基于单片机的多点温度监测系统设计

1本科生毕业论文(设计)打印专用纸基于单片机的多点温度监测系统设计摘要：DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。PL2303是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步窜行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案。该系统由上位机和下位机两大部分组成。下位机实现温度的检测并提供标准RS232通信接口，芯片使用了ATMEL公司的AT89S52单片机和DALLAS公司的DS18B20数字温度传感器。上位机部分使用了通用PC。该系统可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域。关键字：温度测量；单总线；数字温度传感器；单片机；转换器BasedonSCMmoretemperaturemonitoringsystemdesignAbstract：DS18B20isanetworkofhighprecisiondigitaltemperaturesensor,sinceithastheuniqueadvantagessinglebus,userscaneasilysetupsensornetwork,andcanmakemoretemperaturemeasurementcircuitbecomesimpleandreliable.PL2303ProlificcompanyistheproductionofahighlyintegratedRS232-USBinterfaceconverter,canprovideaRS232full-duplexasynchronouschannelinglineofcommunicationequipmentandtheUSBinterfaceconvenientconnectionfunctionofthesolution.ThesystemconsistsofPCandamachineundertwomaincomponents.AmachinetoimplementthetemperaturedetectionandprovidestandardRS232communicationinterface,ATMELcompanyusedchipAT89S52SCMandDALLAScompanyDS18B20digitaltemperaturesensor.PCpartsusedthegeneralPC.Thissystemcanbeusedinstoragetemperaturemeasurement,buildingtheairconditioningcontrolandproductionprocessmonitoring,etc。Keywords：temperaturemeasurement;Singlebus;Digitaltemperaturesensors;Singlechipmicrocomputer;converter2本科生毕业论文(设计)打印专用纸第一章绪论1.1系统概述在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域：消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械…等设备温度过热检测。温度检测系统应用十分广阔。温度检测系统有则共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则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，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设计。温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。本设计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。该系统采用RS-232串行通讯标准，通过上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值既可以送回主控PC进行数据处理，由显示器显示。也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。DS18B20利用单总线的特点可以方便的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。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械…等。3本科生毕业论文(设计)打印专用纸第二章系统总体设计2．1设计要求①多点温度检测，制作3点温度检测系统，检测范围为10℃——20℃。②将三点检测的温度采集并通过PC机界面显示出来，LED数码管显示出当前环境温度及三点的平均温度。③在PC机驱动界面上分别设定三点的温度报警阈值，当任一被测点得温度不在其设定的检测范围时，蜂鸣器报警，同时在PC机界面上显示出相应的报警符号（当被测点温度超出设定的检测范围时显示红色报警符，当被测点温度低于设定的检测范围时显示白色报警符）④被测点温度误差≤±0.5℃。本设计中采用数字式温度传感器DS18B20来采集温度值并用AT89S52单片机来进行数据处理并控制相关电路的工作，PL2303控制器与PC级相连显示当前测定的温度，具有检测方便、灵活性大、精度高等优点。当温度超过预设温度上下限时，系统将发出警报并记录相应警报的类型和时间。2．2系统组成方框图图1系统方框图上位机（PC）下位机（AT89S52）传感器模块LED显示模块PL2303控制模块预警灯显示模块4本科生毕业论文(设计)打印专用纸第三章系统硬件设计3．1总体思路在设计这个温度检测系统之前，先了解系统所要实现的各个功能情况。在设计的过程中，除了要让硬件电路简洁外，还要兼顾软件不能过于复杂。这样才能达到设计的实际要求，硬件支持软件，软件带动硬件。本电路设计的主要思路是：对设置的三个温控点进行实时的温度监控，并且把采集的温度通过电脑界面显示出来。最基本的程序是温度采样程序，之后的设定的数码管显示和PL2303控制都是在基本程序上扩展而得到的。主要目的是将三点检测的温度采集并通过PC机界面显示出来，LED数码管显示出当前环境温度及三点的平均温度。在PC机驱动界面上分别设定三点的温度报警阈值，当任一被测点得温度不在其设定的检测范围时，蜂鸣器报警，同时在PC机界面上显示出相应的报警符号3．1．1系统总体设计图图2系统总原理图5本科生毕业论文(设计)打印专用纸3．2各模块电路图3．2．1温度测试电路设计这里我们用到温度芯片DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式。测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。CPU只需一根端口线就能与诸多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。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。DS18B20内部结构（1）DS18B20的内部结构如图所示DS18B20内部结构图DS18B20有4个主要的数据部件：①64位激光ROM。64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码(28H)组成。②温度灵敏元件。③非易失性温度报警触发器TH和TL。可通过软件写入用户报警上下限值。存储器和控制器高速缓存存储器8位CRC生成器64位ROM和单线接口温度灵敏元件低温触发器TL高温触发器TH配置寄存器电源检测6本科生毕业论文(设计)打印专用纸④配置寄存器。配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。DS18B20在0工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值，其各位定义如图所示。TMR1R011111MSBDS18B20配置寄存器结构图LSB其中，TM：测试模式标志位，出厂时被写入0，不能改变；R0、R1：温度计分辨率设置位，其对应四种分辨率如下表所列，出厂时R0、R1置为缺省值：R0=1，R1=1（即12位分辨率），用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。配置寄存器与分辨率关系表：R0R1温度计分辨率/bit最大转换时间/us00993.750110187.510113751112750（2）高速暂存存储器高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如下图所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如图所示。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRCLSBDS18B20存储器映像图MSB温度值格式图DS18B20温度数据表：232221202-12-22-32-4MSBLSBSSSSS2625247本科生毕业论文(设计)打印专用纸典型对应的温度值表:温度/℃二进制表示十六进制表示+125+25.0625+10.125+0.50-0.5-10.125-25.0625-5500000111110100000000000110010001000000001010001000000000000010000000000000000000111111111111100011111111010111101111111001101111111111001001000007D0H0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90HDS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。硬件连接电路如下图：VCC=5V4.7K本系统为多点温度测试。DS18B20采用外部供电方式，理论上可以在一根数据总线上挂256个DS18B20，但时间应用中发现，如果挂接25个以上的DS18B20仍旧有可能产生功耗问题。另外单总线长度也不宜超过80M，否则也会影响到数据的传输。在这种情况下我们可以采用分组的方式，用单片机的多个I/O来驱动多路DS18B20。在实际应用中还可以使用一个MOSFET将I/O口线直接和电源相连，起到上拉的作用。对DS18B20的设计，需要注意以下问题（1）对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20进行操作，需要用较为复杂的程序完成。编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行，读、写时间片程序要严格按要求编写。尤其在使用DS18B20的高测温分辨力时，对时序及电气特性参数要求更高。（2）有多个测温点时，应考虑系统能实现传感器出错自动指示，进行自动DS18B20序列号和自动排序，以减少调试和维护工作量。（3）测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接AT89S52DS18B201#DS18B202#DS18B203#DS18B20n#8本科生毕业论文(设计)打印专用纸VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。DS18B20在三线制应用时，应将其三线焊接牢固；在两线应用时，应将VCC与GND接在一起，焊接牢固。若VCC脱开未接，传感器只