【基于STC89C52RC芯片的工业生产温度巡检监控系统设计11000字（论文）】

基于STC89C52RC芯片的工业生产温度巡检监控系统设计温度监控与管理是工业生产过程中最常见的需求，也是过程管理的主要任务之一。利用微机控制、传感器技术和计算机技术完成实时控制、温度测量、数据传输和信息存储，对于提高生产效率和质量、节约能源至关重要。结合应用，我该温度巡检系统以一颗STC89C52RC芯片的微机和微机为控制核心，采用温度传感器DS18320为采集单元，组成单台液晶显示子机、时钟电子报警及报警系2、多点温度接收的硬件电路设计。包括主控集成电路设计技术、DS18B20采集电路、1302时钟集成电路、液晶显示电路、机械通讯及报警电路设计。该系统将微机与芯片、传感器、仿真系统和计算机网络技术相结合，采用多点温度传感器捕捉方式，提供一个能快速创建并完成实际检测的控制系统。通过仿真测试运行后，系统将具有功耗低、可靠性高、抗干扰能力强、实时效率高、 1 1 4—2— 4 4 4 5 7 7 82.1系统总体功能描述 82.2硬件系统结构设计 9 2.2.2信号传输模块功能描述及关键技术 2.3硬件系统集成方法 第3章软件系统结构设计 3.1.1下位机软件系统总体结构设计及功能 3.2上位机软件系统总结结构设计 第4章多点温度检测系统硬件电路设计与实现 4.1主控电路设计 4.2主控电路介绍 4.2.1电源电路 4.2.2时钟电路 4.2.3复位电路 4.3DS18B20温度采集电路设计 4.4DS1302时钟模块电路设计 4.51602A现场温度显示设计 4.6声光报警设计 第5章仿真调试测试 215.1仿真总体设计 5.2多路温度采集仿真测试 21 2 2 第6章总结与展望 25 256.2展望 25 1.1研究背景及意义"十二五"期间，在我国将继续推动建设农业机械化、智能化、生产规模化。目前的社会也已经步入了物联网时期，要想把人与物，物与物之间相互连接的关系形成为一种全新的方式维度。信号收集与传输技术是实现物联网的关键。因为消息发布的第一步就是要收集信息，而温度则作为在设施农业，以及食物加工企业中的关键参数，要完成在其环境下的物联网，选择一个精确的、便捷的信息收集系统是必不可少的。而因为针对以上研究的环境通常是空间相当大的，所以开展多点监测也是非常有必要的。改变了传统的温度测量方法与技术手段，通过现代化数字测量技术(单片机技术)的广泛运用并与现代计算机技术有机的融合在一起，不仅能够非常便捷地达到温度检测流程的智能化、结果管理的数字化、及功能人性化，同时也对于提升温度检测精度、产品的保鲜率、减轻作业人员的劳动强度方面有着非常关键的意义，同时也对于应用场所规范化建设，以及便利管理方面都必将产生着重要的促进意义。本文主要针对远程多点检测温度控制系统在工农业生产过程中的信息化建设为使用背景，研制并发展出了一种即时精确测量、人机界面设计良好、安装简单、系统稳定性好、柔性较高的远程多点温度测量控制系统。1.2国内外研究现状1.2.1温度测量技术的发展观国内外温度测定的方式有很多种，按照方法一般可分为二大类：触碰式测暖和非接触式测量。1、接触式测量接触式检测是指透过与被测量对象或介质触及后测试的热平衡环境温度，大致上可分成热膨胀式测试、电量式测试和接触式光电、热色型测试。(1)膨胀式测量采用热胀冷缩原理的玻璃液态测量温度计、固态扩张式测量温度计、及气体压缩型计量；在气压型温度计中由于温包的变化引起仪器弹簧进行读数，这种计量方法大多用作水文调查中的气温和水深的计量。(2)电量式测试采用材料阻值与环境温度的单值相关性，有热阻值、热能偶种类用此国际标准，并建立了中国热能偶的标准系统型谱。较新的品牌有由美国公司OMEGA制造的表层高温探测器88000系类，以及PFA涂层热能偶等的手持式测温。(3)电光、热色式监测最主要典型代表是光缆式高温监测，该种监测方法在变电所监控柜监测由于老化造成触头与母线过热效应非常优异，传送信号数据不受周边自然环境及电磁因素，如smart8型光缆式高温测量仪采用GPRS的嵌合式2、非接触式测量无接触式测温是一个不要求与被测量物体或介质的动态反应性特别高的测温方法。其代表产品为：热辐射型高温计、光学式高温计、微波高温计。(1)辐射式测量根据热辐射定理研究的-种测量方式，得到的热信号上的各种颜色表示所测对象的各种温度。中国制造的WFT-202型热辐射型测温模块；又如在中国制造的WGG2-201型光国FLIR、RNO公司等国外的著名厂家七。(2)光谱型测温法主要应用于高温火焰和气体温度的测定。比较来看，拉曼散射光谱对于测量温度技术的有很好的实用性，由于对其散射光谱信息可以进行分布式的光纤检测温度控制，在考虑了双信道、双波段的发光强度后，可以利用参考信道或者根据光强推算出温度控制信号。(3)激光干涉测量，这项技术源自于十九世纪二、三十年代的干涉式测量技术，当激光引入后，该测量技术在金属的有机化学气相外展、等离子体刻蚀、分子束外延、金属快速热处理技术，以及零点五导体加工技术过程中应用。(4)声、微波测量方法，如音频法根据音频在媒介中的传递速率和与介质温度有关的基本原则进行的，这些方法特别适合于高温下液体和空气的室温测定，特别在高温测定时具有很大的灵敏度；微波技术测定高温，用入射波在火光中的减弱情况，来判断火焰气体的高温。如今，社会信息化、企业信息化正使企业的组织与管理结构进行了一次巨大革工业生产过程具有指导意义。而进入了20世纪70年代中国农业科学院，引入了FELILXC-512系统进行对温室生产控制过程进行温、湿等的测量，这也标志着利用计算机进行生产控制开始延伸至温室监管与控制的范畴。而到来了八十年代，随着也向着了更加的集成、自动化、信息化演变。同时由于计算机技通讯技术、自动控制技术的发展，使温度控制测量控制系统模型可以包括了上位机与下位机；上位机与PC机一般接受用户监控，而下位机是实时获取现场人员数据信息，并进行计算机管理的装置。综观国内外应用和温度自动控制器的发展归纳出的技术模式大致有如下几类：1、基于单片机的控制系统模式从一九七一年单片式微型计算机问世以来，它已经走过了SCM、MCU、SoC操作系统三个主要阶段，最成熟的一款8051在基础上开发的MCS51系列的MCU操作系统，直沿用至今。作为温度采集控制系统中的下位机主控制的流向和控制模块分成：前一级信号输入输出端、控制端口和次级驱动控制端口部其工作机理：将温度信息通过温度传感器经A/D变换后流入单片机中的温度控制区，再根据主控硬件芯片编程的设置值完成温度比对，并传递至任何机构中的操作。该种控制结构是集中式管理方法，各种数据、信号控制任务等主要任务均由微机提供，因此单片机设计的工作特性直接影响着末座机的运行状态。2、基于PLC的控制系统模式在高温采集控制系统二S上将，PLC首先成为下位机主控制模块的应用形式发展在九十年代末，以其运行安全、应用简便、测试与设计周期较短等优点广泛应用，尤其大规模经常出现在热处理行业中如测定燃煤退火时的炉温等。目前，PLC主流牌子有三菱FX-S产品、西门子s7X00产品、欧姆龙等。由PLC产品组成的温度控制器，一般由感应器、调理集成电路、A/D、D/A控制器、执行机构等组成，其经过对PLC的开发编程可以实现PID控制策略，利用外围控制电路的参考信号比照进行对系统输出环境温度的调节。计算机利用串□与PLC主控单元发送温度控制数据，同时PLC还利用扩展模块对传感器输出时处理数据并发出命令调节温度控制的功能。应用于PLC温度控制方式的温度控制器，将现代传感器技术、电力控制技术与电脑科学有机的融合，它也是整个工业温度控制体系的核心技术。因为PLC具备了更强大的逻辑控制系统和计算技术，同时还有抗干扰制造业对稳定性和快速性的需求对中大规模的工业温度控制体系而言，PLC是非常合理的首选。PLC作为控制器主板能够进行复杂管理。不过，由于针对小项目温度3、具有现场总线网络技术的分布式智能控制器模式目前，温控管理系统主要还限制在集成式的监控模块，这样集成式监控架构将面临着信息系统稳定性和适应性、可扩展性差等现实问题。不过，现场的总线网络和分布式控制器也开始大规模使用。控制器在该种管理模式下呈现出了控制功能的多样化性和地域的分散特征，从而真正能够有效限制常规仪表系统的功能简单的技术局限性，及其应用传统结构高度集中后所产生的重大安全隐患。目前制造业中使用的分布式智能控制器模型大致有两类：(1)基于CAN总线的温室自动控制系温度测控系统中得到正确的温度信息是最基础的条件，然后考虑怎样把数据传播出去进行下一个处理就是对数据传输方式的选择，系统接受到数据并进行比较处理之后再反馈给下位机，这也就是温度控制系统目的所在。此进展，在系统末端的信息无线即时发送技术等手段也将显得更加关键。在各类测量和监控设备中，不同性能的传感器是测量现场数据的必不可少的基础器件。随着计算机的大量发展使用，传感器技术水平得到了明显的提升，市场应用也日益广泛。当对一个测量目标的进行测量时，就必须针对被测量目标合理地选用传感器，而这就必须考察多方面的指标后才能确定。而一旦传感器确定以后，具体的计算思路和相应测量设备也就产生了。但是如果测量结果并不理想，在一定意义上也就是所使用的传感器并不合适。即便测定了一个基本物理量(如环境温度),也有许多相同基本原理的高温感应境温度而改变的特点的高温电阻感应器等；具体要选用哪种温度传感器需要按照被检测的环境，以及传感器产品的应用要求可分成以下四大方面：基本的参数技术主要指标：量程覆盖范围、敏感度、辨别力、精度、可靠性、环境参数与技术指标：温度范围、温度误差、抗老化、抗酸碱侵蚀、抵抗外部环境干扰能力等；对于常见的水质感应器根据信息传递形式可以分成各种模拟输出温度传感器以及串连式数据总线接口的水质感应器。本文中研制的多点分布式网络结构温度控制巡检装置要求满足针对测点区域分散、距离较远、测量环境温度变动范围大、可延伸性强、可移植性好、组网简便等使用特性。以及在现场测量中，针对某食品制造公司的速冻仓库、冷藏库、保鲜库、太阳能系统等装置的温度控制参数测量、显示、记忆数据、打印报告、定期数据发布等技术要求。使管理生产的管理人员可以随时并且精确地掌握冷却、升温时现场的温度状态，引导现场员工进行作业。本管理系统具体功用可以总结为温度控制采集装置与PC机之间采用的通讯模式：RS-485总线和RS-485/RS-232转温度数据；对制冷、供暖等质量的分析。现场环境温度测控系统，如图2-1所表示；针对实际需要，本软件系统的设计主体包含了上位机系统软件和下位机软硬件系统设计，在硬件部分的产品设计时还充分考虑了扩展和移植功能，即在实现工程设计要求时所提供的全部功能同时，又给下位机系统产品设计提供了必要的扩充接□,以便于后期的功能拓展和系统升级。下位机上共设有十路的测量点(可扩展应用到三十二个测点),而每一路都可单独集成-一个单片机的检测子系统装置。该子系统所使用的DS18B20数字式感应器，能够延伸十五米外完成检测。所测量的温度系统设备上透过迷你液晶显示屏呈现，若有特殊状况则产生声光报警灯报警，并告知执勤人士以作出相应对策。下位机的硬件框图如图2-2所示。块图2-2温度采集硬件图系统核心主控模块是单片机，单片机为下位机提供温度检测的监控中枢。这些模块是：P1.2监控温度采集模块工作，将所收集的温度控制数值存入微机RAM后再对其执行数据处理，P2.0~P2.7监控液晶模块显示结果，并使用微机控制器的特殊功能寄存器SBUF,将结果传给数据传输模块。在选用单片机时，需要注意以下三个问题：(1〉数据处理器的最大处理位数。一般来说，微机处理的位越长，其计算和控制越好。位长的选取一般按照被测量参数可以改变的最大范围以及精度的需要来加以估计。(2)主振频率。多具备多点测量功能的信息系统中，各个统计点的收集间隔时限都必须充分考虑到多点巡回收集一遍的时限。但是，目前所有微机的主振频率都能达到工程测量的需要。(3)储存能力。根据测量任务中所编程序的总长度和采集数据量的大小来计算。并根据上述原理，采用了STC89C52型的单片机控制器当作硬件设置的中心，其具有中断系统高级的功能辅助寄存器、字串并行接口。2.2.2信号传输模块功能描述及关键技术通信介质的选用：在较长距离的有线传送工程中，如果使用通信介质要选择专电缆线和电力丝。采用光纤材料进行介质传输通常是经济效益良好的，但相应成本较高昂。在考虑的可有频谱范围、点对点或多点、最大长度、抗干扰能力、组成设备、使用与维护的成本等几个方面。1、同轴电缆同轴电缆的二条引线按同轴型式组成外引线，而内电缆导体-般为铜丝置于最此内外引线构成了一组电线相对。一些同轴电缆也会包在一条光缆内，一些还安装了多芯扭绞线，用来传递各类控制信息。但同轴电缆远比双绞电缆的投入成本更高，主要是因为同轴电缆优势有：数据传输速度快、带宽宽、抗干扰力量强、传递距离2、双绞线组成双股线的二条绝缘电线，按-一定尺寸(如逆时针)扭到了一块，因为相互作用于这二条电线上的所有干涉信息都是相同的，这样在信息传递过程中受外界电气干涉的结果所形成的共模信息就大为减少。现实建筑中有多芯线对，将它们封在屏蔽层中形成-一条光缆，因此对于传送数字信号时，双绞线的最大带宽可达为3、电话线从价格角度来看，虽然使用普通电话线实现串行通讯成本相当经济，但是在远距离传输过程中，因为线路之间所产生的电容分布不均容易干扰信息，从而使数据丢失，所以使用普通导线的电话线并不能进行信息传递。2.3硬件系统集成方法集成化的基本思想，来源于在微电子工艺领域中电路集成化方法所实现的成果。硬件系统集成的主要目的，是为完成各个功能单元和运行单位间信息通信技术的异构同化和同构整体化。对最终系统集成化要达到相应的技术条件，本设计参考的总体设计原则主要有如下几条；(1)在机械构造方面解决所承载的电器产品特性要求，并进行必要的机械连接。(2)对箱体的所有装置都进行了必要的固定、锁定和限位机构。(3)在装配时为电器设备、元设备及附属的装配带来了便利，并应在证明书中提出装配的地址、安装方法和备注事宜。(4)设备整机有适当的刚性与强度，可以适应元器件、配件以及附件的装配、调试和操作需要。(5)设备外壳和结构零件要能经受在生产运行过程中的机械的、电气的和热的应力影响，但又不会削弱其特性。(6)工业设备中的重要零件，应当具备一定的热稳定性、耐氧化性、阻燃性。(7)进行合理的散热，同时考虑人机测量学的需要。3.1.1下位机软件系统总体结构设计及功能下位机程序主要有二种汇编语言和C编程语言，由于C语言开发时间较短，基于对象过程的产品设计简单化，很易于实现程序的模块化发展。另外，程序的维护简便，可移植性好，代码结构清晰，可读性强也是目前单片机技术开发的首选开发工具。根据上述硬件控制系统所有模块功用，开发并设计了下位机的应用软件控制系统主要实现温度参数收集功用，屏幕显示功用，以及数据传输功能，如图3-1所示。“喂狗”子程序串口中断传输计时序图3-1下位机程序系统图各模块具体功能如下：(1)数据采集子程序：微机使用单总线的通信协议，按照一定时间向DS18B20中的寄存器发出开始采集信号，并首先与总线拉低温度表示进行通讯，在寄存器接受指令后控制传感器完成了温度转换，-一定时间后主机可以开始读取DS18B20的寄存器读取温度值，在这一步骤之前水质传感器中的高速缓存器就已经进行了采集了温度值存入的二个字节数据中，主机再根据单总线中的已读数据时序读取温度即可。(2)温度数据显示子进程：已读取的温度数据将会存到微机中的RAM,同时DS1302时钟芯片利用串口和微机通信，温度数据的每次-一个字节数据将从时钟RAM中送出，这时计算机就将获得温度值和时钟数据，在时序管理下利用总线把温度数据在液晶中加以显示。(3)数据传输编程：由于上位机与下位机各点位于RS-485总线上的拓扑点阵中，因此通过实现协定的通讯协定，在与呼叫位置相符时构建起单机通讯，通过触发或中断完成数据传递。结果、保存已获取的数据、数据处理分析、定期公布实验结果。如图2-5所示。显示采集结果：可以利用每一路获取的温度信号进行曲线绘制，每一路温度曲线都能够随时进行更新。采集数据存储：利用数据库采集数据记录，能够方便实现对历史财务数据的询数据处理功能：实现了对奇异点的剔除运算，使无效的加了图片的易读性。系统单片机控制器也称为微计算机系统，它经过了4位、8位、16位、32位的四大□(包含并行IO端口、总线输出端口及其DMA计数器电路I/O接口看门狗时钟(2)片内存储器(ROM)FlashROM等。16位程序计数器(PC>)用于80C52芯片的MCU中，不断存储下一条命令的地址。完成每条命令后，计算机的内容自动加1,为下一条命令做准(3)片内数据存储器(RAM)能寄存器(SFR)两大类。芯片上的RAM为256Bytes,可以直接或间接处理128Bytes(地址；00H~7FH)的最低内部RAM。内部RAM的高128字节(地址：80H~FFH)只能间接处理。特殊SFR功能寄存器(地址：80H~FFH),只能间接地址总线地八位及数字总线通道复合。PO能够分别驱动8个LSTTL负载。P1□(1脚~8脚):单片机中特有的单功能□,仅可用作普通的数据信息进入/产出□。P1还能够驱动4个LSTTL负载。P2□(21脚~28脚):当不接外部ROM时，可为八位准的双向IO□。P2□在八个地址线都不能全部使用时，通常作为通用IO。因为P2□可以驱动4个LSTTL负载。有特殊的第二功能。P三口能够共同驱使4个LSTTL负载。当P三□当成第一个功能用途时，也只是一般的I/O□,而当成第二个功能用途时，各端□都可当成外部的(5)定时/计数器(T/C)(6)系统时钟晶振的一个引脚为XTAL1(19脚),该引脚作为驱动端；另一个接外部晶振为(7)串行通信接口80C52单片机的串行IO接□用于和串行设备或其他单片机的通信，利用引脚RXD和引脚TXD与外界进行信息传输。主控回路部分由供电回路、时钟线路、复位控制回路、串口驱动回路组成。时钟回路的晶振频率X一为11.0592MHz,当频率范围在2~25MHz范畴内时，振荡补偿电容为典型值C≤。复位回路的阻容复位，电容器为10个K,电流为10个uF,从外器中产生的直流，会产生±百分之十电网波动。设计了一个由集成电路稳压器件W7805最大输出电压是5V,最大输出电压是1.5A。这些振荡集成电路和STC89C52RC内的时钟频率振荡器电路一起构成了整体有选定振动频率的功能。在此处所用的时钟频率是11.0592MHz。C1、C2为振动须先对STC89C52RC执行一下恢复动作，确保其平稳工作。此恢复电路把4.3DS18B20温度采集电路设计DS18B20是美国Dallas公司在DS1820之后推出的另一个改进型数字温度传感NCNCNCNCNCNCDQNCNC2376DS18B20的基本结构如图4.3所显示。主要由64位ROM、高速缓冲存贮器、非挥发的高低温报警触发器和高温敏感元件等四部分构成。64位ROM内部电检测和DS1302时钟电路通过实时时钟芯片DS1032进行计数，这种目的一方面能够使整个系统产生良好的精度，同时还能够更有效地降低单片机的工作压力。时钟芯片DS1302,包括实时时钟/日历以及三十一个字节的静态RAM。与C52单片机之间通过三路的同步串行方式实现了通讯。以高电平启动为进入/出口，低电平时结束进入/出口；以IO为数据进入/出口接作电源插针。4.51602A现场温度显示设计1602A也是最常见的人机接□形式，是一个专业用来表示字母、数码、音符等的点阵型液晶模块，其优点时体积小、重量轻、耗电量少、不浪费CPU时间。1602芯片的DO~D7数据线可以接到八十九C五十二的P二准双向数据□上。VSS连接处理，在VDD外接五V引脚。用RS引脚接P3.4,管理1602芯片数据寄存器以及指时，RS选定指令寄存器。在P2□的最大灌入电压为十五mA,在VEE连接一个十k声光报警系统成为现代人机交互体系中不能缺少的重要组成部分。本控制系统中识别温度异常时，将会开启告警指示灯，警告灯使用了乐清市中夏电子仪器厂的LTE-1101,工作压力：12V;告警噪声为110dB。对89C52单片机，实际测的引脚电平在5V以下，必须升压后方能引起告警。声光报警灯的回路所示；该部分主要由升压回路与告警回路所构成：输入滤波电容器按典型值设计为RVT220型的电容额定工作电压为50V、电容变形率为470uF的铝电解电容器，以及输出滤波电容器设计为200uF/50V的电容，这些电容器具备了"自愈"的特点；而输出端负载则由3629-W-1-303电位器和1k电流组成；采用的单极化瞬态电流控制二极管VD一型为SS54,该型集成电路器件具备过电感器。(2)采用了发光高压二极管和蜂鸣器的声光报警灯。LED二极管通常用作指示要用一个三极管(NPN)驱动的喇叭SPEAKER。如下图5.1所示，为多点温度采集系统的总体仿真电路图设计，其中U2、U3、U4、U5为多点采集器，可通过设置自动巡检模式开启自动巡检功能，通过调整DS18B20温度传感器的数字来模拟温度的变化，其具体测试如下5.2章节所示。出设置键巡检模式按键单组测量按键图5.2一路温度采集加键巡检模式按键：单组测量按键图5.3二路采集甚甚SchemszieCagture×中设置键加键铁图5.4三路采集图5.5四路采集系统在经过了模块化的电路调试、软件测试和系统集成试验后，系统的各方面性能均达到了要求，测量结果准确，数值显示、数据传输和声光报警系统均运行情况良好。随着科技的发展，特别是计算机的开发和广泛应用，数字采集技术也将具有更加广泛的前景，由本文所设计的远距离或多点数字式的采集技术特别是新型数字采集技术，可以广泛应用在粮仓、温室大棚等农作物生产方面。6.2展望对于本文设计而言，主要采用protues仿真设计，在理论方面验证设计方案的可行性，在今后的学习与工作生涯中，会努力做出实物设计，将理论知识化为实践。参考文献[1]徐松亮，许红宁.蓝牙多点PT10