基于51单片机多点温度检测系统.doc
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1、多点温度检测系统设计 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。本文结合实际使用经验,介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机下的硬件连接及软件编程,并给出了软件流程图。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AT89C51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
2、机Abstract As a kind of high-accuracy digital net temperature sensor,DS18 B20 can be used building a sensor net easily. It can also make the net simple and reliable with its special 1-wire interface .This paper introduces the application of DS18B20 with single chip processor.Thesystem is constituted
3、by two parts the temperature measured part and displayed part. The temperature measured part has a RS232 interface. It used AT89C51 of ATMEL company and DS18B20 of DALLAS company .The displayed part uses PC .This system is applied in such domains as warehouse detecting temperature;air-conditioner co
4、ntrolling system in building and supervisory productive process etc.Key words:temperature measure;single bus;digital thermometer;single chip processor;目录摘 要1ABSTRACT2第一章 绪 论41.1系统背景41.2 系统概述4第二章 方案论证52.1 传感器部分52.2主控制部分62.3 系统方案6第三章 硬件电路设计83.1单片机STC89C51介绍83.2 电源以及看门狗电路93.3温度采集电路113.4 键盘以及显示电路153.5 串
5、口通讯电路183.6 整体电路19第三章 软件设计204.1 概述204.2 主程序方案204.3 各模块子程序设计21第四章 系统调试265.1 分步调试265.2 统一调试26总结27参考文献28附录一:电路原理图29第一章 绪 论1.1系统背景在工、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。1.2 系统概述
6、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
7、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。第二章 方案论证温度检测系统有着共同的特点: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
8、用范围广泛、使用数量庞大,也高居各类传感器之首。2.1 传感器部分方案一:采用热敏电阻,可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围,但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差,对于检测1摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现,也要用到复杂的算法,一定程度上也增加了软件实现的难度。方案二:在多点测温系统中,传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换,而为了获得较高的测温精度,就必
9、须采用措施解决由长线传输,多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片DS18B20测量温度,输出信号全数字化。便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,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。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输,由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可以带多个DS18B20,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建
10、传感器网络。采用温度芯片DS18B20测量温度,可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成,使总体电路更简洁,搭建电路和焊接电路时更快。而且,集成块的使用,有效地避免外界的干扰,提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片,也是顺应这一趋势。2.2主控制部分方案一:此方案采用PC机实现。它可在线编程,可在线仿真的功能,这让调试变得方便。且人机交互友好。但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。需要通过RS232电平转换兼容,硬件的合成在线调试,较为繁琐,很不简便。而且在一些环境比较恶劣的场合,PC机的体积大,携带安装不方便,性能不稳定,给工
11、程带来很多麻烦!方案二:此方案采用AT89C51八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小,硬件实现简单,安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作,还可以与PC机通信.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,实现远程控制。另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用,编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。2.3 系统方案综上所述,温度传感器以及主控部分都采用第二方案。系统采用针对传统温度测温系统测温点少,系统兼容性及扩展性较差的特点,运用分布
12、式通讯的思想。设计一种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用的是RS-232串行通讯的标准,通过下位机(单片机)进行现场的温度采集,温度数据既可以由下位机模块实时显示,也可以送回上位机进行数据处理,具有巡检速度快,扩展性好,成本低的特点。实际采用电路方案如图2-1: 图2-1第三章 硬件电路设计系统底层电路的功能主要包括:多点温度测试及其相关处理,实时显示温度信息,与上位机通讯传输温度数据。硬件设计主要包括以下几个模块:电源以及看门狗电路, 键盘以及显示电路,温度测试电路,串口通讯电路。下面对电路分模块进行说明3.1单片机STC89C51介绍STC89C51是一种低功耗、高性能C
13、MOS8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用宏晶公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。其内部主要由CPU、RAM、ROM、通用I/O及总线构成,内部结构图如3-1所示:8051时钟程序存储器数据存储器定时计数器并行I/O口串行通信口中断系统数据总线地址总线控制总线 图3-1CPU:由运算和控制逻辑组成,同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存
14、器;RAM:用以存放可以读写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据;ROM:用以存放程序、一些原始数据和表格;STC89C51具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,STC89C51 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结。单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。(1) 振荡
15、周期: 也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 (2) 状态周期: 每个状态周期为时钟周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。(3) 机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期S1S6, 也就是 12 个时钟周期。在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。 (4) 指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。STC89C51 系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。3.2 电源以及看门狗电路a电源电路因为单片机工作电源为+5V,且底层电路功耗很小。采用7805三端稳压片即可满足要求。具体电路图
16、如图3-2: 图3-2b看门狗电路考虑到底层电路板的工作环境相对恶劣,单片机会受到周围环境的干扰,而出现程序跑飞,死机等一些不可预知的不正常工作现象。工作人员也不可能到现场对单片机重起,本设计为单片机电路添加一个外部看门狗电路。定时查询单片机的工作状态,一但发现异常即对单片机延时重起。保证系统安全可靠的运行。NE56604能为多种微处理器和逻辑系统提供复位信号,其门限电平为4.2V 。在电源突然掉电或电源电压下降到低于门限电平时。NE56604将产生精确的复位信号。NE56604内置一个看门狗定时器,用于监控微处理器,以确保微处理器的正常运行。看门狗能产生一个系统复位信号用来终止任何由于微处理
17、器故障而引发的不正常的系统操作。NE56604的看门狗的监控周期为100mS(典型值)。特性.正负双逻辑输出的有效复位信号。.精准的门限电平监测。.上电复位内部延时。.可利用外部电阻调节的内部看门狗定时器。.看门狗定时器的监控周期为100mS 典型值。.VCC=0.8VDC时产生有效的复位信号典型值。.仅需很少的外围元件。具体电路图如图3-3: 图3-33.3温度采集电路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TO92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
18、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 -55C+125C,在-10+85C范围内,精度为0.5C。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3-4所示。图3-4DS18B20有4个主要的数据部件: 64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
19、码(28H)组成。 温度灵敏元件。 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。 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3-5所示。TMR1R011111MSB DS18B20配置寄存器结构图LSB 图3-5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3-1 :R0R
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