智能型多路温度巡检仪设计毕业设计.docx
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智能型多路温度巡检仪设计毕业设计
本科毕业设计（论文）
智能型多路温度巡检仪设计（硬件部分）Designofintelligentmulti-channeltemperatureinspectioninstrument
（hardware）
学院：
专业班级：
电气工程及其自动化
学生姓名：
学号：
指导教师：
2015年6月
摘要…………………………………………………………………………I
ABSTRACT……………………………………………………………………II
目录…………………………………………………………………………III
1绪论………………………………………………………………………1
1.1课题背景……………………………………………………………1
1.2温度控制的发展概况………………………………………………1
1.3课题研究内容………………………………………………………2
2方案设计与硬件选择………………………………………………………3
2.1系统整体方案设计…………………………………………………3
2.2硬件总体结构………………………………………………………3
2.3系统硬件的选择……………………………………………………3
2.4单片机概述及选择…………………………………………………4
2.5温度传感器的简介及选型…………………………………………9
2.6显示模块的对比选择………………………………………………10
2.7键盘的设计…………………………………………………………14
3系统硬件设计及调试……………………………………………………15
3.1硬件设计方框图……………………………………………………15
3.2STC90C516RD+最小系统及工作电路……………………………15
3.3温度信号采集模块的设计…………………………………………16
3.4液晶显示原理简介…………………………………………………21
3.5按键设计……………………………………………………………22
3.6报警控制模块………………………………………………………23
3.7系统主程序流程图…………………………………………………23
3.8电路仿真实验………………………………………………………24
3.9四路温度巡检仪的适用……………………………………………24
4系统的软件仿真与调试……………………………………………………25
4.1温度显示……………………………………………………………25
4.2报警控制……………………………………………………………26
4.3电路仿真设计………………………………………………………30
4.4仿真分析……………………………………………………………33
5巡检系统的实物调试………………………………………………………35
结论…………………………………………………………………………34
致谢…………………………………………………………………………36
参考文献………………………………………………………………………35
附录A系统总的仿真电路图…………………………………………………37
附录B初始化完成图…………………………………………………………38
附录C仿真结果图……………………………………………………………38
附录D元器件清单……………………………………………………………39
毕业设计（论文）中文摘要
智能型多路温度巡检仪设计（硬件部分）
摘要：
本设计系统采用多路数字式温度传感器DS18B20和STC90C516RC+单片机为核心构成多路温度巡检仪，对4路温度信号进行实时在线智能巡回检测，同时该系统具有告警温度限值设定、温度报警与数据显示等功能。
该仪表的工作原理主要是：
四路DS18B20温度传感器从不同点测量实时温度，并将转换后的数字量传送到单片机，由单片机对温度信号进行处理，并与系统设置好的警戒温度值进行比较，同时送到液晶显示屏LCD1602进行实时显示，当检测到的温度高于或低于设置的温度上下限时，发出声光警报。
本设计的软件部分，主要对硬件电路各部分的程序进行模块化设计，从而通过与硬件系统的结合完成温度的实时测量与控制。
关键词：
DS18B2；LCD1602；温度设定报警；智能温度巡检仪；单片机
毕业设计（论文）外文摘要
Designofintelligentmulti-channeltemperature
inspectioninstrument（hardware）
Abstract:
Thedesignofthesystemusingmulti-channeldigitaltemperaturesensorDS18B20andSTC90C516RC+microcontrollerformthecoreofthemulti-channeltemperatureinspectioninstrument,intelligentreal-timeon-lineinspectiontourof4roadtemperaturesignals,alsothesystemhasalarmtemperaturelimitvaluesetting,temperaturealarmanddatadisplayandotherfunctions.Theworkingprincipleoftheinstrumentismainly:
fourDS18B20temperaturesensorfromthedifferentreal-timetemperaturemeasurement,andconvertedthedigitaltransmissiontothemicrocontroller,bythemonolithicintegratedcircuittothetemperaturesignalprocessing,andsystemandsetthealerttemperaturevaluesarecompared,andsenttotheLCDLCD1602displayinrealtime,whenthedetectedtemperatureishigherorlowerthanthesettemperatureoftheupperandlowerlimits,thealarmsoundandlight.Thesoftwarepartofthedesign,themainhardwarecircuitpartsoftheprogramforthemodulardesign,soastocompletethetemperaturemeasurementandcontrolthroughthecombinationofthehardwaresystem.
Keywords:
DS18B2;LCD1602;temperaturesettingalarm;intelligenttemperaturepatrolinstrument;MCU
1绪论
1.1课题背景
在当今工业化大生产日趋扩张的过程中，检测生产过程温度变化的智能温度巡检仪也被赋予了发挥更大作用的潜力，在生产工业生产中起着不可替代的作用。
目前温度巡检仪的设计技术已基本成熟，设计方案也各种各样，许多心的设计方案也层出不穷，当然随着当今电子技术的不断进步，温度巡检仪的设计也只能是越来越自动化、智能化，在生产中所发挥的作用也会更加的高效。
随着社会的发展和超大规模集成电路的出现，与其他独立的电子元件相比，单片机具有体积小，价钱便宜，控制能力强等优点，在工业、消费品、军事、通讯等领域的应用越来越广泛，利用单片机来设计的新产品实现不同程度的智能化将是历史发展的趋势，各种各样的设备也将会随着单片机的发展而不断的推陈出新。
在实际生产和生活等各个领域中，温度是环境因素不可或缺的一部分，对温度进行及时精确的控制和检测显得尤为重要。
温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。
众所周知，温度信号的采集与控制逐渐成为现代工业生产中的常见问题，在生产过程中常常需要对具体场合的温度进行实时采集和实时监控。
随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的要求越来越高，在很多场合，诸如电机、锅炉、饮料、食品、中频热处理行业的水路温度保护，变电所各电节点的温度检测等，要求温度巡检仪能自动巡检，以达到无人看守，温度自动巡检的目的。
智能温度巡检仪首先要进行数据采集就是将一般的物理量通过传感器转换成数字量供给CPU进行处理。
具体的来说，就是通过特有的温度传感器采集某一处的温度信号，将温度信号以数字量或者模拟量的形式传出，本设计采用的是能够传到数字量信息的DS18B20传感器，在此传感器的基础上进行设计。
诚然，现在传感器技术的发展正在经受着微电子技术的深刻影响，从而进一步促使传感器技术继续发展。
有许多的国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。
1.2温度控制的发展概况
1.2.1国内温度控制的发展概况
在我国温度传感与温度控制技术发展情况来看，温度传感与温度控制技术大致经历了三个发展阶段：
手动控制，自动控制和智能化控制。
生产者采用手动控制方式，对生产环境温度作出直接、迅速、有效的控制。
计算机自动控制的温度控制技术实现了生产自动化，通过改变温室环境的设定目标值，可以自动地对生产环境温度进行调节。
目前我国绝大部分工业生产都采用这种控制方式。
特别是随着计算机技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已经广泛应用于工业控制领域，形成了智能化的测量控制仪器，从而引起了仪器仪表结构的根本性变革。
智能控制仪表在引入单片机之后，已经降低了对某些硬件电路的要求，但是测试电路仍然占有很重要的位置，尤其是直接获取被测信号的传感器部分仍应给予充分的重视，有时提高整台仪器性能的关键仍然是在于测试电路尤其是传感器的改进。
现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。
由许多的国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。
在国内工业电子技术的发展阶段，对相关信号的数据采集和巡回检测已经成为十分实用的应用技术，并广泛应用于工农业中需要实时检测温度、湿度和压力等信号的场合。
在工业控制系统中，常常需要对相关信号或数据进行采集，这些数据的获取与利用是整个工业控制系统的基础环节。
而获取这些数据信号，通常是通过一些相对独立的单片机系统来完成的。
本篇论文从生产的实际需要出发，采用了较低成本的DS18B20构成多路数据采集巡检系统。
因此，这种数字式的智能多路温度巡检装置的设计与应用更具有发展的优势。
1.2.2国外温度控制的发展概况
国外对温度传感与温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。
在国外，上世纪八十年代末开始出现分布式控制系统，该系统是由中央控制装置、终端控制设备和相关的传感器等组成。
通过计算机结合相关的程序确定生产环境温度的具体参数，并将系统指令传递给终端控制系统；同时作为系统的终端的设备实时的发送监测数据到中央控制装置，从而系统根据中央控制装置的指令通过计算机处理做出反应，并将最终的输出控制信号，作用到执行终端来保证处理信号的有效执行，从而实现生产环境中温度的监测与调节。
目前，国外正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现在智能的温度巡检仪的设计，我国比起国外国家，仍处于起步较晚，技术层面高度较低，综合的创新能力不足等状况。
就单片机的发展现况而言，以欧美和日韩的技术最为成熟，他们几乎霸占了整个智能控制的市场，并制定了相关的行业标准，通过不断的技术方面的推陈出新，使得其相应的产品能够不断的更新换代，从而使之功能、精度、安全性等都得到不断的提升。
然而在这方面我们做的还有差距，需要努力提升的方面还是有很多。
所以我们在研究新技术的同时还要加强相关产业结构的规划与调整，在产品的科技含量上做功课，并不断地提升本国产品的科技附加值，使产品向着更加智能化的方向发展，努力缩小同发达国家之间的差距。
1.3课题研究内容
本设计所介绍的温度循环采集与控制技术相比传统的温度采集，可以更加方便的显示温度的读数，同时由于DS18B20传感器可以监测-55~+125℃的温度范围，所以本设计内容兼具了测量范围的广泛性，测量温度的准确性，由于传感器内集成了数模转换的电路，所以可以实现直接数字显示具体温度的要求。
该项设计的目的是对实际工业生产过程中的温度获取并由检测系统进行数据监测以及单片机系统同步对温度数据进行处理，以及显示对应的温度数据，同时学习单片机相关温度信号的获取与相关的控制技术。
本次设计主要解决以下内容：
1．对4处不同的测试点巡回检测其温度，进行集中管理，集中控制。
2．在测量范围内可以正常显示。
3．采用单片机为中心的处理方式，可以对温度信号监测和告警。
4.实时温度不位于警戒温度范围时，扬声器和LED灯告警。
5．系统有较强的抗干扰性能。
6．有较高的分辨率，极好的可维护
2方案设计与硬件选择
2.1系统整体方案设计
本设计采用4路输入，由4个不同序列号的温度传感器组成采集电路，可采集测量温度的范围是-55~+125℃,同时采用3个设置操作按钮，可以分别设置不同传感器的高低温上下限值，并通过lcd1602巡检显示。
对每个通道，传感器参数与工程参数都可以通过键盘设定。
通常情况下，仪表自动显示多路数据，也可通过键盘固定显示任一路数据。
2.2硬件总体结构
硬件部分是对系统进行设计的首要部分，硬件系统结构优化程度将关系到整个温度监测与控制方面的应用表现。
本次设计围绕STC90C516RD+单片机进行设计。
整个硬件系统分为以下几个部分：
DS18B20传感器采集并处理输出部分，键盘扫描及液晶显示部分，单片机接口设计部分以及温度实时监控部分。
图2.1硬件总体结构
2.3系统硬件的选择
根据以上系统方案进行硬件的选择，硬件选择的过程中应注意的是：
1、充分考虑常用的电路作为单片机最小系统电路。
2、在满足功能要求基础上，尽可能的保留系统扩展的空间便于进一步开发。
3、硬件部分要考虑到软件方案的实现，使得两者协调发挥作用。
4、选择元器件要尽量做到性能匹配。
5、充分考虑系统的可靠性。
包括元件选择、PCB板中设计通道间相互隔离等。
本次设计将根据以上原则来选择所需元器件，并按照一定的顺序叙述元件的选择，顺序如下：
单片机系统、温度传感器、LCD显示模块、LED报警模块、扬声器模块、按键模块。
2.4单片机概述及选择
单片机，即单片微型计算机（singlechipmicrocomputer）。
在国际上将其命名为微控制器（MicroControllerUnit,MCU）。
2.4.1STC90C516RD+的封装及引脚说明
STC90C516RD+封装形式及管脚图如2.2所示。
图2.2STC90C516RD+RC引脚图
STC90C516RD+RC内部部分结构说明：
该系单片机由微处理器、片内存储器RAM/ROM、P0~P3组成的I/O端口、各种存储器组成的特殊功能寄存器SFR、串行接口、定时/计数器等所构成。
内部数据存储器RAM：
片内的256个字节RAM单元，其中高位128个字节单元被SFR占用，可以供用户使用的只是低128个字节，其地址范围00H~7FH用于存放用户数据。
内部程序存储器ROM：
芯片中共有4KBROM，地址范围是0000H~0FFFH,用来存储程序、原始数据或表格。
并行I/O端口：
芯片内共有4个8位的端口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。
STC90C516部分引脚功能说明：
（1）主电源引脚Vss和Vcc。
●Vss（20脚）：
负电源端，接地脚，0V基准（有时也记为GND）。
●Vcc（40脚）：
正电源端（+5V）。
（2）输入、输出端口引脚P0、P1、P2、P3的介绍。
●P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）是一个8位可以实现并行通讯的I/O数据端口，它是分时传送的低字节地址和数据总线，在对片载EPROM或FLASH烧写或校验时，提供8位数据输入输出通道。
●P1端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）是一个带有内部提升电阻的8位准双向并行I/O端口，在对片载EPROM或FLASH烧写或校验时，作为低8位地址输入通道。
●P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：
是内部自身带有提升电阻的8位可实现双向数据通讯的I/O端口。
在访问外部存储器时，它输出高8位地址，在对片载EPROM或FLASH烧写或校验时，用于输入高位地址或控制信号。
●P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
是内部自身带有提升电阻的8位可实现双向数据通讯I/O端口。
P3端口除了作为一般的准双向端口使用外，每个引脚还有特殊功能。
表2.2P3口引脚复用功能
引脚号
复用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0
P3.5
T1
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
2.4.2STC90C516RD+单片机的性能及特点
主要特性及参数：
●与MCS-51兼容
●8K字节可编程闪烁存储器
●寿命：
1000写/擦循环
●数据保留时间：
10年
●全静态工作：
0Hz-40Hz
●三级程序存储器锁定
●512B内部RAM
●32可编程I/O线
●两个16位定时器/计数器
●5个中断源
●可编程串行通道
●低功耗的闲置和掉电模式
●片内振荡器和时钟电路
STC90C516RD+采用40引脚的双列直插式封装（DIP）形式，内部由CPU，8KB的ROM，512B的RAM，3个16位的定时、计数器T0和T1和T2，4个8位的I／O端口和一个全双工串行通信口等部分组成。
综上所述STC90C516RD+单片机以其高性价的特点，特别适合于仪器仪表的应用。
所以本设计依托STC90C516RD+型单片机，进行系统的设计，并利用多个DS18B20温度传感器进行该温度巡检仪表的设计。
2.5温度传感器的简介及选型
本文讨论温度传感器对温度信号的采集控制系统，并结合STC90C516RD+单片机提取DS18B20数据值并由液晶显示电路将测定的数据显示出来。
数字式温度传感器可以通过内部电路进行转换，并把模拟的温度数据通过转换电路以数字型数据进行输出，从而构成了具有数字输出能力的温度传感器，如图2.3所示。
图2.3DS18B20内部结构与封装图
DS18B20数字传感器，具有如下性能优势：
●单总线专用技术，微处理器仅需一条端口线即可实现与DS18B20双向通信。
●不需要外部器件。
●内含寄生电源，电压范围：
3.0~5.5V。
●测温范围：
-55~125℃。
●用户可自定义的警戒值。
●DS18B20采用节能设计，在等待状态下功耗近似为零。
综上所述，采用DS18B20数字式温度传感器作为本设计的温度采集与处理的核心器件，既满足了设计的低功耗特性，同时兼具了更换器件简单便于维护等特点，在设计上也更加简便直观，有利于实物的应用化的推广。
2.6显示模块的对比选择
液晶显示的设计与应用是整个检测装置的基础之一。
因此，选择显示器的类别，对显示器的对比选择也是该设计的重要组成部分。
LED是发光频率和颜色是由制造材料决定的，通常用红色，但也有黄色或绿色的发光二极管。
也是智能化测量控制仪表中简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其他信息。
具有耗电低，寿命长，接口方便，价格低廉等优势，故而在智能化监测与控制仪表被广泛的应用。
LCD是材质为液晶的显示元件。
具有功耗极低，显示质量高，无电磁辐射等优点，因此在仪器仪表中常被作为显示器件的考虑对象。
本论文对液晶的选择，主要考虑常用两种液晶LCD1602和LCD12864。
2.6.1LCD1602
1602是最常用的液晶显示，其引脚图如图2.6所示。
图2.61602管脚图
对于1602我们已经很熟悉，其管脚说明如表2.3所示。
表2.4LCD1602管脚说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
DB2
数据
2
VDD
电源正极
10
DB3
数据
3
VEE
液晶显示偏压
11
DB4
数据
4
RS
数据/命令
12
DB5
数据
5
R/W
读/写选择
13
DB6
数据
6
E
使能信号输入
14
DB7
数据
7
DBO
数据
15
+LED
背光源正极
8
DB1
数据
16
-LED
背光源负极
1602的管脚信息下：
第1脚：
VSS为电源。
第2脚：
VDD接3.3V电源。
第3脚：
VEE为其对比度的调整端。
第4脚：
RS为1602显示器对寄存器进行选择的管脚。
第5脚：
R/W为1602显示器对读写信号进行操作的线。
第6脚：
E端为1602显示器使能信号的作用端。
第7-14脚:
DB0-DB7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
2.6.2LCD12864
12864汉字液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。
主要技术参数和显示特性:
电源：
VDD3.3V-+5V（内置升压电路，无需负压）；
显示内容：
128列×64行
与MCU接口：
8位或4位并行/3位串行
其引脚图如图2.7所示。
图2.7LCD12864管脚图
其引脚说明如下表2.5所示：
12864各个管脚的功能以及定义如表2.5所示，管脚说明如下所示：
具体指令介绍：
（1）清除显示
CODE：
RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
L
L
L
L
L
L
L
L
L
H
功能：
清除显示屏幕，把DDRAM位址计数器调整为“00H”。
（2）位址归位
CODE：
RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
L
L
L
L
L
L
L
H
I/D
S
功能：
将在操作的行在屏幕上首行显示。
表2.5LCD12864引脚说明
引脚
引脚名称
方向
功能说明
1
升级会员 