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1、摘 要本课题设计的是一套基于单片机控制的仓库温度监控系统，主要是对仓库的温度监控，以保证存储物品的安全。系统以单片机AT89C51为核心，从DS18B20温度检测的数据采集、设定值调整、LED数码管显示电路、报警及输出控制通风机等几个方面出发，详细研究和设计了基于单片机的仓库温度监控的各个部分内容，设计了单片机及其外围电路，并结合一套经典的程序算法。给出了一套合理的基于单片机的仓库温度监控系统的软硬件解决方案。关键字：温度检测；DS18B20；单片机；温度控制AbstractThis issue is a set of design based on single chip controlle
2、d warehouse temperature monitoring system, mainly for warehouse temperature monitoring to ensure the safety of stored items.AT89C51 microcontroller as the core system, from the DS18B20 the temperature detection data acquisition, set the value of adjustment, LED digital tube display circuit, alarm an
3、d output control fan, and several other aspects of starting a detailed study and design of microcomputer-based warehouse temperature monitoring of various parts of the contents of the microcontroller and its peripheral circuit design, combined with a set of procedures for the classic algorithm. Is g
4、iven a reasonable microcontroller-based warehouse temperature monitoring system hardware and software solution.Keywords: temperature detection；DS18B20；microcomputer temperature control目 录摘 要IAbstractII引 言11研究动态2 1.1研究的背景与意义2 1.2 国内外仓库技术现状21.3 仓库测控系统的发展趋势31.4 本文的主要工作42 系统的总体设计53 系统的硬件部分设计与实现6 3.1 单片机
5、介绍63.1.1单片机概述63.1.2 单片机编程语言介绍7 3.1.3 系统选择83.1.4 AT89C51引脚功能介绍93.2 温度传感器DS18B20113.2.1 温度传感器分类11 3.2.2 DS18B20简介133.2.3 DS18B20的硬件连接144 温度监控的系统设计164.1硬件设计164.1.1 温度检测部分164.1.2 LED数码管显示电路164.1.3 报警及控制输出部分174.1.4 单片机最小系统184.1.5 按键电路设计214.2 软件系统设计234.2.1 系统程序流程图234.2.2 单片机软件开发语言244.2.3 DS18B20驱动程序25结 论2
6、8参考文献29致 谢30附录一：系统整体硬件电路图31附录二：系统程序仿真图32附录三：程序33引 言防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。随着“信息时代”的到来，作为获
7、取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 1研究动态1.1研究的背景与意义传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制
8、的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。仓库监控系统包括：存储物品检测、分析与通风控制。“存储物品检测”在储藏过程中所起的作用就像“人工”保管时期保管人员的“眼睛”和“鼻子”，对储藏过程中各种状况进行实时观察，并密切关注着存储物品的实时变化
9、;“存储物品情况分析”就像保管人员的“大脑”，对通过“眼睛”和“鼻子”观察到各种存储物品及变化情况，并根据储藏技术的特点和储藏的各种环境条件进行综合分析与判断，给出相应的结论及处理建议；“通风控制”就像保管人员的“手”和“足”，根据“大脑”的结论和处理建议来采取相应的处理措施，以确保存储物品处在适宜的储藏状态，保证存储物品的安全。存储物品检测是对储藏过程中物品温度、仓内温、湿度、大气温、湿度等基本检测参数变化的记录。检测系统是通过电源电缆、通讯电缆将计算机、检测主机、检测分机、分线器和测温电缆等连结起来构成的系统。仓库检测过程是把埋在存储物品内的温度传感器所感应到存储物品内的温度变化情况，通过
10、分线器、检测分机、检测主机而反映到主控机房的计算机上，使库房保管人员可以随时观察存储物品内的温度变化情况，并采取相应的处理措施，以确保存储物品储藏过程的安全。建立物品监测产品技术应用新体系，应本着一切从国情出发，从实际需要出发，从日前国内的技术水平出发，面向遍布全国各区不同仓房类型和功能的检测成套系列化产品，经济实用地满足储藏的不同需求。本课题研究的是一种基于单片机的温度检测系统的研究，并能设定高低温报警的仓库温度测控系统。1.2 国内外仓库技术现状 随着经济的不断发展，加之电子商务的不断推进，给传统的仓库物流产业带来的空前的挑战，我国现行的五大仓库系统（军队仓库业，外贸仓库业，商业供销粮食储
11、运业，乡镇储运业）都曾载着巨大的仓储压力。众所周知，不同的货物的保存，需要不同的环境，包括一定的温度、湿度、二氧化碳、光强、粉尘等，都有各自不同的要求，其中一般货物对仓库温度和湿度的要求尤为突出，同时温度和湿度着两大仓储环境也是最受关注的仓储环境要素。而且仓库易发生火灾，盗窃事件，给生命财产安全带来了威胁。仓储的仓库温度、湿度、火警、盗警灯参数需要进行实时的监控，并并且在系统监控到异常的情况时及时的进行提示和报警。控制和调节仓库温湿度：为了维护仓储商品的质量完好，创造适宜于商品储存的环境，当库内温湿度适宜商品储存时，就要设法防止库外气候对库内的不利影响；当库内温湿度不适宜商品储存时，就要及时采
12、取有效措施调节库内的温湿度。上述的五大仓储系统对高端仓储物品的环境都能控制得很到位，尤其是军用仓储业和外贸仓储业，但是，在一般的仓储物流中心，对农业产品的仓储环境监控还没有做到至善至美，在乡镇储运中，农业产品的仓储技术水平甚至还停留在原始阶段。光强、温度、湿度是农业产品仓储不可缺少的因素，目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，而且一般的温度信息传递不及时，精度达不到要求，不利于控制者根据温度变化及时做出调整；另外湿度传感器价格昂贵，大多是使用进口元件，但事实上，农用精度要求并不高，现在国产温湿度传感器完全可以使用。我国仓储业的发展存在许多制约的因素，为把仓储业培育成国民经济的一个独立
13、产业，有必要对仓储业的现状进行分析，找出问题，探索发展思路。1.3 仓库测控系统的发展趋势对比国内外温室环境控制研究及应用情况我们可以看出，温室环境控制系统正向着分布式、网络化、智能化方向发展。（1）分布式 目前工业控制的发展我们可以分为五个阶段：人工控制阶段、以模拟表为主的控制阶段、计算机参与的控制阶段、分散控制DCS(Distributed Control system)阶段、现场总线控制FCS(Field Bus Control System)阶段。（2）网络化网络通讯技术是目前最有活力，发展最快的高科技领域。网络技术的应用使得信息的交换速度、范围、信息量得到了极大的提高。随着网络在生产
14、中的应用，使得在线远程服务成为可能。我们可以利用远在千里之外的专家，来解决现场问题，它改变了传统的信息传播方式，对人类的生活方式造成了重大影响。（3）智能化利用计算机强大的数据运算能力，巨大的存储空间，从而能够将种植者的经验通过管理软件固化起来，指导非专业人员或技术不熟练人员代替专家进行工作。目前神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在设施农业中得到重视并逐步发展。其次，为了适应各地地域特点、气候差异，粮仓测控系统还表现出多样性以及个性化的特点。1.4 本文的主要工作 基于对仓库温度控制系统的研究，本文的主要内容有一下几个方面：（1）收集资料，了解更多关于存储物品储藏、物品环境因子情况，掌
15、握目前国内外仓库温度监控系统的研究状况，分析其优点和缺点；（2）设计仓库温度监控系统的整体组成方案；（3）设计温度传感器的检测电路及各部分组成电路，完成仓库温度监控系统的硬件设计；（4）利用C语言对系统进行软件设计。2 系统的总体设计仓库温度监控系统需要完成温度的检测并可以通过按键设定调整最高温度和最低温度值、能够显示当前温度值、最高温度和最低温度值，同时要实现仓内温度超过最高温度时，启动通风系统。需要系统包括单片机最小系统电路和按键电路、LED显示电路、温度检测部分、报警和控制输出等主要部分，系统总体设计框图如下图所示：LED数码管显示DS18B20温度检测部分单片机报警和输出控制部分按键电
16、路图2.1 系统整体设计框图单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，并且在很多电子产品中也将其用到温度检测和温度控制。基于单片机仓库温度监控系统较传统的温度控制器具有更高的智能性，并且系统的功能更加易于扩展和升级，是一种低成本的温度检测、控制方案。 3 系统的硬件部分设计与实现3.1 单片机介绍3.1.1单片机概述单片微机（Single-Chip Microcomputer）简称单片机，通常统称微控制器（Micro-Controller 简写C）或微型处理部件（Micro Controller Unit 简写MCU）。一般的说，单片机就是在一块硅片上集成CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、
17、和多种I/O的完整的数字处理系统。二十世纪，微电子、IC集成电路行业发展迅速，其中单片机行业的发展最引人注目。单片机功能强、价格便宜、使用灵活，在计算机应用领域中发挥着极其重要的作用。从INTEL公司于1971年生产第一颗单片机Intel-4004开始，开创了电子应用的“智能化”新时代。单片机以其高性价比和灵活性，牢固树立了其在嵌入式微控制系统中的“霸主”地位，在PC机以286、386、Pentium、P高速更新换代的同时，单片机却“始终如一”保持旺盛的生命力。例如，MCS-51系列单片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的态势就充分证明了这一点。(1)单片机的结构与组成目前，单片机的系统结
18、构有两种类型：一种是将程序和数据存储器分开使用， 即哈佛（Harvard）结构，当前的单片机大都是这种结构。另一种是采用和PC机的冯.诺依曼（Von Neumann）类似的原理，对程序和数据存储器不作逻辑上的区分，用来存放用户程序，可分为EPROM、OTP、ROM和FLASH等类。EPROM型内存编程后其内容可用紫外线擦除，用户可反复使用，故特别适用于开发过程，但EPROM型单片机价格很高。具有ROM型（掩膜型）内存的单片机价格最低，它适用于大批量生产。由于ROM型单片机的代码只能由生产厂商在制造芯片时写入，故用户要更改程序代码就十分不便，在产品未成熟时选用ROM型单片机风险较高。OTP型（一
19、次可编程）单片机介于EPROM和ROM型单片机之间，它允许用户自己对其编程，但只能写入一次。OTP型单片机生产多少完全可由用户自己掌握，不存在ROM型有最小起订量和掩膜费问题，另外，该类单片机价格已同掩膜型十分接近，故特别受中小批量客户的欢迎。Flash型（闪速型）单片机允许用户使用编程工具或在线快速修改程序代码，且可反复使用，故一推出就受到广大用户的欢迎。Flash型单片机,即可用于开发过程，也可用于批量生产，随着制造工艺的改进，Flash型单片机价格不断下降，使用越来越普遍，它已是现代单片机的发展趋势。 随机内存（RAM）：用来存放程序运行时的工作变量和数据，由于RAM的制作工艺复杂，价格
20、比ROM高得多，所以单片机的内部RAM非常宝贵，通常仅有几十到几百个字节。RAM的内容是易失性（也有的称易挥发性）的，掉电后会丢失。最近出现了EEPROM或FLASH型的数据存储器，方便用户存放不经常改变的数据及其它重要信息。单片机通常还有特殊寄存器和通用寄存器，它们是单片机中存取速度最快的内存，但通常存储空间很小。(2)中央处理器（CPU）是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件ALU和控制部件构成。CPU就象人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和处理速度。 并行输入/输出（I/O）口：通常为独立的双向口，任何口既可以用作输入方式，又可以作输出方式，通过软件编程来设定。现代的单片机的I/O
21、口也有不同的功能，有的内部具有上拉或下拉电阻，有的是漏极开路输出，有的能提供足够的电流可以直接驱动外部设备。I/O是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指针之一。串口输入/输出口：用于单片机和串行设备或其它单片机的通信。串行通信有同步和异步之分，这可以用硬件或通用串行收发器件来实现。不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口，如UART、SPI、Micro Wire等。(3)定时器/计数器（T/C）单片机内部用于精确定时或对外部事件（输入信号如脉冲）进行计数，有的单片机内部有多个定时/计数器。(4)系统时钟通常需要外接石英晶体或其它振荡源来提供时钟信号输入，也有的使用内部RC振荡器。 以
22、上是单片机的基本构成，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟/数字转换器（A/D）、数字/模拟转换器（D/A）、温度传感器、液晶（LCD）驱动电路、电压监控、看门狗（WDT）电路、低压检测（LVD）电路等等。3.1.2 单片机编程语言介绍对于51系列单片机，现有四种语言支持，即汇编、PL/M，C和BASIC。BASIC通常附在PC机上，是初学编程的第一种语言。一个新变量名定义之后可在程序中作变量使用，非常易学，根据解释的行可以找到错误而不是当程序执行完才能显现出来。BASIC由于逐行解释自然很慢，每一行必须在执行时转换成机器代码，需要花费许多时间不能做到实时性。BASIC为简化使用变量，
23、所有变量都用浮点值。BASIC是用于要求编程简单而对编程效率和运行速度要求不高的场合。PL/M是Intel从8080微处理器开始为其系列产品开发的编程语言。它很像PASCAL，是一种结构化语言，但它使用关键词去定义结构。PL/M编译器好像汇编器一样可产生紧凑代码。PL/M总的来说是“高级汇编语言”，可详细控制着代码的生成。但对51系列，PL/M不支持复杂的算术运算、浮点变量而无丰富的库函数支持。学习PL/M无异于学习一种新语言。C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代码。C语言结构是以括号 而不是子和特殊符号的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言
24、。与汇编相比，有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对51的内存结构有初步了解寄存器分配、不同内存的寻址及数据类型等细节可由 编译器管理程序有规范的结构，可分为不同的函数。这种方式可使程序结构化将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能将已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术 C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本 身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据单片机不同较快地移植过来。51的汇编语言非常像其它汇编语言。指令系统比第一代微
25、处理器要强一些。51的不同存储区域使得其复杂一些。尽管懂得汇编语言不是你的目的，看懂一些可帮助你了解影响任何语言效率的51特殊规定。例如，懂得汇编语言指令就可以使用在片内RAM作变量的优势，因为片外变量需要几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时只有具备汇编编程经验才能避免生成庞大的、效率低的程序，这需要考虑简单的算术运算或先算好的查表法。最好的单片机编程者应是由汇编转用C而不是原来用过标准C语言的人。由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。3.1.3 系统选择本系统以MCS-51单片机成员中
26、的AT89C51为控制核心。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序内存，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序内存既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，它灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容（2）4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速内存（3）1000次擦写周期（4）4.
27、0-5.5V的工作电压范围（5）全静态工作模式：0Hz33MHz（6）三级程序加密锁（7）2568字体内部RAM（8）32个可编程I/O口线（9）3个16位定时/计数器（10）5个中断源（11）全双工串行UART通道（12）低功耗空闲和掉电模式（13）中断可从空闲模唤醒系统（14）看门狗（WDT）及双数据指针（15）掉电标识和快速编程特性（16）灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）其内部结构结构如图3.1所示：图3.1 单片机内部结构图3.1.4 AT89C51引脚功能介绍(1)电源引脚Vcc和GND Vcc：电源电压，GND(10脚)：接地端。(2)时钟电路引脚XTALl和XTAL2XT
28、AL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。在内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。要检查单片机的振荡电路是否正确工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。XTAL 1(19脚)：接外部晶体的微调电容的另一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲如图3.2，3.3所示。图3.2 AT89S51单片机晶振接法 图3.3 外部时钟电路 (3)控制信号引脚RSTRES(8脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，可以完成复位操作。(4)I/O(输入/输
29、出) P0、 P1、 P2和 P3标准51单片机，如8051、8031、AT89C51、AT89S51、P89C51等有4个I/O(输入/输出)口，分别为：P0口(3932脚)：P0口是一个漏极开路的8位双向埠。作为漏极八路的输出端口，每次能驱动8个Ls型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，其先向锁存器(地址80H)写入全1，此时P0口的全部引脚悬空，叫作为高阻抗输入。P1口(18脚)：P1口是一个带上拉电阻的8位准双向I/O端口每一位能驱动(吸收成输出电流)4个LS型TTL负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器(地址90H)写入全1,上拉电阻接成高电平。P2口(2128脚)：P
30、2口是一个带内部上接电阻的8位准双向埠。P2口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。P3口(2128脚)：P3口是一个带内部上接电阻的8位准双向埠。P3口的每一位能驱动(吸收或输出电流)4个LS型TTL负载。P3口与其它的I/O埠有很大区别，它除作为般准双向I/O口外，每个引脚还具有专门的功能，见表3-1。表3-1 端口引脚功能P1口也是一个准双向口，作通用I/O口使用。其电路结构见图3.4。图3.4 P1口作通用I/O口使用输出驱动部分内部有上拉负载电阻与电源相连。实质上拉电阻是两个场效应管(FET)并在一起，个FET为负载管，其电阻固定；另一个FET可工作在导通或截止两种状态，使其总电阻值变
31、化近为0或阻值很大两种情况。当阻值近似为0时，可将引脚快速上拉至全高电平，当阻值很大时，P1口为高阻输入状态。当P1口输出高电平时，能向外提供拉电流负载，所以不必再接上拉电阻。在埠用作输入时，也必须先向对应的锁存器写入“1”，使FET截止。由于片内负载电阻较大，约20k40k，所以不会对输入的数据产生影响。3.2 温度传感器DS18B203.2.1 温度传感器分类(l)热敏电阻热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。以温度变化导致阻值的变化为工作原理的热敏电
32、阻，因其具有成本低、体积小、简单、可靠、响应速度快、容易使用等特点，在多项温度测量应用中受到广泛欢迎，同样也是国内仓库检测系统中采用最多的温度传感器。热敏电阻的电阻温度系数较高，室温电阻通常也较高，因此其自身发热较小，信号调节较为简单。热敏电阻的缺点是互换性差，温度与输出阻值之间旱非线性关系。正温热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。但在温度测量应用中，正温度系数热敏电阻较少得到采用，更多采用的是负温度系数热敏电阻。以下提及的热敏电阻均指负温度系数热敏电阻。采用热敏电阻作为温度传感器的测温电缆是仓库检测系统的重要
33、组成部分，它是将多个热敏电阻置入一根测温电缆之中，电缆内加细钢丝绳提高抗拉强度、外加绝缘护套密封防腐。采用热敏电阻作为温度传感器的仓库情况检测系统的温度检测范围一般在-40+50之间，检测精度为士1，完全满足仓库温度检测的需要。根据其系统结构的特点，一般在单根测温电缆上置入34个热敏电阻，特别适合房式仓储环境。 热敏电阻： (2)数字式温度传感器数字式温度传感器的种类也不少，但用于仓库检测系统的温度传感器主要是美国Dallas公司生产的DS18B2O系列温度传感器，其温度检测范围为-55+l25，检测精度为。DS18B20采用l-wire接口，封装形式有PR-35和8-PIN SOIC两种，仓
34、库检测系统中采用的是PR-35封装。DSl8B20采用9个位表示测温点的温度值，每个DSl8B20内部都设置有一个单一的序列号，因此可以使多个DS18B20共存于同一根数据传输线上。DS18B20内部分为4个部分：1)64位序列号；2)保存临时数据的8字节片内RAM；3)保存永久数据的2字节EEPROM；4）温度传感器。采用数字式温度传感器的仓库检测系统的结构与采用热敏电阻仓库检测系统的结构人致相同，只是用检测单元替代了智能分机、扩充接线器替代了温度分线器。检测单元与智能分机的区别在于没有用于将温度信号数字化的A/D转换电路，取而代之的是1-Wire总线与上层通信总线之间的通信转换电路，如果系
35、统选用了数字式湿度传感器则检测单元将完全由数字电路组成，而智能分机是由数字电路和模拟电路两部分构成的，这将使检测单元的电路设计更为容易。采用DSl8B20温度传感器的仓库检测系统的测温电缆与热敏电阻测温电缆大不相同，该测温电缆最多只需3根导线即可连接多个DSl8B20温度传感器。最为简洁的结构是利用DS18B20可以通过数据线供电的特点，在测温电缆中只放置两根平行的细钢丝绳即可连接多个DS18B20温度传感器，这样不仅使测温电缆的制造简便、成本下降，而且提高了测温电缆的抗拉强度、便于温度传感器的更换。正是这些特点使得采用DS18B20温度传感器的仓库检测系统更适用于高大粮仓(诸如浅圆仓、立筒仓
36、)的应用环境，可以解决高大仓库在不需重新安装测温电缆的情况下更换测温电缆内部的温度传感器以及改变温度传感器相对位置。3.2.2 DS18B20简介集成式数字温度传感器DS1820的出现开辟了温度传感器技术的新领域，它利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量。图3.5 DS18B20的管脚排列图DS18B20是美国DALLAS公司最新推出的一种可组网数字式温度传感器，与DS1820相同，DS18B20也能够直接读取被测物体的温度值它在电压、特性及封装方面都更具有优势，给了用户更多的选择，让用户可以更方便的构建适合自己的测温系统。DS18B20充分利用了单总线的独特特点，可以轻松的组建传感器网
37、络，提供系统的抗干扰性，使系统设计更灵活、方便、而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。与DS1820相比，DS18B20的功能更强大些。它体积小，电压使用范围宽（3V-5V），用户还可以通过编程实现9-12位的温度读数，即具有可调的温度分辨率，因此它的实用性和可靠性比同类产品更高。另外，DS18B20有多种封装可选，如TO-92、SOIC及CSP封装。图3.5即为DS18B20的管脚排列图。由图3.5可见，DS18B20只是一个数据输入/输出口，属于单总线专用芯片之一。DS18B20工作时被测温度值直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力。其内部采用在板温度测量专用技术，
38、测量范围为-55+125，在-10+85时，精度为。每个DS18B20在出厂时已具有唯一的64位序列号，因此一条总线上可以同时挂接多个DS18B20，而不会出现混乱现象。另外用户还可自设定非易失性温度报警上下限值TH和TL（掉电后依然保存）。DS18B20在完成温度变换后，所测温度值将自动与存储在TH和TL内的触发值相比较，如果测温结果高与TH或低于TL，DS18B20内部的告警标志就会被置位，表示温值超出了测量范围，同时还有报警搜索命令识别出温度超限DS18B20。图3.6为DS18B20的内部存储结构图，它包括一个暂存RAM和一个非易失性可擦除。图3.6 DS18B20内部存储结构图其中暂
39、存存储器作用是在单线通信时确保数据的完整性，它包括8个字节，头两个字节表示测得的温度读数，数据格式如下：S=1时表示温度为负，S=0时表示温度为正，其余低于以二进制补码形式表示，最低位为1时表示0.0625。温度/数字对应关系如上表所示。DS18B20内部暂存存储器的第5个字节是结构寄存器，它主要用于确定温度值的数字转换分辨率。字节结构如下：其中、用于设置分辨率。3.2.3 DS18B20的硬件连接DS18B20与单片机的接口极其简单，只需将DS18B20的信号线与单片机的一位双向端口相连即可。如图3.7（a）所示。此时应注意将VDD、DQ、GND三线焊接牢固。另外也可用两个端口，即接收口与发
40、送口分开，这样读写操作就分开了，不会出现信号竞争的问题。如图3.7（b）所示。此图是采用寄生电源方式，将DS18B20的VDD和GND接在一起。如若VDD脱开未接好，传感器将只送+85.0的温度值。一般测温电缆线采用屏蔽4芯双绞线，其中一对接地线与信号线，另一对接VDD和地线，屏蔽层在源端单点接地。图3.7 DS18B20与单片机的接口4 温度监控的系统设计4.1硬件设计基于单片机的仓库温度监控系统主要有以下几部分：温度检测数据采集部分，LED数码管显示电路、报警及控制输出部分、单片机及按键电路设计等几个部分，下面分别加以介绍4.1.1 温度检测部分温度传感器有很多种，如热敏电阻，热电偶，PN
41、结，半导体温度传感器等。这里选用单总线数字输出的集成半导体温度传感器DS18B20，其特点：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；测温范围55125，固有测温分辨率0.5；支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温；工作电源:35V/DC。温度检测数据采集电路如图4.1所示，由温度传感器DS18B20采集被控对象的实时温度，提供给AT89C51的I/O口作为数据输入。在本次设计中我们所控的对象为仓库的温度。图4.1 温度传感器电路4.1.2 LED数码管显示电路显示器分为数码管和液晶显示，我所采
42、用是的数码管显示，其外形和引脚如下图所示：图4.2 数码管外形和引脚图 LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳机极数码管；相反的，就叫共阴的（如下图所示）那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。图4.3 共阴极和共阳极数码管内部电路 基于单片机的仓库监控系统采用7段LED数码管显示，这里采用6个数码管显示温度，两位显示设定的最高温度、两位显示设定的最低温度、两位显示仓内的当前温度。 6位共阳极数码管采用扫描形式工作，其8个数据为接在单片机灌电流驱动能力最大的PO
43、口，AT89C51单片机的P0口的每一个I/O都能能吸收8个TTL逻辑器件的输入漏电流，算下来能驱动约10mA。能驱动数码管的8个数据阴极。6位共阳极数码的6个阳极采用6个PNP三极管9012驱动。用单片机P2.0-P2.5 6个I/O口控制。LED数码管显示电路如图4.4所示。图4.4 数码管显示电路4.1.3 报警及控制输出部分当仓内温度超过最高温度时，启动通风机并报警；当仓内温度低于最低温度时，发出报警。这就需要报警电路及输出模块。声音报警电路通过驱动蜂鸣器发声实现，当其接通5V的电压会发出蜂鸣叫声。原理图如图4.5，NPN型三极管8050驱动蜂鸣器，当单片机I/O口输出高电平时蜂鸣器发
44、声此外，控制加热棒的控制信号同样由单片机输出，经过三极管Q3驱动继电器J1， J1 具有两对常开和常闭接点，利用其常开接点串到加热棒的控制回路中，可以实现加热棒的控制。电路中二极管D1为续流二极管， 继电器线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的三极管Q3产生反向电压。当反向电压高于Q3 的反向击穿电压时，会把三极管成损坏。续流二极管并联在线圈两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。从而保护了电路中的三极管的安全。图4.5 声音报警电路4.1.4 单片机最小系统单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是
45、指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统包括：单片机、晶振电路、复位电路。前面已经提到单片机选用AT89C51。单片机及外围电路如图4.6所示。图4.6 单片机最小系统(1)时钟电路 AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图4.7（a）所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择
46、，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图4.7（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。图4.7（a）内部方式时钟电路 图4.7（b）外部方式时钟电路片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。(2)复位及复位电路 复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表4-1所示。表4-1 一些寄存器的复位状态复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图4.8所示。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需
