单片机设计VB多点温度监控系统.docx

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单片机设计VB多点温度监控系统

摘要

温度是工业生产和日常生活中最常见的参数之一，对温度的精确测量和控制具有重要意义。

为此，本文以AT89S51单片机为处理核心进行了多点温度监控系统的下位机设计，详细阐述了系统的硬件及软件设计方法。

该设计使用DS18B20数字式温度传感器进行多点测温，通过RS232串口实现单片机与PC机之间的数据交换，实现各温度点的实时测温及根据上位机的温度设定值完成对其中一点温度的控制。

此系统具有测温电路简单、连接方便、转换速度快、为上位机监控部分可实时传送温度信号、控制精度高等优点，因此，具有较广泛的应用前景。

关键词：

AT89S51；多点温度测量控制；DS18B20；RS232

Abstract

Temperatureisoneofthemostfamiliarparametersintheindustrialproductionand

dailylife.Therefore,thispaperdesignstheunder-bitmachineofmulti-pointtemperaturemonitoringsystemwiththe89S51SCMastheprocessingcore.Itelaborateshardwareandsoftwaredesignmethodindetail.ThesystemusestheDS18B20digitaltemperaturesensortomeasuremulti-pointtemperature.ThroughtheRS232serialportitcanexchangedatabetweentheSCMandPC.Eachpointoftemperaturecanbemeasuredontimeandonepointofitcanbecontrolledaccordingtothetemperaturesettingstransmittdbyup-bitmachine.Basedontheadvantagesthatthissystemhasthesimpletemperaturemeasurementcircuit,theconvenientconnection,thequickchangespeed,thereal-timetransmissionoftemperaturesignalsforup-bitmachine,thehighprecisioncontrol,therefore,itwillhaveverygoodapplicationvalue.

Keywords:

AT89S51;multi-pointtemperaturemeasureandcontrol;DS18B20;RS232

第1章绪论

温度在现代社会中成为一个很重要的物理量，人们可以根据温度来调节个人的生活行为，气象工作者可以根据温度变化范围来提供可靠的天气预报。

在工农业生产中，人们根据温度值来调节生产过程。

因此，准确的温度测量和控制在现代化的社会生产中具有重要的研究意义。

1.1课题背景

现代社会中，温度控制的应用越来越多。

温度是与人们的生产生活密切相关的一个物理,因此产生了各种各样的温度测方法，在工业领域内,对温度的测控十分广泛。

在很多工业应用的场合下，环境非常恶劣，人工直接操作仪表很不现实,采用有线数据通信的方式也有限制，在数据记录上也需要人工抄写，因此需要一种无线隔离的操作方式。

而在实际温控过程中既要求系统的稳定性,又要求快速性。

下面仅就在社会生产和生活中用处比较广泛的几处应用加以阐释。

1.在电子设备设计中，为防止系统损坏或性能降低，大都安装了用于监视危险温度的传感器，在多个热点的系统中需要进行多点温度测量。

微处理器（CPU）和数字信号处理器（DSP）为高速芯片，可能产生过热即危险温度。

另外一个热源是安装在机箱后部散热器上的功率器件。

风扇是用来散热的，但它的长时间运转也会造成过热。

在每一处都有放置一个温度传感器可以单独监视每一处温度，任一处温度超出了安全范围，系统就可以通过减低时钟速度或关掉系统电源等手段防止发生问题。

2.建筑节能是世界建筑技术发展的大趋势，我国目前在该领域的技术还是相当落后。

使用一种基于总线的和一线制数字的温度传感器测控系统,可以应用在建筑暖通空调系统中,既能最大限度地达到节能的目的,又能很好地满足人们对室内热环境智能化的要求。

单总线数字式温度传感器有着独特的单总线接口,可以在一条线上接多个传感器,从而克服了模拟温度传感器与微机接口时的灯转换等缺点。

它具有测温精度高、抗干扰能力强、成本低、体积小等特点。

其具有良好的通用性,可以解决建筑的温度测控问题,并利用总线的特殊优势解决了远距离多点测量问题,网络传输实时性好。

3.金属粉末注射成型技术（MetalInjectionMolding）是近年来粉末冶金学科和工业中发展比较突出的领域。

其基本工艺过程是：

将微细的金属或陶瓷粉末与有机黏结剂均匀混合成为具有流变性的物质，采用先进的注射机注入具有零件形状的模腔形成坯件，采用新技术脱除黏结剂，并经过烧结使其高度质密成为制品，必要时还可以进行后处理。

因此，温度控制精度的高低直接影响到产品的质量及使用寿命，研究和设计高性能的温度控制系统具有非常重要的意义。

使用数字式DS18B20温度测控系统不仅可以应用到连续烧结炉的多点温度控制，还可以应用到其他工业对象的温度控制，比如冶炼高炉，工业窑炉等；而且成本低，可靠性高。

4.某大型飞机洞库线道长,环境复杂,由于其存储有重要的军事物资,对其温度、湿度、油分子浓度、火警等信号进行综合监测是一项重要的任务。

使用温度监控系统采取了微机与现场总线技术,不但节省了布线费用,而且由于布线简单,降低了系统巡检的故障率,提高了其精度及可靠性。

多点温度综合监测与报警系统经某飞机洞库使用证明,其布线简单,提高了系统抗干扰能力,使用成本比购买传统的单个温度表及需长距布线节省数万元,且便于更新换代,实现了数据的远距传输与信息化管理。

5.为满足日益增长的蔬菜市场需求，提高人民的生活水平，现代农业生产中大量采用温室进行蔬菜等农作物培育。

其中温度监测是控制农作物生长的关键因素，由于不同温室中的农作物生长所需要的温度不同且要求稳定在一定的温度范围内。

仅仅是依靠人工管理存在温度调节不及时、不准确，影响作物生长及人力资源浪费等问题。

温室智能温度控制系统采用基于DS18B20和LPC2132，具有多点温度监测控制、对异常情况进行记录并可调用历史数据进行分析的优点，能满足作为温室温度监测控制系统要求。

并且采用的单总线温度传感器DS18B20可以直接输出数字量，不需要A/D转换，与微处理器容易接口，能够有效的解决硬件电路复杂，软件调试复杂的问题。

1.2多点温度测控系统的发展现状

在人类的生活环境中,温度扮演着极其重要的角色。

无论人们生活在哪里,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,工业发展和是否能控制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,绝大多数的工农业领域都不得不考虑温度的因素。

温度对于工业如此重要,由此推进了温度测控系统的发展。

温度测量早期依靠简单的物理式热胀冷缩来实现,它所能够测量的温度精确度是有限的。

后来，人们发明的各种各样的温度测量装置。

为保证生产、生活的质量，温度的精确控制是必要条件。

因此，温度控制仪器的开发和应用也具有十分重要的意义。

目前，常用的几种温度控制仪器有：

1.电接点温度表温度控制

电接点温度表的检测部分与指示部分合为一体,利用此表构成的温度控制系统的框图如图1.1所示。

图1.1采用电接点温度表构成的温度控制系统框图

将电接点温度表直接安装在需要控温的装置中,它既能检测装置中的实际温度,又能显示其温度。

2.位式温度显示调节仪温度控制

温度显示调节仪的测温元件与显示部分是分开的,用此仪表控制温度不仅可以远距离观察加热装置的温度,而且控温精度较高。

温度显示调节仪有指针式和数字式两种。

数字式与指针式温度仪表相比,具有观察方便、读数清晰、无视差、精度高、可靠性好、稳定性强及抗震性好等优点,因而得到了较广泛的应用。

温度显示调节仪根据调节形式不同,又可分为二位式、三位式、PID式等多种类型。

由位式温度显示调节仪构成的温度控制系统框图如图1.2所示。

图1.2采用二位式温度显示调节仪构成的温度控制系统框图

将测温元件（热电阻或热电偶）安放在需要控温的装置中,而将位式温度显示调节仪安装在电气控制台面上。

测温元件将检测的实际温度信号输入温度仪表,此信号与表内已设定好的控制值进行比较,温度仪表输出继电器触点信号,以控制加热器工作,从而达到控制温度的目的。

由三位式温度显示调节仪组成的控制电路原理图如图1.3所示,其中,TH、TL分别为温度表的上、下限常闭触点。

此电路的控温原理与电接点温度表控温电路基本相同。

图1.3采用三位式温度显示调节仪构成的温度控制系统原理图

在控温系统工作之前,首先要进行温度设定。

通过调整电接点温度表上的温度设定钮,将表上的设定指针调到所需控制的温度范围。

控制范围在表的指示范围内根据需要可任意设定。

温度控制原理是:

接通选择开关,当加热装置内的温度低于温度表设定的下限值时,电接点温度表的下限常闭触点闭合,电加热器开始加热。

当装置内的实际温度上升到等于温度表设定下限时,触点断开，但由于接触器的常开触点闭合自锁,加热器仍然加热,温度继续上升,当装置内的温度达到温度表设定上限值时,上限常开触点闭合,中间继电器的常闭触点断开,加热器断电,停止加热。

当装置内的温度下降而低于上限值时,加热器仍不能加热。

当温度下降到低于温度表设定下限值时,加热器才又开始加热,这样如此循环即可实现区间温度控制。

采用电接点温度表控制温度,方法简单,所用部件少,成本低,但由于此表的测温元件与指示表盘合在一起,给观察加热装置的实际温度带来不便,另外电接点温度表有惯性,控温误差较大。

因此,这种方法常用在对温度控制要求不高的场合。

3.PID连续电流输出温度显示调节仪温度控制

利用此温度仪表构成的控温系统框图如图1.4所示。

PID温度显示调节仪具有比例（P）、积分（I）、微分（D）调节规律。

比例动作能实现没有振荡的平滑控制,积分动作能进行自动修正偏移,微分动作能对干扰进行快速响应。

因此这种调节方式既能快速进行调节,又能消除静差,还可以根据偏差的变化及方向进行超前调节。

若P%（比例带）、I（积分时间）、D（微分时间）这3个参数合理选择,可实现理想的调节质量。

控温原理如下:

通过测温元件（热电阻或热电偶）检测到的实际温度与PID仪表已设定好的控制温度进行比较,使PID仪表输出具有P、I、D调节规律的直流电流（0～10mA或4～20mA）信号,供给可控硅电压调整器,调整器输出的脉冲信号控制可控硅导通角的大小,以改变电加热器的加热功率,从而使控温装置的实际温度与温度仪表设定值基本一致。

另外,图1.4所示控温系统中的PID温度显示调节仪和可控硅电压调整器也可以用具有二者功能为一体的仪表来代替。

一体化仪表直接输出脉冲信号控制可控硅,对控温装置的温度进行控制,它具有体积小、使用方便的特点。

这种温度控制系统反应灵敏、控温精度高,并且若用可控硅元件取代接触器,消除了机械触点,会使控制系统的寿命更长,可靠性更高。

此法适用于对控温要求较高的场合。

图1.4采用PID连续电流输出温度显示调节仪构成的温度控制系统框图

4.电压输出温度显示调节仪温度控制

电压输出温度显示调节仪和固态继电器构成的温度控制系统如图1.5所示,图中加热器为单相的。

温度仪直接驱动一支固态继电器（SSR）,便可进行大容量的控制。

当加热器为三相时,仪表的输出驱动3只固态继电器,固态继电器输入端可串联或并联,而加热器可接成三角型或星型,另外还要加上相配套的散热器进行散热。

这种控温系统适用于电加热器的容量较大时的场合。

图1.5采用电压输出的温度显示调节仪构成的温度控制系统框图

现代社会中，人们对控制的要求更加严格，需要控制系统朝着快、准、稳的方向发展。

许多新测量设备的性能指标放在以前，简直是不敢想象的。

温度测量方法的发展和技术的创新，使得人们对温度的测量更加准确和方便。

在社会生产许多场合，只有对温度的精确的测量，才能保证精确的控制。

多点温度测控系统未来的发展前景十分广阔，温度测控技术的发展趋势随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，计算机的应用将由简单的以数据采集处理和监测，逐步转向以知识处理和应用为主。

除了硬件控制设备的不断完善，软件系统的研制开发也将不断深入完善，其中主要以专家系统为代表的智能管理系统已取得了不少研究成果。

近些年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在温度测控领域得到了不同程度的应用。

此外，神经网络方法采用黑箱方法能把复杂的系统通过有限的参数进行表达，但神经网络方法也存在着明显的缺陷，即需要大量的历史资料，否则在进行外推和演绎时可靠性明显降低。

随着网络通讯技术的发展，地区之间甚至跨国之间可以通过互联网进行远程控制和管理。

我国土地辽阔，气候复杂，工农业生产发达，但是整体水平较低，利用现代化网络技术进行在线和离线温度测控服务，从长远看是未来的发展趋势所在。

1.3论文内容与安排

本论文共分6章。

第1章绪论，介绍多点温度测控系统的背景和发展现状。

第2章针对该课题的任务进行具体方案论证和可行性分析，包括硬件方案和软件方案的设计和分析。

第3章介绍数字温度传感器DS18B20测温的硬件系统电路设计。

包括单片机最小系统、多点测量电路部分、控制电路、电平转换电路和串口通信电路等。

第4章阐述了多点测温系统的软件设计，包括读序列号子程序、温度转换子程序、温度读取子程序、串口通信子程序、温度控制等。

第5章介绍软硬件调试的步骤和故障分析，最后得出结论并作社会经济效应分析。

第2章系统的方案论证与可行性分析

通过第一章的介绍，对温度测量，温度控制已经有了一定的了解，本次设计的温度测控系统是对温度测量和控制的结合。

下面将根据温度测控系统的特点和功能具体介绍温度测控系统的硬件和软件的总体设计方案，硬件总体设计方案介绍了组成测控系统的各部分电路，以及各部分电路的主要功能。

软件总体设计方案介绍了总体设计的流程图以及各部分功能模块的设计思想。

最后，对方案的技术可行性进行了论证分析。

2.1任务分析

毕业设计的任务分析如下：

1.掌握数字温度传感器DS18B20测温的基本原理；

2.设计基于DS18B20的多点温度测量系统的硬件电路；

3.学习并应用单片机设计编写温度测量系统的温度采集、数据处理和串口通信、温度控制等汇编程序。

从上述的分析可知本次设计是设计一个基于DS18B20的多点温度测量系统，主要包括硬件电路设计和软件程序设计。

按照系统设计功能的要求，可以确定设计系统由单片机、测温电路、控制电路、电平转换电路组成，系统硬件的单片机使用AT89S51单片机，温度传感器使用美国DALLAS公司最新推出的DS18B20数字式温度传感器。

采用DS18B20可使测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少、转换速度快、与微处理器的接口简单。

对于软件设计，为进行数据处理和控制功能，采用模块化设计方法，用51系列单片机汇编语言设计相应的子程序，完成数据采集、处理、传送等功能。

在满足需求条件下，为控制两点测温过程而设计的软件和硬件，要达到软硬件相结合,智能化设计的目的，硬件电路是系统的结构框架，是软件的载体，软件是系统的内核，通过硬件来进行具体操作，因此软硬件相互配合，共同完成各种功能。

2.2硬件总体方案设计

经过任务分析，具体的硬件方案设计如下：

本设计中以DS18B20为传感器、AT89S51单片机为控制核心组成的接口电路图如图2.1所示。

用2只DS18B20同时测量2路温度（视实际需要还可扩展通道数）。

AT89S51单片机P3.3口接单线总线。

图2.1系统硬件结构框图

该方案主要包括以下几大部分：

1.单片机最小系统

单片机最小系统包括单片机芯片，时钟电路和复位电路。

时钟电路用于产生单片机工作时所必须的时钟信号。

AT89S51单片机的内部电路在时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作；复位操作是单片机的初始化操作，只需给单片机的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可以使单片机复位。

2.测温部分

本部分采用DS18B20和AT89S51单片机的单总线结构，主CPU经过单线接口访问DS18B20的主要工作流程为：

对DS18B20进行初始化，ROM操作命令，温度转换和温度读取，数据处理等操作命令。

主CPU对ROM操作完毕，即发出控制操作命令，使DS18B20完成温度测量并将测量结果存入高速暂存器中，然后读出此结果。

3.控制电路部分

该部分通过单片机的P口输出的高低电平来控制加热电阻的通断，当P口输出低电平时，加热电阻通电，周围的温度缓慢升高，DS18B20测得的温度值也升高；当P口输出高电平时，加热电路断开，温度回落。

4.电平转换与串口通信部分

由于单片机的TTL电平与计算机要求的232电平并不兼容，故使用MAX232芯片对电平进行转换，转换后的电平通过串口与计算机进行串口通信。

2.3软件总体方案设计

测温系统的硬件电路确定之后，测温系统的主要功能将依赖于软件来实现。

研制一个复杂的测控系统，软件研制的工作量往往大于硬件。

本系统的主要软件思想是这样的：

下位机软件主要是完成与上位机的串口通讯，接受监控系统的指令，实现多路温度数据采集和实时上传数据。

下位机的程序采用串口查询的方式，从而能够实现上位机指令对单片机的实时控制，节省CPU的资源。

此测控系统的下位机程序部分功能的实现是由上位机进行控制。

当单片机上电后，开始对整个下位机系统初始化，设置定时器和串口工作方式。

然后单片机便总是处于等待状态，直到上位机发送控制指令给单片机后，单片机进入接受命令程序。

上位机发给单片机的第一个指令是06H，这条指令的作用是测试串口通信。

当单片机接收到数据后便回复数据FF，若上位机接收的数据为FF时，则表明串口通信成功，之后单片机又处于等待状态。

上位机发送的测温命令为05，当单片机接收到该指令后，温度传感器开始进行测温，并且数据开始实时上传。

在整个测量过程中，上位机对下位机发送温度控制的命令，设定一个温度值，下位机接收到该指令后，将温度传感器内存单元中的数据与该指令进行比较，若不相等，便进入温度控制部分。

系统操作的总体流程图如图2.2所示。

图2.2软件总体流程图

2.4系统方案可行性分析

本文所设计的是基于232网络的温度测控系统。

RS232总线具有抗干扰能力强，传输距离远、有较强的级连能力的特点。

其成本低廉，在工业控制领域得到广泛应用。

系统采用的器件都是非常普遍的器件，大多数已经批量生产，并且价格也十分低廉，如AT89S51单片机、MAX232芯片、DS18B20数字式温度传感器等。

这就意味着所选择使用的器件功能比较强大、稳定，尤其是本次设计的核心元件AT89S51单片机，功能强大，软件配合度高。

系统的硬件电路简单，易于制作，价格低廉，硬件的实现具有可行性。

由于设计中着重考虑了硬件电路的简单性，故尽可能做到了减少硬件电路的复杂性，节省线路板的空间，达到了硬件电路优化设计效果。

软件采用了应用广泛的汇编语言编写和模块化设计思想，程序可读性强，便于系统的改进和升级，灵活性和适应性强。

该设计可用于多点温度监控，可应用于多种工农业监控场合。

通过以上的分析可以知道，本次设计所采用的软件和硬件条件都趋于合理，系统的实现是可行的。

第3章多点温度测控系统硬件系统设计

本系统需要焊接硬件电路。

硬件电路作为整个系统运行的必要框架，是软件正常运行的结构基础，离开了硬件架构，整个系统需要实现的功能就无从谈起。

本章内容首先介绍数字式温度传感器，说明了传感器的使用特点，以及它的工作原理及主要特点。

其次分别介绍了系统的整体硬件模块，主要包括以下几个模块：

单片机最小系统、DS18B20与单片机接口电路、控制电路、电平转换和串口通信电路。

3.1温度传感器DS18B20

DS18B20是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字温度传感器。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

3.1.1DS18B20的结构

DS18B20主要由寄生电源、温度传感器、64位串行ROM单线接口、存储中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM）、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余检验码（CRC）发生器部分。

DS18B20管脚排列如图3.1所示。

图3.1DS18B20的引脚图

本设计使用的是三引脚的产品。

其中，1号引脚接地，2号引脚接数据端，3号引脚接电源。

3.1.2DS18B20的主要特点

数字型智能温度传感器有以下主要特点：

1.适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

2.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。

3.DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的单总线上，实现组网多点测温。

4.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。

5.温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

6.温度分辨力可编程。

DS18B20的数字温度输出可进行9～12位编程。

在实际应用时，需要在分辨力与转换时间两者之间权衡考虑。

当DS18B20工作在12位分辨力时，温度与数字输出的对应关系见表3.1。

7.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。

表3.1DS18B20输出数据与温度的对应关系

温度/℃

数字输出（二进制）

数字输出（十六进制）

+125

0000011111010000

07D0H

+85

0000010101010000

0550H

+25.0625

0000000110010001

0191H

+10.125

0000000110100010

00A2H

+0.5

0000000110101000

0008H

0

0000000000000000

0000H

-10.125

1111111101011110

FF5EH

-25.0625

1111111001011111

FE6FH

-55

1111110010010000

FC90H

8.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。

3.1.3DS18B20的测温原理

用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来