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1、以51单片机为核心,DS18B20为温度传感器的仓库温度多点检测器硬件系统设计仓库温度多点检测器 仓库多点温度监控系统设计 硬件系统设计 中文摘要：随着当今社会的不断进步和工业技术的迅速发展，人们越来越重视温度因素，许多产品对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形势下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。 本系统是通过AT89C51单片机来实现对粮仓的多个点温度进行温度的测量和控制。在设计中51单片机相当于是整个系
2、统的心脏，DS18B20温度传感器将采集的温度模拟信号直接转换成9位的数字信号，再传送给单片机。单片机对接受的信号进行相应的分析并做出一定的应对响应，从而达到温度的检测与控制。通过以上的分析，我们知道在本系统中大概包括以下几部分：温度检测模块、显示模块、温度调节模块、超温报警模块以及保证单片机正常工作的时钟电路及复位电路。 关键词：温度；AT89C51单片机；报警；复位 第 1 页 仓库温度多点检测器 Abstract：With the rapid development of society and industrial technology, people pay more and mor
3、e attention to the temperature factor, many products are strictly required with the temperature ranging and temperature measuring instrument.The currently prevailing in the market are mostly single-point measurement, at the same time, there is not enough accurate temperature information transfer whi
4、ch is not conducive to industrial control according to the temperature changes in a timely decision. In this situation, in addition to the development of a multi-point measurement, and real-time, the measurement system can control the temperature information is necessary. This system achieves the me
5、asurement of multiple point temperature of the granary through the AT89C51 singlechip. In the design of the 51 single chip microcomputer is equal to the heart of the whole system, DS18B20 temperature sensor to collect temperature direct conversion of an analog signal to digital signal 9, and then tr
6、ansmitted to the single-chip computer. MCU analyzes the received signal and make certain coping response, so as to achieve the detection and control of temperature. Through the above analysis, we know that in this system probably includes the following parts: temperature detection module, temperatur
7、e display module, temperature control module, temperature alarm module and the assurance of clock circuit and reset circuit microcontroller work. Keywords：temperature; AT89C51 microcontroller; alarming; resetting 第 2 页 仓库温度多点检测器 目 录 中文摘要 . 1 Abstract： . 2 一、绪论 . 4 1、仓库温度检测技术的发展状况 . 4 2、研究的意义 . 5 3、本
8、课题的任务 . 6 1.基本功能 . 6 2.主要技术参数 . 6 4、方案论述 . 6 1.设计方案一： . 6 2.设计方案二： . 6 3.设计方案三： . 7 二、AT89C51单片机功能介绍 . 8 1、芯片简介 . 8 2、AT89C51各引脚介绍 . 9 三、方案元件的选择 . 11 1、温度传感器的比较与选择 . 11 2、显示器的比较与选择 . 13 3、继电器的选择 . 14 四、硬件电路设计 . 14 1、振荡电路的设计 . 14 2、上电手动复位电路的设计 . 15 3、温度检测电路设计 . 16 1.DS18B20产品的特点及引脚介绍 . 16 2.DS18B20的使
9、用方法 . 16 3.DS18B20内部结构及工作原理 . 17 4.设计原理 . 18 4、显示电路设计 . 18 5、温度控制电路及超温报警电路设计 . 19 6、整体硬件电路图 . 21 五、软件设计 . 21 1、软件开发工具的选择 . 21 2、软件实现分析 . 22 1.主程序流程图 . 22 2.温度检测电路流程图 . 24 3、程序代码 . 25 六、调试分析 . 25 总 结. 25 致谢及心得体会 . 26 参 考 文 献 . 27 附录一：系统硬件电路图 . 29 附录二：系统PCB板图 . 30 附录三：系统程序代码 . 31 第 3 页 仓库温度多点检测器 一、绪论
10、有一个因素在人们日常的生活、生产、甚至科研中都需要考虑，它与我们的生活息息相关，这就是温度。热胀冷缩反应的是温度，化学变化放热涉及的是温度，就连动植物的生长也存在一个最佳温度，所以在物理、化学、生物等学科都离不开对温度这一因素进行讨论。 温度对微生物的生长、繁殖都有很大的影响，大多数菌种生长繁殖的适宜温度是28-30，要保证粮食的安全，则要求粮仓的温度至少低于25。控温储粮是使粮食在储藏期间保持一定的温度水平，达到安全储藏的目的。目前通过控制粮食温度而达到粮食安全保存的方法已经成为了一种比较安全、方便且绿色的技术。由于该方法的实现也比较容易，许多地区都是采用的该方法。据了解，粮食的最佳储藏温度
11、与粮食所含水分有关，一般含水量是14%以上时则要求温度不能超过15度，若含水量为13.5%则要求温度不能超过25度，13以下的就问题不大了，一般温度都可以了。根据重庆的温湿度状况，粮仓的温度控制在5-20，此时粮食是安全的。 1、仓库温度检测技术的发展状况 在早期时候，主要是采用温度计测量温度的方法来监测粮食的情况。其具体做法是将一支温度计直接放进特制的插筒里面，工作人员根据自己总结的经验将多个这样制作好的温度计放于粮堆的多个测温点处，然后再定期将其拔出进行读数，根据粮食温度的高低再决定是否需要采取相应的措施或者是否需要倒掉粮。这样的方法对于储藏粮食虽然具有一定的作用，但因为温度计的精度相对比
12、较低再加之人工读数一般有一定的误差并且人工导致实时性不强等这些因素，致使这种方法检测温度不仅速度比较慢慢，精度低，抽样还不彻底，当某一部分的粮食温度过于高的时候往往不容易被及时的发现，从而导致粮库中因为局部粮食发生变质接着引起大面积的粮食发霉变质的情况。随着当今社会的科技不断进步，从 1978 年开始，由采样器、模数转换器、电报警器、阻式温度传感器等组成的粮食储藏监测系统，该系统可以对粮食仓库的各个测温点进行实时的循环检测，这不仅使得检测的精度大大提高，而且速度也加快了许多，从而大大降低了劳动的第 4 页 共 37 页 仓库温度多点检测器 强度，但由于电阻传感器的灵敏度低，检测精度不够、系统可
13、靠性还不够理想，这一方法仍未满足广大人民的需求。至 1990 年，粮情检测系统得到了极大的改善和提高。布线方式上采用的是矩阵式布线技术，这使得系统数据采集部分的线路得到了简化；传感器方面主要应用了热电偶、半导体等器件；线路传输方式上主要采用的是串行方式传输，这种方式可以减少所需要的传输线；在数据处理方面采用的是单板机，尽可能采用各种方法提高数据检测速度及传输速度，通过结合软件技术和硬件技术，可以在很大程度上提高可靠性和检测精度。尽管如此，由于传感器的线性度比较差，致使系统的检测精度仍然不理想，这使得该系统仍不能得到广泛的推广。近年来，人们越来越重视单片机功能的扩展以及单片机与计算机的结合应用，
14、这让粮食情况检测系统的准确性、稳定性也越来越高。 在中国，对于温度检测控制技术的研究起步得比较晚，大约从XX年才开始。近年来，我国引进了多达16个国家和地区的工厂环境控制系统，在总体上，正从借鉴、简单的应用、深化研究最后到综合性应用，这对推动工厂温度自动检测产生了积极的作用。 与此同时，我国温度检测控制系统的计算机应用大多是通过单片机控制且一般为一个参数一条回路，还没有真正的多个参数多条回路的综合控制系统。另外,在实际的生产过程中仍然存在许多的问题，例如无法实现共享软件和硬件资源、控制环境的技术水平比较落后、可靠性差等缺点。与发达国家相比较，还是存在一定的差距的。基于我国目前这样的状况，更需要
15、我国更多的人能在这方面做更多更深入的研究。 2、研究的意义 我国是一个农业大国，人口中很大一部分人常年从事耕作生活，再加之机械化的普及，我国成为了一个储粮大国，粮食的年产量以及储存量均居世界首位。粮食的储藏安全是国家粮食安全的重要组成部分。因此，只有重视粮食储藏，改善其条件，提高这方面的技术，才能使整个国家粮食的储藏处于一个安全的状态。在我国南方地区，雨水较多，平均温湿度较高，这就为粮食的储藏带来一些麻烦。再加上农户对粮食储藏知识比较缺乏并且农户用于粮食储藏的环境比较简陋，这些因素都会导致农户手中的许多粮食发生变质。像对于重庆这样的地区，常年温湿度相对于一般地区都偏高，粮食储藏的环境若不通过一
16、定的技术加以控制，必会造成部分粮食出现发霉、生虫甚至长芽。基于以上的分析，增强人民对粮食安第 5 页 共 37 页 仓库温度多点检测器 全储藏的观念，普及安全储粮知识，提高安全储粮的技术迫在眉睫，只有通过这些方法，才能真正让农民辛勤劳作所得的粮食实现其真正的价值。 3、本课题的任务 设计基于单片机的仓库温度多点检测器器，用于温度的显示、调节与监控。具体要求如下: 1.基本功能 检测温度； 显示温度； 超温调节； 过限报警； 2.主要技术参数 温度检测范围 ：-55+125 温度调节范围：+5+20 测量精度 ：正负0.5 显示方式 ：五位显示 4、方案论述 1.设计方案一： 采用分立元件，如电
17、容、电感等非线形元件，实现该功能。虽然该方案简单易懂，价格便宜，但是分散性大，测量误差也大，故在实际应用中并不常采用该方案。 2.设计方案二： 本方案采用AT89C51单片机为核心，通过温度传感器AD590采集温度信号，第 6 页 共 37 页 仓库温度多点检测器 经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，最终经单片机检测处理温度信号。如图所示，该方案技术虽然已经成熟，但AD转换电路设计较烦琐，而且使用AD590进行温度检测时必须对冷端进行补偿，以减小误差。 温 度 传 感 器 放 大 器 A/D转 换 器 单 片 机 温度显示 图1.1 方案二设计框图 3.设计方案三： 本系统是以AT89C5
18、1单片机为核心且基于数字温度传感器DS18B20的系统。DS18B20利用单总线的特点可以很容易的对多个点的的温度进行测量，从而轻松的构建出一个测温网络，并且，该温度传感器的工作电源既可从远端引入，也可通过寄生电源产生。另外，该系统的设计简单且设计灵活并且还具有抗干扰能力强、使用方便、能够在环境比较恶劣的情况下对温度进行现场的测量等优点。基于以上的优点，本系统常用在大型工业及民用的温度检测环境之中，例如粮食仓储系统、楼宇自动化系统。具体系统框图如下： 图1.2 方案三设计框图 综合比较方案一、方案二与方案三，方案三以DS18B20为传感器、AT89C51第 7 页 共 37 页 仓库温度多点检
19、测器 单片机为控制核心组成多点温度测试系统，该系统由温度检测电路、温度显示电路、温度调节电路等电路组成。相对于方案1，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。相对与方案2，硬件电路简单，易于操作，具有更高的性价比，更大的市场。所以我采用方案3完成本设计。 在本方案中，AT89C51单片机是本系统的核心，其他所有的操作都要受到它的控制。在本系统中该单片机就相当于人的大脑控制着整个系统。温度信号由芯片DS18B20采集，由于该芯片自带模数转换的功能，能直接将测量的温度模拟信号变换成9位的数字信号，该数字信号再通过连接于温度芯片与单片机之间的总线将数据传送给主机。单片机通过对接受的温度信号进行比
20、较而做出相应处理，从而实现温度控制的目的。上下限温度主要是通过DS18B20中提供的TH与TL位的设定来确定的，由于DS18B20的单总线结构，可以让五个DS18B20通过一根总线与单片机的一个I/O口相连。外围的大功率驱动电路主要是利用继电器的开关驱动功能来实现的。另外在显示电路的设计上，考虑实际应用中，便于工作人员的观察以及为了减少一定的的成本，使其更容易在市场上推广，本方案需要采用大尺寸LED数码管，这样可以让工作人员采集温度数据时变得更加方便简洁。将该方案运用于本课题的具体设计中，功能体现大致如下：能对五个不同检测点的温度进行实时监控。正常温度范围为5至20度，当温度超出正常温度时，通
21、过单片机驱动外围的降温或升温设备，同时，驱动声光报警器。另外，五个点的温度依次在五个LED数码管上进行显示。 二、AT89C51单片机功能介绍 1、芯片简介 89系列的单片机是由8031核构成的，所以它和51系列是兼容的。因此它可以很容易的取代和构造以8051为基础的系统。所以熟悉8051性能原理的用户对于ATMEL公司的89系列单片机的运用就可以变得得心应手了。 89系列单片机有许多优点，其中比较突出的如下： 1. 内部含Flash存储器 因为89系列单片机内部含有个存储器，可以使对该单片机的程序进行修改变得更简单更方便，并且也可以大大减短系统开发所以的时间。 第 8 页 共 37 页 仓库
22、温度多点检测器 2. 静态时钟方式 89系列采用的是静态时钟，这种方式最大的优点就是省电，在能耗这方面的确有优势，故在一些便携式产品研发过程中芯片的时钟方式常考虑此方式。 3. 错误编程不会产生废品 89系列单片机内部含有flash存储器，当编程出现错误时，编程者可以进行重新编写，并且这种重新编写可以一直到编写正确为止，故其不会产生废品。 4. 可反复多次进行系统试验 采用89系列设计的系统，可以反复进行系统的检验，而对于每一次的检验，工作者的编程都可以不一样，这样系统最后就能达到最佳情况。 2、AT89C51各引脚介绍 本设计中所用的单片机，其引脚分布如图所示，具体引脚功能定义如下： 图2.
23、1 AT89C51的引脚图 第 9 页 共 37 页 仓库温度多点检测器 Vcc：电源引脚，接+5V电源。 Vss：接地。 XTAL1，XTAL2：时钟引脚。两引脚间外接晶体与片内反相放大器构成一个振荡器，为单片机提供时钟控制信号。本设计根据需要外接6MHZ晶体。 RST/Vpd：RST是复位信号输入端，高电平有效。Vpd为备用电源输入端。 XTAL1，XTAL2：外部中断0的触发信号输入端，低电平或下跳沿有效；：外部中断1的触发信号输入端，低电平或下跳沿有效。 T1：定时器/计数器T1外部输入。 ：外部数据存储器和外部I/O口的写控制信号，输出，低电平有效。 ：外部数据存储器和外部I/O口的
24、读控制信号，输出，低电平有效。 ALE/：地址锁存允许信号输出端，ALE用于将地址总线的低8位锁存。该信号频率为振荡器频率的1/6，可作为外部定时或时钟使用。 /Vpp：内外程序存储器选择控制端，输入。当为低电平时，CPU对程序存储器的操作仅限于单片机外部程序存储器。当为高电平时，CPU对程序存储器的操作就会先从内部程序存储器开始，如果有需要再延伸到单片机的外部程序存储器。鉴于单片机于实际系统中的用处，本端口接的是高电平。 P0口为双向I/O口，它的结构与P2口相似，可作输入/输出口使用，也可作系统扩展的地址/数据总线口。本系统将P0口用于作为驱动8段LED的段选。 P1口是8位准双向I/O口
25、，可以驱动4个TTL负载，是真正的单纯的I/O口。 P2口是一个准双向I/O口，它有两种功能：一种是作为一般的输入输出口来用；另一种是作系统扩展的地址总线口来用，输出高8位的地址。本系统中用P2.0、P2.1、P2.2、P2.3和P2.4作为控制LED的位选择端。 P3口为多功能口，他既可以作为特殊功能端口使用也可作为一般输入输出口使用，它的每一位都可定义为第二功能口。而实际上，如果把复用输出功能控制端置1，则P3.x端可实现复用的输入功能。 第 10 页 共 37 页 仓库温度多点检测器 三、方案元件的选择 1、温度传感器的比较与选择 方案一：采用热电阻温度传感器 热电阻的工作原理不同于与热
26、电偶。对于热电偶，它是一种将温度变化量转换为电势变化的热电势传感器。对于热电阻，大多数是金属导体和半导体，它们是基于电阻的热效应来测量温度，即电阻的电阻率随温度的变化而变化最后反应到电流的变化中，通过测量电路中电流的变化就可知道温度情况。对于金属热电阻，其适应的温度范围更宽，大约在-200500范围内，其优点在于稳定性好、测量准确并且性能可靠，因为这些原因其广泛应用于程控制中。对于铂电阻，其阻值与温度之间的关系接近于线性，在085范围内可表示为即Rt=R01+At+Bt2 式中，Rt为温度t时的阻值；R0为温度t0时对应电阻值；A、B为常数。铂是贵金属，在测量精度要求不高、测量范围比较小的情况
27、下，可采用铜做热电阻材料，价格便宜，其电阻温度函数表达式为 Rt=R0(1+at),式中a=4.2510-34.2810-3/。大部分热电阻是由纯金属材料制作而成，此外，目前已开始采用锢、锰和碳等材料制造。锢电阻在4.215K温度域内，其测温灵敏度比铂电阻高十倍，是一种高准确度低温热电阻，缺点是材料很软，复制性差。锰电阻相对来说灵敏度更高，在216K的温度范围内其电阻率与温度的平方成正比，但锰的缺点在于很脆且难以控制成形。对于碳电阻，它具有对磁场不敏感且热容量小等特点适合作液氢温度域的温度计，缺点在于其热稳定性较差。 方案二：采用AD590温度传感器 AD590是由AD公司生产的一款电流输出型
28、的两端温度传感器，其工作原理是利用PN结的正向电流与温度具有一定关系这一特性。当测量的温度一定时，它的功能可被视为一个恒流源。该器件具有很多优点例如具有测量精度高、线性和互换性好且测温范围宽并且容易实现。AD590封装外形如图3.1所示,它采用金属壳3脚封装, 其中1脚为电源正端V+；2脚为电流输出端Io；3脚为管壳,一般不用。集成温度传感器的电路符号如图3.2所示 第 11 页 共 37 页 仓库温度多点检测器 图3.1 AD590 的外形电路 图3.2 集成温度传感器电路符号 采用 AD590，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。M档在测温范围内非线性误差为0.3。AD590 的
29、测量信号可远传百余米。但缺点在于其采集的信号需通过模数转换模块将信号转换成数字信号才能被单片机“识别”。故所需电路相对较复杂。 方案三：采用集成芯片DS18B20 DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，每一片芯片内部都有一个全球惟一的64 位编码，在多路测温时就是通过匹配这个编码(ID)来确定下一步对那一个温度传感器进行操作，故在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。该芯片具有三引脚TO-92小体积封装形式，测量范围从-55到+125，等效的华氏温标范围是-67F 到+257F，以9到12位数字值方式读出温度并且能够在750毫秒内把12位的温度变换为数字。另外，该器件的工作电
30、源既可从远端引入，也可通过寄生电源产生。由于DS18B20独特的单线接口特性，使得CPU只需一个I/O口就能和多个DS18B20进行通信，故可节省许多的逻辑电路和引线。从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于多点温度检测系统。 综合比较方案一、二、三，方案三更为满足本设计对该器件的性能要求。故最终本系统中采用温度芯片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0100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。 第 12 页 共 37 页 仓库温度多点检测器 图3.3 温度芯片DS18B20 2
31、、显示器的比较与选择 方案一：使用LCD液晶显示屏 LCD液晶显示屏显示的信息量大，但相对来说程序和电路都较复杂些。具体优缺点如下： LCD优点：体积小，画面清晰度高，使用方便灵活 LCD缺点：面积小，视角小，亮度低，观看距离小，寿命短 方案二：使用LED数码管 LED是Light Emitting Diode的英文缩写。LED应用可分为两大类：一是LED显示屏；二是LED单管应用，包括背光源LED，红外线LED等。LED数码管根据连接方法的不同可分为共阴极和阳两类，了解LED的特性，可以使编程更为简单，不同类型的数码管，不仅在其连接的硬件电路方面的一些差异，编程方法也有一定的差异。由于本系统
32、是用于粮食仓库中，为便于工作人员对温度数据的采集我们采用的是大尺寸LED数码管。 结合本系统具体的使用环境，所以我们选用数码管实现我们温度的显示。我最终选用的是3英寸的一位数码管其型号为XSM-S30011B (共阳 Share Anode)。该数码管能在低电压、小电流条件下驱动发光，段驱动电压约为8V，小数点驱动电压约为4V,其发光响应时间极短，高频特性好，单色性好，亮度高并且具有寿命长、显示效果良好、视度宽等优点。该数码管外形尺寸为65.00mm86.00mm12.00mm,其具体内部结构如下： 第 13 页 共 37 页 仓库温度多点检测器 图3.4 3英寸LED内部结构图 3、继电器的
33、选择 在本系统中涉及到驱动声光报警器以及驱动制冷器和制热器的电路，即需要利用单片机发出的信号来控制温度调节电路的工作状态。由于单片机I/O口的输出电压最大为5V，不能直接驱动这些电器进行工作，于是我们引入了继电器，它可以实现小电流控制大电流的功能。在声光报警器电路中，我采用的是电磁继电器，而在制冷制热电路中我采用的是固态继电器。固态继电器与电磁继电器相比它具有无触点无动作噪音，开关速度快无火花干扰和可靠性高等优点。在制冷制热电路中，其被控制回路接入的是220V交流电，为了保证其可靠性更高，于是我选择了固态继电器。 四、硬件电路设计 1、振荡电路的设计 本系统采用内部方式产生单片机所需的时钟信号
34、。图4.1中，由振荡器OSC和电容C1和C2构成了并联谐振回路作为定时元件，振荡源可选用晶体振荡器或陶瓷振荡器，频率为1.212MHz，电容C1、C2为530pF,起频率微调作用。在本电路系统中选用的是晶体振荡器，晶振频率为6MHz，C1和C2均为15pF。晶振的频率越高，则单片机的时钟频率越高，单片机运行速度越快。具体电路如第 14 页 共 37 页 仓库温度多点检测器 下： 图4.1振荡电路图例 2、上电手动复位电路的设计 我设计的复位电路，其实现的功能是既能实现上电复位，又能实现按键复位，故该电路更能满足系统实际应用要求。当按钮开关S1未按下时，电容被充电，当经过一定时间后，电容电压达到5V，当开关按下，
