温度检测系统

1、 河南工程学院毕业设计（论文）温度检测系统 学生姓名 李 爽 系 （部） 电子信息工程系 专 业 应用电子技术 指导教师 周 教 授 2009年5月15日河南工程学院毕业设计（或论文）摘  要在工业生产和日常生活中，有的时候迫切需要知道某种环境、某种物体的温度，而且需要将它记录下来。更高的要求是，需要每隔一段时间记录时间与温度，将温度上传到PC机进行分析计算。本设计方案由上位机和下位机两大部分组成；下位机实现温度的检测并提供标准RS232通信接口，芯片使用了ATMEL公司的AT89C51单片机和DALLAS公司的DS18B20数字温度传感器。上位机部分使用了通用PC。该方案可实现目标

2、温度的测量、显示、存储与PC机传输数据的功能；该系统可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域。关键字：多点温度检测；单片机；数字温度传感器DS18B20 Abstract In industrial production and daily life, sometimes we need to know that a certain environment, the temperature of a certain object, and need to record it. Higher requirements is been kept from time to time rec

3、ord time and temperature, the temperature will be uploaded to a PC for analysis calculated.The system is constituted by two parts the temperature measured part and displayed part. The temperature measured part has a RS232 interface. It used AT89C51 of ATMEL company and DS18B20 of DALLAS company .The

4、 displayed part uses PC .This system is applied in such domains as warehouse detecting temperature；air-conditioner controlling system in building and supervisory productive process etc.Keyword:Multi-point temperature detection; single chip processor: digital temperature sensor DS18B20II目 录引言 1第一章 系统

5、概述2第一节 系统背景2第二节 系统概述2第二章 方案论证3第一节 传感器部分3第二节 主控制部分4第三节 系统方案4第三章 电路设计6第一节 电源以及看门狗电路6第二节 键盘以及显示电路8第三节 温度测试电路10第四节 串口通讯电路12第五节 整体电路13第四章 系统调试14第一节 分步调试14第二节 统一调试14结束语15参考文献16附件一 电路原理图17致 谢18III引 言 温度是表示物体冷热程度的物理量，是工农业生产中一个重要而普遍的测量及控制参数，它在工农业等领域有着及其广泛的应用，而随着当今社会及科学技术的发展，温度测量与控制的精度及其可靠性对保证产品质量、提高生产率、节约能源、

6、降低生产成本及生产安全起到非常重要的作用。在工农业生产和日常生活中，对温度的测量和控制始终占据着重要地位。而同时呢，在工农业生产之外，还有许多方面需要温度管理，如计算机及其外设办公电子设备，消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，通信设备，家用电器，电源系统，火灾报警系统以及通风采暖系统等都有及其广泛的应用。温度的测量与控制已经成为当今的社会热点，而在工业生产和日常生活中，有的时候迫切需要知道某种环境、某种物体的温度，而且需要将它记录下来。更高的要求是，需要每隔一段时间记录时间与

7、温度，将温度上传到PC机进行分析计算因此，在此我将以自己所学的一点微薄知识来设计一个温度测量与控制系统，也算是对自己大学生活的一个总结或交代吧！第一章 系统概述第一节 系统背景在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。首先让我们了解一下多点温度检测在各个方面的应用领域：消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测；总之温度检测系统应用领域十分广阔。第二节 系统概述本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片

8、机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用 RS-232串行通讯标准，通过上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值既可以送回主控PC进行数据处理，由显示器显示，也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制，用于对生产过程的操作和控制。下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松简便的组建传感器网络，使系统具备干扰性好、设计灵活、方便的特点，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。如粮食仓储系统、楼

9、宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械等。 第二章 方案论证温度检测系统有则共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设计。温度传感器应用范围广泛、及其使用数量之多，

10、也高居各类传感器之首。第一节 传感器部分方案一：采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等。但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂。另外,这种测温装置的一根线上只能连接一个传感器,不能进行多点测量。即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。方案二：在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行A/D转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传

11、输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量。轻松的组建传感器网络。采用温度芯

12、片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。第二节 主控制部分方案一：此方案采用PC机实现。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。且人机交互友好。但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境比较恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦！方案

13、二：此方案采用AT89C51八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信。运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。第三节 系统方案综上所述,温度传感器以及主控部分都采用第二方案。系统采用针对传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的特点，运用分布式通讯的思想。设计一

14、种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用的是RS-232串行通讯的标准，通过下位机（单片机）进行现场的温度采集，温度数据既可以由下位机模块实时显示，也可以送回上位机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。实际采用电路方案如图2.1： 图2.1 电路方案图第三章 电路设计系统底层电路的功能主要包括：多点温度测试及其相关处理，实时显示温度信息，与上位机通讯传输温度数据。硬件设计主要包括以下几个模块：电源以及看门狗电路， 键盘以及显示电路，温度测试电路，串口通讯电路。下面对电路分模块进行说明。 第一节 电源以及看门狗电路1. 电源电路 因为单片机工作电源为+5V，且底层电

15、路功耗很小。采用7805三端稳压片即可满足要求。具体电路图如图3.1：图3.1 电源电路2. 看门狗电路考虑到底层电路板的工作环境相对恶劣，单片机会受到周围环境的干扰，而出现程序跑飞，死机等一些不可预知的不正常工作现象。工作人员也不可能到现场对单片机重起，本设计为单片机电路添加一个外部看门狗电路。定时查询单片机的工作状态,一但发现异常即对单片机延时重起。保证系统安全可靠的运行。NE56604能为多种微处理器和逻辑系统提供复位信号，其门限电平为4.2V 。在电源突然掉电或电源电压下降到低于门限电平时。NE56604将产生精确的复位信号。NE56604内置一个看门狗定时器，用于监控微处理器，以确保

16、微处理器的正常运行。看门狗能产生一个系统复位信号用来终止任何由于微处理器故障而引发的不正常的系统操作。NE56604的看门狗的监控周期为100mS（典型值）。特性： 1.正负双逻辑输出的有效复位信号。2.精准的门限电平监测。3.上电复位内部延时。4.可利用外部电阻调节的内部看门狗定时器。5.看门狗定时器的监控周期为100mS 典型值。6.VCC=0.8VDC时产生有效的复位信号典型值。7.仅需很少的外围元件。具体电路图如图3.2： 图3.2 看门狗电路第二节 键盘以及显示电路1. 键盘电路单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路,以及专一的复位功能外,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控

17、制功能或输入数据。键盘有编码和非编码两种。非编码键盘硬件电路极为简单。故本系统采用拨码开关来控制，各温度位置通过扩展输入口74LS244与89C51的P0接口连接；具体电路如图3.3：图3.3 键盘及位置显示电路(1)、 开关状态的可靠输入键开关状态的可靠输入有两种解决方法。一种是软件去抖动：它是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响。另一种为硬件去抖动：即为按键添加一个锁存器。两种方法都简单易行，本设计采用的是硬件去抖。(2)、 对按键进行编码给定键值或给出键号对于按键无论有无编码，

18、以及采用什么编码，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的散转转移。为使编码间隔小，散转入口地址安排方便，常采用依次序排列的键号拨码开关值含义0000实时显示通道一的温度值0001实时显示通道二的温度值0010实时显示通道三的温度值0011实时显示通道四的温度值0100实时显示通道五的温度值0101实时显示通道六的温度值0110实时显示通道七的温度值0111实时显示通道八的温度值1*自动循环显示所有通道的温度(3)、 选择键盘监测方法对是否有键按下的信息输入方式有中断方式与查询方式两种。本设计采用的查询法，即在在CPU空闲时调用键盘扫描子程序。2. 温度显示电路设计采用

19、的是共阴极七段数码管。显示方式有动态扫描和静态显示，两种方法在本设计中皆可。由于静态扫描要用到多片串入并出芯片，考虑到电路板成本计算。本人采用是节约硬件资源的动态扫描方式。即用两块芯片就可以完成显示功能。显示数据由4511译码器输出，ULN2003为位驱动扫描信号。具体电图路如图3.4： 图3.4 温度显示电路 第三节 温度测试电路这里我们用到温度芯片DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式。测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。CPU只需

20、一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55°C+125°C，在-10+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。DS18B20典型对应的温度值如表3.1：温度/二进制表示十六进制表示+125 +25.0625+10.125+0.50-0.5-10.125-25.0625-5500000111 11

21、01000000000001 1001000100000000 1010001000000000 0000100000000000 0000000011111111 1111100011111111 0101111011111110 0110111111111100 1001000007D0H0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90H表3.1DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。硬件连接电路如图3.5：AT89C51DS18B201#DS18B202#DS18B203#DS18B2020#VCC=5V4

22、.7K1WIRE 图3.5 硬件连接电路本系统为多点温度测试。DS18B20采用外部供电方式，理论上可以在一根数据总线上挂256个DS18B20，但时间应用中发现，如果挂接25个以上的DS18B20仍旧有可能产生功耗问题。另外单总线长度也不宜超过80M，否则也会影响到数据的传输。在这种情况下我们可以采用分组的方式，用单片机的多个I/O来驱动多路DS18B20。在实际应用中还可以使用一个MOSFET将I/O口线直接和电源相连，起到上拉的作用。 第四节 串口通讯电路AT89C51有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是R

23、S232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。具体路如图3.6：图3.6 电平转换电路我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对本设计来说已经足够使用了，电路如上图所示。通信线采用交叉接法，即两者信号线对应成为RT，TR。 具体连接电路如图3.7:图3.7 通信接口电路第五节 整体电路 见附件一（电路原理图）第四章 系统调试第一节 分步调试1、测试环境及工

24、具测试温度：0100摄氏度。（模拟多点不同温度值环境）测试仪器及软件：数字万用表，温度计0100摄氏度，串口调试助手。测试方法：目测。2、测试方法使系统运行，观察系统硬件检测是否正常（包括单片机最小系统，键盘电路，显示电路，温度测试电路等）。系统自带测试表格数据，观察显示数据是否相符合即可。采用温度传感器和温度计同时测量多点水温变化情况（取温度值不同的多点），目测显示电路是否正常。并记录各点温度值，与实际温度值比较，得出系统的温度指标。使用串口调试助手与单片机通讯，观察单片机与串口之间传输数据正确否。3、测试结果分析自检正常，各点温度显示正常，串口传输数据正确。因为芯片是塑料封装，所以对温度的

25、感应灵敏度不是相当高，需要一个很短的时间才能达到稳定。第二节 统一调试将硬件及软件结合起来进行系统的统一调试。实现PC机与单片机通讯，两者可以实时更新显示各点温度值。结束语AT89C51的时钟为12M，I/O口可达32个，高的时钟频率和丰富的I/O，都为实现电路功能提供了非常有利的条件。同时也AT89C51内含4KB FLASH ROM，开发环境友好，易用，方便，大大加快本系统设计开发。拨码开关的使用，使操作更为简洁，易懂。实时显示电路的设计，使温度信息更迅速，直观地发布。本制作的设计中使用了传感器的只是插座电路，因此，该系统的可扩展性很强。整个系统硬件简单、可靠，系统成本低。致此本设计基本完成了预期的目标，但是由于时间仓促、条件有限，设计成果并不是很完美，还存在下面问题：串口通讯