2022年温度监控系统设计实验报告 .pdf

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1、温度监控系统设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 8 页引言：温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。 利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生

2、， 并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域较广泛。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。为了提高对传感器的认识和了解， 尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途， 基于实用、 广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统。文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。本设计应用性比较强， 设计系统可以作为生物培养液温度监控

3、系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统， 以及构成智能电饭煲等等。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。本设计系统包括温度采集模块， 单片机最小系统， 显示模块，按键控制模块，报警模块和指示模块六个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。方案设计：总体设计方案采用AT89C52单片机作控制器， 温度传感器选用DS18B20 来设计数字温度计，系统由6 个模块组成：主控制器、测温电路、显示电路、报警电路、控制电路及指示电路。主控制器

4、由单片机AT89C52 实现，测温电路由温度传感器DS18B20实现，显示电路由4 位 LED 数码管直读显示 ,，报警系统由蜂鸣器和发光二级管构成，控制电路由按键构成， 指示电路由发光二极管组成。 本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便， 测温范围广，测温准确其输出温度采用数字显示， 主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用， 并且加有报警装置， 超过温度可发出警示， 还可以调整报警温度。该设计控制器使用单片机AT89C52，测温传感器使用DS18B20，用 4 位共阳极 LED 数码管以 I/O 传送数据 ,实现温度显示 ,能准确达到以上要求。实验目的和要求：1.学

5、习 DS18B20温度传感芯片的结构和工作原理。2.掌握 LED 数码管显示的原理及编程方法。3.掌握矩阵式键盘的原理及使用方法。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 8 页4.掌握 51 系列单片机数据采集及处理的方法。实验原理：用温度传感器芯片。温度传感器芯片能把温度信号转换成数字信号，直接发送给单片机，转换后通过显示电路既可以显示。基本芯片及其原理：单片机微型计算机简称单片机，是指在一块芯片体上集成了中央处理器CPU、随机存储器 RAM 、程序存储器ROM 或 EPROM、定时器 / 计数器、中断控制器以及串行和并行I/

6、O 接口等部件，构成一个完整的微型计算机。目前，新型单片机内还有A/D 及 D/A 转换器、高速输入 / 输出部件、DMA 通道、浮点运算等特殊功能部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制设计要求设计的， 特别适用于工业控制及其数据处理场合，因此，确切的称谓是微控制器，单片机只是习惯称呼。（1）单片机的特点1)有优异的性能价值比。2)集成度高、 体积小、有很高的可靠性。 单片机把各个功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构， 减少了各芯片之间的连线， 大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取措施，适合于恶劣环境下工作；也易于产品化。3)控制功能强。 为了

7、满足工业控制的要求， 一般单片机的指令系统中均有及其丰富的转移指令、 I/O 口逻辑操作及位处理指令。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度高于同意档次的微机。4)单片机的系统扩展和系统配置都比较典型、规范，而且非常容易构成各种规模的应用系统。（2）单片机并行 I/O 接口的扩展单片机与外部交换信息是通过I/O 接口电路来实现的。 AT89C51 单片机本身有 4 个 8 位的并行 I/O 口 P0-P3，但实际使用时往往再增加些I/O 口，以便与外部设备交换数据。 AT 89C51单片机外部 RAM 和扩展 I/O 接口是统一编址的。用户可以把外部 64KB RAM 空间的一部分作为扩展I

8、/O 接口地址空间， 每一个 I/O接口相当于一个 RAM 存储单元，访问外部 RAM 存储单元就像访问外部I/O 接口，即用“ MOVX ”指令对扩展 I/O 接口进行输入输出操作。查询式键盘属于独立式键盘， 键盘的各个按键之间彼此是独立的且是最简单的键盘电路。每个键地接入一根数据输入线。如图所示。注意：由于每一个按键均需要一根 I/O 口线 ，当键盘按键数量比较多时，需要的I/O 口线也较多，因此独立式键盘只适合于按键较少的应用场合。一般情况下，按键数等于占用I/O端口数。查询式键盘的结构图如图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -

9、第 3 页，共 8 页S1SW-PBS2SW-PBR11 kR21 kVCC图查询式键盘的接口电路查询式键盘可以工作在多种方式下，中断方式、 程序查询方式、 定时查询发送和中断查询方式。在中断模式下，按键的数量受到外部中断源的限制。在有特殊需要的场合，还可以借用内部的定时器中断。 所以在这种模式下， 按键的数目小于外部中断源和单片机定时器数量之和。程序查询和定时查询类似， 都是通过读 I/O 状态， 当有键被按下时相应的I/O口线变为低电平，而未被按下的键对应的I/O 口线保持为高电平， 这样通过读 I/O口状态可判断是否有键按下和哪一个键被按下。温度传感器及其原理：独特的单线接口方式， DS

10、18B20 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55+125，固有测温分辨率 0.5。工作电源 : 35V/DC 。DS18B20 内部结构主要由四部分组成：64位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和 TL、配置寄存器。该装置信号线高的时候，内部电容器储存能量通由 1 线通信线路 给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。DS18B20 的电源也可以从外部3V-5 .5V 的电压得到。DS18B20采用一线通信接口。 因为一线通信接口， 必须在先完成 ROM 设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主

11、要首先提供以下功能命令之一：1 ）读ROM， 2 ）ROM 匹配， 3 ）搜索 ROM， 4 ）跳过 ROM， 5 ）报警检查。这些指令操作作用在没有一个器件的64 位光刻 ROM 序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件， 同时，总线也可以知道总线上挂有有多少，什么样的设备。若指令成功地使DS18B20 完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。一个控制功能指挥指示DS18B20 的演出测温。测量结果将被放置在DS18B20 内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器 TH 和 TL 都有一字节 EEPROM 的数据。如果 DS18B20 不使用

12、报警检查指令， 这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写TH,TL 指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。通过缓存器读寄存器。所有数据的读，写都是从最低位开始。引脚图：P1.0 P1.1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 8 页温度的读取： DS18B20在出厂时以配置为12 位，读取温度时共读取16 位，所以把后 11 位的 2 进制转化为 10 进制后在乘以0.0625 便为所测的温度，还需要判断正负。前 5 个数字为符号位，当前5 位为 1 时，读取的温度为负数；当前

13、5 位为 0 时，读取的温度为正数。 16 位数字摆放是从低位到高位，温度的关系图下图所示。DS18B20的初始化：（1） 先将数据线置高电平 “1”。（2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）（3） 数据线拉到低电平 “0”。（4） 延时 750微秒（该时间的时间范围可以从480到 960微秒） 。（5） 数据线拉到高电平 “1”。（6） 延时等待（如果初始化成功则在15 到 60 毫秒时间之内产生一个由DS18B20 所返回的低电平 “0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。（7） 若 CPU 读到了数据

14、线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480 微秒。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 8 页（8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。DS18B20的写操作：（1） 数据线先置低电平 “0”。（2） 延时确定的时间为15 微秒。（3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。（4） 延时时间为 45 微秒。（5） 将数据线拉到高电平。（6） 重复上（ 1）到（ 6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。（7） 最后将数据线拉高。DS18B20的读操作：（1）

15、将数据线拉高 “1”。（2）延时 2 微秒。（3）将数据线拉低 “0”。（4）延时 15微秒。（5）将数据线拉高 “1”。（6）延时 15微秒。（7）读数据线的状态得到1 个状态位，并进行数据处理。（8）延时 30微秒。DS18B20内部结构图：DS18B20工作原理： DS18B20 的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如图 3 所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计

16、数器2 的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1 对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预置将重新被装入，计数器1 重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数， 如此循环直到计数器2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图 3 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1 的预置值。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 8 页图 3 DS18B

17、20 温度值格式表这是 12 位转化后得到的 12位数据， 存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位， 如果测得的温度大于0， 这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为 07D0H，+25.0625的数字输出为 0191H，-25.0625的数字输出为 FE6FH，-55的数字输出为FC90H 。DS18B20的外部电源供电方式：在外部电源供电方式下， DS18B20 工作电源由 VDD 引脚接入，此

18、时 I/O 线不需要强上拉， 不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20 传感器，组成多点测温系统。电路图如下：总结通过做本课题， 使我了解传感器的基本理论知识，更深入的了解单片机的开发应用和 PC 编程控制。为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、PC 软件开发打下了良好的基础， 树立独立从事产品研发的信心。 同时也培养了我认真的做精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 8 页事态度。从得到题目到查找资料， 从对题目的研究设定到电路图的设计，电路图的设计到程序设计在这一个充满挑战伴

19、随挫折，充满热情伴随打击的过程中， 我感触颇深，它是对我的钻研精神，创新精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。我在这个过程中深刻的感受到了做设计的意义所在，和我一样真正投入了身心去做的人也一定会有同样的感触。本课题的重点、难点是：初步接触温度传感器，要对传感器的原理、结构、应用等各方面从头开始琢磨；考究调整电路的实现过程以及怎么样通过单片机来间接的控制。参考文献1 倪云峰 . 单片机原理及应用 M. 西安：西安电子科技大学出版社，2009. 2 刘娟. 单片机 C语言与 protues. 北京: 中国电力出版社， 2010.7 3 张齐. 单片机原理与应用系统设计. 北京：电子工业出版社， 2010.2 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 8 页