智能数字温度计设计毕业论文.docx
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智能数字温度计设计毕业论文
智能数字温度计设计毕业论文
智能数字温度计设计
作者姓名：
毛浩
专业名称：
自动化
指导教师：
高炳义副教授
成都理工大学工程技术学院
学位论文诚信承诺书
本人慎重承诺和声明：
1.本人已认真学习《学位论文作假行为处理办法》（中华人民共和国教育部第34号令）、《成都理工大学工程技术学院学位论文作假行为处理实施细则（试行）》（成理工教发〔2013〕30号）文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定，知晓论文作假可能导致作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。
2.本人已认真学习《成都理工大学工程技术学院毕业设计指导手册》，已知晓学院对论文撰写的内容和格式要求。
3.本人所提交的学位论文（题目：
），
是在指导教师指导下独立完成，本人对该论文的真实性、原创性负责。
若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为，本人自行承担相应的后果。
承诺人（学生签名）：
20年月日
注：
学位论文指向我校申请学士学位所提交的本科学生毕业实习报告、毕业论文和毕业设计报告。
摘要
温度是在我们生活是一个十分得到广泛应用的一个物理量，不管是在平常百姓家里，还是在工业科技方面等等的各个领域都需要应用到温度这个物理量，在计量温度方面的产品也与时俱进，高要求的条件也越来越高，如精度要求越来越高，量程要求越来越广等等，人性化越来越突出等等的优势尽显，总体来说走向智能化的方向。
本次的毕业论文实物设计选用的是现在广泛应用的STC89C52单片机，在测量温度方面选用的零件是选用DS18B20，它可以直接将外界温度转换成电信号。
在系统的运行过程当中，DS18B20会自动的检测工作环境中的温度，通过信号的传输，与自己在程序中设定的最高温度值和最低温度值做一个比较，从而分析外界环境的温度是否在自己设置的温度范围之内，如若不在自己设置的温度范围之内，就会发出报警信号，提醒工作人员进行对应的工作操作流程和安排。
本毕业设计用的单片机在市场上应用广泛，并且在价格方面十分的便宜，而且在精度，量程方面等等，都能满足于用户的要求，具有良好的发展前景。
关键词：
单片机传感器温度
Abstract
Temperatureisinourlivesisobtainedwidelyapplicationofaphysicalquantity,whetheritisinthehomeofcommoncommonpeopleorinindustrialtechnologyandsoonallareasofneedusetothetemperatureofthisphysicalquantity,anditiscloselyrelatedtoourlife,alongwiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,forwardthecontinuousdevelopmentofsociety,temperaturemeasurementproductsandstyleischangeable,keepingpacewiththetimes,theaccuracyrequirementsareincreasinglyhigh,rangeandmorewidelyandsoon,humanitymoreandmoreprominent,theadvantageoffilling,theoveralltotheintelligentdirection.
SelectionofthegraduationthesisdesignisnowwidelyusedSTC89C52MCUandDS18B20sensortoconverttheoutsidetemperature. DS18B20willautomaticallydetectstheworkingenvironmenttemperature,throughthesignaltransmission,andtheirownsetintheprogrambythemaximumtemperaturevalueandthelowesttemperaturevaluea,soastoanalyzetheexternalenvironmenttemperaturewhetherintheirsettemperaturerange,ifnotwithinthesettemperaturerange,itwillsendaalarmsignal,remindstafftocarryoutcorrespondingoperationprocessandarrangement. ThegraduationdesignofMCUinthemarketawiderangeofapplications,andthepriceisverycheap,andinaccuracy,range,andsoon,canmeettherequirementsoftheuser,withgoodprospectsfordevelopment.
Keywords：
SCM,Sensor,Temperature
前言
温度计是工业生产和日常生活过程中常用到的东西。
随着科学技术的迅猛发展，电子控制电路的温度计设计在我们的生活中使用相当广泛，因为它实现容易，而且控制精度非常高。
但是在很多地方，需要加上其他的的功能，以用来辅助环境中的使用，如在某些地方需要设置温度区间值，如在大棚蔬菜中的应用等等，所以研究出精度高的温度计加上报警功能意义重大。
依据其特点而使用的数字温度传感器DS18B20，因为它本身就内置了模数转换器（A/D转换器），从而将电路结构大大的简化，而且在很大程度上降低了在测量温度后数据处理时的造成的精度误差，提高了温度测量的准确度。
因为DS18B20独特的优势，在于单片机连接与通信是只需要用到一个引脚就可完成全过程，很大程度上简化了硬件连线的工作量，一定程度上扩展了单片机的应用的范围。
因为它与其他温度传感器比较来说形状很微小，可以使它通过简单的一根连线就可以和单片机相连，所以我们一般将DS18B20改装后以温度探针的形式，进入到很小很窄的区域，大大的扩大了它的适用范围。
并且可以通过串联接入多个DS18B20对若干个区域的的温度进行同时测量。
将功能强大的单片机与使用广泛的DS18B20配合使用，可很大程度上简化了我们在系统调试的工作量，利用其在控制中具有的编程简单，搭建灵活的优势，所以本次设计的处理器采用STC89C52单片机实现温度控制。
1绪论
1.1智能数字温度设计发展背景
随着科技日新月异的发展，在温度方面的发展也越来越深入人们的日常生活中，在新出现的各种各样的测温仪器当中，智能化温度设计技术空前发展，技术越来越来高科技，可以预测的是，不管是在现在和不可预测的未来，智能温度发展方面将是现代温度控制系统发展的必然之路，因为智能这个概念将是以后人类科技进步的动力，现在的智能机器人，智能机床控制等等，不管是在工业方面还是在人们日常的生活方面都开始融入大众和社会各个方面，影响越来越大。
温度这个物理量，是表征物体的冷热状态的物理量，与我们的生活息息相关，深入人们的日常生活当中，温度物理量更是在科学技术生产应用当中举足轻重，是在应用中最基本的物理量之一，无论在什么学科和发展方向，温度的计量都是十分的广泛重要的，都离不开温度这个概念，特别是在工业、生物化学、航天等学科方面的应用。
在农业的生产方面，我们更加能知道温度计量的重要性，在传统的温度的监测的过程当中，需要农户实时的监控温度的变化，这样才能保证农作物在正常的温度下进行生长，十分的过度的耗费人力和物力，还有在一些高危设备的运行生产的过程当中，温度对于其生产的控制至关重要，所以容不得半点的失误，危险性十分大，所以对于温度的实时的监控就变得十分的重要。
1.2智能数字温度计设计的目的
本篇的设计思路和内容是关于智能数字温度计控制系统的报警设计，当外界温度在用户设置的温度值范围内将正常工作，如果外界的温度不在用户设置的范围内将会报警。
本设计应用的范围十分的广，在许多的地方都可以得到使用，像蓄水池，恒温室，菜农的果园菜园等等，本设计在许多的方面的功能都比较的强大，例如能够按照用户的要求就行改装和设置温度范围，并且该智能数字温度计系统体积小，易于方便携带，其成本也比较实惠和便宜，性价比十分的不错。
1.3智能数字温度设计完成的功能
本温度控制系统的设计可以对环境中的温度进行一个全天的监控，采用的DS18B20数字式温度计测温的范围在-55摄氏度到125摄氏度，误差的范围在正负0.5度左右，采用LED数码管直接显示。
本毕业实物设计的是该智能温度计系统可以实现一个自动报警的基本的温度控制功能。
范围内温度的最高温度以及最低温度的值，是由用户自己来设置大小的，当智能温度计系统测出的温度不在用户设置的范围之内的话，高于设置的温度值，蜂鸣器和指示灯会做相应的操作，自动的报警，提醒用户，在用户相应的操作之后，温度下降到用户设置的温度范围当中，警报和红警报灯就同时停止工作，正常工作的指示灯绿灯就会从新的亮起来，当所测的环境温度低于用户设定下限温度时，警报和黄警报灯就会工作，来提醒用户。
1.4本章小结
本章主要是讲了智能化温度控制发展产生的背景和历史的意义，对智能化数字计设计目的一个概述，然后自己讲解了总体的设计思路和目的，就本系统的完成的功能和研究的内容进行了阐述，初步的确定智能数字温度系统的思路结构，设计的方向，控制原理。
为后面的设计提供参考和思路。
2系统的总体设计方案
2.1方案一
考虑使用诸如热敏电阻之类的模拟温度传感器，当外界环境温度发生变化时，热敏电阻两端的电阻值也会发生变化，这样就造成了实时所测的电压值的不同，然后利用A/D转换芯片采集热敏电阻两端的电压，再根据某个计算公式把采集到的电压值换算成此时的环境温度。
该方式使用芯片多，设计较为复杂，同时采集的精度受模拟温度传感器和A/D转换芯片精度的影响。
但是该种方式采集温度范围宽，尤其是使用热电偶、红外温度传感器时，能测量儿XX甚至更高的温度。
2.2方案二
考虑使用DS18B20数字温度传感器，DS18B20数字温度传感器可以直接根据外界的环境温度进行一个数字转换操作，将外界的信号转变成电信号，直接被读取环境中被测的温度值，这是一个十分优势的功能，然后再结合单片机的电路的硬件设计和软件设计，完成智能温度计系统设计的方案。
整个的设计方案的设计比方案一都要简洁方便，而且DS18B20数字温度传感器和单片机的I/O接口简单，依次完成设计要求。
2.3方案的选择和总体设计思路
通过比较上面方案一和方案二的总体设计方案，方案一总体设计方案中使用的芯片可能比较的多，其过程也可能比较的复杂，难度比较的大，同时采集的精度受模拟温度传感器和A/D转换芯片的精度的影响，所以本毕业实物设计采用的是方案二的总体设计方案思路，相比于方案一更具有优势简便。
在本毕业设计的组成模块当中，主要是由5个部分的组成，分别是主控制器STC89C52，DS180B20温度传感器，4位共阳极LED数码管显示，蜂鸣器和指示灯两部分的报警器，按键部分。
图2.1智能数字温度计设计方案
1.控制部分
采用STC89C52单片机和DS18B20
2.显示部分
显示部分显示电路采用4位共阳极LED数码管
3.按键设置部分
此部分有增加和减少，设置按键。
4.报警部分
该部分用到蜂鸣器和指示灯
2.4本章小结
本章主要讲的是关于本毕业设计当中温度采集的2种方案的介绍，简单的分析一下采集温度不同的选择之间的差异，对构建本设计对温度采集的一个核心的部分的了解与选择，通过确定测温方案的选择，然后对整体的硬件结构的构造进行一个全方位的设计，构建设计思路。
3系统硬件设计
3.1单片机电路设计
STC89C52单片机介绍
在52系列单片机这个大家庭当中，STCC52这款单片机性价比十分的不错的，是STC公司生产的其中一款。
其内存存储的工艺是采用的FLASH工艺的，在写完程序在里面之后，如果用户想换其他的程序，亦或者是改写程序的话，都可以擦除的，在从新的写入新的程序，非常的方便和适用于用户，比较的人性化。
STCC52单片机的功能有下面这些，首先它是一款耗能比较低，使用经典的MCS-51内核，性能也非常的稳定，CMOS八位的微处理器，并且具有8K存储字节，可以用电擦除而不是用紫外线来进行擦除，不需要用其他的辅助设备来支持，重复擦除的次数可以达到1000多次，在数据的保存时间上也是十分的长，具有512字节RAM，STCC52这款单片机的数据保存的时间可以达到的时限有10多年，STC89C52单片机虽然是一个很小的系统，但是在其功能上可是十分强大的，还有就是系统的稳定性也十分的良好，STCC52单片机的四个I/O口都是可以全部分配给用户用的，在上电编写程序时的编程电压可用正5伏和正3V的电压编程，在写入程序的时间上也是很短的，仅仅是10多毫秒，在改写程序的时候，是不用把芯片给拔下来的，所以在嵌入式控制领域是十分的适用和合适的，是根据单片机CPU上工作的情况还设置的，间接工作模式的状态可以通过硬件的复位或者是被中断来终止。
PDIP封装的52单片机图如下图3.1所示，该单片机有40个引脚，这40个引脚大致可以分为3个部分：
单片机最小系统所需要引脚，I/O引脚，编程引脚。
图3.1单片机封装图
单片机引脚介绍
单片机最小系统所需要的引脚有：
VCC，GND，XTAL1，XTAL2，RST，EA/VPP。
什么是单片机的最小系统，它所指示的是在单片机的外接的器件最少的时候，单片机可以正常工作时候的系统。
我们打个形象的比喻，我们也可以给手机定义一个最小系统，能让手机正常工作必须包括电源，无线通信收发器，话筒，键盘，有了这四个部分，电话就能打电话了。
下面来讲解最小系统所需的的引脚。
各引脚功能叙述如下：
1.VCC—运行和程序校验时加正5V电压。
2.GND—接地。
3.XTAL1，XTAL2—外部时钟引脚。
52单片机的时钟有2种方式的选择，一种是片内的时钟振荡方式，另外一种是外部的时钟方式，当你选择的是第一种方式的时候，这2个引脚要接上石英晶体和电容，选择的是第二种的话，这2个引脚接的方式就是，XTAL1接地，XTAL2作为外部时钟的信号输入。
4.RST—单片机复位引脚。
在连续的输入2个周期的高电平才是有效的是，RST引脚还有另一个功能，用电源的输入端。
图3.2单片机最小系统图
5.EA/VPP—访问程序存储器控制引脚。
它有接高电平和接低电平时候2种选择，当接的是高电平的时候，CPU访问的是内部存储器的单元，当接的是低电平的时候，访问的是外部的存储器的单元，需要用户自己来选择。
I/O引脚
P0口（P0.0—P0.7，39—32脚）：
P0是为一个双向的8位的三态的I/O端口，每一个端口都可以独立的控制，数据可以双向的传输，52单片机当中P0是没有上拉电阻的，在使用的时候一定要外接10千兆的上拉电阻，是因为没有上拉电阻，所以呈现的是高阻态，还能用来输出外部的存储器的第八位的地址。
由于是分时的输出，应该在外部将地址锁存，用ALE信号。
P1口（P1.0—P1.7，1—8脚）：
P1口是一个8位的双向I/O口。
内部带上拉电阻，输出接口没有高阻态，输入不能锁存，不是真正的双向口，称为准双向口。
当作为输入时，要先向该口进行写1的操作。
对于52单片机，P1.0的第二功能是T2的外部输入端。
P2口（P2.0—P2.7，21—28脚）：
P2口的功能和P1口的十分类似，准双向的8位的双向I/O口，每一个口都独立控制，内部带有上拉电阻，但是P1口还经常的用于构建系统总线地址，并且作为总线的高位地址。
P3口（P3.0—P3.7，10—17脚）：
P3口的功能和P1类似，只是P3口有第二功能。
第二功能如下表3.1所示。
表3.1P3口第二功能引脚
引脚编号
引脚符号
第二功能
说明
10
P3.0
RXD
串行口输入
11
P3.1
TXD
串行口输出
12
P3.2
INT0
外部中断0
13
P3.3
INT1
外部中断1
14
P3.4
T0
定时计数器0外部输入端
15
P3.5
T1
定时计数器1外部输入端
16
P3.6
WR
外部数据存储器写脉冲
17
P3.7
RD
外部数据存储器读脉冲
编程引脚
1.PSEN（程序存储器允许输出控制端）
在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。
由于现在的单片机的ROM都比较的大，几乎不要我们去扩展了，所以这引脚用的很少。
PSEN可以驱动8个LSTTL负载。
2.ALE（地址锁存控制引脚）
在系统扩展的时候，ALE用于把P0口的输出8位地址送到锁存器中锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
ALE有可能是高电平或者是低电平，当ALE时高电平的时候，允许地址锁存信号，当访问的是外部存储器的时候，ALE的电平信号会发生跳变，由正变成负的，会将P0口的低8位的地址信号送到锁存器当中，如果是ALE是低电平的话，P0口的内容和锁存器的输出是一样的。
单片机内部结构
单片机的内部结构是由以下几个部件组成的，如图3.3所示，中央处理器，数据存储器，程序存储器，定时计数器，并行输入输口，全双工串行口，中断系统，时钟电路。
图3.3单片机内部结构结构图
1.中央处理器CPU
中央处理器是整个单片机的核心部分，包括了运算器和控制器两个部分，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制的数据或者代码，单片机的CPU还特别的增加了面向控制的处理功能。
2.数据存储器
数据存储器主要用于存放程序执行过程当中的各种数据，内部有256B的字节存储，它们都是统一的编址的，划分为3个不同区域，专用存储器有专门用途，不用被用户自己使用。
00H—7FH为通用的数据存储区域，80H—FFH为专用的特殊功能寄存器区域。
3.程序存储器
程序存储器是用来存放程序和表格常数的，用户可以根据自己所用额定存储大小，进行扩展。
4.定时器/计数器
51单片机内部一共有2个16位可编程的定时计数器，有定时计数器0和定时计数器1，对于52内部还有定时计数器2。
工作方式灵活多变，它们既有定时的功能，也有计数的功能，编程又简单。
还包含有看门狗定时器，对于定时器/计数器来说，其过程就是做一个加一的功能过程，通过设置与他们相关的特殊功能寄存器，可以选择启用定时功能或者是计数的功能，定时计数器的的结构框图如下图3.4所示，定时计数器的在机器周期内脉冲的作用下，自动会进行加1的操作，操作不需要人为的操作，也不需要程序的参与，单片机内部会自己完成操作，明白这一点十分的重要，也就说定时计数器一旦设置好，启动了，就会进行自动加1的操作，其实就是检查电平0和1的变化，来下一个周期的检测是在电平0变成1之后的变化，在来计数。
图3.4定时器/计数器结构图
5.并行I/O接口
52单片机有4组I/O口（P0，P1，P2，P3）用于外部的数据传输。
6.中断系统
在讲解52单片机中断系之前，先简单的介绍一下中断的概念，顾名思义，中断，就是在程序运行的过程当中停下来，去执行其他比现在重要的程序指令，执行完成之后在回到原来的执行点继续执行，单片机执行一次中断分为五个步骤，分别是中断寄存器的初始化，中断源请求中断，CPU中断响应，执行中断服务，中断的返回。
下面分别讲解五个步骤：
中断寄存器的初始化：
如果单片机在程序的运行过程当中用了中断的话，就必须先对其初始化，比如是哪一种的中断，触发中断的要求是什么。
中断源请求中断：
当有中断的操作的时候，会发出中断的信号，然后中断的标志位就会变成1，这个操作是单片机自动的装入的，是自动完成的。
CPU中断响应：
CPU会检测中断的信号，当查询到中断的标志位是1的时候，同时符合中断的条件就会响应，如果不符合中断条件，否则就必须执行完指令才会相应中断，CPU响应中断之后，会进行保护断电地址，撤销中断请求的标志位。
执行中断服务：
中断的服务程序应包含以下几部分：
保护现场；执行中断服务程序，完成相应的操作；恢复现场。
中断的返回：
在中断服务程序最后，必须安排一条中断指令返回指令RETI，当CPU执行RETI指令之后，自动会完成以下的操作：
恢复断点地址，开放同级的中断，以便同级的中断响应。
7.单片机中断源
52单片机一共有五大中断源，分别是外部中断0，定时器0，外部中断1，定时器1，串行口中断。
中断的各个输入口如上表3.1所示。
关于外部中断源的选择有2个，分别是外部中断1和外部中断2,用户可以根据下表3.2的TCON中的IT1和IT2进行设置，当IT0（TCON.0=0）时，低电平有效；IT0（TCON.0=1）时，下降沿有效；INT1为外部中断1,当IT1（TCON.2=0）时，低电平有效；IT0（TCON.2=1）时，下降沿有效。
定时计数器0和定时计数器1中断源是内部中断，2个都是16位的，T0和T1是在脉冲的作用下开始计数，假如有脉冲的输入，就会在0和1之间跳变操作，自动提出中断溢出的请求，表示定时的时间到了。
表3.2TCON寄存器
位序号
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
位符号
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
位地址
8FH
8EH
8DH
8CH
8BH
8AH
89H
88H
3.2测温电路设计
DS18B20概述
对于一切的物质来说，都会有温度，也都会存在有温度的变化，其体现的方面就是热胀冷缩的外在的变化，其最根本内质其实就是温度的变化，而用来度量物体的温度数值的标志叫做温标，它规定了温度的测量起点和测量基本单位，目前国际上使用的较多的温标有华氏温标，摄氏温标，热力学温标。
DS18B20是位于美国的达拉斯一家企业生产的产品，它是一款单总线接口的数字温度传感器，并且它的硬件结构十分的简单，体积小，功耗低，可直接的将温度信号转化为数字信号给主机来控制等等的优点，在如今已应用的十分的广泛，DS18B20主要是由3个部分组成的，下面会有所介绍，64位的ROM，温度传感器，温度报警器，DS18B20中还包括了5条ROM命令指令和6条随机的存储命令指令，对于温度的转换的过程是在主机的控制作用下而完成的，通过采集外界环境的温度，然后进行转换，图中的3.1就是一个三角的封装图，有三个引脚，其中GND是接地端，DQ端是数据输入输出端，与TTL电平兼容，VDD端是接地端，但是在运用不同的方式下也是可以接电源端。
图3.1DS18B20封装
图3.2DS18B20内部结构
DS18B20的基本特性：
1.零待机功耗；
2.无须外部器件；
3.用户可定义报警设置；
4.当系统的空间
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