基于单片机的温度巡检装置设计

课程设计（报告）题目：基于单片机的温度巡检装置设计学院：应用技术院专业班级：13级机电一体化专业3班指导教师：邱荣华学生姓名：杨鹏学号：31312030321日期：2015年12月27日I摘要八路数字温度巡检仪能够实现在安全生产、产品质量、生产效率、能源节约等方面的重大技术经济指标，在工农业生产中具有良好的应用前景。本设计介绍了基于单片机的八路数字温度巡检系统的设计方案和软硬件实现。设计中采用了温度传感器DS18B20进行温度检测。当温度超过测量范围时，由发光二极管闪动进行超限提示。该系统主要由六个模块组成，分别为STC89C51单片机最小系统模块、LED数码管输出模块、按键输入模块、温度传感检测模块、电源模块、通信模块。正常运行时，其测温范围是-55℃～125℃，设计中给出了系统总体设计框图、系统设计原理图及程序，并在硬件平台上实现了设计要求。关键词：单片机STC89C51，温度传感器DS18B20，LED数码管西安工程大学专科毕业设计（论文）I目录第1章概述..........................................11.1温度巡检仪发展背景...........................................11.2温度巡检装置工作原理.........................................11.3设计要求及任务...............................................21.3.1设计要求..............................................21.3.2设计任务..............................................2第2章系统设计方案..................................32.1系统组成及工作原理..........................................32.1.1系统组成..............................................32.1.2工作原理..............................................32.2方案的选择..................................................4第3章系统的硬件设计................................53.1硬件总体设计................................................53.2温度传感模块................................................53.2.1数字温度传感器DS18B20..................................53.2.2DS18B20的通信协........................................73.3单片机控制模块..............................................83.3.1AT89S52芯片简介.......................................83.3.2AT89S52功能特性描述....................................93.4串口通信模块................................................93.5数码管显示模块.............................................10第4章主程序的软件结构......................................114.1主程序结构图..............................................114.2主程序清单................................................13总结.................................................17参考文献.............................................18附录.................................................19西安工程大学专科毕业设计（论文）1第1章概述1.1温度巡检仪发展背景随着现代科学技术的发展，在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。尤其在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测与控制。但在实际生产过程中，温度的测量环境恶劣，常伴有巨大的撞击力或高温气体的高速流动，测量技术难度非常大。由于许多工业产品对温度范围要求非常严格，因为对温度的控制好坏直接会影响到产品质量的高低。因此，在工农业生产中，对温度不仅要不断地测量，而且还要进行控制。特别是遇到温度超过预设值时，系统会进行报警。在温度巡检仪没有普及运用之前，温度计测温被人们运用在大多数温度测量场合。由于其本身的结构和功能所限，它只能对一些要求精度不高的地方进行较粗略检测，然而需要严格控温的场合则没有办法检测，最终影响到了生产效率及效率。所以，温度计在工业上的应用必将由温度巡检仪替代。但是，就目前市场上看，销售的大都是单路测量的温度检测仪器，其存在温度信息传递不及时、精度不够等缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的市场需求背景下，采用一种效率和自动化水平更高、更新的测量手段，是温度测控系统的发展趋势。1.2温度巡检装置工作原理八路温度巡检仪首先要进行数据采集就是将一般的物理量通过传感器转换成模拟量，在经过A/D转换电路转换为数字量供给CPU进行处理。详细来说就是能监测并采集多路的温度信号，通过温度传感器将温度转换成电压信号输出电压，A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，从而得到与温度信号具有一定关系的数字量，单片机采集这些数字信号，进行一定的信号调理、软件算法、以及标度变换，从而得到一定量的温度值，再将这一温度值通过显示的方式显示出来，然后通过按键或定时的控制实现巡检，就得到了一个八路温度巡检仪的系统。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。目的是对工业生产的温度传感与温度控制进行模拟实验，学习单片机用于工业生产的温度传感与温度控制技术的方法。西安工程大学专科毕业设计（论文）2本毕业设计介绍了温度计的测量和控制之间的关系：检测是控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。不仅如此，检测还涉及国计民生各个部门，可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。目前的温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。1.3设计要求与任务1.3.1设计要求：检测8个点的温度，温度范围：－50℃—120℃；采用LED循环显示检测的8路温度值；通过按键自由设定温度报警们限值，当温度超过门限值时，系统发出声、光报警；实现与上位机串行通信。1.3.2设计任务：温度测量原理及温度传感器选型；温度巡检装置硬件设计、仿真；温度巡检装置软件设计及调试。西安工程大学专科毕业设计（论文）3第2章系统设计方案2.1系统组成及工作原理2.1.1系统组成在系统方案设计中，主要以选择测温电路的方案为主，测温电路的方案选择可以直接的影响到测得温度值的准确性和要求达到的精度问题，测温电路要求能把环境温度通过传感器把温度信号转换为我们所需要的电压信号或电流信号，把得到相应的电信号送入A/D转换器，通过A/D转换器的转换，在通过单片机的控制和程序的处理最后得到准确的温度值，实现温度的检测。所以在测温电路中我们进行了认真的分析和最后方案的确定。如下框图所示：2.1.2工作原理八路温度巡检仪首先要进行数据采集就是将一般的物理量通过传感器转换成模拟量，在经过A/D转换电路转换为数字量供给CPU进行处理。详细来说就是能监测并采集多路的温度信号，通过温度传感器将温度转换成电压信号输出电压，A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，从而得到与温度信号具有一定关系的数字量，单片机采集这些数字信号，进行一定的信号调理、软件算法、以及标度变换，从而得到一定量的温度值，再将这一温度值通过显示的方式显示出来，然后通过按键或定时的控制实现巡检，就得到了一个八路温度巡检仪的系统。2.2方案的选择根据设计内容，提出三种设计方案：方案一：采用STC89C51单片机作为系统控制核心，其片内自带8kB大小的FlashROM，烧写进去的HEX文件大小最大能达到20KB左右。信号采集西安工程大学专科毕业设计（论文）4电路选择的是八个含有Pt100的电桥电路，可以采集八个点的温度值；而选择的TM7705模数转换元件内含差放电路，所以采集到的模拟信号可以直接输送给TM7705进行处理。对于八个点传输过来的模拟信号，要通过八选一数据选择器进行选择，即每个模拟信号对应一个通道，此八选一数据选择器选用HCF4051BE。在显示单元中，选择五位数码管分别显示通道号、正负号、温度值；而在控制单元中，需要通过按键控制单通道温度查询和显示的过程。整个系统中，单片机晶振选用12MHz，TM7705的时钟线要接到单片机的ALE端，以便产生2MHz的时钟。单片机的P0口为数码管的段码，P2口为位选。P3.0为A/D数据输入端，采用串行通信方式0进行数据的读入。方案二：单片机依然选用STC89C51作为系统控制核心，而AT89S52单片机也是可以选用的。信号采集电路是选用八个并接于单线总线的数字温度传感器DS18B20进行八个点的温度采集，它可以不通过放大整形和模数转换电路而直接接在单片机上。显示单元中选用液晶显示器LCD1602；控制单元与方案一中相同。方案三：单片机选用STC89C51，信号采集电路与方案一中相同。但在此方案中，信号放大电路选用rail-to-rail运算放大器，使输出电压上限可以达到电源电压，而下限可以达到0V。同时，加入滤波电容对影响信号采集的空气中的高频信号进行过滤。模数转换电路选用ADC0809芯片，对模拟信号进行处理。控制单元与方案一相同。对比观察上述三种方案，方案一中铂热电阻（Pt100）温度传感器具有精度高，测温范围广，一般可测-200℃～650℃，在工业测温上应用广泛，而且可以通过引线将铂电阻置于需要测量温度的环境中，满足不同点不同温度测量的需求。同时，TM7705解决了对采集到的模拟信号进行放大和数字处理，而不需要另外增加信号放大滤波电路。方案二中，所用到的数字温度传感器性能较强，价格上比Pt100便宜很多。而且电路搭构简单易行，节约了许多外围电路空间。LCD1602显示功能强大，但没有数码管显示快捷方便。方案三比方案一在信号放大和模数转换两个单元中有所不同，其电路设计比方案一繁琐。综合考虑，最终选择方案一。方案二有其优势所在，但在工业测温中，方案一应用面更宽广，经