012.4202.4462.4642.4832.5012.5222.5412.563温度40424446485052545658电压值/mv2.5812.6052.6232.6452.6612.6842.7012.7242.7432.766表 4.2.1 温度电压值记录表图标分析，由表可以算出温度和电压 值是几乎是成线性的，灵敏度 M=10mv/，温度没上升一度，输入 AD 的电压值将变化 10

26、mv。4.1.24.1.2 MA*1416MA*1416 模数转换芯片的基准电压的测试模数转换芯片的基准电压的测试使用高精度电压电压测量仪器 JL5445BJ 测得基准电压为 2.499003V，误差为0.000997V 经 AD 采集转换为温度值为=0.0997，对系统影响不到 0.1 度。复合设计要求。5.5.结论结论本系统可实现以下功能1温度测量围： 0200 摄氏度，误差0.1 摄氏度；2可通过键盘设定温度值并在点阵液晶 12864 显示设定值，显示准确度0.1 摄氏度；3实时显示测量温度值并可以用语音播报测量温度值，其中数码管显示准确度0.1 摄氏度；4设定温度值与实际温度值保持一致

27、，误差1 摄氏度；-. z 5当温度超出测量围时，能实现语音报警报警；6射频模块无线发送发射距离100 米 ；7当温度上升或下降时，可以通过在液晶显示出来其变化曲线。参考文献参考文献1. 余永权.ATMEL89 系单片机应用技术.：航空航天大学，2001.12. 红文.单片机应用系统设计实例与分析.：航空航天大学，20033. *惠民.单片机微型机原理接口及应用.：邮电大学. 1999.24. 搂然苗.兴飞.51 系列单片机设计实例.：航空航天大学，20005. 于海生.微型计算机控制技术.：清华大学，19996.扬振江.流行单片机实用子程序及应用实例. ：电子科学技术. 2002.37.周杭

28、慈.单片机程序设计根底.：航空航天大学，2003.58. 亮.单片机 C 语言编程与实例.：人民邮电., 2002.99. 培仁. MCS51 单片机原理与应用.：清华大学. 1998.1210. 王化祥等.传感器原理及其应用.*：*大学. 1999.11. 希光.传感器技术手册.：国防工业. 1986.1212. 江晓安.模拟电子技术.：电子科技大学. 200013 毅剛. MCS-51 单片机应用设计.：工业大学. 2001.14. 沙占友.新编实用数字化测量技术.：国防工业大学. 1998.15. 茂泰.智能仪器原理及应用.：电子工业. . 1999.16 王福瑞.单片微机测控系统设计大

29、全.：航空航天大学. 1999.17. 马 潮. ATMEGA8 原理及应用手册.：清华大学，02.818. 文. AVR 单片机 C 语言开发入门指导.：清华大学，03.5附录 A 电子元器件明细表类型封装型号数量备注瓷片电容RAD-0.110413瓷片电容RAD-0.1201瓷片电容RAD-0.1201瓷片电容RAD-0.11021电解电容RAD-0.1100uF1电解电容RAD-0.110uF1插针HDR1*22p3插针HDR1*33p2-. z插针HDR1*55p2插针HDR1*66p1蜂鸣器RB5-10.5有源 5V1三极管HDR1*380501三极管HDR1*385501电位器RP

30、310K1电位器RP320K1电阻A*IAL-0.41K3电阻A*IAL-0.410K4电阻A*IAL-0.42002电阻A*IAL-0.44.7K2电阻A*IAL-0.41002电阻A*IAL-0.4100K1液晶模块HDR*21LCM2401281集成电路8P3LM358AP1集成电路40P6ATmega16L-8PI1集成电路HDR1*3TL431-1集成电路DIP-8DAC85321集成电路DIP-6ADS11101集成电路8P3OP07CP1晶振RAD-0.2*TAL1附录 B 系统整体原理图附录 C 局部程序清单/*=*/*大液晶显示*/*8M 晶振*/*包含了测试程序,和到图形显

31、示程序*/*=*/*includeiom16v.h*includemacros.h*includemath.h*includeyejing.h*includewuguan.h*includeE*ternal.h*includeplay.h*define uchar unsigned char*define uint unsigned int*define ulong unsigned long*pragma interrupt_handler jieshou:12/*=*/*数据定义区间*/*=*/uchar data_shou10,data_js=0,data_jie;const uchar

32、 *ianshi1=主菜单;const uchar *ianshi2=目标参数设定;const uchar *ianshi3=显示运行模式;const uchar *ianshi4=校准值设定;const uchar *ianshi5=报警温度上线:;const uchar *ianshi6=;const uchar *ianshi7=报警温度下线:;const uchar *ianshi8=上线:;const uchar *ianshi9=下线:;const uchar *ianshi10=实测:;const uchar *ianshi11=存储量:;const uchar *ianshi12=个;const uchar *ianshi17=校准值数值:;-. zconst uchar *ianshi18=校准 1:;const uchar *ianshi19=校准 2:;const uchar *ianshi20=校准 3:;/*/*接收中断函数*/*void