10030127毛昊强温度警报器.docx
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10030127毛昊强温度警报器
学科类:
工科学号:
100302010127
校代码:
12795密级:
公开
2014届本科生毕业论文
简易温度控制报警器的设计
院系:
电子与信息学院
专业:
电子信息工程
姓名:
毛昊强
指导教师:
宗文军赵慧
答辩日期:
二〇一四年五月
毕业论文诚信声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业论文《简易温度控制报警器的设计》是本人在指导老师的指导下,独立研究、写作的成果。
论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果,均在论文中以明确方式标明。
本声明的法律结果由本人独自承担。
作者签名:
指导教师签名:
年月日
摘要
温度是人们日常生活中息息相关的物理量,温度的监测控制在各个领域都有重要意义。
随着现代工业的发展,人们需要对工业生产中有关温度系统进行控制,如钢铁冶炼过程需要对刚出炉的钢铁进行热处理,塑料的定型及各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行实时监测和精确控制温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量。
而且,很多领域的温度可能较高或较低,现场也会较复杂,有时人无法靠近或现场无需人力来监控。
如加热炉大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制,存在控制精度低、超调量大等缺点,很难达到生产工艺要求,且在很多热处理行业都存在类似的问题。
本自动温度控制报警器的设计采用主控器件的AT89S52单片机,配以数字温度传感器DS18B20,该温度传感器具有可自行设置温度上下限功能。
单片机将检测到的温度信号与设定的温度上、下限进行比较,由此作出判断是否报警。
[关键词]温度箱;AT89S52;单片机;控制;报警.
Abstract
Temperatureiscloselyrelatedtopeople'sdailylifephysicalmonitoringoftemperaturecontrolhasanimportantsignificanceinvariousfields.
Withthedevelopmentofmodernindustry,peopleneedtoindustrialproductionintherelevanttemperaturecontrolsystem,suchasironandsteelsmeltingprocesstakesjustbakedforheattreatmentofsteel,plasticandallkindsofstereotypesfurnace,heattreatmentfurnaceandboilertemperaturereactorreal-timemonitoringandprecisecontroloftemperatureisaphysicaleverydaylife,industry,medicine,environmentalprotection,chemicals,petroleumandotherareasmostfrequentlyencountered.Moreover,thetemperaturemaybemuchhigherorlowerareasofthescenewillbemorecomplex,andsometimespeoplecannotlivewithoutlabororclosemonitoring.Ifasimplemajorityofthefurnacetemperaturecontrollerandtemperaturecontrolcircuittocontrolthepresenceofalowcontrolprecision,largeovershootandothershortcomings,itisdifficulttoachievetheproductionprocessrequirements,andheattreatmentinmanyindustrieshavesimilarproblems.
TheautomatictemperaturecontrolalarmdesignusingAT89S52microcontrollermasterdevice,withdigitaltemperaturesensorDS18B20,thetemperaturesensorhasatemperaturelimitcanbesettofunctionontheirown.SCMwillsetthetemperatureandthetemperaturesignalisdetected,thelowerlimitofthecomparison,therebymakingtodeterminewhetherthealarm.
[Keyword]temperaturebox;AT89S52;SCM;control;alarm.
目录
一、概述6
1.1选题的背景和意义6
1.2研究现状6
1.3本文的主要设计思路及实现的功能6
二、总体设计方案6
2.1数字温度报警器设计方案论证6
2.1.1方案一6
2.1.2方案二6
2.1.3方案三6
2.2方案三的总体设计框图6
三、硬件系统6
3.1主控制器6
3.2显示电路6
3.3温度传感器6
3.4DS18B20温度传感器与单片机的接口电路6
3.5报警电路6
3.6按键电路6
3.7系统整体硬件电路6
3.8电源电路6
四、系统软件算法分析6
4.1主程序6
4.2读出温度子程序6
4.3温度转换命令子程序6
4.4计算温度子程序6
4.5显示时间、数据刷新子程序6
五、总结和展望6
致谢6
参考文献6
附录I:
总电路6
附录II:
元器件清单6
附录Ⅲ:
程序清单6
第一章概述
1.1选题的背景和意义
随着人们生活质量的不断提升单片机控制毫无疑问是人们追求的目标之一,它所给人带来的好处也是不可否定的,其中数字温度报警器就是一个典型的例子,但我们对温度报警器的需求越来越高,要为现代人起居、工作、科研提供更方便的更好的设备就该要从数单片机技术着手,一切朝着智能化控制,数字化控制方面前进。
本设计所研究的数字温度报警器与以往的温度报警器相比,更好地读数,测量范围大,测温更准确,其测出的温度是采用数字显示,更多用在对测量温度要求比较高的地方,或者研究院的地方,此设计控制器使用单片机STC12C5A16S2,测温传感器使用DS18B20,用3位共阳极LED数码管进行温度显示,可以精准表示上面需求。
随着社会的发展特别是工业的发展,人民生活水平的提高,安全问题变得尤其重要。
目前,许多工农业生产中,都对环境的温度有限定,包括人的生活工作环境、仪器设备的正常工作环境以及动植物的生长环境等。
如果环境温度不符合要求,必定对所处环境的人或设备造成不良影响,甚至给个人、企业甚至社会造成巨大的损失。
因此,在某些特定环境内使用自动温度报警器来对温度进行实时监测并做到超温报警很有必要,而使用单片机来实时控制温度报警系统则是其中的一种重要方式。
我是在了解了单片机微型计算机实时控制的温度测量报警器的发展历史与现状,根据已掌握的理论知识和生活需要,制定出基于单片机实时控制的温度报警器系统硬件、软件的设计方案,把温度传感器这个单独的器件,加上一些其他器件,让它能实现探测温度、显示温度、并且超范围报警,并进行方案可行性的验证和调试,最终完成设计。
1.2研究现状
自动温度控制报警器系统的中心设备是温度传感器,温度传感器的发展大致可分为以下的3个阶段:
(1)传统的分立式温度传感器(含温度敏感元件),大多是可以将温度和电量进行转换。
(2)模拟集成温度传感器/控制器。
(3)智能温度传感器。
现在,世界中新型的温度传感器开始从集成化向智能化及网络化、模拟式向数字式的方向进军。
数字式的温度传感器(亦即智能的温度传感器)是在20世纪90年代中期出现。
它是自动测试技术(ATE)、微电子技术和计算机技术的结晶。
现在,世界上发明出很多智能的温度传感器方面的物品。
智能的温度传感器结构有温度传感器、信号处理器、A/D传感器型号处理器、接口电路和寄存器(或存储器)。
还有的拥有中央控制器(CPU)、随机存取储存器(RAM)、只读存储器(ROM)、多路选择器。
数字式温度传感器能传输来的温度数值和关联的温度控制量,适合各样微控制器(MCU),还可以通过软件去完成测试功能,即智能化决定在软件的开发能力。
进入21世纪后,温度传感器面向多功能、总线标准化、高可靠性、高精度、安全性和开发虚拟传感器和网络传感器、研发单片测温系统等高科技的方向全力冲刺。
1.3本文的主要设计思路及实现的功能
由于信息科学和微电子技术的飞速发展,控制技术更加趋向自动化和智能化,为使用者带来极大的方便。
在监测控制领域里,温度是一个最常见的名词,然而由其带来的技术问题和所起的作用却是不同一般的。
在控制领域中,对温度的监控有着极重要的作用。
例如陶瓷的烧烤,只有温度控制到位,才能制作出一个完美的陶瓷艺术品,否则只能是一件普通用品甚至废品;还有如温室花房,也需要对温度进行控制。
由此可见,生活中的许许多多的方面都需要对温度进行感知和控制。
根据单片机温度控制要实现的功能,设计了基于ATMEL公司的AT89C52芯片的温度测量系统。
这是一种低成本的利用单片机多余I/O口实现的温度检测电路。
整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、单片机、I/O设备、控制执行系统等.。
温度控制部分用DS18B20、89C52单片机及LED的硬件电路完成对温度的实时检测及显示。
第二章总体设计方案
2.1数字温度报警器设计方案论证
2.1.1方案一数码管显示方案
结构简图如下:
图2-1结构简图1
此方案虽简单可行,但过于简单达不到设计的标准。
2.1.2方案二在前面的基础上进行扩展,增加一个键盘输入和一个蜂鸣报警电路。
图2-1结构简图2
该方案优于方案一表现在有键盘输入,能够设定温度范围,但也有不足之处在于数码显像管的限制,不能够显示汉字和其他复杂符号,操作起来还是比较麻烦。
2.1.3方案三在显示方面更换成LCD显示器。
这种方案不仅加强了人机交换能力,而且满足设计要求,可显示测得的实时温度和设定的温度等。
图2-1结构简图3
自动温度控制报警器的要求是对温度进行测量监控并报警提示,综上采用了第三个方案进行设计。
2.2方案三的总体设计框图
温度报警器电路设计总体设计方框图如图2.2所示,控制器采用单片机STC12C5A16S2,温度传感器采用DS18B20,用3位LED数码管实现温度显示,用一位数码管显示℃摄氏度符号。
三个按键进行温度上、下限报警值设置
图2-2总体设计方框图
第三章硬件系统
3.1主控制器
STC12C5A16S2单片机是以51内核为主的系列单片机,STC单片机是宏晶生产的单时钟/机器周期的单片机,是超强抗干扰、高速、低功耗的新一代8051单片机,指令代码都是兼容以往8051,内部集成MAX810专用复位电路,但速度快八至十二倍。
4路PWM8路高速10位A、D转换,有效用于电机控制,强干扰地方。
STC12C5A16S2单片机引脚如下图:
图3-1STC12C5A16S2单片机引脚图
STC12C5A16S2单片机主要性能
●宽电压:
5.5~3.8V,2.4~3.8V(STC12LE5410AD系列)
●高速:
1个时钟/机器周期,加大版8051内核,速度比正常8051快8~12倍
●工作频率:
0~35MHz,相当于正常8051:
0~420MHz---事实能到48MHz,相当于8051:
0~576MHz
●消耗低设计:
掉电模式(可由外部中断唤醒)和空闲模式
●时钟:
里面RC振荡器或外面晶体能挑,设置在ISP下载编程用户程序时
●芯片内EEPROM功能
●16K字节片内Flash程序存储器,擦写超过了十万次
●ISP/IAP,在系统可编程/在应用可编程无需编程器/仿真器
●512字节片内RAM数据存储器
●十位ADC,八通道STC12C5A16S2系列为八位ADC。
四路PWM还可当四路D/A使用
●两个硬件16位定时器,兼容正常8051的定时器。
四路PCA还能够实现四个定时器
●通用I/O口,(27/23/15个)复位后为:
准双向口/弱上拉(正常8051传统I/O口)能设置成4样模式:
弱上拉/准双向口,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不得超过55mA。
●高速SPI通信端口
●硬件看门狗(WDT)
●全双工异步串行口UART兼容正常8051的串口
●先进的指令集组成,兼容正常8051指令集四组八个八位通用工作寄存器(共32个通用寄存器)有硬件除法/乘法指令
3.2显示电路
显示电路采用3位共阳LED数码管做为温度值显示。
用三个8550PNP三极做为每一位LED管的驱动电路,这样使得数码管电流量更大,亮度更亮。
一位共阳极数码管显示℃摄氏度符号,使得整个显示电路更加人性化。
图3-2液晶显示屏幕
3.3温度传感器
DS18B20数字温度传感器该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成,可以直接读出数值,拥有耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
DS18B20的性能如下:
●不要外部器件;
●多个DS18B20能够并联在惟一的三线上,完成多点组网功能;
●报警搜索命令识别而且记录超过程序限定温度(温度报警要求)的器件;
●负电压特性,电源极性错误时,温度计不会为此发热导致烧毁,却不能正常工作;
●能够用数据线维持,电压范围为3.0~5.5V;
●待机无消耗;
●温度以9或12位数字;
●特殊的单线接口只要一个端口引脚操作通信;
●使用者能调制报警设置;
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图3-3-2所示。
图3-3-2DS18B20内部结构
64位ROM的结构开始8位是产品类型的编码,然后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,同时是多个DS18B20能够使用一线进行通信的原因。
温度报警触发器TH和TL,能使用软件写入户报警的上限和下限。
DS18B20温度传感器的内部存储器也含有一个非易失性的可电擦除的EERAM和一个高速暂存RAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,结构如图4所示。
前两个字节有测到的温度信息,第3和第4字节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,是配置寄存器,它的信息能够确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图3-3-2所示。
低5位一直为1,TM是工作模式位,用于设置DS18B20在测试模式还是在工作模式,DS18B20出厂时此位是设置为0,用户要去改动,R1和R0标志着温度转换的精度位数,进行设置分辨率。
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
保留
保留
CRC
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
图3-3-2DS18B20字节定义
由表1可见,DS18B20温度变换的时间有点长,如果分辨率越高,则需要的温度数据转换时间越长。
所以,在现实使用中要将转换时间和分辨率分析选择。
高速暂存RAM的第6、8字节保留未用,突出于全逻辑1。
第9字节显示前面所有8字节的CRC码,利用于查检数据,进而使得通信数据的准确程度加强。
当DS18B20接收了温度转换命令后,就能开始转换。
完成转换后的温度值于是用16位含有符号扩展的二进制补码方法存储于高速暂存存储器的第1、2字节。
单片机能够通过单线接口表示这数值,读数值时先高后低,数据形式用0.0625℃/LSB格式表达。
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,要先将补码变成原码,再计算十进制数值。
表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表1DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨率/位
温度最大转向时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
DS18B20转换温度结束后,就把RAM中的TH、TL字节内容与测得的温度值作相比。
若T>TH或T<TL,就将该器件里的报警标志位置位,然后对主机报来的报警搜索命令回复响应。
所以,能用多个DS18B20一起测量温度然后开始报警搜索。
在64位ROM有效的最高字节中存储有循环冗余检验码(CRC)。
主机ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20的CRC值作比较,来鉴定主机收到的ROM数据正确与否。
DS18B20测温的原理是这样的,器件里低温度系数晶振的振荡频率不怎么受温度的影响,使用在放出固定频率的脉冲信号发于减法计数器1;高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
器件中还有一个计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中,计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器计数到0时,停止温度寄存器的累加,此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于更改减法计数器的起始值,如果计数器门还没有关闭就不断进行上面操作,一直至温度寄存器值大致被测温度值。
表2一部分温度对应值表:
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.06525
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
另外,由于DS18B20的单线通信功能是分时完成的,拥有规范的时隙概念,所以读写时序非常严格。
系统对DS18B20的所有操作依照协议工作,操作协议为:
初使化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
3.4DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
DS18B20能够使用两种方法供电,一是利用电源供电方法,此时DS18B20的1脚接地,2脚当成信号线,3脚连电源。
二是寄生电源供电方法,如图3-4所示单片机的端口连单线总线,能确定在有效的DS18B20时钟周期内供给足够地电流,完成对总线的上拉可用一个MOSFET管。
当DS18B20正在写存储器流程和温度A/D转换流程时,总线上一定要强的上拉,开启上拉时间不得超过10us。
使用寄生电源供电方法时VDD端接地。
因为单线制就是一根线,所有发送接口一定要三态的。
图3-4DS18B20与单片机的接口电路
3.5报警电路
采用有源蜂鸣器做为报警器,用一个PNP三极管8550做为驱动。
蜂鸣器可以在被测温度超过上限温度或者低于下限温度时,发出报警鸣叫声音。
图3-5蜂鸣器结构图
3.6按键电路
三个轻触开关组成按键电路,因为都是独立的按键所以采用直接接地的方法,这样电路比较简单,达到了效果。
三个独立式按键可以分别调整温度的上下限报警温度,当按下设置键一次,数码管显示HXX℃且LED数码管闪烁,这时可以调整报警上限温度值。
按下设置键第二次,LXX℃且数码管闪烁,这时可以调整报警下限温度值。
通过“加键”可以对设置数值加。
通过“减键”可以对设置数值减。
每按一次减1。
最高可加到100,最低可减到0。
图3-6按键电路图
3.7系统整体硬件电路
系统整体硬件电路包括,传感器数据采集电路,温度显示电路,上下限报警调整电路,单片机主板电路等,如图3-7所示:
图3-7单片机主板电路
图3-7中没有采用按键做为复位电路,直接采用电容充电的方式做为复位,在每上电时单片机复位一次这样就可以达到重启单片机的效果。
3.8电源电路
整个电路采用+5v供电,通过USB接口供电,一个发光二极管做为电源指示灯,这个部分由整流电路、滤波电路、稳压电路等组成。
图3-8+5v电源电路图
第四章系统软件算法分析
系统程序主要包括主程序,读出温度子程序,温度转换命令子程序,计算温度子程序,显示数据刷新子程序等。
4.1主程序
主程序的起到作用是担任温度的实时显示、读出而且处理DS18B20的测量的当前温度值,温度测量每1秒操作1次。
这样可以在1秒之内测量1次被测温度,此程序流程见图4-1所示。
图4-1主程序流程图图4-2读温度流程图
4.2读出温度子程序
读出温度子程序的起到作用是读出RAM的9字节,当读出时要执行CRC校验,校验不对后不执行温度数据的改写,此程序流程图如图4-2所示
4.3温度转换命令子程序
温度转换命令子程序功能为发温度转换开始命令,使用12位分辨率转换时间大概750毫秒,在此程序设计里使用1s显示程序延时法等待转换的结束。
温度转化命令子程序的流程图如图4-3所示:
图4-3温度转换流程图
4.4计算温度子程序
计算温度子程序从RAM中读取值操作BCD码的转化运算,然后操作温度正负的判断,此程序流程图如图4-4所示:
图4-4计算温度
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