付广飞 温度检测报警器(初稿)

南京技师学院毕业设计课题：温度检测报警器专业：电子应用姓名：付广飞学号：2070434指导老师：狄何君2013-10-182摘要本设计以AT89S51单片机为核心，实现温度监测及控制。温度信号由芯片DS18B20采集，以数字信号的方式传送给单片机。硬件部分包括温度采集电路、温度显示电路、温度设置电路、温度界限存储器、报警电路。软件部分采用模块化结构，有数码显示程序、键盘扫描及键值处理程序、温度信号处理程序及超温报警程序。关键词：AT89S51单片机DS18B20温度芯片温度控制目录前言………………………………………………………………………………1一、设计要求……………………………………………………………………2二、总体方案考虑………………………………………………………………3（一）温度采集…………………………………………………………………3（二）数据处理…………………………………………………………………4三、硬件电路……………………………………………………………………5（一）系统框图…………………………………………………………………5（二）整机工作原理……………………………………………………………5（三）单元电路及其工作原理…………………………………………………6四、程序设计…………………………………………………………………11（一）程序结构分析…………………………………………………………11（二）主程序…………………………………………………………………12五、测试分析…………………………………………………………………13结论……………………………………………………………………………14参考文献………………………………………………………………………15附录……………………………………………………………………………16（一）原理图…………………………………………………………………16（二）程序……………………………………………………………………161前言温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，还可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行更大范围的温度检测。2一、设计要求设计基于单片计算机的温度控制器，用于控制温度。该系统自带的DS18B20温度传感器，可以实时检测到当前温度的变化，并且在数码管上显示当前的温度（范围-20°C～120°C）。该装置设置了温度的上、下限值。当温度高于或低于设置的上、下限值时，报警的警铃响起。根据用途不同，该系统可以自由设置控制温度。该装置温度的上、下限值可以通过按钮来自由设置。具体要求如下:＊以51系列单片机为核心＊温度调节范围为-20℃～120℃＊超调量σ%≤20%＊温度误差≤±0.5℃＊可用LED数码显示器显示实时温度＊可通过按键设定温度3二、总体方案考虑采用一般温度传感器采集温度信号，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，由于各种因素的影响会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂及各种干扰的存在，会使检测系统的稳定性和可靠性下降，所以温度检测系统的设计关键在于两部分：温度采集和数据处理。（一）温度采集方案一：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。方案二：采用单片模拟量的温度传感器，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。方案三：采用数字温度传感器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，此元件线性度较好。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AT89S51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AT89S51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。采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化。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。4（二）数据处理方案一：采用AT89S51八位单片机实现。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。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。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。方案二：使用MSP430作控制器，德州仪器(TI)的超低功率16位RISC混合信号处理器MSP430产品系列为电池供电测量应用提供了最终解决方案。作为混合信号和数字技术的领导者，TI创新生产的MSP430，使系统设计人员能够在保持独一无二的低功率的同时同步连接至模拟信号、传感器和数字组件。但在温度采集和实施控制这个重要的场合低功耗相对来说显得就不是那么重要了，而应该考虑它的稳定性、准确性，同时对比AT89S51能够在性能和资源都可以到达一个最佳的状态，可以避免用MSP430的不必要的资源浪费。综上，总体方案我们选用DS18B20来采集温度数据，选用AT89S51来处理数据。5三、硬件电路（一）系统框图该装置主要由温度采集电路、温度设置电路、温度界限存储器、AT89S51单片机、温度显示及报警电路组成。如图1。图1（二）整机工作原理温度传感器DS18B20从设备环境采集温度，单片机AT89S51获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，单片机通过二极管开启模拟降温设备(压缩制冷器)，当采集的温度经处理后低于设定温度的下时,单片机通过二极管开启模拟升温设备(加热器)。在设置的过程中，如果设置的下限温度大于了上限的温度，或者设置的上限温度小于了下限温度，设置出错。此时单片机输出电平驱动蜂鸣器beef响起报警，且输出高电平使二极管亮。直至设置正确报警解除，二极管灭。温度界限存储器温度设置电路数据处理器温度显示电路报警电路温度采集电路6（三）单元电路及其工作原理1.温度控制及超温和超温警报电路温度控制及超温和超温警报电路如图2所示。当检测到的温度高于设置温度的上限值时，单片机的P3.6引脚输出电平蜂鸣器beef响起报警，警铃的声音频率稍慢，同时P3.2引脚输出电平二极管D1闪烁（这里代表启动了制冷装置）。如果此时温度继续上升，并高出了设置温度上限的2度蜂鸣器响起报警的警铃音频率加快，且P3.3引脚也输出电平二极管D2和D1一起闪烁（这里代表启动了强制冷装置）。当温度恢复设置的温度值内，蜂鸣器不响，报警解除；同时二极管不闪烁（制冷装置停止工作）。如果当检测到的温度低于设置温度的下限值时，单片机的P3.6引脚输出电平beef蜂鸣器响起报警，警铃的声音频率稍慢，同时P3.0引脚输出电平二极管D3闪烁（这里代表启动了制热装置）。如果此时温度继续下降，并低于了设置温度下限的2度蜂鸣器响起报警的警铃音频率加快，且P3.2引脚也输出电平二极管D4和D3一起闪烁（这里代表启动了强制热装置）。当温度恢复设置的温度值内，蜂鸣器不响，报警解除；同时二极管不闪烁（制热装置停止工作）。7图22.温度采集电路本电路使用集成芯片DS18B20，它能有效地减小外界的干扰，提高测量的精度，简化电路的结构。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围－55～＋125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。综上，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。DS18B20内部结构如图3。图33.温度控制器件电路温度控制器件电路如图2。当按下S1时，P2.0输出高电平，二极管D58亮，51单片机通过P2.0，P2.0读出原先存储在24C02存储器里的下限值，并通过数码管显示。此时可以通过S3加大温度下限的值，通过S4减小温度下限的值；当按下S2时，51单片机通过P2.0，P2.0读出原先存储在24C02存储器里的上限值，并通过数码管显示。此时可以通过S3加大温度上限的值，通过S4减小温度上限的值。在设置的过程中，如果设置的下限温度大于了上限的温度，或者设置的上限温度小于了下限温度，设置出错。此时P3.6引脚输出电平蜂鸣器beef响起报警，且P2.2输出高电平二极管D7亮。直至设置正确报警解除，二极管D7灭。按下S5完成温度的限值设置，且把设置的温度存储在24C02存储器里。4.数据处理器数据处理器选用AT89S51，它是一个低功耗，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AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51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