温度采集系统设计论文

本科毕业设计说明书（论文）第Ⅰ页共Ⅰ页目次1绪论.................................................................11.1设计背景...........................................................21.2电路的总体工作原理.................................................22方案论证.............................................................32.1题目分析...........................................................32.2温度传感器的选择...................................................32.3显示器的选择.......................................................92.4单片机的选择......................................................103系统的硬件设计......................................................163.1单片机最小系统的设计..............................................163.2温度传感电路设计..................................................183.3显示电路的设计....................................................204系统的软件设计......................................................224.1系统的主程序设计..................................................225系统测试............................................................255.1Proteus软件功能概述..............................................25结论...................................................................32致谢...................................................................33参考文献...............................................................34附录主程序...........................................................35本科毕业设计说明书（论文）第1页共39页1绪论温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。温度是我们日常生产和生活中实时在接触到的物理量，但是它是看不到的，仅凭感觉只能感觉到大概的温度值，传统的指针式的温度计虽然能指示温度，但是精度低，使用不够方便，显示不够直观，数字温度计的出现可以让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少度。1.1设计背景数字温度计采用进口芯片组装精度高、高稳定性，误差≤0.5%，内电源、微功耗、不锈钢外壳，防护坚固，美观精致。数字温度计采用进口高精度、低温漂、超低功耗集成电路和宽温型液晶显示器，内置高能量电池连续工作≥5年无需敷设供电电缆，是一种精度高、稳定性好、适用性极强的新型现场温度显示仪。是传统现场指针双金属温度计的理想替代产品，广泛应用于各类工矿企业，大专院校，科研院所。数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即AD转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC机等，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。这样就完成了数字温度计的基本测温功能。数字温度计根据使用的传感器的不同，AD转换电路，及处理单元的不同，它的精度，稳定性，测温范围等都有区别，这就要根据实际情况选择符合规格的数字温度计[1]。本设计是一个基于51单片机的数字温度计可以对温度进行测量。本科毕业设计说明书（论文）第2页共39页1.2电路的总体工作原理温度控制系统采用AT89C51八位机作为微处理单元进行控制。采用温度传感器把采集的信号通过LED显示出来。系统框图如图1.1所示：图1.1系统框图根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、显示等功能。选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样／保持电路、运放、数／模转换电路以及进行长距离传输时的串／并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。该系统的总体设计思路如下：温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将温度在显示电路上显示[4]。AT89C51LED显示温度传感器单片机复位时钟振荡本科毕业设计说明书（论文）第3页共39页2方案论证本章主要对毕业设计的题目进行了分析，根据要实现的功能，综合比较几种设计方法，提出了实现系统功能的最佳方案。2.1题目分析本设计是一个数字温度测量系统，能采集和测量温度。2.1.1具体要求根据设计的要求，要利用温度传感器实时温度。毕业设计的主要任务是能对温度进行采集和测量。设计中采用单片机来采集和测量温度。要实现系统的设计要用到的知识点有单片机的原理及其应用，温度传感器的原理和应用，及显示电路的设计等。2.2温度传感器的选择2.2.1采用数字单片智能温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能过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。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和2位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以想所挂接DS18B20供电，而无需额外电源，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果[7]。而且该传感器才用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路。DS18B20的性能特点：（1）DS18B20的供电电压范围为3.0-5.5V。当在-10℃—+85℃范围内，可确保测量误差不超过0.5℃，在-55—+125℃范围内，测量误差也不超过2℃。（2）DS18B20的转换速率比较高，进行9位的温度转换仅需93.75ms。（3）具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护DS18B20不会因发热而烧毁。但此时芯片无法正常工作。本科毕业设计说明书（论文）第4页共39页（4）适配各种单片机或系统。（5）采用DALLAS公司独特的“单线总线”专有技术。（6）内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码（CRC）之后，产品序号占48位。出厂前产品序号存入其ROM中。（7）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（8）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。DS18B20采用了3脚PR—35封装或8脚SOIC封装，引脚排列如图2.1所示。图2.1DS18B20的管脚排列其引脚功能描述见表2.1。表2.1DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号。2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS18B20采用3脚PR-15封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.2所示。本科毕业设计说明书（论文）第5页共39页图2.2DS18B20内部结构64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图2.3所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。C64位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器Vdd本科毕业设计说明书（论文）第6页共39页图2.3DS18B20字节定义由表2.2可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2.3是一部分温度值对应的二进制温度数据。表2.2DS18B20温度转换时间表R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRCTMR1R011111本科毕业设计说明书（论文）第7页共39页若TTH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出