温度检测系统设计 温度检测系统论文Word下载.docx

1、第一章 绪 论第一节 系统背景测量控制的作用是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算的方法，综合各种先进技术，使每个生产环节都能够得到有效的控制，不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。所以，测量控制技术已经被广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和纺织等行业。温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机以其集成度

2、高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉等优势，在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到了广泛的应用，特别是单片机嵌入式技术的开发与应用，标志着计算机发展史上又一个新的里程碑。作为计算机两大发展方向之一的单片机，以面向对象的实时控制为己任，嵌入到如家用电器、汽车、机器人、仪器仪表等设备中，使其智能化。目前国内外各大电气公司，大的半导体厂商正在不断的开发、使用单片机，使其无论在控制能力，减小体积，降低成本，还是开发环境的改善等方面，都得到空前迅速的发展。温度检测控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对

3、温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。温度检测系统应用十分广阔。第二节 系统概述本器件以AT89C52单片机系统进行温度采集与控制，AT89C52的时钟为11.0592M，I/O口可达32个，高的时钟频率和丰富的I/O，都为实现电路功能提供了非常有利的条件。同时也AT89C52内含4KB FLASH ROM，开发环境友好，易用，方便，大大加快本系统设计开发。实时显示电路的设计，使温度信息更迅速，直观地发布。本制作的设计中使用了传感器的

4、只是插座电路，因此，该系统的可扩展性很强。整个系统硬件简单、可靠，系统成本低。温度信号由模拟温度传感器DS18B20采集串行转换输入AT89C52，温度数据传输采用RS485多机通讯，主控器能对各温度检测器通过串行传输线实现远程温度数据的传输以及显示。本机实现了： 检测温度范围：0+100。 检测分辨率1。 各检测器与主控器之间的距离100米（实验中用10米传输线代替） 各检测器单元可显示检测的温度值。 设计并制造了各检测器及主控器所用的直流稳压电源。由单相220V交流电压供电。第二章 系统方案设计第一节 方案一采用普通电阻式温度传感器，放大器，A/D转换器作为测量温度的电路。采用两种不同材质

5、的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在540微伏之间。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到

6、前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。第二节 方案二采用数字可编程温度传感器作为温度检测元件。数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上，减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积。美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件

7、及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。 同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产

8、品更便宜，体积更小它还有很多特性：适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，寄生电源方式下可由数据线供；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温范围55125，在-10+85时精度为0.5；可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在93.75ms内

9、把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。第三节 方案论证方案一硬件电路复杂，需要设计A/D转换电路，以及与其相关的编程，总体设计起来较困难，软件、硬件调试复杂，硬件成本较高。而且器传感器有以下缺点：它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响。所以总体来说，方案一在硬件、软件上的成本都比较高，而且易受外部环境的影响，系统工作不稳定。方案二由于采用的

10、是具有一总线特点的温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大的通信协议，同过几个简单的操作就可以实现传感器与单片机的交互，包括复位传感器、对传感器读写数据、对传感器写命令。软件、硬件易于调试，制作成本较低。也使得系统所测结果精度大大提高。经过对这两种方案的比较，本设计决定采用方案二。第三章 硬件电路设计第一节系统总体设计本次设计采用采样值和键盘设定值进行比较运算的方法来简单精确地控制温度。它的整体思想是先通过键盘输入设定温度的范围，保存在AT89C52的指定单元中，再利用温度传感器DS18B20进行信号的采集，送入单片机中，保存在采样值单元。然后把采样值与设定值进行比较运算，得出控制量

11、，从而调节继电器触发端的通断，来实现将温度控制在一定的范围内。单片机控制系统是一个完整的智能化的集数据采集、显示、处理、控制于一体的系统。由传感器、LED显示单片机及执行机构控制部分等组成。系统结构框图如图3.1所示。图.1 系统硬件结构框图第二节 各部分硬件电路设计一、时钟电路设计时钟电路是用来产生AT89C52单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C52本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89C52在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作 ，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时

12、钟信号。AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。晶振频率为在1.2MHZ12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHZ。本次系统的时钟电路设计如图3.2所示。图3.2 时钟电路图二、看门狗电路设计在单片机的工作现场，存在着各种各样的干扰源。这些干扰源很可能引起程序跑飞，造成死机或程序的非正

13、常运行，如不及时复位，容易造成损失。为了保证单片机稳定而可靠的运行，需要电压监控电路，避免掉电时能及时把重要数据保护起来。看门狗就是在程序跑飞或死机时，对系统进行重新置位或者复位，以使系统恢复正常运行的一种专用电路。现在常用的看门狗主要有两种:软件狗和硬件狗。软件狗实际上就是通常所说的软件陷阱，是纯软件的处理方法。硬件狗现在更多地被采用。所谓硬件狗，就是一个能够发出“复位”信号的计数器或定时器电路。本次设计使用的复位芯片为IMP813L微处理器专用监控器,构成的看门狗电路如图3.3所示。图3.3 看门狗电路与单片机的连接1. IMP813L 的引脚功能（1）人工复位输入端可直接与复位开关相连，

14、当其电压降至0.8V 以下时片内产生一高电平有效的复位脉冲，宽度为140 280ms，可有效地消除机械开关的抖动。（2）WDI 看门狗检测输入端当此端跳变为低电平或高电平时，片内的看门狗定时器开始计数，若低电平或高电平的维持时间等于1. 6s，看门狗定时器完成计数，端输出低电平。（3）看门狗输出当内部看门狗定时器完成1. 6s 计数，该端输出低电平，看门狗定时器清零后它又恢复为高电平。且当电源电压（ VCC ） 低于复位门限电压（4. 65V ）时， 端也变为低电平；当VCC 上升到复位门限电压以上， 该端变为高电平（无效） 且无延时。（4） RST 复位信号输出端高电平有效，当VCC 上升超

15、过复位门限电压或端由低电平变为高电平后，该端仍保持200ms 有效高电平。当VCC 低于复位门限电压，该端一直有效。（ 5） PFI 电源故障监控输入端当PFI端电压（V PF I）小于1. 25V 时，端变为低电平。（ 6）电源故障输出端当V PF I 1. 25V ， 该端变为高电平并吸收电流。2. 系统正常复位在图3.3 中复位开关K 被按下并松开，使端获得低电平，RST 端输出复位信号，单片机复位。或由于（ VCC 加入并超过复位门限电压） 引起系统正常复位。3. 电源以外的干扰引起系统复位我们可使89C52的P1.0 端向IMP813L 的WDI 端输出高和低电平维持时间小于1.6s

16、 的短形波（脉宽可不相等） ，故片内看门狗定时器不能溢出，保持高电平，开关二极管截止。当干扰信号使得系统程序飞出或进入死循环：89C52 的P1.0 端不能正常输出脉宽小于1.6s 的矩形波，而使得WDI 端的高或低电平的维持时间超过1.6s，看门狗定时器溢出，端由高变为低电平。由于端有一内部250mA 的上拉电流，二极管导通，端获得有效低电平，RST 端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，又恢复为高电平。三、报警与控制电路设计控制电路采用现代工业中流行的固态继电器，实现小信号控制大功率输出，弱电信号控制强电器件的功效。本次设计预留了两个继电器，分别用来接加温设备和通风降温设备。如果室

17、内的温度低于设定的温度范围内时，系统将发出报警声音，此时绿色指示灯亮起并接通加温设备。如果室内的温度高于设定的最高温度时，系统同样发出报警声音，绿灯起并断开加温设备同时接通通风降温设备进行降温。报警电路与控制电路如图3.4所示。图3.4 报警与控制电路与单片机的连接四、LED显示电路设计LED数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字。可以显示：时间、日期、温度等可以用数字代替的参数。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、

18、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只

19、要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在本设计中采用了三位七段数码管，用动态驱动来显示温度的值，如图3.5所示。图3.4 显示电路图五、温度检测电路设计本次设计所采用的温度传感器为Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPRO

20、M中，掉电后依然保存。DS18B20与AT89C52单片机接口电路的设计DSl8B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线，DS18B20与AT89C52单片机的接口电路如图3.6所示。图3.6 DS18B20与AT89C52单片机的连接DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55C-+125C，在-10-+85C范围内,精度为1.DS18B20产品的特点 （1）只要求一个端口即可实现通信。（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3）实际应用中不

21、需要外部任何元器件即可实现测温。（4）测量温度范围在-55C-+125C之间。（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）内部有温度上、下限设置。2.DS18B20的引脚介绍 TO92封装的DS18B20的引脚排列见图，图3.4 DSI8B20引脚图其引脚功能描述见表1。表1DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先DS18B2

22、0提供以下功能命令之一：读ROM， ROM匹配，搜索ROM，跳过ROM，报警检查。若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。测量结果将被放置在DS18B20内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM 的数据。如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。所有的数据的读、写都是从最低位开始。第四章 软件设计第一节 主程序方案

23、首先要根据系统的总体功能和键盘设置选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。本部分详细介绍了基于AT89C52单片机的多路温度采集控制系统的软件设计。根据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如温度采集子程序，数据处理子程序、显示子程序、执行子程序。采用Kiel uVision3集成编译环境和汇编语言来进行系统软件的设计。本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路后，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序。并对温度进行实时显示。采用C语言编写代码, 鉴于篇幅限制及DS18B20 的应用已经规范和成

24、熟, 本文仅就主程序流程图和显示子程序流程图及其代码进行说明。P0.1口的PWM脉冲波通过定时器T0 定时来实现, 在此不再赘述。主程序流程图主程序通过调用温度采集子程序完成温度数据采集, 然后调用温度转换子程序转换读取温度数据,调用显示子程序进行温度显示和判断温度数据。主程序（见附录2）调用四个子程序，分别是温度采集程序、数码管显示程序、温度处理程序和数据存储程序。温度采集程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。数码管显示程序：向数码的显示送数，控制系统的显示部分。温度处理程序：对采集到的温度和设置的上、下限进行比较，做出判断，向继电器输出。数据存储程序：对键盘的设置的数据进行存储。系统流程图如图4.1：图4.1 主程序系统流程图第二节 各个模块子程序设计一、温度采集程序温度采集子程序流程图如下：图4.2 温度采集子程序流程图其具体程序如下：void delay（unsigned int i）/延时函数 while（i-）;/初始化函数Init_D