基于单片机的温度巡检仪硬件设计.docx
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基于单片机的温度巡检仪硬件设计
2.4方案的确定………………………………………………………………………………7
1.绪论
1.1课题背景
在当今工业化大生产日趋发张的过程中，检测生产过程温度变化的智能温度巡检仪也被赋予很大的作用，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更新换代。
应用单片机来设计的新产品具有新颖，结构紧凑和设计灵活、方便等特点。
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。
手动控制是在温度传感与温度控制技术发展初期采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。
生产一线的操作人员既是生产环境温度传感器，又是对生产环境进行温度控制的执行机构，他们是温度传感与温度控制的核心。
通过对生产环境温度状况感测，凭借经验和直觉判断，手动调节生产环境温度。
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。
自动控制是通过对计算机输入生产环境温度的目标参数，计算机能够根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定生产环境温度的控制过程，控制相应机构进行相应的加热和通风冷却等动作。
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。
智能化控制是在自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集适合生产环境的各种试验数据构建专家系统，以建立产品生产的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同产品或者产品数量不同的温度专家控制系统技术。
温度传感与温度控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进，功能越来越完备的方向发展。
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。
80年代末出现了分布式控制系统，控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。
电子计算机根据程序表确认生产环环境温度参数，并给终端控制系统指令；终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现生产环境温度的调节。
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。
现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
1.3课题研究内容
本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。
目的是对工业生产的温度传感与温度控制进行模拟实验，学习单片机用于工业生产的温度传感与温度控制技术的方法。
本毕业设计介绍了温度计的测量和控制之间的关系：
检测是控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。
不仅如此，检测还涉及国计民生各个部门，可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。
科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。
现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。
同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。
目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。
目前的温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。
传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。
但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。
主要解决以下内容：
1．对8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．采用遥控器来控制，可以进行位置温度的显示选择和高低温报警温度的设置。
4.实时温度高于设定高温报警温度或低于设定报警低温温度时，蜂鸣器发出报警，同时发光二极管显示报警点。
5．系统有较强的抗干扰性能。
6．有较高的分辨率，极好的可维护性。
2.系统设计方案
2.1设计要求
本设计是基于单片机的温度传感与温度过程控制的硬件设计。
设计要求：
1、技术指标
〈一〉测温范围：
0℃—125℃
〈二〉八路温度数字显示，显示分辨率0.1度
〈三〉温度误差：
±0.1度
2、系统功能
〈一〉对工农业实现不同点巡回测温并且显示，如温控箱、蔬菜大棚等
〈二〉遥控器功能：
遥控器远程设定报警温度，选择测量的实时温度显示
〈三〉报警功能：
上下限温度可任意设定。
高于或低于设定报警温度，蜂鸣器发出响声报警，同时发光二极管亮。
2.2系统组成及工作原理
2.2.1系统组成
系统组成如图2-1所示。
本系统是由温度传感器进行温度信号采集，将温度信号直接转化成数字信号，然后经过AT89S51单片机的电平输出来给控制电路中的蜂鸣器，从而实现了对温度的报警。
另外，本设计还可以把温度在共阳数码管上显示出来，通过电路板上面的按键也可以进行手动温度的控制。
图2-1系统结构框图
2.2.2工作原理
本系统是采用STC89C52RC单片机作为设计核心的温度传感与温度控制系统。
系统工作时单片机发送指令给温度传感器，温度传感器传送采样温度到单片机，单片机对采样温度进行滤波后，送到共阳数码管中显示出传感器的温度，并与设定的目标温度比较，然后由单片机发送温度处理命令，如果采样温度越限，则进行声光报警。
为了方便控制，本设计还采用遥控作为单片机的输入设备，实现对报警温度的设置，测量点的选择显示，实现远距离控制，对于不能近距离接触等很容易实现控制。
采用红外发射接收TC9012-011进行遥控。
2.3方案的选择
根据设计要求对控制器可以有以下2种选择：
1、传统的测试方案：
各测试点的温度值经过测温元件热电偶、热电阻等，被转化为电信号，这样得到的多路采样信号经滤波器、放大器、多路开关及A/D转换电路，由单片机控制通道A/D转换，实时对电压信号进行采样和A/D转换。
这种方案是单片机处理非电量信号的典型方法；
2、现代广泛采用的智能设计方案：
采用数字传感器和单片机结合使用，用先进的数字式温度传感器，将采集到的数字式信号直接送入单片机进行处理。
这种方案中的温度传感器兼有测温和A/D转换的功能，输出值是数字信号，所以不必使用A/D转换器和相关的接口芯片，能够直接进入单片机进行数字信号处理。
硬件电路的设计也更加简便，有较好的线性关系和较强的抗干扰能力。
该方案被现代工业生产中广泛的采用。
2.4方案的确定
设计选择方案2，方案2的优点如下：
第一种方案由于硬件复杂、线性度不高，不适用于智能温度传感器的设计，我们将采用第二种方案，而且第二种方案所采用的电子器件技术比较先进可靠实现起来非常容易。
另一方面，考虑到电路中的干扰，以及在各种环境下的干扰，设计的时候，我们加进去了电容滤波和二极管整流，对在一些电干扰较强的区域工作时，可以避免受到各种电干扰。
方案2用到的元件如下：
STC89C52RC单片机，数据传输串口电平转换芯片，四位共阳数码管，蜂鸣器，数字温度传感器。
方案2设计的要求：
一、设计采用的单片机满足了系统速度的要求；
二、设计采用的温度传感器的精度满足了要求，精度为±0.1℃；
三、设计采用的共阳数码管来显示传感器的温度；
四、设计采用稳压电源供电。
3.系统的硬件设计
3.1硬件总体设计
系统的整体结构框图见图3－1。
图3-1系统硬件框图
单元电路的设计分为以下6个部分:
1、温度传感模块；
2、单片机控制模块；
3、遥控器模块；
4、LED显示模块；
5、二极管及蜂鸣器报警模块；
6、MAX232传输模块
整个温度传感与温度过程控制的接线图如附录五所示。
3.2温度传感模块
温度传感模块主要的器件就是数字温度传感器，它对被控温度进行采样，传输给控制器，因为实验的条件限制，本设计采用的是数字温度传感器DS18B20。
3.2.1数字温度传感器DS18B20
技术性能描述
1.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。
2．测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。
3．支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温
4．工作电源:
3~5V/DC
5．在使用中不需要任何外围元件
6．测量结果以9~12位数字量方式串行传送
7．不锈钢保护管直径Φ6
8．适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温
9．标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选
10.PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
应用范围
1.该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域
2.轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。
3.汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。
5.供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制
产品型号与规格
型号测温范围安装螺纹电缆长度适用管道
TS-18B20-55~125无1.5m
TS-18B20A-55~125M10X11.5mDN15~25
TS-18B20B-55~1251/2”G接线盒DN40~60
接线说明
特点独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55°C至+125℃。
华氏相当于是-67°F到257华氏度-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C
温度传感器可编程的分辨率为9~12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统
描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数。
信息被发送到/从DS18B20通过1线接口，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。
为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。
因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。
这使得温度传感器放置在许多不同的地方。
它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。
DS18B20是美国DALLAS公司生产的新型单总线数字温度传感器，如图3所示。
DS18B20采用3脚（或8脚）封装，从图3-2中看到，从DS18B20读出或写人数据仅需要一I／O口线。
并且以串行通信的方式与微控制器进行数据通信。
图3-2DS18B20管脚图
该器件将半导体温敏器件、A／D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。
信号传输采用两芯（或三芯）电缆成的单总线结构。
一条单总线电缆上可以挂接若干个数字温度传感器，每个传感器有一个唯一的地址编码。
微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某一个传感器的温度值，从而简化了信号采集系统的电路结构。
采集端口的连接线减少了50倍，既节省了造价，又给现场施工带来极大的方便。
3.2.2DS18B20内部结构及功能特点
DS18B20是实现单总线测控网络的关键器件，它的内部结构如图3-3所示。
主要包括：
寄生电源、温度传感器、64位激光ROM和单总线接口、存放中间数据的高速暂存器RAM、用于存储用户设定温度上下限值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。
图3-3DS18B20内部结构框图
DS18B20内部存储器由ROM、RAM和E2ROM组成。
其中，ROM由64位二进制数字组成，共分为8个字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1～字节6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位的CRC校验码。
由于64位ROM码具有唯一性，在使用时作为该器件的地址，通过读ROM命令可以将它读出来。
RAM是由9个字节的高速暂存器和非易失性电擦写E2ROM组成。
其中字节0、1存储当前温度，字节2、3存储上、下限报警温度TH和TL，字节4是配置寄存器，字节8是RAM前64位的CRC校验码。
RAM中EEROM用于存储TH、TL和配置寄存器的值。
数据先写人RAM，经校验后再传给E2ROM。
通过DS18B20功能命令对RAM进行操作。
DS18B20的温度测量范围是一55℃～+125℃，分辨率的默认值12位。
检测温度由两个字节组成，字节1的高5位s代表符号位，字节0的低四位是小数部分，中间7位是整数部分；字节4是配置寄存器控制字的格式，当R1R0的值为00B、01B、10B、llB时，对应的分辨率为9、10、11、12位，转换时间为93ms、187ms、375ms、750ms。
当主机发出温度转换命令（44H）时，便启动了温度转换过程，转换时间最长750mS。
主机通过读暂存器功能命令（BEH），将温度值读出。
通过写暂存器功能命令，改变分辨率的设置。
DS18B20有两种供电方式：
3．0V～5．5V的电源供电方式和寄生电源供电方式（直接从数据线获取电源）。
电源检测电路用于判定供电方式。
3.2.3DS18B20的通信协议
数字式温度传感器和模拟传感器最大的区别，是将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。
因此掌握DS18B20的通信协议是使用该器件的关键。
所有的DS18B20器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完整性。
该协议定义了几种信号类型：
复位脉冲、应答脉冲；写“0”、写“1”时隙；读“0”、和读“1”时隙。
与DS18B20的通信，是通过操作时隙完成单总线上的数据传输。
发送所有的命令和数据时，都是字节的低位在前，高位在后。
每个通信周期起始于微控制器发出的复位脉冲，其后紧跟DS18B20发出的应答脉冲，在写时隙期间，主机向DS18B20器件写入数据，而在读时隙期间，主机读入来自DS18B20的数据。
在每一个时隙总线只能传输一位数据。
当主机将单总线DO从逻辑高（空闲状态）拉为逻辑低时，即启动一个写时隙。
所有的写时隙必须在60p.s至120p．s内完成，且在每个循环之间至少需要1us的恢复时间。
在写0时隙期间，微控制器在整个时隙中将总线拉低；而写1时隙期间，微控制器将总线拉低，然后在时隙起始后15p．s之内释放总线。
3.2.4DS18B20的存储特性
DS18B20内部存储器由ROM、RAM和E2ROM组成，如表3.2所示。
其中，ROM由64位二进制数字组成，共分为8个字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1～字节6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位的CRC校验码。
由于64位ROM码具有唯一性，在使用时作为该器件的地址，通过读ROM命令可以将它读出来。
表3-1存储特性表
字节
ROM
RAM
其他
0
产品代号（28H）
温度低8位
1
48位
温度高8位
E2ROM
2
器件序号
TH
TH
3
TL
TL
4
配置寄存器
配置寄存器
5—6
保留
7
CRC
保留
8
CRC
RAM是由9个字节的高速暂存器和非易失性电擦写E2ROM组成。
其中字节0、1存储当前温度，字节2、3存储上、下限报警温度TH和TL，字节4是配置寄存器，字节8是RAM前64位的CRC校验码。
RAM中EEROM用于存储TH、TL和配置寄存器的值。
数据先写人RAM，经校验后再传给E2ROM。
通过DS18B20功能命令对RAM进行操作。
表3-2温度存储格式与配置寄存器控制字格
3.2.5温度传感模块连接图
图3-4温度传感模块连接图
3.3单片机控制模块
单片机控制模块的核心是AT89S51芯片，单片机AT89S51给执行器模块输出高、低电平实现温度控制，并且，可以把传感器的采样温度值显示在数码管上。
3.3.1AT89S51芯片简介
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。
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。
存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。
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。
今后单片机的发展趋势，将是进一步向多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、存储容量扩大和增强I/O功能及结构兼容等方面发展。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期。
同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.3.2AT89S51功能特性描述
AT89S51的引脚有40个引脚，与MCS-51兼容，4K字节可编程闪烁存储器可进行1000写/擦循环，数据可保留10年，全静态工作频率0Hz-24Hz，三级程序存储器锁定，
128Bytes位内部RAM，32个双向输入可编程I/O口，两个16位定时器/计数，5个中断源，以及可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。
另外，AT89S51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
性能如下：
1、为一般控制应用的8位单芯片
2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）
3、内部程式存储器（ROM）为4KB
4、内部数据存储器（RAM）为128B
5、外部程序存储器可扩充至64KB
6、外部数据存储器可扩充至64KB
7、32条双向输入输出线，且每条均可以单独做I/O的控制
8、5个中断向量源
9、2组独立的16位定时器
10、1个全多工串行通信端口
11、8751及8752单芯片具有数据保密的功能
12、单芯片提供位逻辑运算指令
AT89S51的管脚如图3-5所示。
图3-5AT89S51的管脚
AT89S51的管脚说明如下：
1.VCC：
AT89S51电源正端输入，接+5V。
2.VSS：
电源地端
3.XTAL1：
单芯片系统时钟的反相放大器输入端。
4.XTAL2：
系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。
5.RESET：
AT89S51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。
6.EA/Vpp：
"EA"为英文"ExternalAccess"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。
因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。
如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平。
此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。
7.ALE/PROG：
ALE是英文"AddressLatchEnable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。
AT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S51是以多工的方式送出地址及数据。
平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。
此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。
8.PSEN：
此为"ProgramStoreEnable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。
AT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。
9.PORT0（P0.0～P0.7）：
端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位
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