毕业设计火电厂冷却系统多点温度检测装置

PAGE1毕业设计题目火电厂冷却系统多点温度检测装置姓名学号所在学院专业班级指导教师日期第8页毕业设计（论文）任务书学院电气与电子工程学院指导教师4职称学生姓名4专业班级学号设计题目火电厂冷却系统多点温度检测装置设计内容目标和要求（设计内容目标和要求、设计进度等）随着电子技术、计算机技术、通信技术的迅速发展，工业测控领域采用先进的技术对现场的工业生产参数进行检测，监测是实现工业自动化的重要标志。该装置将单片机的实时控制及数据处理功能，与传感器技术相结合，相应参数的检温度测和显示，这样就能便于人们能一目了然地检测和显示温度的参数。设计要求:1.熟悉和了解系统设计的原理和要求2.设计系统的技术方案3.熟悉和掌握温度检测技术4.了解和正确选用相关器件5.进行系统设计和试验毕业设计工作与进度计划：1、布置课题、查阅资料、课题调研。（第七学期末）2、文献综述，开题报告。（1-4周）3、总体方案设计、论证。提交设计目录。（5-6周）4、具体系统设计。（7-9周）5、撰写设计说明书。（10-12周）6、设计说明书审查与修改。（13-14周）7、毕业答辩。（15周）。指导教师签名：年月日基层教学单位审核学院审核此表由指导教师填写学院审核毕业设计（论文）学生开题报告课题名称火电厂冷却系统多点温度检测装置课题来源自选课题类型EY指导教师4学生姓名4学号0710231316专业班级07自动职1本课题的研究现状、研究目的及意义温度在工业自动化、家用电器、环境保护和安全生产等方面都是最基本的监测参数之一，因此其检测装置也得到的长足的进步和发展。随着电子产品技术发展，特别是随着大规模的集成电路的产生，给人们的生活带来了本质变化。微型计算机的出现使现代的科学研究得到质的飞跃，而单片机技术的出现则是给现代工业控制以及日常生活带来了极大的方便，单片机利用其极高的性价比，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高等特性，在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)，它在硬件的基础上通过软件来实现测试功能。温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。现有技术中的火电厂，冷却系统是：表面式冷凝器中的冷却水来自冷却塔，在冷凝器中与汽轮机的乏汽进行热交换后，乏汽疑结为水，同时冷却水温度升高，再回到冷却塔中冷却，在冷却过程中，有一部分吸热后的冷却水会蒸发掉，因此，需要经常给冷却塔补水，冷却后的冷却水再由循环水泵注入冷凝器。火电厂一些设备需要冷却水进行冷却，冷却系统循环水温度需要监控，以供监视和控制。本课题主要是研究并设计一个智能多点温度检测系统，通过采用单片机和数字温度传感器、数码显示电路可以实现相应参数的检温度测和显示，这样就能便于人们能一目了然地检测和显示温度的参数。本课题的研究内容1.多点温度检测系统的总体设计完成多点温度检测系统的总体设计，把整个系统划分成六个分工不同的子系统，并确定实现总体方案所需要解决的关键技术。2.主要器件的选择将常用的温度采集方式进行原理分析，以及优缺点比较，根据系统要求，结合实际意义，选择一种传感器。3.进行温度检测系统硬件的总体设计并解决关键技术在以前研究的基础上，重新对多点温度检测系统进行总体设计，提高了系统的实时性，并且电路中硬件器件全部采用封闭形式，提高硬件系统的抗干扰性和可靠性。本论文中着重论述了主控单元子系统和传感器工作数据发送单元的硬件设计，使该课题的研究从模拟实验阶段过渡到实践实验阶段。按照系统的功能需求，制定了各子系统之间通讯的通讯规约，并设计了系统的主控单元子系统软件和温度采集子系统中传感器数据发送单元软件。本课题研究的实施方案、进度安排实施方案：本文在第一章绪论中阐述了温度控制产生的背景及现实意义，主要研究内容并对现有的温控技术进行了归纳和总结，进而提出本课题的研究思路和新颖所在；第二章主要阐述温度采集方式的选择；第三章进行硬件设计和实验验证;第五章为系统的软件设计。进度安排：第1到4周：了解系统设计要求，文献检索，开题报告第4到第6周：布置任务，查阅资料和外文资料的翻译第7到8周：开始论文指导第9到第12周：研究系统的硬件组成和功能，完成整体硬件设计第13周：编写系统的相关程序第14周：检查论文第15周：论文打印及送评、准备答辩已查阅的主要参考文献[1]李朝青.单片机原理及接口技术(简明修订版).北京：北京航空航天大学出版社，1999[2]茹国宝.单片机原理及应用实验指导书.武汉：武汉大学电子信息学院，2009[3]李全利.单片机原理及应用技术.北京：高等教育出版社，2001年[4]杜永泰.51单片机中查表指令的使用.《电子技术》2007年Z2期[5]张齐，朱宁西.单片机应用系统设计技术.北京：电子工业出版社，2009[6]孙惠芹.单片机项目设计教程.北京：电子工业出版社，2009[7]金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用.电子技术与应用,2000[8]陈跃东.DS18B20集成温度传感器原理与应用.安徽机电学院学报,2002[9]赵海兰,赵祥伟.智能温度传感器DS18B20的原理与应用;现代电子技术;2003[10]明德刚.DS18B20在单片机温控系统镇南关的应用.自然科学版;2006[11]高宏志．MCS-51单片机原理及应用技术教程[M]．北京：人民邮电出版社，2009．4[12]高伟．AT89单片机原理及应用[M]．北京：国防工业出版社，2008.2[13]丁元杰．单片微机原理及应用[M]．北京：机械工业出版社，2005.7[14]沙占友，孟志水，王彦朋等．单片机外围电路设计[M]．北京：电子工业出版社，2006．指导教师意见指导教师签名：年月日毕业设计（论文）学生申请答辩表课题名称火电厂冷却系统多点温度检测装置指导教师（职称）4（副教授）申请理由学生所在学院电气与电子工程学院专业班级07自动职1学号0710231316学生签名：日期：毕业设计（论文）指导教师评审表序号评分项目（理工科、管理类）评分项目(文科)满分评分1工作量外文翻译152文献阅读与外文翻译文献阅读与文献综述103技术水平与实际能力创新能力与学术水平254研究成果基础理论与专业知识论证能力255文字表达文字表达106学习态度与规范要求学习态度与规范要求15是否同意参加答辩：总分评语指导教师签名：另附《毕业设计（论文）指导记录册》年月日毕业设计（论文）评阅人评审表学生姓名专业班级学号设计（论文）题目评阅人评阅人职称序号评分项目（理工科、管理类）评分项目(文科)满分评分1工作量外文翻译152文献阅读与外文翻译文献阅读与文献综述103技术水平与实际能力创新能力与学术水平254研究成果基础理论与专业知识论证能力255文字表达文字表达106学习态度与规范要求学习态度与规范要求15总分评语评阅人签名：年月日毕业设计（论文）答辩表学生姓名专业班级学号设计（论文）题目序号评审项目指标满分评分1报告内容思路清新；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。402报告过程准备工作充分,时间符合要求。103创新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。104答辩回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确，深入。40总分答辩组评语 答辩组组长（签字）：年月日答辩委员会意见答辩委员会负责人（签字）：年月日毕业设计（论文）成绩评定总表学生姓名：专业班级：毕业设计（论文）题目：成绩类别成绩评定Ⅰ指导教师评定成绩Ⅱ评阅人评定成绩Ⅲ答辩组评定成绩总评成绩Ⅰ×40%+Ⅱ×20%+Ⅲ×40%评定等级注：成绩评定由指导教师、评阅教师和答辩组分别给分(以百分记)，最后按“优(90--100)”、“良(80--89)”、“中(70--79)”、“及格(60--69)”、“不及格(60以下)”评定等级。其中，指导教师评定成绩占40%，评阅人评定成绩占20%，答辩组评定成绩占40%。PAGE38摘要温度对工、农业生产和日常生活有着重大的影响，如空调系统温度检测，电力、电讯设备之间过热故障预知检测，消防电气的非破坏性温度检测等等，可见温度监测系统的应用领域十分广泛，因此对温度的检测有着重要的现实意义。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。火电厂一些设备需要冷却水进行冷却，冷却系统循环水温度需要监控，以供监视和控制。本设计是基于单片机及温度传感器DS18B20多点温度检测系统的研究，利用分布在不同位置的温度传感器进行多点水温度的检测，检测结果送单片机进行处理存储，该系统采用RS-232串行通讯标准，通过上位机（PC机）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值可以送回主控PC机进行数据处理，由显示器显示。实现了相应参数的温度检测和显示，这样就能便于人们能一目了然地检测和显示温度的参数。其特点是电路设计新颖、测温精度高、实用性强。关键词：单片机温度传感器温度采集LED显示PCAbstractTemperaturereasoned,agriculturalproductionandhashadasignificantimpactofdailylife,suchasairconditioningsystemtemperaturetesting,electricpower,telecommunicationsequipmentoverheatingfaultdetection,betweenpredictfireelectricalnon-destructivetemperaturetestingetc.,visibletemperaturemonitoringsystemapplicationsisveryextensive,sothetemperaturetestinghasimportantpracticalsignificance.Alongwiththecomputermeasurementandcontroltechnologyoftherapiddevelopmentandwideapplication,basedonsinglechiptemperaturegatheringandcontrolsystemdevelopmentandapplicationgreatlyimprovetheproductionoftemperatureinlifelevelofcontrol.Someequipmentneedpowercoolingwatercooling,coolingsystemneedtomonitorcirculatingwatertemperature,formonitoringandcontrol.Thisdesignisbasedonsingle-chipmicrocomputerandtemperaturesensorDS18B20multi-pointtemperaturetestingsystemofresearch,usingdistributionindifferentlocationsofthetemperaturesensorformuchofthewatertemperaturetesting,testresultstosendSCMprocessingstorage,thissystemUSESRS-232serialcommunicationstandards,throughthePC(PC)controlplacemachine(SCM)onthesitetemperaturegathering.MasterPCtemperaturereturnedforthedataprocessing,thedisplay.Realizedthecorrespondingparameter,accordingtothetemperaturetestingandsoyoucanfacilitatepeoplecanclearlydetectionanddisplaytemperatureparameters.Itscharacteristiciscircuitdesignnovel,temperaturemeasurementprecisionandpracticability.Keywords：single-chipmicrocomputertemperaturesensortemperaturegatheringLEDdisplayPC目录摘要 IAbstract II目录 III第1章绪论 11.1引言 11.2温度控制系统设计的背景、发展及意义 11.3系统设计的目的 21.4系统完成的功能 2第2章系统整体方案设计 42.1系统整体框架 42.2主要器件选择 42.2.1微处理器部分 52.2.2传感器部分 72.3系统整体方案 10第3章系统硬件电路设计 123.1AT89C51单片机最小系统 123.1.1时钟电路的设计 123.1.2复位电路的设计 133.1.3键盘电路设计 133.1.4显示电路的设计 143.1.5报警电路设计 153.2温度采集电路设计 153.3AT89C51与DS18B20接口电路 163.4串口通信电路 163.5电源及看门狗电路 17第4章软件系统设计 194.1工作流程 194.2程序总体结构设计 194.2.1主程序设计 194.2.2中断程序设计 204.2.3DS18B20程序流程设计 214.2.4键盘程序流程设计 244.2.5显示模块设计 254.2.6串口通信模块设计 26第5章总结 28致谢 29参考文献 30附录一电路原理图 31附录二外文翻译 32第1章绪论1.1引言温度是科学技术中最基本的物理量之一，对工、农业生产和日常生活有着重大的影响，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，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。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馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。1.2温度控制系统设计的背景、发展及意义随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。随着电子产品技术发展，特别是随着大规模的集成电路的产生，给人们的生活带来了本质变化。微型计算机的出现使现代的科学研究得到质的飞跃，而单片机技术的出现则是给现代工业控制以及日常生活带来了极大的方便，单片机利用其极高的性价比，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高等特性，在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围内），帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。现有技术中的火电厂，冷却系统是：表面式冷凝器中的冷却水来自冷却塔，在冷凝器中与汽轮机的乏汽进行热交换后，乏汽疑结为水，同时冷却水温度升高，再回到冷却塔中冷却，在冷却过程中，有一部分吸热后的冷却水会蒸发掉，因此，需要经常给冷却塔补水，冷却后的冷却水再由循环水泵注入冷凝器。在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。用高新技术来解决工业生产问题，排除生活用水问题，实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平。1.3系统设计的目的本课题主要是研究并设计一个智能多点温度检测系统，通过采用单片机和数字温度传感器、数码显示电路可以实现相应参数的检温度测和显示，这样就能便于人们能一目了然地检测和显示温度的参数。通过本设计可以使学生熟悉和掌握单片机的实际应用，了解单片机在现代检测和控制领域的发展方向。与此同时，单片机应用的重要意义在于它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。1.4系统完成的功能火电厂一些设备需要冷却水进行冷却，冷却系统循环水温度需要监控，以供监视和控制。本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是温度。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。本设计利用单片机中的定时器、IO接口、中断系统、LED数码管显示器、温度传感器、以及必要的芯片等资源而设计。采用单片机AT89C51作为控制核心，通过集成温度传感器DS18B20将温度值转换为数字电量输出，对多点温度进行采集，进行实时监测与控制。采用六个数码管分别显示温度的符号位、十位、个位和小数点后一位，还有传感器的系列位两个，如果温度高于所设定的上限值（或低于下限值）则进行报警。

第2章系统整体方案设计2.1系统整体框架根据多点温度采集系统设计任务与要求，可以把硬件划分为7个模块，它们分别是：微处理模块、温度采集模块、键盘输人模块、温度显示模块、报警模块、电源模块。系统硬件功能框图如图2.1所示。电源电路电源电路报警电路单片机DS18B20温度系统PC机键盘电路LED显示AT89C51图2.1电路总体设计2.2主要器件选择温度检测系统有共同的特点：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、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。2.2.1微处理器部分在本课题设计的温度测控系统中，采用单片机实现温度的控制。在单片机选用方面，由子AT89系列单片机与MCS-51系列单片机兼容，所以，本系统中的单片机选用ATMEL公司生产的AT89C51芯片，它是该公司生产的标准型单片机。AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程／擦除只读存储器(FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)8位CMOS微控制器，使用高密度、非失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C51（以下简称89C51）将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比较高。AT89C51单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0—P3)、一个输入驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口称为P0~P3。见图2.2。在无片外扩展的存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。在作为一般的通用I/O输入时，都必须先向锁存器写入“1”，使输出驱动场效应管FET截止，以免误读数据。单片机各引脚如图2.2所示各自特点如下：1.P0口为双向8位三态I/O口，它既可作为通用I/O口，又可作为部扩展时的数据总线及低8位地址总线的分时复用口。作为通用I/O口时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器;输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。每个引脚可驱动8个TTL负载。2.P1口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，一般作通用I/O口使用，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线，作为输入时，锁存器必须置1。每个引脚可驱动4个TTL负载。3.P2口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可直接连接外部I/O设备。它与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。一般作为外部扩展时的高8位地址总线使用。4.P3口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，它是双功能复用口，每个引脚可驱动4个TTL负载。作为通用I/O口时，功能与Pl口相同，常用第二功能。5.ALE/：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。在访问片外存储器时，AT89C51CPU在P0.7—P0.0引脚上输出片外存储器低8位地址的同时在ALE/上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7—P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。在不访问片外存储器时，AT89C51自动在ALE/上输出频率为fosc/6的脉冲序列。该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。6./VPP：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制AT89C51使用片内ROM还是使用片外ROM。若=0，则允许使用片内ROM；若=1则允许使用片外ROM。7.：片外ROM选通线，在执行访问片外ROM指令MOVC时，AT89C51自动在上产生一个负脉冲，用于为片外ROM芯片的选通。其他情况下线均为高电平封锁状态。8.RST/VPD:复位/备用电源线，可以使AT89C51处于复位工作状态。

图2.2AT89C51的引脚结构2.2.2传感器部分在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD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0—100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DS18B20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DS18B20,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。（1）DS18B20的引脚功能与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下特性:1.独特的单线接口方式，DS182O在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微理器与DS18B20的双向通讯。2.DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。3.DS18B20在使用中不需要任何外围元件。4.测温范围-55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。5.测量结果以9位数字量方式串行传送。管脚排列如图2.3所示:图2.3DS18B20的管脚排列图对图2.3中DS18B2O的引脚功能说明如下:NC:空引脚，不连接外部信号。VDD:接电源引脚，电源供电3.0～5.5V。GND:接地。DQ:数据的输入和输出引脚DQ：引脚的I/O为数据输入/输出端(即单线总线)，该引脚为漏极开路输出。（2）DS18B20的测温原理DS18B2O的内部框图如图2.4所示，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7部分。VVDD64位ROM和一线端口存储和控制逻辑高速暂存器温度传感器8位CRC生成器供电方式选择配置寄存器高温触发器TH低温触发器TLDQ图2.4DS18B20的内部框图斜率累加器斜率累加器减到0计数比较器温度寄存器减法计数器1减法计数器2预置减到0停止预置低温度系数振荡器高温度系数振荡器增加图2.5DS18B20的测温原理图测温原理如图2.5所示。低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为减法计数器1提供一个频率稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为减法计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。初始时，温度寄存器被预置成-55℃，每当减法计数器1从预置数开始减计数到O时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1℃，这个过程重复进行直到计数器2计数到0时便停止。（3）DS18B20的测温流程（如图2.6）初始化初始化DS18B20跳过ROM匹配温度变换延时1S跳过ROM匹配读暂存器转换成显示码数码管显示图2.6DS18B20测温流程对DS18B20的设计，需要注意以下问题：（1）对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20进行操作，需要用较为复杂的程序完成。编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行，读、写时间片程序要严格按要求编写。尤其在使用DS18B20的高测温分辨力时，对时序及电气特性参数要求更高。（2）有多个测温点时，应考虑系统能实现传感器出错自动指示，进行自动DS18B20序列号和自动排序，以减少调试和维护工作量。（3）测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。DS18B20在三线制应用时，应将其三线焊接牢固；在两线应用时，应将VCC与GND接在一起，焊接牢固。若VCC脱开未接，传感器只送85.0℃的温度值。（4）实际应用时，要注意单线的驱动能力，不能挂接过多的DS18B20，同时还应注意最远接线距离。另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。2.3系统整体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。系统采用主从分布式,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。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。下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。利用DS18B20的单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量。

第3章系统硬件电路设计系统硬件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：单片机最小核心系统、电源以及看门狗电路，键盘以及显示电路，温度采集电路，串口通讯电路。下面对电路分模块进行说明。3.1AT89C51单片机最小系统单片机主要擅长系统控制，而不适合做复杂的数据处理，在设计单片机最小系统时通常选用AT89C51、AT89C52、AT89S51、AT89S52等型号的8位DIP-40封装的单片机作为MCU，一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路、复位电路等部分组成，有时也外部扩展片外RAM和ROM以及外部扩展接口等电路。单片机最小系统结构框图如图3.1所示。AT89C51AT89C51单片机复位电路时钟电路外部ROM图3.1单片机最小系统结构框图3.1.1时钟电路的设计AT89C5l中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，时钟电路如图3.2所示。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器应选择40pF±10F。图3.2单片机时钟电路3.1.2复位电路的设计当单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。图3.3中电容C3和电阻R2对电源十5V来说构成微分电路。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。图3.3单片机复位电路3.1.3键盘电路设计键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输人数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段,键盘实质上是一组按键开关集合,通常选用机械弹性开关,它们利用了机械触点的合、断作用。键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现低电平还是高电平，通过对电平高低状态的检测，便可确认是否有按键按下。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次，那就必须消除抖动的影响，这样才能使键盘在单片机系统中使用得更加稳定。常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。在本系统中，键盘主要是用来设置温度的上下限，因此采用独立式键盘来完成这一功能。图3.4键盘电路3.1.4显示电路的设计显示方式有动态扫描和静态显示，考虑成本系统采用动态扫描方式。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。无线数显远程温度计采用7段数码管显示。无线数显远程温度计采用7段数码管显示，这里采用六个数码管分别显示温度的符号位、十位、个位和小数点后一位，还有传感器的系列位两个。具体电路图如下图所示。

图3.5显示电路3.1.5报警电路设计在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。本设计中包含有声光报警系统，如图3.6所示。图3.6声光报警电路在图3.6中，单片机P3.7口接三极管基极输入端，当P3.7输出高电平“1”时，三极管导通，蜂鸣器通电发音，发光二极管发光；当P3.7输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发音，发光二极管熄灭。本系统实现声光报警的接口电路比较简单，其发音元件采用压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加3～15V直流工作电压，就能产生3KHz左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适用于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可在某端口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动。3.2温度采集电路设计采用单线数字温度传感器DS18B20作为温度采集部分，本系统需要对24个温度监测点进行温度检测，因此每个监测点都需要安装一个温度传感器，共需24个DS18B20数字温度传感器进行工作。其温度采集的数据由P1口送进单片机进行处理，电路原理图如图3.7所示。图3.7温度采集部分电路3.3AT89C51与DS18B20接口电路如图3.8所示，为单片机与DS18B20的接口电路。DS18B20只有三个引脚，一个接地，一个接电源，一个数字输入输出引脚接单片机的P0.0口，电源与数字输入输出脚间需要接一个4.7K的电阻。图3.8AT89C51与DS18B20接口电路3.4串口通信电路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RS232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。具体电路如图3.9所示。图3.9AT89C51单片机与PC机通讯连线图3.5电源及看门狗电路电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中单片机、数码管显示、报警等电路需要5V的电源，因此电路中选用稳压芯片W7805，输出电压为+5V，其最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求，其电路如图3.10所示。图3.10电源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，而出现一些不正常工作现象。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，以确保微处理器的正常运行。图3.11看门狗电路

第4章软件系统设计系统的操作过程和工作过程在程序的设计过程中起着很重要的指导作用，因此在软件设计之前应首先分析系统的工作流程。4.1工作流程系统软件的功能分为两类：一是监控软件(主程序)，它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块的关系。二是执行软件(子程序），它是用来完成各种实质性的功能如测量、显示、通讯等。主程序调用了4个子程序，分别是数码管显示程序、键盘扫描以及按键处理程序、温度测试程序、中断控制程序、单片机与PC机串口通讯程序。程序结构程序结构显示模块键盘扫描模块中断控制模块温度采集模块串口通信模块图4.1系统软件总体设计图4.2程序总体结构设计系统程序设计采用模块化设计方法，程序由主程序、中断服务程序和各功能模块程序等组成，各功能模块可直接调用。4.2.1主程序设计主程序先对系统资源进行初始化,调用显示子程序，显示。然后进入键盘设置界面。当设置键按下后，开始设置各点的温度，设置完之后，如果确认键按下，则系统开始工作。首先调用DS18B20初始化子程序，再发送ROM命令,读取DS18B20转换的温度值。当读取的温度大于设置的温度值时,报警器开始报警,显示温度的实际值、设置值、路数、状态。接下来对第二十四路温度分别进行采集，处理，显示。将各个功能程序以子程序的形式写好，当写主程序的时候，只需要调用子程序，然后在寄存器的分配上作一下调整，消除寄存器冲突和I/O冲突即可。程序应该尽可能多的使用调用指令代替跳转指令。因为跳转指令使得程序难以看懂各程序段之间的结构关系。而调用指令则不同，调用指令使得程序结构清晰，无论是修改还是维护都比较方便。将功能程序段写成子程序的形式，除了方便调用之外，还有一个好处那就是以后写程序的时候如果要用到，就可以直接调用这个单元功能模块。调温度显示子程序调温度显示子程序键盘管理程序初始化开定时器0中断调温度测试及处理程序定义堆栈区串口通讯子程序开始图4.2系统整体流程图4.2.2中断程序设计T0中断服务程序是温度控制体系的主体，用于温度检测和控制。中断由T0产生，根据需要每隔15s中断一次，即每15s采样控制一次。中断服务子程序的流程图如图4.3所示。开始开始保护现场重置定时器0初值软定时器减115s到？重置软定时器0初值装下一个温度显示存储单元中断返回YN图4.3系统程序中断服务流程图4.2.3DS18B20程序流程设计对DS18B20的使用，多采用单片机实现数据采集。处理时，将DS18B20信号线与单片机一位口线相连，单片机可挂接多片DS18B20，从而实现多点温度检测系统。无论是单点还是多点温度检测，在系统安装及工作之前，应将主机逐个与DS18B20挂接，读出其序列号。其工作过程为:主机发出一个脉冲，待“0”电平大于480μs后，复位DS18B20，在DS18B20所发响应脉冲由主机接收后，主机再发读ROM命令代码，然后发一个脉冲(15μs)，并接着读取DS18B20序列号的一位。用同样方法读取序列号的56位。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，遵循严格的时隙概念，因此，系统对DS18B20和各种操作必须按协议进行，即初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。DS18B20要求严格的协定来确保数据的完整性。协议由几种单线上信号类别组成:复位脉冲，存在脉冲，写0，写1，读O，和读1。所有这些信号除了存在脉冲之外均由总线主机产生。开始与DS18B20的任何通信所需的初始化序列，后继以存在脉冲的复位脉冲表示DS18B2O已经准备好发送或接收给出正确的ROM命令和存贮器操作命令的数据。总线主机发送Tx—复位脉冲(最短为480μs的低电平信号)。接着总线主机便释放此线并进入接收方式(Rx)。单线总线经过5KΩ的上拉电阻被拉至高电平状态。在检测到I/O引脚上的上升沿之后，DS18B20等待15～60μs并且接着发送存在脉冲(60～240μs的低电平信号)。DS18B20有六条控制命令，如表4.1所示。表4.1DS18B20指令指

令操

作

说

明温度转换启动DS18B20进行温度转换读暂存器读暂存器9个字节内容写暂存器将数据写入暂存器的TH、TL字节复制暂存器把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中重新调E2RAM把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节读电源供电方式启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU单片机对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。由单片机对DS18B20的控制方法，设计出程序流程如下图。图4.4写命令子程序流程图图4.5DS18B20复位子程序流程图

YYi=24DAT右移一位DQ置0DQ置1NDQ=1YDAT=DAT|0X24N读完24位？返回DAT图4.6DS18B20读温度子程序流程图4.2.4键盘程序流程设计键盘中断程序是用来设在系统起动时各环境温度的极值,0号键实现电路的开关，1号键实现是否有需要独立显示的测试点，如果没有则循环显示。具体流程图如4.7所示。开始开始初始化0键是否按下1键是否按下指定显示缓冲区地址指针显示延时信号赋值返回Y将显示缓冲区清零NN图4.7键盘扫描流程图4.2.5显示模块设计无线数显远程温度计采用7段数码管显示,这里采用六个数码管分别显示温度的符号位、十位、个位和十分位，以及传感器系列位，图4.8为LED显示流程图。六个数码管采用扫描的工作模式循环显示。开始开始取显示缓冲区首地址送字码初值传送字位码指向下一个显示单元延时10S字符右移一位显示完毕返回YN图4.8LED显示流程图4.2.6串口通信模块设计本次通讯中，测控系统分位上位机和下位机之间的通信，系统中单片机负责数据采集、处理和控制，上位机进行现场可视化检测，通信协议采用半双工异步串行通信方式，通过RS232的RTS信号进行收发转换，传输数据采用二进制数据，上位机与下位机之间采用主从式通讯。软件流程图如图4.9。开始开始自动接收数据子程序读一个数据且存储是联络信号AAH回复55H接受字节数据8个字节到否？返回YNNＹ图4.9PC通信程序流程图

第5章总结本系统为上位机和下位机之间的通信，系统中单片机负责数据采集、处理和控制，上位机进行现场可视化检测，通信协议采用半双工异步串行通信方式，通过RS232的RTS信号进行收发转换，传输数据采用二进制数据，上位机与下位机之间采用主从式通讯。本次设计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、高层建筑以及本设计中的火电厂等场合。系统采用单总线技术，按照DS18B20的通信协议，由AT89C51向DS18B20发送命令，读取DS18B20转换的温度，从而实现对多点的温度的测量。当温度超过一定的值时，报警器开始报警。本文介绍了用单片机AT89C51控制DS18B20，着重分析各单元电路的设计，以及各电路与单片机的接口技术，最后还给出系统的软件流程设计。采用模块化的方式进行叙述，对各模块的设计进行了比较详细地阐述。经过这一次毕业设计，我学了不少的知识，学会了怎样查阅资料和利用工具书，以及初步了解ProtelDXP电路设计软件和VISIO画图工具。通过这次毕业设计，我更加深刻地认识到只有将书本与具体的实践相结合，才会有真正的收获，才能巩固自已的所学，认识到自己的不足。

致谢毕业设计是对大学四年所学知识的综合应用，也是理论走向实践的第一步，在此设计过程中，我更深刻地理解了设计的概念，扩展了知识面，加深理解了某些知识点，提高了独立思考和自学能力，为以后走向工作岗位奠定了基础，这将使我受益终身。本设计是在我的指导老师4副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，王老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢授课老师课上对我的教导，你们丰富的授课内容拓宽了我的视野，让我能更顺利的完成这篇文章；感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间亲人般的感情，维系着寝室那份家的融洽；感谢亲爱的同学们，谢谢你们一直以来对我的关心和照顾。四年了，仿佛就在昨天。同样，感谢四年我那些真挚的朋友们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。至此，我衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩评审的各位老师!

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