仓库温度监测系统设计.docx
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仓库温度监测系统设计
《智能仪表课程设计》设计报告
课题名称：
仓库温度监测系统设计
学生姓名：
###
学生学号：
@@@
所在专业：
测控技术与仪器
所在班级：
@@@@
指导教师：
######
完成日期：
2011\09\15
扬州大学
二〇一〇年九月
第1章前言.............................................1
1.1摘要..........................................................1
1.2关键字........................................................1
1.3单片机简介....................................................1
第二章设计方案.........................................4
2.1设计任务和要求................................................4
2.2方案辩证......................................................4
2.3总体设计......................................................4
2.4相关芯片......................................................5
第3章硬件电路设计.....................................12
3.1温度传感器接口设计............................................12
3.2显示模块接口设计..............................................12
3.3总电路接口设计................................................13
第4章软件设计.........................................14
4.1主程序设计....................................................14
4.2温度传感器DS18B20设计........................................15
4.3显示模块LCD1602设计..........................................17
第5章调试与总结.......................................20
仪器仪表清单....................................................21
参考文献.........................................................20
附录1课程设计任务书.............................................22.
附录2参考程序...................................................24
第一章前言
1.1摘要
随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同种类的传感器，可实现诸如电压、湿度、温度、速度、硬度、压力等的物理量的测量。
本文将介绍一种基于单片机控制理论及其应用系统设计的数字温度计。
本文主要介绍了一个基于STC11F16XE单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机上的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也进行一一介绍，该系统可以方便的是实现温度采集和显示，并可以根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合我们日常生活和工农业生产中的温度测量，也可以当做温度处理模块嵌入其他系统中，作为其他主系统的辅助扩展。
DS18B20和STC11F16XE结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合与恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。
本设计首先是确定目标，其次是各个功能模块的设计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。
1.2关键词
单片机，数字控制，温度计，DS18B20，STC11F16XE
1.3单片机简介
二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。
单片机在这种情况下诞生了。
截止今日，单片机应用技术飞速发展，纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
单片机自70年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善:
单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成项目开发，不仅是开发简单，产品小巧美观，同时抗干扰能力加强,系统也更加稳定，使得它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景；提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间。
此外单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。
单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制（就是快速反应）的需要。
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器
/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者实现规定的任务。
1.3.1单片机的应用
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管
理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。
如：
音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
7.单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
1.3.2单片机的开发过程
这里所说的开发过程并不是一般书中所说的从任务分析开始，我们假设已设计并制作好硬件，下面就是编写软件的工作。
在编写软件之前，首先要确定一些常数、地址，事实上这些常数、地址在设计阶段已被直接或间接地确定下来了。
如当某器件的连线设计好后，其地址也就被确定了，当器件的功能被确定下来后，其控制字也就被确定了。
然后用文本编辑器（如EDIT、CCED等）编写软件，编写好后，用编译器对源程序文件编译，查错，直到没有语法错误，除了极简单的程序外，一般应用仿真机对软件进行调试，直到程序运行正确为止。
运行正确后，就可以写片（将程序固化在EPROM中）。
在源程序被编译后，生成了扩展名为HEX的目标文件，一般编程器能够识别这种格式的文件，只要将此文件调入即可写片。
第二章设计方案
2.1设计务任和要求
1.多路检测温度
实时显示温度
过限报警
2.基本范围-10℃—85℃
精度误差小于0.5℃
LCD液晶显示
可以任意设定温度的上下限报警功能.
2.2方案辩证
A.温度传感器的选择
方案一：
采用AD590，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。
M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。
使用可靠。
它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。
作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。
AD590的测量信号可远传百余米。
方案二：
采用集成数字式温度传感器DS18B20，该传感器是含有已校准数字信号输出的温度传感器。
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；多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；可编程的分辨率为9～12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；电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
B.显示模块选择
方案一：
ZLG7290和数码管，通过单片机的某两个端口模拟I2C接口与ZLG7290的SDA与SCL口相连，控制数码管与按键。
本课题要显示6路DS18B20采集的温度值且I2C总线对时序要求较高，因此要多个数码管。
方案二：
字符型液晶显示模块LCD1602，LCD1602以若干个58或511点阵块组成的显示字符群。
每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度；具有字符发生器ROM可显示192种字符；具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个58点阵字符或四个511点阵字符；标准的接口特性，适配M6800系列MPU的操作时序；模块结构紧凑、轻巧、装配容易；单+5V电源供电；低功耗、长寿命、高可靠性。
LCD1602与单片连接简单，满足多路显示要求。
通过A和B一共四个方案的分析，结合传统仓库温度监测系统时选取温度传感器方案的比较和论证，我们最终采选择集成数字式温度传感器DS18B20和字符型液晶显示模块LCD1602。
2.3总体设计
该仓库温度监测系统主要是以STC11F16XE单片机为核心、基于集成数字式温度传感器DS18B20对仓库内环境温度的采集监测，最终通过LCD1602液晶显示模块准确、快捷地显示出仓库内所存货物的温度，从而达到仓库温度监测的目的。
以下是仓库温度监测系统的总体设计
图2-1仓库温湿度监测系统总体设计
2.4相关芯片
2.4.1集成数字式温度传感器DS18B20
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。
DS18B20的性能特点如下：
（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，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。
（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网测温；
（3）无须外部器件，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；
（4）可通过数据线供电，电压范围为3.0-5.5Ｖ；
（5）零待机功耗；
（6）温度以9或12位数字，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；
（7）用户可定义报警设置；
（8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
（9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；
（10）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
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其引脚排列及内部结构框图如图及测温原理图如下所示：
图2-2引脚排列
图2-3内部结构框图
图2-4DS18B20测温原理图
64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图4所示。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图5所示。
低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
保留
保留
CRC
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
图2-5DS18B20的字节定义
DS18B20的分辨率定义如表1所示
表1分辨率设置表
R0
R1
分辨率
最大温度转移时间
0
0
9位
96.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
由表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。
因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
主机控制DS18B20完成温度转换过程是：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，即将数据总线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16-60us左右，之后发出60-240us的存在低脉冲，主CPU收到此此信号表示复位成功；复位成功后发送一条ROM指令，然后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预订的读写操作。
表2ROM指令集
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20中的编码
符合ROM
55H
发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编辑相对应的DS18B20使之做出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备
搜索ROM
0F0H
用于确定挂接在同一总线上的DS18B20个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作准备
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发送温度变换指令
告警搜索命令
0ECH
执行后，只有温度跳过设定值上限或下限的片子才能做出反应
表3RAM指令集
指令
约定代码
功能
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
0BEH
读暂存器9个字节内容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器的TH、TL字节
复制暂存器
48H
把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中
重调E2RAM
0B8H
把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
读供电方式
0B4H
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将最低温所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在最低温所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。
2.4.2液晶显示模块LCD1602
字符型液晶显示模块由字符型液晶显示屏（LCD），控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，少量阻、容元件，结构件等装配在PCB板上而成。
LCD1602接口引脚功能
引脚号
符号
状态
功能
1
Vss
电源地
2
Vdd
+5V逻辑电源
3
V0
液晶驱动电源
4
RS
输入
寄存器选择1：
数据；0：
指令
5
R/W
输入
读、写选择1：
读；0：
写
6
E
输入
使能信号
7
DB0
三态
数据总线（LSB）
8
DB1
三态
数据总线
9
DB2
三态
数据总线
10
DB3
三态
数据总线
11
DB4
三态
数据总线
12
DB5
三态
数据总线
13
DB6
三态
数据总线
14
DB7
三态
数据总线（MSB）
15
LEDA
输入
背光+5V
16
LEDK
输入
背光地
注：
15、16两管脚用于带背光模块，不带背光的模块这两个管脚悬空不接。
LCD1602指令集
1.清屏
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
00000001
运行时间（250Khz）:
1.64ms;
功能：
清DDRAM和AC值。
2.归位
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
0000001*
运行时间（250Khz）:
1.64ms;
功能：
AC=0，光标、画面回HOME位。
3.输入方式设置
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
000001I/DS
运行时间（250Khz）:
40us;
功能：
设置光标、画面移动方式。
其中：
I/D=1：
数据读、写操作后，AC自动增一；
I/D=0：
数据读、写操作后，AC自动减一；
S=1：
数据读、写操作，画面平移；
S=0：
数据读、写操作，画面不动；
4.显示开关控制
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
00001DCB
运行时间（250Khz）：
40us;
功能：
设置显示、光标及闪烁开、关。
其中：
D表示显示开关：
D=1为开，D=0为关；
C表示光标开关：
C=1为开，C=0为关；
B表示闪烁开关：
B=1为开，B=0为关。
5.光标、画面位移
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
0001S/CR/L**
运行时间（250Khz）：
40us;
功能：
光标、画面移动，不影响DDRAM。
其中：
S/C=1：
画面平移一个字符位；
S/C=0：
光标平移一个字符位；
R/L=1：
右移；R/L=0：
左移。
6.功能设置
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
001DLNF**
运行时间（250Khz）：
40us;
功能：
工作方式设置（初始化指令）。
其中：
DL=1，8位数据接口；DL=0，四位数据接口；
N=1，两行显示；N=0，一行显示；
F=1，510点阵字符；F=0，57点阵字符。
7.CGRAM地址设置
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
01A5A4A3A2A1A0
运行时间（
升级会员 