《测控系统原理与设计》课程设计报告-温度检测系统.docx

班级：测控1081班 姓名： 学号：34 课题：温度检测系统 测控系统原理与设计课程设计报告课题：温度检测系统班级 测控1081班 学号 学生姓名 指导教师 淮阴工学院电子与电气工程学院2011年12月一、 绪论1.1 课题来源温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一，同时它也是一种最基本的环境参数。人民的生活与环境温度息息相关，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，在电力、化工、石油、冶金、机械制造、大型仓储室、实验室、农场塑料大棚甚至人们的居室里经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对环境温度进行控制。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行。炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分流才能得到汽油、柴油、煤油等产品；没有合适的温度环境，许多电子设备不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。可见，研究温度的测量具有重要的理论意义和推广价值。随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日益突出，成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。本设计就是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方面的需求。本设计要求系统测量的温度的点数为4个，测量精度为0.5，测温范围为-20+80。采用液晶显示温度值和路数，显示格式为:温度的符号位,整数部分,小数部分,最后一位显示。显示数据每一秒刷新一次。1.2 课题研究的意义21世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于生产的各个领域。对于本次设计，其目的在于：（1）掌握数字温度传感器ds18b20的原理、性能、使用特点和方法，利用c51对系统进行编程。（2）本课题综合了现代测控、电子信息、计算机技术专业领域方方面面的知识，具有综合性、科学性、代表性，可全面检验和促进学生的理论素养和工作能力。（3） 本课题的研究可以使学生更好地掌握基于单片机应用系统的分析与设计方法，培养创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，提高电子产品研发素质、增强针对实际应用进行控制系统设计制作的能力。1.3国内外现状及水平传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段:传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；模拟集成温度传感器控制器；数字温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，同时具有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，发展以温度传感器为载体的温度测量技术具有重大意义。二、 总体方案设计2.1 方案介绍2.1.1 基于模拟温度传感器设计方案该方案由单片机、模拟温度传感器ad590、运算放大器、ad转换器、44键盘、lcd显示电路、集成功率放大器、报警器组成,如图2.1所示。本方案采用模拟温度传感器ad590作为测温元件，传感器将测量的温度变换转换成电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器交将信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，传给给单片机，单片机将温度值进行处理之后用lcd显示 ，当温度值超过设置值时，系统开始报警。图2.1 基于模拟温度传感器的测量系统方案本方案使用的测温元件的性能指标如下：（1）ad590的测温范围为55+150。（2）ad590的电源电压范围为4v30v，电源电压可在4v6v范围变化，电流变化1ma，相当于温度变化1k。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被损坏。（3）输出电阻为710mw。 （4）精度高，ad590共有i、j、k、l、m五档，其中m档精度最高，在55+150范围内，非线性误差为0.3。 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便，温度测量范围广等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mv/k，温度0时输出为0，温度25时输出2.982v。电流输出型的灵敏度一般为1ma/k。本设计方案使用了at89c51单片机作为控制核心，以智能温度传感器ds18b20为温度测量元件，采用多个温度传感器对各点温度进行检测，通过44键盘模块对正常温度进行设置显示电路采用12864 lcd模块，使用lm386作为报警电路中的功率放大器。采用了数字温度传感器ds18b20，改变了传统温度测试方法。它能在现场采集温度数据，直接将温度物理量变换为数字信号并以总线方式传送到单片机进行数据处理，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字式读数方式，因而使用ds18b20可使系统结构更趋简单，可靠性更高，大大提高系统的抗干扰能力。ds18b20体积小、经济、使用方便灵活，测试精度高，较高的性能价格比，有crc校验，系统简明直观。适合于恶劣环境的现场温度测试，如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。2.1.2 基于数字温度传感器设计方案该方案使用了at89c51单片机作为控制核心,以智能温度传感器ds18b20为温度测量元件，采用多个温度传感器对各点温度进行检测，通过44键盘模块对正常温度进行设置显示电路采用12864 lcd模块，使用lm386作为报警电路中的功率放大器。 图2.2 基于数字温度传感器测量系统方案本课题采用数字温度传感器ds18b20作为测为测温元件,它具有如下特点:（1）只要求一个端口即可实现通信。（2）在ds18b20中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。（4）测量温度范围在55c到125c之间。（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）内部有温度上、下限告警设置。2.2 方案论证本设计要求测量的点数为4，测温范围为-20+80，精度为0.5。采用液晶显示，同时显示路数和温度，每秒刷新1次显示数据。综合模拟温度传感器和数字温度传感器的性能指标，以上两个方案都能达到设计的要求。方案一采用模拟温度传感器ad590，转换结果需要经过运算放大器和ad转换器传送给处理器。它控制虽然简单，成本低，但是后续电路复杂，且需要进行温度标定，集成温度传感器ad590输出为电流信号,且输出信号较弱，所以需要后续放大及a/d转换电路，如采用普通运放则精度难以保证，而测量放大器价格较高，这样会使系统成本升高。方案二采用了数字温度传感器ds18b20，改变了传统温度测试方法。它能在现场采集温度数据，直接将温度物理量变换为数字信号并以总线方式传送到单片机进行数据处理，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字式读数方式，因而使用ds18b20可使系统结构更趋简单，可靠性更高，大大提高系统的抗干扰能力。ds18b20体积小、经济、使用方便灵活，测试精度高，较高的性能价格比，有crc校验，系统简明直观。适合于恶劣环境的现场温度测试，如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。方案二程序设计稍微复杂一些，但在电子竞赛期间我用ds18b20做过温度计，也调试过lcd，并且已经用proteus实现了系统的仿真。因此，该方案完全具有可行性，同时体现了技术的先进性，经济上也有很大的优势。综上所述，本课题采用方案二对系统进行设计。三、硬件电路设计3.1测温电路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，它能直接读出北侧温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。ds18b20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个ds18b20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5v；零待机功能；温度以9或12位数字量读出；用户可定义的非易失性温度报警设置；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；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；ds18b20采用3脚pr-35封装或8脚soic封装，其内部结构框图如图3.1所示。图3.1 ds18b20内部结构图64位rom的位结构如图3.2所示。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。非易失性温度报警器触发器th和tl，可通过软件写入户报警上下限。图3.2 64位rom结构图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擦除的eeram。高速暂存ram的结构为8字节的存储器，结构如图3.3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节是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工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如图3.4所示。低5位一直为1，tm是测试模式位，用于设置ds18b20在工作模式还是在测试模式。在ds18b20出厂时该位被设置为0，用户不要改动，r1和r0决定温度转换得精度位数，即用来设置分辨率，定义方法见表1。图3.3 高速暂存ram结构图图3.4 配置寄存器表1 ds18b20分辨率的定义规定由表1可见,ds18b20温度转换的时间比较长,而且设定的分辨率越高,所需要的温度转换时间越长。因此,在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存ram的第6,7,8字节保存未用,表现为逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的crc码,可用来检验数据,从而保证通信数据的正确性。当ds18b20接收温度转换命令后,开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2字节。单片机可以通过单线接口读出数据,读数据时低位在先,高位在后,数据格式以0.0625/lsb形式表示。温度值格式如图3.5所示。 图3.5 温度数据值格式当符号位s=0时,表示测得的温度值为正值,可以直接将二进制位转换为十进制;当符号位s=1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码转换为原码,再计算十进制。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。表2 ds18b20温度与测得值对应表ds18b20完成温度转换后,就把测得的温度值与ram中的th,tl字节内容作比较。若tth或tnew project，在弹出的对话框中输入工程的名字，点击保存；选择atmel公司的at89c51单片机。图5.3 系统电路原理图(2)在source group 1上点击右键，选择“add files to group source group 1 ”，把所有的源文件加进来。(3)点击project-build target或者使用快捷键f9，编译工程。当output windows中提示“0 error”时，则程序编译成功，生成可执行文件1.hex。5.3.2 程序加载在编辑环境中双击at89c51，在弹出的对话框中将编译生成可执行文件1.hex加载进芯片中，设单片机的时钟工作频率为12mhz。5.4 系统仿真图点击全速运行按钮，将出现如下仿真结果：（1）系统的启动在系统的启动过程之中，在图片的切换过程之中，扬声器都会发滴的声音。（2）温度值的设定系统中必须对四个不同环境的正常温度的极值进行设定，当环境的实际温度超过设定的这个极值时，系统将会报警。设置温度时，先点“设置”键，然后点击键盘上的按键输入温度；如果温度设置完毕，点击“确认键” ，则系统启动成功并开始对各个环境的温度进行测量。在设置过程之中可以通过“左移”或者“右移”按键对各个温度值进行设定，如图5.4和图5.5所示。图5.4 设置温度 图5.5 设置各个环境的温度 （3）系统运行系统运行之后,ds18b20开始对环境进行测量,将环境的实际的温度显示在液晶屏上,同时液晶显示屏还显示环境温度的路数、事先设置的温度值和状态。当实际温度值低于或者等于设置温度值时，将显示“正常” ，否则将显示“报警” ，同时报警器开始报警。在系统运行过程之中，如果需要重新对温度值进行设定，则点击“重新设置”按键，重新设置各个环境温度的正常值的极值。在proteus仿真过程之中，可以通过调节ds18b20的面板上的“”或者“” ，改变ds18b20测量的实际温度。 图5.6 第1路仿真结果 图5.7 第2路仿真结果图5.8 第3路仿真结果 图5.9 第4路仿真结果 表4 系统仿真结果路数设置温度实际温度状态第一路250-9正常第二路2601234正常第三路270255报警第四路280-14正常5.5 仿真结果分析由以上仿真结果可知，当ds18b20的实际温度大于设置温度时，报警器开始报警，否则处于正常状态。温度测量范围为-55125，能够达到设计的要求：-2080。温度测量的精度为0.0625，满足设计的要求。lcd屏幕每秒刷新一次，显示格式也达到了设计的要求。六、总结本次设计的基于ds18b20的多点温度测量系统是一种分布式的温度测量系统，它可以远程对温度实现测量和监控，广泛应用于电力工业、煤矿、森林、火灾、高层建筑等场合。系统采用单总线技术，按照ds18b20的通信协议，由主机向ds18b20发送命令，读取ds18b20转换的温度，从而实现对多个环境的温度的测量。当温度超过一定的值时，报警器开始报警。通过这次课程设计期间使我对单片机课上所学到的知识有了更深的认识，并且把我们平时在电子这一方面所学到的知识有了一个综合的运用，使我们真正的从实践掌握了80c51的各方面的知识。首先，我分配到的课程设计的课题是“温度检测系统”的设计，拿到课题当时，我是一脸茫然，根本就不知道应该从何开始下手，开始的时候我首先收集关于这方面的资料，经过努力的查询，我找到了和课题相关的设计方案，经过一段时间的研究，终于对课题有了初步的了解和想法。接下来的几天我仍然是学习关于这次课程设计中所用到的各个芯片，和对于整个课题的设计方法和思路，最后，终于确定了实际方案。然后我就开始编写所用到程序，画粗略的电路图，编写程序的流程图。当然初次的程序存在很多的错误，通过仔细的检查，终于完成了，并且通过报告的形式写出来。参考文献1刘湘涛、江世明.单片机原理与应用m .北京：电子工业出版社，2006:137-145.2何立民.单片机中级教程m.北京:北京航空航天大学出版社,1999:200210.3周润景、袁伟亭、景晓松.proteus在mcs-51&arm7系统中的应用百例m . 北京：电子工业出版社，2006：167183.4李华.mcu-51系列单片机实用接口技术m，北京：北京航空航天大学出版社，1993.6.5周澜景.基于proteus的电路与单片机系统设计与仿真m. 北京：北京航空航天大学出版社，2006：98-102.6高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程m. 北京:电子工业出版社，2007：202-210.7王卫平.电子工艺基础m .北京：北京:电子工业出版社, 2007：136-145.8/iol_ds18b20/pdfview/270229.htm，1998-08-16/1998-10-049 ，2008-4-12.附录1系统主程序如下所示：void main(void) uchar i; p2=0xf0; it0=1; tmod=0x01; th0=0xff; tl0=0xff; et0=1; pt0=1; ea=1; init_lcd(); clr_scr(); display_ini(); delay(1500); ex0=1;out: clr_scr(); display1(); delay(1000); while(!flag2) keyinput(); flag2=0; clr_scr(); while(1) if(flag4=1) flag4=0; goto out; ds18b20_init(); ds18b20_writecommand(0xcc); ds18b20_writecommand(0x44);delay(250);match_rom(ds18b20_num1); ds18b20_writecommand(0xbe); for(i=0;inum0) flag7=1;else if(zhen_temp0num1) flag7=1; else if(zhen_temp1num2) flag7=1; else if(zhen_temp2num3) flag7=1;else flag7=0; goto next; flag5=0; next: display2(0); delay(1000); if(flag4=1) flag4=0; goto out; ds18b20_init(); ds18b20_writecommand(0xcc); ds18b20_writecommand(0x44);delay(250);match_rom(ds18b20_num2); ds18b20_writecommand(0xbe); for(i=0;inum4) flag7=1;else if(zhen_temp0num1) flag7=1; else if(zhen_temp1num6)flag7=1; else if(zhen_temp2num7)flag7=1; else flag7=0; goto 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