《基于单片机的温度和振动情况监控和报警系统的设计》5600字（论文）

基于单片机的温度和振动情况监控和报警系统的设计摘要：现代生产生活由于机械化和自动化的快速增高，各种用于日常生活和工业生产的机器越来越多，器件的正常运行需要在合适的温度区间内和合适器件本身的振动频率幅度内，过低或者过高的温度会影响金属的性质稳定，过大过快的振动会增加金属损耗，很多器件的运行又需要固定频率振幅的振动，而稳定性是检测各种器件性能的首要关注点，所以对稳定性影响较大的温度和振动条件成为人们研究监控和控制的热点。现代单片机发展的越来越成熟，尤其是中小器件的编程控制使用单片机的性价比很低且操作方便，所以本文也使用51单片机来制作一个基于单片机的温度和振动控制系统。单片机的对于监控的设计采用单片机STC89C51作为控制核心，对各种器件的温度和振动情况进行监控和报警系统，并通过51单片机显示。本文详细描述了由单片机、液晶显示器和DS18B20的温度显示报警系统和利用压电陶瓷片振动传感器制作的振动报警系统。关键词：STC89C51DS18B20LCD1602压电陶瓷振动传感器引言现代科技发展迅速，单片机在计算机技术兴起的带领下有了更广的发展和更多的应用场景。单片机的品种多样、兼容性强、性价比高，现在很多简单的应用环境还是在广泛地应用单片机。近几年来，可集成单片机地内部元件不断改进，有些增加了局域网控制模块，使单片机频率计算功能增强；可避免干扰的ETF技术的发展，使单片机的抗干扰能力增强，可以实现叠加不同毛刺信号波形，避免了电路对信号的干扰[1]。单片机技术随处可见，已经深入了人们的生活。现代的测温方式发展的多种多样，这些方式大致可分为接触式和非接触式两类。接触式测温是温度传感器与被测设备直接接触。接触式测温的精度相对较高、检测方式直观、得到的数据可靠且测温仪器成本相低[2][3]，这种方式也存在由于温度传感器与被测设备直接接触，破坏了被测设备的温度状态，当接触不良时数据偏差会过大，被测设备具有腐蚀性及温度太高将严重影响传感器的性能和寿命等缺点。非接触式测温是根据被测物体的热辐射能测出温度，非接触式测温不会改变被测物体的温度分布，测温的上下限可设计的范围较大，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度[4]。测量振动信号各种传感器对应测量的主要物理常量有位移、速度、加速度、应变和力[5]，振动测试技术粗略分为两种[6][7]：一种是监测设备运行或者被实验时的振动，也就是直接测量振动，这种测量可以通过分析采集到的振动信号来对设备的工作状态进行评估和故障诊断；另一种是监测系统特征参数，也就是通过模型计算间接监测振动状态，被测的参数主要有设备的物理参数、模态参数、脉冲响应参数和频响参数等，这种监测的目的大多是主动利用激励产生振动来研究设备的力学动态特征[5]。本文使用直接监测法来简单监控温度和振动情况。现在单片机技术已经被广泛利用在生产生活的各个方面，是一种成熟的控制技术，我们可以基于STC89C51单片机，利用DS18B20和压电陶瓷振动传感器捕捉温度振动信号，利用液晶显示屏、等制作出温度和振动监控系统。设计方案1.1方案设计目的通过基于STC89C51单片机、DS18B20温度传感器和压电陶瓷片振动传感器等来实现监控温度和振动。熟悉单片机的使用，汇编语言的设计，仿真软件的应用；并且把学习过的知识通过书本联系实验，从题目、电路设计、编程、仿真、制作等一系列系统全面的实验过程，培养我们的设计制作能力和资源搜索整合能力。方案设计要求以STC89C51单片机为核心器件，组成一个可以监控报警温度和振动的系统。采用数字温度传感器DS18B20和压电陶瓷片振动传感器进行温度检测和振动检测，温度采用LCD1602液晶显示屏显示。方案选择与论证根据设计任务，设计可以大致分为四个模块，各个模块分别有以下不同的选择器件方案：温度传感模块使用DS18B20采集温度信号。DS18B20各种性质稳定，且可以实现多点测温，它的数据传输采用了单总线，不同的芯片都拥有不同的且无法改变的64位序列号，它能够访问多种器件就是根据这个序列号来实现的。温度显示模块采用液晶显示器LCD1602显示温度信息。液晶显示稳定，兼容性高，设计时有更多操作空间，可以同时显示多个信息。震荡传感模块采用压电陶瓷片敲击振动传感器采集振动信号。基于电压陶瓷片的模拟振动传感器是一种逆向过程，电信号会从振动的压电陶瓷中发出，振动电信号可以实现与振动相关的交互式工作。震荡传感模块采用压电陶瓷片敲击振动开关采集振动信号。基于电压陶瓷片的模拟振动传感器是一种逆变过程，使用压电陶瓷产生振动，当压电陶瓷片振动时，产生电信号，振动电信号可以实现与振动相关的交互式工作。报警模块温度报警使用蜂鸣器报警，振动报警使用小灯报警。2系统设计2.1系统总体设计方案利用STC89C51单片机作将温度传感器DS18B20读取温度信号处理为数字信号并送到液晶显示屏LCD1602显示，超过预定温度时输出报警信号；对压电片振动开关的电信号处理，超过一定振动幅度时报警。总体电路结构框图如图2.1所示。图2.1总体电路结构框图2.2硬件电路设计2.2.1单片机控制模块该模块由STC89C51单片机作为核心，STC89C51的最小工作系统包括单片机、电源、晶振、复位。STC89C51的引脚与AT89C51的引脚结构相同，如图2.2所示[8]。图2.2AT89C51引脚图AT89C51的最小系统如图2.3所示：图2.3AT89C51最小系统由于STC89C51单片机内部有内部含又4KBytes大小、可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器EEPROM,这里利用EEPROM来进行对DS18B20温度信号的记忆。EEPROM的全称为电可擦除可编程只读存储器（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory），其功能即为储存数据，且存储的数据在断电后不会丢失，有记忆功能。EEPROM的应用可根据RC/RD+系列8051单片机ISP/IAP特殊功能寄存器的内部EEPROM的应用来进行编程设计，其地址和功能如表1所示：表1ISP/IAP特殊功能寄存器地址MnemonicAddFunctionISP_DATAE2h操作时的数据寄存器。ISP/IAP从Flash读出和写的数据都放在此处。ISP_ADDRHE3h操作时的地址寄存器高八位。ISP_ADDRLE4h操作时的地址寄存器低八位。ISP_CMDE5h操作时的命令模式寄存器，需命令触发。ISP_TRIGE6h操作时的命令触发寄存器。在ISPEN（ISP_CONTR.7）=1时，需要在ISP_TRIG内先写入46h，再写入B9h，命令才会生效。ISP_COSTRE7h控制寄存器。2.2.2温度传感模块利用DS18B20来采集温度信号。图2.4DS18B20DS18B20管脚定义表2所示：表2DS18B20管脚说明8引脚SOIC封装PR-35封装符号说明51GND接地42DQ输入/输出数据引脚，寄生电源模式时提供电源33VDD电源引脚，寄生电源模式时接地DS18B20适应电压范围为3.0～5.5V，单线接口，内部的传感元件及转换电路集成在一只三极管的集成电路内。测量结果可以直接输出为数字温度信号，并且同时传送CRC校验码，有纠错能力，抗干能力强[9]。其电源极性接反时，不能正常工作，但不会烧毁。DS18B20原理与分析:DS18B20温度测量原理如图2.5所示。图中所写的低温系数晶体振荡器是用来产生一个固定频率的脉冲信号，然后发送到计数器1，高温度晶体振荡器产生的信号作为2号计数器的脉冲输入，前者的温度分辨率被温度影响的概率比后者小得多。计数器1和温度寄存器预设基数值为-55℃，其低温度系数晶体产生的脉冲信号将进行减法计数，当计数器从预置1降到0，则温度寄存器值加1，计数器1将再次装入预置，预置计数器1再启动低温晶体系数进行计数的脉冲信号，这样循环直到计数器2计数到零，将停止温度寄存器值的累积，这时温度寄存器中的值就是被测温度。温度数据经过转化，存储在RAM中，前5位是二进制表示的符号位，这5位为0时表示被测的温度大于0，将测到的数值乘以0.0625即可算出实际温度；如果5位为1则表示被测温度小于0，这时需要将测到的数值取反加1再乘以0.0625才可得到实际温度[10]。DS18B20编程设计温度信号的温度格式和温度数据如表3、表4所示。图2.5DS18B20测温原理图表3DS18B20温度值格式表bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0LSByte22222222bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8MSByteSSSSS222表4DS18B20温度数据表2.2.3温度显示模块图2.6LCD1602仿真图LCD1602液晶显示器由控制驱动主电路HD44780、扩展驱动电路HD44100、字符型液晶显示屏（LCD），以及少量电阻、电容元件和结构件等组装在PCB板上组成[11]。LCD1602内部功能都通过编程实现，其控制器共有11种控制指令，如表5所示。表5LCD1602控制指令序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清屏00000000012光标复位000000001x3输入方式设置00000001I/DS4显示开关控制0000001DCB5光标或字符发生储存器地址设置000001S/CR/Lxx6功能设置00001DLNFxx7字符发生储存器地址设置0001字符发生储存器地址8数据储存器地址设置001显示数据储存器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写入数据或至CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM中读取数据11读取的数据内容这里采用的LCD1602是14脚（无背光）接口的，各引脚接口说明见表6[12]。表6LCD引脚功能表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS接地8D2数据2VDD电源正极9D3数据3VL液晶显示偏压10D4数据4RS读/写选择11D5数据5R/W使能信号12D6数据6E数据13D7数据7D0数据14D8数据2.2.4振动传感模块使压电陶瓷被测器件同步振动来捕捉振动信号，并利用压电陶瓷片的正压电效应使振动信号转换为电信号[13]，再利用LM393电压比较实现振动信号出现的监测。图2.7压电陶瓷片振动传感器元件简介和振动信号采集原理：压电陶瓷片是一种具有压电性能的电子陶瓷材料，构成的主要成分具有铁电性的晶粒,经过烧制和强电场极化处理后再消除电场，保留一定的宏观剩余极化强度，使其具有压电性能。当处理后的陶瓷片产生机械形变时，它的两端会产生极性相反的电荷，这种效应称为压电效应[14]。电荷量的大小与外力成正比：Q=d33Fd33—压电陶瓷的压电系数：F—作用力。敲击压电陶瓷片模拟振动时，压电陶瓷传感器的电信号输出波形如图2.8所示，其中振幅较小的正弦波形是由于放置传感器不够稳定导致的，当用力敲击压电陶瓷片时可以看到其产生的电压能够达到几伏，可以使用电压比较的方式作为监控振动元件。图2.8压电陶瓷片敲击时电压输出波形模块工作过程：电路中利用LM393来比较IN/A/2口上压电陶瓷片振动传感器收到振动信号时发出的电流流经电阻后产生的电压和IN/A口上的VCC基准电压，当IN/A/2口即振动传感器接口的电压大于IN/A口的电压时，电压比较器LM393的输出端OUT输出高电平，则MOS管的栅极有电压值，漏极和源极之间通过电流，触发单片机工作，小灯亮起，完成报警工作。模拟信号输出，振动强度越大输出电压越高，可利用电路中的电位器来调节灵敏度。仿真中利用函数发生器表示传感器捕捉振动信号后输出的电信号，图2.9表示振动传感模块仿真，图2.10、图2.11表示了电位器在不同位置时的函数发生器的电压波形和单片机接口处响应的电压波形。图2.11振动传感模块仿真图2.10灵敏度较大时响应图2.11灵敏度较小时响应振动报警部分程序：sbitLED=P2^0; //定义指示端sbitDOUT=P1^7; //定义传感器输入端P1.7voiddelayms(unsignedintz){Unsignedintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}voidmain(){ while(1) { LED=1; //熄灯 if(DOUT==0) { delayms(500);//延时 if(DOUT==0) { LED=0; //点亮P2.0口灯 } } }} 2.2.5报警模块温度报警采用蜂鸣器实现报警，振动报警利用LED小灯来实现报警功能。温度报警仿真如图2.10所示：图2.10温度报警仿真振动报警仿真如图2.11所示：图2.11振动报警仿真3系统软件设计系统程序主要包括单片机主程序、温度采集子程序、液晶显示程序和振动报警子程序。3.1单片机主程序主程序主要是进行各初始化流程和数据转换工作。流程图如图3.1所示。图3.1主程序流程图3.2温度采集子程序流程图如图3.2所示。图3.2温度采集子程序流程图3.3液晶显示子程序流程图如图3.3所示。图3.3液晶显示子程序流程图3.4振动报警子程序流程图如图3.4所示。图3.4振动报警子程序流程图4系统调试与总结通过这次基于单片机的温度及振动监控系统的设计，学习到了许多新知识，了解了温度和振动状况对于生产生活中工作的各种器件产生的不同影响，以及对生产生活的影响。能够更加熟练使用STC89C51单片机进行设计，编程和仿真工作不再停留于课本上。该设计最终实现了可以监控报警温度和振动的工作，完成了最初的设计目标。图4.1和图4.2分别展示了温度显示和振动报警工作。图4.1温度显示图4.2振动报警小灯亮起致谢在本次设计制作中，我发现很多问题，也有很多收获。最难的总是开始和结尾，开始时我的舍友和朋友都为我的思路开创提供了很多突破点，通过各路建议，集思广益，我拥有了一个好的开头。而结尾时，完善设计和报告有令我束手无措，这时指导老师给了我许多意见，让我可以从多种途径来解决我的问题。困难让我不断前进，感谢学校给我提供了这次机会，感谢指导老师张老师给我提供了宝贵的意见和帮助，还要感谢我的五位舍友在设计制作期间给予我的许多鼓励和支持。我将继续以务实的态度，在接下来的学习与工作中争取更好的成绩。参考文献[1]梅佳进.当前单片机技术应用的发展现状分析[J].轻工科技，2021,37(04)：99-100+141.[2]汤勇.基于VME总线的高精度温度测量方法的研究[D].华中科技大学，2005：5-6.[3]汤全武.信号与系统[M].华中科技大学出版社，2011.[4]温湿度检测技术国内外的发展状况[J].电站系统工程，2021.[5]黄盼.振动测试和分析技术综述[D].西华大学，2018：2-5.[6]张思.振动测试与分析技术[M].北京：清华出版社，1992.[7]郭月强.振动信号的测试与分析及其软件系统的开发[D].北京：清华出版社，2018：2-5.[8]唐继贤.51单片机工程应用实例[M].北京航空航天大学出版社，2009.01.[9]DS18B20工作原理[J].21IC中国电子网.[10]康鸿明，陈德为.基于MCS-51单片机的仓库温度检测控制系统的研究[J].机电技术，2012(3):20-22.[11]陈朝大,韩剑.单片机原理与应用实验实训和课程设计[M].华中科技大学，2014.06.[12]于志赣,刘国平,张旭斌.液显LCD1602模块的应用[J].机电技术,2009,32(3):21-23.[13]冯端.固体物理学大辞典[M].高等教育出版社，1995.[14]吴兴惠,全彩君.传感器与信号处理[M].北京:电子工业出版社，1998.附录A温度采集、显示及报警部分程序#include"lcd1602.h"#include"eeprom52.h"bitRead_Temp_Flag; sbitbeep_s=P1^3;//声光报警接口sbitjian_s=P1^2;//声光报警接口sbitjia_s=P1^1;//声光报警接口sbitsz_s=P1^0;//声光报警接口sbitzline=P2^4; ucharmenu_1_s;uintgwz=500,dwz=100; uinttemp;voiddelay_1ms(uinto){ uintk,j; for(k=0;k<o;k++) for(j=0;j<120;j++);//延时ucharread_b()//读数据{ uchark,zhi_s; for(k=0;k<8;k++) { delay_uint(50); init_b();}voids(void){ TMOD|=0x01; TH0=(65536-2000)/256; TL0=(65536-2000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1;}voidkey(){ if(sz_s==0) //设置键 { while(sz_s==0); menu_1_s++; if(menu_1_s==1){LCD_init();LCD_write_str(5,0,"HIGH");} if(menu_1_s==2){LCD_init();LCD_write_str(5,0,"LOW");} if(menu_1_s>=3) { LCD_init(); LCD_write_str(5,0,"WENDU"); menu_1_s=0; write_eeprom_s(); } } if(menu_1_s==1) //设置高温报警 { if(jia_s==0) { while(jia_s==0); gwz=gwz+10; if(gwz>990)gwz=990; } if(jian_s==0) { while(jian_s==0); gwz=gwz-10; if(gwz<10)gwz=10; } LCD_write_char(8,1,(gwz/100%10)+0x30); LCD_write_char(9,1,(gwz/10%10)+0x30); LCD_write_char(10,1,'.'); LCD_write_char(11,1,(gwz%10)+0x30); LCD_write_char(12,1,'C'); } if(menu_1_s==2) //设置低温报警 { if(jia_s==0) { while(jia_s==0); dwz=dwz+10; if(dwz>990)dwz=990; } if(jian_s==0) { while(jian_s==0); dwz=dwz-10; if(dwz<10)dwz=10