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1、本科毕业设计（论文）智能型多路温度巡检仪设计（硬件部分）Design of intelligent multi-channeltemperature inspection instrument（hardware）学 院：专业 班级：电气工程及其自动化学生姓名： 学号：指导教师：2015年6月摘 要 IABSTRACT II目 录 III1绪论11.1课题背景11.2温度控制的发展概况11.3课题研究内容 22方案设计与硬件选择 32.1 系统整体方案设计32.2硬件总体结构 32.3系统硬件的选择32.4单片机概述及选择42.5温度传感 器的简介及选型 92.6 显示模块的对比选择 102.7
2、键盘的设计 143系统硬件设计及调试153.1 硬件设计方框图 153.2 STC90C516RD+ 最小系统及工作电路 153.3 温度信号采集模块的设计 163.4 液晶显示原理简介 213.5 按键设计 223.6报警控制模块 233.7 系统主程序流程图 233.8电路仿真实验 243.9四路温度巡检仪的适用 244系统的软件仿真与调试 254.1温度显示 254.2报警控制 264.3电路仿真设计 304.4仿真分析 335巡检系统的实物调试 35结 论 34致谢 36参考文献 35附录A系统总的仿真电路图 37附录B初始化完成图 38附录C仿真结果图 38附录D元器件清单 39毕业
3、设计（论文）中文摘要智能型多路温度巡检仪设计（硬件部分）摘 要：本设计系统采用多路数字式温度传感器 DS18B20和STC90C516RC+单 片机为核心构成多路温度巡检仪，对 4路温度信号进行实时在线智能巡回检测， 同时该系统具有告警温度限值设定、温度报警与数据显示等功能。该仪表的工作 原理主要是：四路DS18B20温度传感器从不同点测量实时温度，并将转换后的 数字量传送到单片机，由单片机对温度信号进行处理，并与系统设置好的警戒温 度值进行比较，同时送到液晶显示屏 LCD1602进行实时显示，当检测到的温度 高于或低于设置的温度上下限时，发出声光警报。本设计的软件部分，主要对硬件电路各部分的
4、程序进行模块化设计，从而通过与硬件系统的结合完成温度的实 时测量与控制。关键词：DS18B2； LCD1602 ;温度设定报警；智能温度巡检仪；单片机毕业设计（论文）外文摘要Design of intelligent multi-channel temperatureinspection instrument (hardware)toAbstract: The desig n of the system using multi-cha nnel digital temperature sen sor DS18B20 and STC90C516RC+ microco ntroller form
5、the core of the multi-cha nnel temperature inspection instrument, intelligent real-time on-line inspection tour of 4 road temperature signals, also the system has alarm temperature limit value setting, temperature alarm and data display and other functions. The working principle of the in strume nt
6、is mai nly: four DS18B20 temperature sen sor from the differe nt real-time temperature measureme nt, and conv erted the digital tran smissi on to the microc on troller, by the mon olithic in tegrated circuit to the temperature sig nal process ing, and system and set the alert temperature values are
7、compared, and sent the LCD LCD1602 display in real time, when the detected temperature is higher or lower tha n the set temperature of the upper and lower limits, the alarm sound and light. The software part of the design, the main hardware circuit parts of the program for the modular design, so as
8、to complete the temperature measurement and control through the comb in ati on of the hardware system.Keywords: DS18B2; LCD1602; temperature setting alarm; intelligent temperature patrol in strume nt;MCU1绪论1.1课题背景在当今工业化大生产日趋扩张的过程中，检测生产过程温度变化的智能温度 巡检仪也被赋予了发挥更大作用的潜力，在生产工业生产中起着不可替代的作用。 目前温度巡检仪的设计技术已基本成
9、熟，设计方案也各种各样，许多心的设计方 案也层出不穷，当然随着当今电子技术的不断进步，温度巡检仪的设计也只能是 越来越自动化、智能化，在生产中所发挥的作用也会更加的高效。随着社会的发 展和超大规模集成电路的出现，与其他独立的电子元件相比，单片机具有体积小， 价钱便宜，控制能力强等优点，在工业、消费品、军事、通讯等领域的应用越来 越广泛，利用单片机来设计的新产品实现不同程度的智能化将是历史发展的趋势， 各种各样的设备也将会随着单片机的发展而不断的推陈出新。在实际生产和生活等各个领域中，温度是环境因素不可或缺的一部分，对温 度进行及时精确的控制和检测显得尤为重要。温度是科学技术中最基本的物理量 之
10、一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。众所周知，温度信号的采集与控 制逐渐成为现代工业生产中的常见问题，在生产过程中常常需要对具体场合的温 度进行实时采集和实时监控。随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理 的自动化水平的要求越来越高，在很多场合，诸如电机、锅炉、饮料、食品、中 频热处理行业的水路温度保护，变电所各电节点的温度检测等，要求温度巡检仪 能自动巡检，以达到无人看守，温度自动巡检的目的。智能温度巡检仪首先要进行数据采集就是将一般的物理量通过传感器转换成 数字量供给CPU进行处理。具体的来说，就是通过特有的温度传感器采集某一处 的温度信号，将温度信号以数字量或者模拟量的形式传出，
11、本设计采用的是能够 传到数字量信息的 DS18B20传感器，在此传感器的基础上进行设计。诚然，现在 传感器技术的发展正在经受着微电子技术的深刻影响，从而进一步促使传感器技 术继续发展。有许多的国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超 小型、廉价的测量仪器的主体。1.2温度控制的发展概况1.2.1国内温度控制的发展概况在我国温度传感与温度控制技术发展情况来看，温度传感与温度控制技术大 致经历了三个发展阶段：手动控制，自动控制和智能化控制。生产者采用手动控 制方式，对生产环境温度作出直接、迅速、有效的控制。计算机自动控制的温度 控制技术实现了生产自动化，通过改变温室环境的设定目标值，可以
12、自动地对生 产环境温度进行调节。目前我国绝大部分工业生产都采用这种控制方式。特别是 随着计算机技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已经广泛应用于工业控 制领域，形成了智能化的测量控制仪器，从而引起了仪器仪表结构的根本性变革。智能控制仪表在引入单片机之后，已经降低了对某些硬件电路的要求，但是 测试电路仍然占有很重要的位置，尤其是直接获取被测信号的传感器部分仍应给 予充分的重视，有时提高整台仪器性能的关键仍然是在于测试电路尤其是传感器 的改进。现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。由许多的国 家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的 主体。在国内工业
13、电子技术的发展阶段，对相关信号的数据采集和巡回检测已经 成为十分实用的应用技术，并广泛应用于工农业中需要实时检测温度、湿度和压 力等信号的场合。在工业控制系统中，常常需要对相关信号或数据进行采集，这 些数据的获取与利用是整个工业控制系统的基础环节。而获取这些数据信号，通 常是通过一些相对独立的单片机系统来完成的。本篇论文从生产的实际需要出发， 采用了较低成本的DS18B20构成多路数据采集巡检系统。因此，这种数字式的智 能多路温度巡检装置的设计与应用更具有发展的优势。1.2.2国外温度控制的发展概况国外对温度传感与温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信
14、息并进行指示、记录和控制。在国外，上世纪八 十年代末开始出现分布式控制系统，该系统是由中央控制装置、终端控制设备和 相关的传感器等组成。通过计算机结合相关的程序确定生产环境温度的具体参数， 并将系统指令传递给终端控制系统；同时作为系统的终端的设备实时的发送监测 数据到中央控制装置，从而系统根据中央控制装置的指令通过计算机处理做出反 应，并将最终的输出控制信号，作用到执行终端来保证处理信号的有效执行，从 而实现生产环境中温度的监测与调节。目前，国外正开发和研制计算机数据采集 控制系统的多因子综合控制系统。现在智能的温度巡检仪的设计，我国比起国外国家，仍处于起步较晚，技术 层面高度较低，综合的创新
15、能力不足等状况。就单片机的发展现况而言，以欧美 和日韩的技术最为成熟，他们几乎霸占了整个智能控制的市场，并制定了相关的 行业标准，通过不断的技术方面的推陈出新，使得其相应的产品能够不断的更新 换代，从而使之功能、精度、安全性等都得到不断的提升。然而在这方面我们做 的还有差距，需要努力提升的方面还是有很多。所以我们在研究新技术的同时还 要加强相关产业结构的规划与调整，在产品的科技含量上做功课，并不断地提升 本国产品的科技附加值，使产品向着更加智能化的方向发展，努力缩小同发达国 家之间的差距。1.3课题研究内容本设计所介绍的温度循环采集与控制技术相比传统的温度采集，可以更加方 便的显示温度的读数，
16、同时由于 DS18B20专感器可以监测-55+125C的温度范围, 所以本设计内容兼具了测量范围的广泛性，测量温度的准确性，由于传感器内集 成了数模转换的电路，所以可以实现直接数字显示具体温度的要求。该项设计的 目的是对实际工业生产过程中的温度获取并由检测系统进行数据监测以及单片机 系统同步对温度数据进行处理，以及显示对应的温度数据，同时学习单片机相关 温度信号的获取与相关的控制技术。本次设计主要解决以下内容：1对4处不同的测试点巡回检测其温度，进行集中管理，集中控制。2在测量范围内可以正常显示。3采用单片机为中心的处理方式，可以对温度信号监测和告警。4. 实时温度不位于警戒温度范围时，扬声器
17、和LED灯告警。5 系统有较强的抗干扰性能。6.有较高的分辨率，极好的可维护2方案设计与硬件选择2.1系统整体方案设计本设计采用4路输入，由4个不同序列号的温度传感器组成采集电路，可采 集测量温度的范围是-55+125C,同时采用3个设置操作按钮，可以分别设置不同 传感器的高低温上下限值，并通过lcd1602巡检显示。对每个通道，传感器参数与工程参数都可以通过键盘设定。通常情况下，仪表自动显示多路数据，也可通 过键盘固定显示任一路数据。2.2硬件总体结构硬件部分是对系统进行设计的首要部分，硬件系统结构优化程度将关系到整个温度监测与控制方面的应用表现。本次设计围绕STC90C516R单片机进行设
18、计。 整个硬件系统分为以下几个部分：DS18B20专感器采集并处理输出部分，键盘扫描 及液晶显示部分，单片机接口设计部分以及温度实时监控部分。 单片机系统报警控 制 模 块键盘LCD显示图3.1系统方框图本节将详细的说明在四路温度巡检仪中所涉及到的各电路模块的设计思路及 方法。本设计的思路是以单片机和温度采集以及显示模块为核心，围绕这个核心, 增加必要的外围电路来辅助和完善本次设计，是系统能够正常工作，实现所期望 的各种功能。3.2 STC90C516RD+最小系统及工作电路STC89C516RD+片机正常工作，需要搭建基本工作电路，如图3.2所示。1. 晶振电路本设计所采用的是内部时钟方式。
19、单片机的 XTAL1和 XTAL2引脚通过外部接 入晶振的方式，可在单片机内部产生系统正常工作必须的时钟信号脉冲。C8和C9可以稳定振荡频率，并使快速起振。本电路选用晶振12MHz C8=C9=22pF2. 复位电路为使单片机初始化时固定的处于某种既定的状态，这就充分验证了该电路的 有效作用。从而使其从复位开始工作。实现复位操作的方式有上电复位和按键复 位。本设计采用了两者结合的复位操作电路方式。如果单片机RST/VPE引脚接口得到高的电平信号，那么 22卩F的复位动作电 容C3开始进行充电动作，此时RST引脚电平将被拉低。若该电平可以保持适当的 周期，便起到到复位作用。本设计选择C3=22卩
20、F,R7=1 7作为复位电路的参数。5QIPl )TPl.t.l3 S 5 4 3 T* I1015P ? jRXDP3.t TXD paimroP J2 txtTP3 4T0P3:i P强亶P3RDXTAL2XT.ULGKD图3.2 STC89C52最小系统图3.3温度信号采集模块的设计本设计温度信号获取模块采用了数字式温度传感器DS18B20对现场温度信号进行收集获取并处理，选择该传感器的具体原因见2.5节中相关说明。3.3.1数字温度传感器 DS18B20DS18B20勺应用范围：1该传感器适用于冷冻仓，储罐等温度采集和相关的控制领域。2. 轴瓦、缸体、纺机、空调等狭小空间工业设备测温和
21、控制。3. 汽车空调、冰箱、冷柜以及中低温干燥箱等。接线说明：DS18B2C接线特点，采用了独特的单线总线，它用一根线实现信号的双向传输， 具有接口简单、容易扩展等优点，并且可以同时挂接多个从机，适用于单主机多 从基工程的系统。可编程的温度转换分辨率，可根据需要在912bit只见选取。12位数字（测温分辨率达0.0625 C）可以在750ms内把模拟量的温度数据转换为数字量的值。 由于每一个DS18B20有自己的一个唯一对应的序列号，故而多个DS18B20即使同时在于一条单总线上交换温度数据，也不会对温度信号造成误读或干扰。这使得 DS18B20可应用于更多领域成为可能。DS18B2C是美国D
22、ALLAS司生产的新型单总线数字温度传感器。通常DS18B20 传感器采用3脚封装，当然也有的采用8脚的形式，从图3-3中看到，DS18B2C读 写数据都是在单一的总线上进行的，其与微控制器的通信方式是以串行通信的方 式进行的。PR酣封装VccNCNCNG图3-3 DS18B20管脚图DS18B20温度传感器将各种器件不同部分封装在同一半导体器件中，它包括温 敏部分、A/D转换部分、存储器部分等，从而使得 DS18B2最终的输出数据以数字 值的形式传出温度信号。其信号传输的单总线结构通常采用两芯(或三芯)电缆的形式。一条单总线电缆上可以挂接若干个数字温度传感器，每个传感器有一个唯 一的地址编码
23、。微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某一个传感器的温度值， 从而简化了信号采集系统的电路结构。采集端口的连接线减少了50倍，既节省了造价，又给现场施工带来极大的方便。3.3.2 DS18B20封装结构和功能特点DS18B2C是实现单总线测控网络的关键器件，它的内部结构如图3-4所示。高速n低樹暖器TL1高蟲蝮赛IH配置寄存器存储器和曲燃网位Ml和接口图3-4 DS18B20内部结构框图RAM中EERO用于存储TH TL和配置寄存器的值。数据先写人 RAM经校验 后再传给E2ROM通过DS18B20功能命令对RAM进行操作。当主机传入温度转换命令(44H)时，即开启温度转换。主机通过读暂存器功
24、能 命令(BEH)，将温度值读出。通过写暂存器功能命令，改变分辨率的设置。3.3.3 DS18B20的存储特性DS18B2内部存储器的内部封装结构，如表3.2所示 表3-1存储特性表字节ROMRAM其他0产品代号(28H)温度低8位148位温度咼8位E2ROM2器件序号THTH3TLTL4配置寄存器配置寄存器56保留7CRC保留8CRCRAM中包含9个字节的高速暂存器和非易失性电擦写 E2ROM RAM中EERO用 于存储TH TL和配置寄存器的值。数据先写人 RAM经校验后再传给E2ROM通 过DS18B20功能命令对RAM进行操作。表3-2 温度存储格式与配置寄存器控制字格本设计实物的pr
25、otel电路原理图中温度传感模块连接部分如图3-5所示。 Bit?Hir6BidBit4BiiJ曲说HidHitO字节D2a2l212J2*字节1SSSsS2*2*字节40RlKO111l13.3.4温度传感模块连接图V5+HO 二 口 NDrlRi24,7kC1C1A=iEiTPR124.7k11271CBR14.mU4U5U7DS18B20DS18B20DS18B20DS18B2O图3-5温度传感模块连接图3.4液晶显示简介LCD1602管脚说明：第1脚：VSS为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：VEE为液晶对比度调整端。第4脚：RS为寄存器选择。第5脚：RM读写信号线。第6脚：E
26、 （或EN端为液晶的使能信号端口。第714脚：双向数据端。此处为P0 口输出，因为P0 口的电压过于微弱, 所以添加上拉电阻使其能够驱动 LCD液晶显示屏。温度显示模块的电路图如图3.6所示：LCD1LN016L 图3.61602液晶屏显示部分3.5按键设计本设计共采用三个按键对系统报警上下限等数据进行预设。当系统启动时（或复位时）能进入温度上下限设定界面，温度设定完毕并确定后进入温度显示界面， 如下图3.7所示。P0.3/AD3P0.4/AD1R0 5/AD5P0.6/AD6Pfl 7/AD7P2.&ABP2.1/A9P2.2A1D IP2 3/A11 P2.4VA12 P2&A13 P2 &(A14 P2.MM5P3.WRXDP31/TXDP32.INW palNTTP3 4J0P3 5THP3.6P3.7/RD45178-0111-2
