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摘要
本设计主要完成基于单片机的大空间多点温度检测系统的设计。
在硬件电路中,以89C51为核心控制器,DS18B20为温度传感器的多点温度检测系统,通过RS485与上位PC机组网,形成多点温度采集网络,实现大范围、复杂环境下的多点温度的实时检测。
本设计利用DS18B20多总线的特点实现多点温度的测量,轻松的组建传感器网络,系统的抗干扰性好、设计灵活、方便,而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。
通过设计可靠的硬件电路和软件系统使各个功能模块协调顺利完成设计要求的内容。
关键词
单片机DS18B20温度
Abstract:
Thisdesigniscompletethedesignofmulti-pointtemperatureofthemicrocontroller-basedspacedetectionsystem.Hardwarecircuit,89C51corecontroller,DS18B20temperaturesensortemperaturemeasurementsystem,viaRS485hostPCnetworkingtoformamulti-pointtemperatureacquisitionnetwork,toachievelarge-scale,multi-pointtemperatureinthecomplexenvironmentReal-timedetection.ThisdesignusesthecharacteristicsoftheDS18B20multi-busmulti-pointtemperaturemeasurement,theformationofthesensornetwork,anti-jammingsystemdesignedtobeflexible,convenient,andsuitableforon-sitetemperaturemeasurementsinharshenvironments.Throughthedesignofreliablehardwareandsoftwaresystemssothateachfunctionalmoduletocoordinatethesuccessfulcompletionofthedesignrequirements.
Keywords:
MCUDS18B20Temperature
目录
1前言1
1.1设计目的1
1.2设计意义1
1.3国内外现状1
2方案设计与论证3
2.1传感器部分3
2.2主控制部分4
2.3方案选择5
3硬件电路设计6
3.1总框图6
3.2AT89C51的概述6
3.3温度传感器模块设计8
3.4LCD显示模块设计12
3.5通信模块设计13
4软件设计14
4.1总程序流程图14
4.2系统初始化14
4.3中断控制程序18
4.4温度测量程序19
4.5PID控制算法23
5系统仿真26
5.1PROTEUS仿真环境介绍26
5.2实际仿真中遇到的问题28
6总结30
7致谢31
8参考文献32
9附录34
附录一34
附录二35
附录三36
1前言
1.1设计目的
温度检测系统在工业生产过程中应用非常广泛,比如在粮仓、陶瓷窑等场所都需要对温度进行实时的监控[1],同时在科学研究和人们的生活领域中也得到了广泛的应用。
在工业生产过程中,很多时候都需要对温度进行严格的监控以使得生产能够顺利进行,使用自动化温度控制系统;
在人们的生活中,对酒店、宾馆房间的温度进行检测和监控,使得酒店各个房间的温度既可以在控制室进行集中控制,也可以在各个房间单独控制,得到一个合适、舒服的温度[2]。
可以对生产环境的温度进行自动控制保证生产的自动化智能化能够顺利安全进行,从而提高企业的安全效率仓库储存领域必须对温度和湿度进行检测和控制,尤其是国家的储备粮仓库对温度湿度的控制更是严格的。
1.2设计意义
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[3]。
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)本设计综合了现代测控、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[4]。
(3)本设计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
温度传感器的发展
1.传统的分立式温度传感器——热电偶传感器热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器,它与被测对象直接接触,不受中间介质的影响,具有较高的精度[5];
测量范围广,可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬,最低可测到-269℃,钨——铼最高可达2800℃[6]。
2.模拟集成温度传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
3.光纤传感器光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低,无论是就地使用或远传均十分方便而且光纤直径小,可以单根、成束、Y型或阵列方式使用,结构布置简单且体积小。
因此,作为温度计,适用的检测对象几乎无所不包,可用于其他温度计难以应用的特殊场合,如密封、高电压、强磁场、核辐射、严格防爆、防水、防腐、特小空间或特小工件等等。
目前,光纤测温技术主要有全辐射测温法、单辐射测温法、双波长测温法及多波长测温等。
4.数字温度传感器随着科学技术的不断进步与发展,温度传感器的种类日益繁多,数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点,被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。
其中,比较有代表性的数字温度传感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。
温度传感器,使用范围广,数量多,居各种传感器之首[7]。
从17世纪人们开始利用温度进行测量,在半导体科技的支持下西安工业大学于本世纪相继开发了半导体热电偶传感器,PN结温度传感器和集成温度传感器与之相应,根据波与物质的相互作用规律后来有相继开发声学温度传感器,红外传感器,微波传感器。
进入21世纪后,温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。
对于单点温测仪表,主要采用传统的模拟集成温度传感器,其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高,测量范围大,而得到了普遍的应用[8]。
此种产品测温范围大都在-200℃~800℃之间,分辨率12位,最小分辨温度在0.001~0.01之间。
自带LED显示模块,显示4位到16位不等。
有的仪表还具有存储功能,可存储几百到几千组数据。
该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。
多点温度测量仪表,相对与单点的测量精度有一定的差距,虽然实现了多路温度的测控,但价格昂贵。
目前,国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。
在温度和温度传感器研发领域取得了长足进步,温度传感器正从结构复杂,功能简单向集成化,多参数检测的方向迅速发展为开发新一代温湿度检测系统提供了有利条件也将温湿度测量技术提高到新的水平。
2方案设计与论证
2.1传感器部分
方案一:
该智能温度检测系统是以AT89C51为控制核心,以AD590作为温度传感器,利用运算放大器OP07完成传感器输出信号的放大,使用A/D转换器ADC0809实现传感器输出信号与单片机的通信的简单的智能温度控制系统。
本系统还包括按键设置电路和温度报警电路以模拟实现对被测环境温度的监控。
温度传感器AD590的测量范围在-55℃~+150℃,满刻度范围误差为±
0.3℃,当电源电压在5—10V之间,稳定度为1﹪时,误差只有±
0.01℃
。
AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA在-55℃和+150℃时输出电流分别为308.2uA
和368.2uA。
而基准电压由7812提供的12V标准电压,它与运算放大器OP07和电阻组成信号转换与放大电路,将-55℃——+150℃的温度转换为0—5V的电压信号。
ADC0809为8位逐次逼近型A/D转换器,其输入电压范围在0—5v,转换速度为100us,转换精度为0.39﹪,对应误差为0.234℃。
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挂一个传感器,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[9]。
图2-1基于模拟温度传感器的测量系统方案
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[10]。
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。
选用智能温度传感器DS18B20,DS18B20具有独特的一线接口,只需要一条串口线通信、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℃至+125℃,华氏相当于是-67℉到257℉。
在-10℃至+85℃范围内精度为±
0.5℃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。
DS18B20的数字温度计提供9至12位可编程设备温度读数。
信息被发送出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。
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。
而且DS18B20直接输出数字信号,可以与单片机直接连接不需要A/D转换电路,这一特点既简化了硬件电路也能节省单片机的接口资源,赋予了单片机更多的功能。
图2-2基于数字温度传感器测量系统方案
2.2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[11]。
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!
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[12]。
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[12]。
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。
2.3方案选择
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。
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-485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[13]。
综上所述,温度传感器以及主控部分都采用第二方案。
实际采用电路方案如下图:
图2-3电路系统方案
3硬件电路设计
3.1总框图
本设计的整个系统是由单片机、温度传感器、显示电路、串口通信等构成。
硬件总电路图如下:
图3-1硬件电路总框图
3.2AT89C51的概述
AT89C51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89C51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器[16]。
此外,AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
由于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控芯片。
主控模块采用单片机最小系统是由于AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为0~24MHz,并且价格低廉,批量价在10元以内。
其主要功能特性:
兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写(>
1000次)ISPFlashROM
32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压
2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线128x8bit内部RAM
2个外部中断源低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式3级加密位
看门狗(WDT)电路软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针
可以看出AT89C51提供以下标准功能:
4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16位定时器/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟[17]。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式何在RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。
AT89C51引角功能说明
Vcc:
电源电压
GND:
地
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口,作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号校验期间,P1接收低8位地址。
P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行:
MOVX@Ri指令)时,P2口线上的内(也即特殊功能寄存器,在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时,P2也接收高位地址和其它控制信号。
)
P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端口时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I[19]。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,P3口的第二功能如下表3-4。
表3-1P3口的第二功能
端口功能
第二功能
端口引脚
RXD(P3.0)
串行输入口
T0(P3.4)
定时/计数器0外部输入
TXD(P3.1)
串行输出口
T1(P3.5)
定时/计数器1外部输入
INT0(P3.2)
外中断0
WR(P3.6)
外部数据存储器写选通
INT1(P3.3)
外中断1
RD(P3.7)
外部数据存储器读选通
RST:
复位输入。
当振荡工作时,RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。
WDT益出将使该引脚输出高电平,设置SFRAUXR的DISRTO位(地址8EH)可打开或关闭该功能。
DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
3.3温度传感器模块设计
本课题研究的多点测温系统是以单片机和单总线数字温度传感器DS18B20为核心,充分利用单片机优越的内部和外部资源及数字温度传感器DS18B20的优越性能构成一个完备的测温系统,实现对温度的多点测量。
整个系统由单片机控制,能够接收传感器的温度数据并显示出来,可以从键盘输入命令,系统根据命令,选择对应的温度传感器,并由驱动电路驱动温度显示。
本课题设计了一种合理、可行的单片机监控软件,完成测量和显示的任务。
由于单片机具有强大的运算和控制功能,使得整个系统具有模块化、硬件电路简单以及操作方便等优点。
3.3.1简介温度传感器DS18B20
DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
其可以分别93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量,最大分辨率为0.0625℃,而且从DS18B20读出或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写。
(1)DS18B20的内部结构:
图3-2为DS18B20的内部框图,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(内含便笺式RAM),用于存储用户设定的温度上下限值的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[20]。
64位光刻ROM的排列是:
开始8位是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码。
光刻R0M的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这可实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
暂存存储器包含了8个连续字节,前2个字节是测得的温度信息,第1个字节的内容是温度的低8位,第2个字节是温度的高8位。
第3个和第4个字节是TH、TL的
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