基于單片機的多點溫度監測系統設計與仿真畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 12 位選擇。 （ 6）內部有溫度上、上限告警設置。 基于單片機的多點溫度監測系統設計與仿真 6 （ 7）可通過數據線供電。供電范圍為 ～ 。 （ 8）在 － 10℃～＋ 85℃ 范圍內精確度為 177。 5℃ 設計方案三 這個方案使用 STC89C52 單片機作為控制的核心，以數字溫度傳感器 DS18B20為溫度的測量元件，在這個電路中采用 2 個 DS18B20 對各點溫度進行檢測，通過三個按鍵對正常溫度進行設置，顯示電路采用 LCD1602 模塊，如圖 23 所示 。 按鍵 L C D 顯示蜂鳴報警裝置溫度傳感器 1單片機溫度傳感器 2 圖 23 基于數字溫度傳感器的測量系統方案 這個方案與方案二工作原理相同，只是這個方案選用 STC89C52 單片機作為控制的核心，選用三個按鍵對測量溫度進行設置，電路中采用 2 個 DS18B20 對各點溫度進行檢測。 優點：畢業設計采用的 STC89C52 單片機作為控制的核心，和 AT89C51 單片機的區別在于： STC89C52 單片機是一種帶有 8K 字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 COMOS8 的微處理器。 AT89C51 是一種帶有 4K 字節的 Flash ROM。其他的功能基本相同。這個方案電路簡單，容易操作 [7]。 方案的比較與選擇 畢業設計采用 2 個 DS18B20 對各點溫度進行檢測，測溫范圍為 55 OC～ +128 OC，精度為 177。 OC。采用 LCD1602 液晶顯示器，同時顯示路數和溫度。 綜合模擬溫度傳感器和數字溫度傳感器的性能指標，以上三個方案都能達到設計的要求。 方案一采用模擬溫度傳感器 AD590，轉換結果需要經過運算放大器和 A/D 轉換器傳送給處理器。它控制雖然簡單，成本低，但是后續電路復雜，且需要進行溫度標定，集成溫度傳感器 AD590 輸出為電流信號，且輸出信號較弱，所以需要后續放大及 A/D 轉換電路，如采用普通運放則精度難以保證，而測量放大器價格較高，這樣基于單片機的多點溫度監測系統設計與仿真 7 會使系統成本升高。 方案二以 DS18B20為傳感器和 AT89C51單片機為控制核心組成多點溫度測試系統，該系統包括 電源電路、復位電路、時鐘電路、傳感器電路、 鍵盤與 溫度顯示電路、上限報警電路 等組成部。 采用 美國 Dallas半導體公司推出的數字溫度傳感器 DS18B20，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。它具有獨特的單總線接口，僅需要占用一個通用 I/0端口即可完成與微處理器的通信。 因而使用 DS18B20 可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。大大提 高了系統的抗干擾能力。 DS18B20 體積小、經濟、使用方便靈活，測試精度高，較高的性能價格比，有 CRC 校驗，系統簡明直觀 [8]。適合于惡劣環境的現場溫度測試，如：環境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。但是程序設計比較復雜，稍微操作不當，都會造成設計的失敗。 方案三以 DS18B20 為傳感器和 STC89C52 單片機為控制核心組成多點溫度測試系統，該系統包括 電源電路、復位電路、時鐘電路、傳感器電路、 鍵盤與 溫度顯示電路、上限報警電路 等組成部。 方案 三 和方案二工作原理基本相同，這個方案程序設計比較簡單，電路也比較簡單，操作起來更方便，不易出錯，如果操作過程中某個方面出錯了，更改起來也比較方便。 綜上所述，畢業設計采用方案三對系統進行設計。 本章小結 隨著社會經濟的發展，電子產品更新換代的速度也隨之呈指數的上升，因此，元器件的選擇和使用成為了難點。溫度是日常生活和工農業生產中經常需要測試的重要參數。傳統的方式一般采用熱電偶或熱電阻 ,其輸出的模擬信號 ,需經 A/D 轉換后才能送入單片機等微處理器 ,這樣的硬件電路結構復雜 ,制作成本較高 [9]。近年來 ,各種 新型溫度傳感器和測量方法大量出現并成功應用。單總線數字式智能型傳感器技術徹底改變了傳統的溫度測量方法 ,直接將溫度物理量轉化為數字信號并以總線方法傳送到微處理器進行數據處理。其中以美國 DALLAS 公司生產的 DS18B20 為代表的數字式智能溫度傳感器憑借其突出優點廣泛使用于各種環境的自動化測量及控制系統中，所以，畢業設計選用了數字溫度傳感器 DS18B20 作為測溫元件。 基于單片機的多點溫度監測系統設計與仿真 8 3 系統的硬件設計 畢業設計研究的多點測溫系統是以 STC89C52 單片機和單總線 數字溫度傳感器DS18B20 為核心，充分利用單片機優越的內部 和外部資源及 數字溫度傳感器DS18B20 的優越性能 構成一個完整的測溫系統，實現對溫度的測量。整個系統由STC89C52 單片機控制，能夠接收傳感器 DS18B20 的溫度數據并通過 LCD1602 液晶顯示器顯示出來，可以從三個按鍵輸入命令，系統根據命令，選擇對應的溫度傳感器，并由 LCD1602 液晶顯示器對溫度顯示。設計了一種合理、可行的單片機監控軟件，完成測量和顯示的任務。由于單片機具有強大的運算和控制功能，使得整個系統具有模塊化、硬件電路簡單以及操作方便等優點。 畢業設計的整個系統主要是由 STC89C52 單片機、 LCD1602 液晶顯示電路、按鍵電路、報警電路等構成。 單片機系統設計 在快速發展的時代，今天的新科學和技術的發展，單片機的應用越來越受到人們的重視，它被廣泛用于家電、醫療、儀器儀表、工業自動化領域等 [10]。單片機全名為單片微型計算機，是計算機的一個基本組成部分，使之微型化，可以集成在單片微機上。目前市場上比較流行的單片機英特爾公司，菲利普公司的 8051 單片機，摩托羅拉的 M6800 系列微控制器，英特爾 MCS96 系列單片機 [11]。 STC89C52 單片機和 AT89C51 相比具有以下優點： （ 1） STC89C52 是 ISP 系列的，在線用串口編程，只需要三四根線就可以，但是AT89C51 要取下來編程比較麻煩。 （ 2） STC89C52 內帶 EEPROM，可以斷電后保存資料，比如，溫度告警的上限，但是 AT89C51 要實現斷電保存就得另外擴展存儲器。 （ 3） STC89C52 帶 ADC 的可以直接接模擬的溫度探頭，但是 AT89C51 還要外置ADC。 綜上所述：畢業設計運用深圳智威（香港）電子有限公司（ WINBOND 代理商）的STC89C52 進行系統控制，運用到了復位電路，時鐘電路，串口， I/O 口。 （ 1）復位電路：復位操作完成初始化該芯片的單片機電路，可以使單片機從確定的開始狀態運行。復位操作通常是一個上電和開關復位。自動上電復位要求接通電源后，自動復位操作。開關復位是用按鈕來控制單片機的復位電路，如果發生死機，單片機基于單片機的多點溫度監測系統設計與仿真 9 的復位按鈕按下，使單片機復位。常用的上電復位開關和復位電路如圖 31 所示。由于電容器充電，使復位持續為一段高電平。當單片機已經投入運行，按復位按鈕，以達到復位操作。單片機復位操作是單片機的初始化過程，包括程序計數器寄存器PC=0000H， P0P3=FFH， SP=07H，其他寄存器是零。 圖 31 單片機復位電路 （ 2）時鐘電路： STC89C52單片機時鐘信號通常是內部振蕩器和外部振蕩器模式。XTAL1和 XTAL2引腳連接外部晶體振蕩器，可以構成內部振蕩器方式。單片機有高增益反相放大器，當連接外部晶體振蕩器后，它構成自激振蕩器和產生振蕩時鐘脈沖。晶體通常用 6MHZ、 12MHz或 24MHZ。內部振蕩器如圖 32所示，電容 C C2穩定振蕩頻率，快速振動的作用，電容值通常是 5～ 30PF。內部振蕩器模式獲得的時鐘信號比較穩定。外部振蕩器的時鐘信號送入單片機，這種方法適合用于單片機的時鐘與外部信號保持統一。 圖 32 單片機時鐘電路 基于單片機的多點溫度監測系統設計與仿真 10 溫度傳感器 溫度傳感器的選用 現代傳感器的原理和結構有很大差別，如何根據測量的目的，測量對象和測量環境合理選擇傳感器，是在測量前首先要解決的問題。當傳感器被確定后，一個匹配的測量方法和設備就可以使用在實踐當中了。測量結果的是否可行在很大部分上要取決于所選擇的傳感器能否滿足要求。 據測量對象和環境來確定選擇哪種類的傳感器，需要一個具體而可行的測量準備工作。必須首先考慮使用哪種原理的傳感器，這就需要去分析各種因素來決定。因為，即使測量一個相同的物理量，有許多傳感器原理是可行的，什么樣的原理的傳感器更為合適，需要考慮以下具體問題：范圍的大小；測量位置對傳感器測量體積的限制；方式是接觸式或不接觸式；有信號線或非接觸測量；傳感器是國產或進口，價格不能站立，或自行開發 [12]。 考慮到靈敏度、頻率響應特性、穩定性、線性范圍、精度等這些因素，如果測量目的為定性分析，選擇一個重復精度高的傳感器就可 以了，不推薦使用絕對精度高的傳感器；如若為了得到定量分析，必須獲得準確的測量，精度等級應選擇滿足要求的傳感器。 溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 是美國 DALLAS 公司繼 DS1820 之后推出的增強型單總線數字溫度傳感器。 它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較 DS1820 有了很大的改進 , 給用戶帶來了更方便的使用 [13]。 采用 DS18B20 數字溫度傳感器組成的多點溫度測量系統 , 克服了傳統溫度測量系統測量精度低、外圍硬件電路復雜、可靠性較低等缺點 , 具有測溫系統簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等許多優點 , 為多點溫度的測量帶來了極大的方便。 DS18B20 是數字溫度傳感器，它的輸入 /輸出采用數字量，以單總線技術，接受主機發送的命令，根據 DS18B20 內部的協議進行相應的處理，把轉換的溫度以串口發給主機。主機按照通信協議用一個 I/O 口模擬 DS18B20 的時序，發送命令（初始化命令、 ROM 命令、 RAM 命令）給 DA18B20，轉換完成之后讀取溫度值，在內部進行相應的數據處理，用圖形液晶模塊顯示各點的溫度。在系統啟動之時，用按鍵設置各點溫度的上限值，當某 點溫度超過設置值時，報警器開始報警， LCD1602 液晶基于單片機的多點溫度監測系統設計與仿真 11 顯示器顯示該傳感器的路數、設置溫度值、實際溫度值、從而實現了對各點溫度的實時監控。 其 DS18B20 原理圖如圖 33 所示。 GND1DQ2VDD3U3DS18B20 圖 33 DS18B20 原理圖 (1) DS18B20 與單片機的接口設計 DS18B20 溫度測量系統有一個簡單的測溫系統，測溫精度高，方便連接。 DS18B20與單片機的硬件連接方式有： VDD 連接到一個外部電源， GND 接地，輸入 /輸出接口和單片機的輸入 /輸出接口相連；利用寄生供電， VDD 和 GND 接地。輸入 /輸出接單片機的輸入 /輸出接口。不管是何種電源方式，輸入 /輸出端口引腳必須連接大約 上拉電阻 [14]。 如圖 34 所示，在外部電源供電方式下， DS18B20 工作電源由 VDD 引腳接入，其 VDD 端用 3V～ 5． 5V 電源供電，此時 I/O 線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個 DS18B20 傳感器，組成多點測溫系統。注意：在外部供電的方式下， DS18B20 的 GND 引腳不能懸空，否則不能轉換溫度，讀取的溫度總是 85℃ 。 圖 34 DS18B20 外部電源供電方式 （ 2）報警電路的設計 系統設計中有光電報警電路，如圖 35 所示。 基于單片機的多點溫度監測系統設計與仿真 12 圖 35 聲光報警電路 聲光報警電路主要有蜂鳴器，發光二極管，三極管組成。三極管控制蜂鳴器和二極管的電路通斷，并且三極管高電平導通。 按鍵及顯示電路設計 畢業設計要將傳感器的溫度信號和按鍵輸入的控制信號都顯示出來，利用單片機STC89C52 傳輸控制信號。 （ 1）畢業設計中，按鍵主要是用來設置溫度的上限，對其上限加和上限減操作，以達到所要求的溫度值。 因此采用三個按鍵來完成這一功能。按鍵與單片機連接電路如圖 36 所示。 圖 36 按鍵與單片機連接電路 （ 2）顯示電路的設計 畢業設計采用 長沙太陽人電子有限公司的 1602 字符型液晶顯示器 顯示所測的溫度， 一般 1602 字符型液晶顯示器的外觀和引腳如圖 37 所示 。 基于單片機的多點溫度監測系統設計與仿真 13 圖 37 LCD1602 的外觀 D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3L C D 2L M 0 1 6 L 圖 37 LCD1602 的引腳 LCD1602 引腳功能的說明： 1602LCD 采用標準的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口