毕业设计（论文）室内采暖温度检测系统方案.doc

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1、目 录1 引言11.1 设计课题的目的及意义11.2 温度检测技术的国内外现状22 室内采暖温度检测系统方案论证52.1 方案设计52.2 方案选择63 室内采暖温度检测系统硬件设计73.1 单片机模块73.2 温度检测模块93.3 报警电路模块153.4 存储模块163.5 时钟芯片模块173.6 日期调整按键模块193.7 1602液晶显示模块193.8 电源模块233.9 硬件总体设计234 室内采暖温度检测系统软件设计254.1 系统程序总体流程概况254.2 子程序设计255 系统调试与结果分析305.1 软件调试305.2 仿真结果306 总结31参考文献32致 谢33附录一、电路

2、原理图34附录二、系统仿真图35附录三、源程序361 引言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得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。 单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很

3、大的空间。该系统设计核心控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B20，时钟芯片采用DS1302，存储芯片采用AT24C02，用LCM1602液晶显示实现温度和日期的动态显示,并且如果超出温度范围，报警系统会即时进行报警。1.1 设计课题的目的及意义北方的冬季一般比较寒冷，温度往往达到-20以下，为了抵御寒冷，各个供暖公司燃烧大量的煤为住户进行供暖，但是燃烧的煤炭所散发的热量与住户屋内的温度是否成正比，是否有大量的热量从住户的墙壁或门窗散发出去而造成大量的能源损失，一直是大家所关心的问题。随着国家环保、节能意识的提高，迫切需要一种检测系统对流入住户屋内的热量以及住户屋内所实际能达

4、到的温度进行检测。 温度检测的传统方法是使用热电偶、热电阻、半导体PN 结等的模拟温度传感器，信号经取样、放大后通过模数转换，再由单片机处理。 被测温度信号从温敏元件到单片机，经过众多器件，易受干扰，不易控制且精度不高。这次毕业设计的目的主要是让生活在信息时代的我们，将所学知识应用于生产生活当中，掌握系统总体设计的流程，方案的论证，选择，实施与完善。通过对温度控制通信系统的设计、制作、了解信息采集测试、控制的全过程，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成工程项目中所应具备的基本素质和要求。培养研发能力，通过对电子电路的设计，初步掌握在给定条件和要求的情况下，如何达到以最经济

5、实用的方法、巧妙合理地去设计工程系统中的某一部分电路，并将其连接到系统中去。提高查阅资料、语言表达能力和理论联系实际的技能。随着温度检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 21世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现

6、代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的主流之一，被广泛的应用于生产的各个领域。当今社会温度的测量与控制系统在生产与生活的各个领域中扮着越来越重要的角色，大到工业冶炼，物质分离，环境检测，电力机房，冷冻库，粮仓，医疗卫生等方面；小到家庭冰箱，空调，电饭煲，太阳能热水器等方面都得到了广泛的应用，温度控制系统的广泛应用也使得这方面研究意义非常的重要。1.2 温度检测技术的国内外现状国外对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，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计

7、算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题

8、困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。在今后的温控系统的研究中会趋于智能化，集成化，系统的各项性能指标更准确，更加稳定可靠。温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一，它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术水平的不断把提高，温度测量技术也得到了不断的发展。1.2.1 温度检测技术简介温度检测技术是一种利用微机来实现数据采集、数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。这个过程最简单的形式就是它可以告

9、诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度。通过分析数据，生产人员可以保证产品达到最好的质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。无论是在电子产品的生产、食品加工、其它工业生产，还是在医疗器械生产方面，只要在生产过程中温度是重要的控制指标，温度检测技术就具有非常广阔的应用前景。随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：（1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计；（2）利用热电效应技术制成的温度检测元件；（3）利用热阻效应技术制成的温度计；（4）利用热辐射原理制成的高

10、温计；（5）利用声学原理进行温度测量；（6）利用红外测温技术；温度的检测方法通常分为两大类即接触式测温和非接触式测温。接触式测温是基于热平衡原理，测温时，感温元件与被测介质直接接触，当达到热平衡时，获得被测物体的温度，例如，热电偶，热敏电阻，膨胀式温度计等就属于这一类；非接触式测温基于热辐射原理或电磁原理，测温时，感温元件不直接与被测介质接触，通过辐射实现热交换，达到测量的目的，例如，红外测温仪、光学高温计等。常用的测温传感器有热电偶，热电阻，导体温度传感器等。集成温度传感器可以分为三类：模拟集成温度传感器、模拟集成温度控制器、智能温度传感器。1.2.2 温度检测技术的发展在温度测量方面各国均

11、取得了许多可喜的成果，其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001，理论上可达0.00001，而且在-40230范围内具有温度与频率的线性特性；我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001，误差在0.05以内，中国航天工业总公司702所研制的5901(STP-1000)型粘贴式测温片，其静态测温精度为0.5%，快速响应时间小于0.013s。虽然温度测量方法多种多样，但在很多情况下，对于实际工程现场或一些特殊条件下的温度测量，比如对极限温度、高温腐蚀性介质温度、气流温度、表面温度、固体内部温度分布、微尺寸目标温度、大空间温度分布、生物体内温度、电磁干扰条件下温度测量来讲，要想得到准确

12、可靠的结果并非易事，需要非常熟悉各种测量方法的原理及特点，结合被测对象要求选择合适的测量方法才能完成。同时，还要不断探索新的温度测量方法，改进原有测量技术，以满足各种条件下的温度测量需求。温度检测技术应用领域非常的广泛，冷冻库，粮仓，储罐，电信机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域。轴瓦，缸体，纺机，空调等狭小空间工业设备测温和控制。汽车空调，冰箱，冷柜以及中低温干燥箱等。太阳能供热，制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量等。2 室内采暖温度检测系统方案论证2.1 方案设计2.1.1 方案一：利用PLC实现对温度恒定的控制利用PLC实现对温度恒定的控制，其控制系统的结构框图如图2-1所示：采

13、用PLC控制实现电热丝和风扇加热制冷，以全通、间断导通和全断加热制冷的自动控制方式，来达到温度的恒定。智能型热电偶温度表将置于被测环境中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，构成闭环系统，生成温差电压Vt，PLC自适应恒温控制电路，根据Vt的大小计算出全通、间接导通和全断的自适应恒温控制电路，并将占空比可调的控制电平经输出隔离电路去控制可控硅门极的通断，实现自适应的恒温控制。若温度升的过快或者降低过快，PLC也将输出关断电平信号转换为可控硅电路相匹配的输入信号。图2-1 方案一的系统结构图2.1.2 方案二：用热电耦检测温度以单片机为主控制系统，其总体结构如图2-2所示。采用热电偶

14、对温度进行采集，将采集到的信号利用放大器进行放大，再经过A/D转换，然后将采集到的数据用单片机在液晶显示器上显示出来，然后再利用控制电路对温度控制其升温或者降温。图2-2 方案二的系统结构图2.1.3 方案三：用温度传感器检测温度仍以单片机为主控制系统，采用数字温度传感器实现温度采集，其总体结构如图2-3所示。系统主要包括以系统核心AT89C51单片机作为微处理器的现场温度采集、实时温度显示与存储、相应时刻日期显示与调整、超温报警装置系统。图2-3 方案三的系统总体结构框图温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。采用单线单点检测技术，其中DS1302时钟芯片为系统提供日期和时间，由单片机

15、对温度传感器所采集的数据进行处理，经LCM1602液晶显示器显示出来，并将处理后的温度值与设定值进行比较，从而控制报警电路是否发出报警信号。2.2 方案选择对于方案一，采用PLC实现恒温控制，由于PLC成本高，且PLC是外围系统配置复杂，不利于我们的设计；由于数字PID调节，运算量大，只有选择对于温度的控制精度合适的参数才往往能达到较好的效果。对于方案二，虽然许多热电偶精度非常高，但是其构成系统太复杂，抗干扰能力也不强，而且成本比较高。对于方案三，采用数字温度传感器进行温度采集，该方案成本低，可靠性高，抗干扰性强，而且易于设计和控制，同时也是本次毕业设计任务书上所要求的方案。故本设计我选方案三

16、，采用数字温度传感器采集温度来实现室内温度检测。3 室内采暖温度检测系统硬件设计3.1 单片机模块主控单片机采用一片ATMEL AT89C51。根据题目要求，充分利用了单片机灵活控制的优点，发挥其优势功能，采用单片机控制显示信号灯，提高了系统的灵活性，设置方便。AT89C51芯片本身集成了看门狗（WDT）电路，这是为了系统更加的稳定可靠，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生这种做法对于实际上长时间运行在恶劣状况的交通灯控制系统来说是十分必要的。它可以完成自动加载复位，省去人工调整的麻烦，可以做到无人职守1。AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP

17、(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案1。 AT89C51具有如下特点1：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行

18、通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，如图3-1所示。图3-1 AT89C51芯片引脚 此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直到外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求2。3.1.1 复位键控制模块 单片机复位电路是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从该状态开始工作，例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。无论是在单

19、片机刚接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。单片机复位的条件是：使RST/VPD引脚加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。若时钟频率为12MHz，每机器周期为1us，则只需2us以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位2。单片机常见的复位电路如图3-2按键复位电路所示。图3-2 按键复位电路该电路除了具有上电复位电路功能，还可以使用中复位，只要按下图中的复位键，在RST端会产生一个复位高电平。单片机复位期间不产生ALE和PSEN信号，即ALE=1，这表明单片机复位不会有任何取值操作2。按键复位电路，易掌握，好操作。3.1.2 驱动模块单片机的驱动主

20、要是由晶振组成的驱动电路提供2，如图3-3所示：由一个12MHz的晶振以及两个22pF的电容组成，单片机以及外围的一些电路能够正常工作，都是由晶振电路所提供的动力。因此，在单片机中晶振电路是必不可少的，也正是这样，它也是单片机最小系统的重要组成部分2。图3-3 晶振电路3.2 温度检测模块3.2.1 温度传感器的概述DS18B20是美国Dallas半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单编程实现912位的数字值读数方式3。可以分别在93.75ms和75Oms内完成9位和12位的数字量。它具有独特的单总

21、线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高5。DS18B20的测温范围-55+125，最高分辨率可达0.0625，由于每一个DS18B2O出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。DS18B2O具有独特的单总线接

22、口方式在多点测温时有明显的优势，占用单片机的I/O引脚资源少，和单片机的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远5。3.2.2 DS18B20性能特点与内部结构DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易于与未处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。该器件将半导体温敏器件、A/D转化器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。信号传输采用两芯（或三芯）电缆构成的单总线结构。一条单总线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码。微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某个传感器的温度

23、值，从而简化了信号采集系统的电路结构。(1)DS18B20的性能特点6如下：1)独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2)多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；3)无须外部器件；4)可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V；5)零待机功耗；6)温度以3位数字显示；7)用户可定义报警设置；8)报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；9)负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 (2)DS18B20的外形及管脚排列6，如下图3-4所示:DS18B20VDDDQGND 图3-4 DS18B20封装(3)DS18B20内部结

24、构6主要由六分组成：1)64位光刻ROM。开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。64位闪速ROM的结构如下：8b检验CRC48b序列号8b工厂代码（10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB图3-5 DS18B20内部结构2)非挥发的温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限值。3)高速暂存存储，可以设置DS18B20温度转换的精度。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PRAM。高速暂存RAM的结构为8

25、字节的存储器，结构如图3-5所示7。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。它的内部存储器结构和字节定义如图3-6所示7。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。Byte0温度测量值LSB（50H）Byte1温度测量值MSB（50H）E2PROMByte2TH高温寄存器-TH高温寄存器Byte3TL低温寄存器-TL 低温寄存器Byte4配位寄存器-配位寄存器Byte5预留（

26、FFH）Byte6预留（0CH）Byte7预留（IOH）Byte8循环冗余码校验（CRC）图3-6 DS18B20内部存储器结构DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。表3-1 DS18B20温度转换时间表 R1 R0 分辨率/位 温度最大转向时间/ms 0 0 9 93.75 0 1 10 187.5 1 0 11 375 1 1 12 750由表3-1可见，分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的C

27、RC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表3-2是一部分温度值对应的二进制温度数据。表3-2 一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+

28、850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H 4)CRC的产生 在ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机

29、根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。5)外接电源DS18B20有两种供电方式：3.05.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式（直接从数据线获取电源）。本设计采用外部电源给器件供电，外部电源接VCC引脚向器件供电，如图3-7所示，GND接地，DQ接单片机。图3-7 外部电源供电6）温度报警信号DS18B

30、20完成温度转化后，就把测的温度值与TH、TL做比较，若TTH或TVcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2 Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电；SCLK：串行时钟输入，控制数据的输入与输出； I/O：三线接口时的双向数据线； CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。故室内采暖温度检测系统时钟电路设计,如图3-15所示。图3-15 DS1302时钟电路设计3.6 日期调整按键模块本设计总的用了四个按扭开关作为调整设置按键，如图3-16所示:按key1进入

31、时间设置；再按一下进行确认；按key2进行加；按key4进行减；按key3进入日期设置；进入设置后进行光标左移。图3-16 日期调整按键模块3.7 1602液晶显示模块3.7.1 LCM1602液晶显示的概述LCM（LCD Module）即LCD显示模组，是指将液晶显示器件、连接件、控制与驱动等外围电路，PCB电路板，背光源，结构件等装配在一起的组件。LCM提供用户一个标准的LCD显示驱动接口，用户按照接口要求进行操作来控制LCD正确显示。LCM是一种相对更高集成度的LCD产品，可以比较方便地与各种微控制器（如单片机）连接，作为简易的人机接口。其中，MCS-51单片机作为LCM1602显示控制系统的核心部件。它由中央处理器（CPU）、存储器（ROM与RAM）、输入/输出单元(I/O)三大基本部分构成。单片机具有高性能、低价格；体积小，集成度高，可靠性和抗干扰能力强；较低工作电压（1.85V），低功耗等优点。并且，只要在单片机的外围适当加一些必要的扩展电路及通道接口，就可以构成各种应用系统，如工业控制系统、数据