基于单片机的毕业设计.docx
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基于单片机的毕业设计
本科毕业设计
题
目
基于单片机的仓库温度监测系统的设计
作者李启俊
专业自动化
指导教师刘羡飞
完成日期:
2020年6月
原创性声明
本人声明:
所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究功效。
除文中专门加以标注和致谢的地址外,论文中不包括其他人已发表或撰写过的研究功效。
参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何奉献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名:
日期:
本论文利用授权说明
本人完全了解南通大学有关保留、利用学位论文的规定,即:
学校有权保留论文及送交论文复印件,许诺论文被查阅和借阅;学校能够发布论文的全数或部份内容。
(保密的论文在解密后应遵守此规定)
学生签名:
指导教师签名:
日期:
摘要
仓库的日常治理直接阻碍到储蓄物资的利用寿命和工作靠得住性,仓库治理的首要问题是增强温度的监测工作,因此设计出一种对温度的搜集实时性强、准确性高的系统关于测控技术的进展具有专门大的意义。
本文利用单片机AT89C5一、数字温度传感器DS18B20、键盘、数码管和蜂鸣器等器件设计出了基于单片机的仓库温度监测系统,其中数字温度传感器用于实施对仓库温度的实时搜集,键盘用于设定温度的上下限,单片机将仓库当前温度值与所设定的温度值进行比较并处置,驱动数码管显示电路与蜂鸣器报警电路。
本文采纳protues仿真软件与keil软件相结合来仿真实验结果,实现了对仓库温度实时监测的模拟。
关键词:
AT89C51,数字温度传感器DS18B20,protues
ABSTRACT
Thedailymanagementofthewarehousedirectlyaffectstheusinglifeandthereliabilityofthestockpile,theprimaryissueofthewarehousemanagementistostrengthenthemonitoringofthetemperature,thereforedesigningasystemwhichispracticallyandaccurateisofgreatsignificanceforthedevelopmentofmeasurementandthecontroltechnology.
Inthispaper,warehousetemperaturemonitoringsystembasedontheMCU isdesignedbyusingthedevicesoftheMCUAT89C51,thedigitaltemperaturesensorDS18B20,thekeyboard,thedigitaldisplayandthebuzzer.thetemperaturesensorcollectsthetemperatureofthewarehousepracticallyandthekeyoardsetsthelimitoftheMCUcomparesthecurrentstoragetemperaturevaluewiththesetvalueanddrivethedigitaldisplaycircuitandthebuzzeralarmthispaper,wecombinetheprotuessimulationsoftwareandthekeilsoftwaretosimulatetheresults,realisingthesimulationofthemonitoringofthewarehousetemperature.
Keywords:
AT89C51,DigitalTemperatureSensorDS18B20,Protues
第一章绪论
课题背景
单片微型运算机是随着超大规模集成电路技术的进展而产生的,由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点,因此普遍应用于电子仪表、家用电器、节能装置等诸多领域,使产品小型化、智能化,既提高了产品的功能和质量,又降低了本钱,简化了设计[1]。
单片机自问世以来所走的路与微处置器有所不同。
微处置器是向着高速运算、数据分析及处置能力、大规模容量存储等方向进展,以提高通用运算机的性能。
单片机那么是从工业测控对象、环境、接口特点动身,向着增强操纵功能,提高工业环境下的靠得住性、灵活方便地组成应用运算机系统的界面接口的方向进展[2]。
单片机作为微型运算机的一个重要分支,应用面很广,进展专门快。
自单片机诞生至今,已进展为上百种系列的近千个机种。
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向进展[3]。
单片微型运算机在不断地进展:
1975年美国德州仪器(TI)公司推出TMS-1000,英代尔公司推出40044位单片机。
1980年英代尔公司在MCS-48系列的基础上,又推出高性能的MCS-51系列8位单片机。
1982年16位单片机问世后。
英代尔又推出了MCS-96系列16位单片机[4]。
而今32位单片机又以其壮大的功能提供给应用者。
而本次设计确实是要通过以AT89C51系列单片机为操纵核心,实现温度操纵系统的设计。
温度操纵系统是单片机在工业生产中的一个典型的应用。
温度操纵系统确实是通过单片机的操纵,使温度操纵在设定的范围内。
温度操纵系统的传统方式是利用模拟温度传感器和信号处置电路相组合,其缺点是易受干扰且精度不高。
目前,国际上新型温度传感器正向数字化、智能化、网络化的方向飞速进展[5]。
本课题所用测温系统为可编程单线数字温度传感器DS18B20,它集温度测量和A/D转换于一体,直接输出数字量,与单片机接口几乎不需要外围元件,使得硬件电路结构简单[6],将其与AT89C51单片机结合实现测温系统,能使系统本钱低、抗干扰能力强,易于利用。
本课题研究的意义
温度是日常生活与工农业生产中的一个重要参数,电子科技时期的今天,社会中的诸多行业对各类信息参数的准确度和精准度的要求都有所提高,而如何准确而又快速的取得这些参数就需要受制于现代信息基础的进展水平。
传统的温度监测方式是人工用温度计实时地测量环境中的温度,这种方式费时费力,而且测量精度不高[7],因此咱们需要设计出一种测量精度高、实时性强的温度监测系统。
而传感器技术、微电子技术、单片机技术的不断进展,为智能温度测控系统功能的完善、测控精度的提高和抗干扰能力的增强等提供了条件[8]。
在信息搜集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处置(运算机技术)中,传感器属于信息科技的前沿尖端产品,尤其是温度传感器技术,在我国各领域已经引用的超级普遍,几乎渗透到社会的每一个领域,人民的生活与环境的温度息息相关,在工业生产进程中需要实时测量数据,在仓库治理中也离不开温度的测量,因此研究温度的监测与操纵具有重要的意义。
货物的平安存储是关系到国计民生的战略大事,科学爱惜所存储的货物具有重要的社会意义与经济价值。
货物在存储期间,由于环境、气候和通风条件的转变,仓库内的温度或湿度会发生异样,这极易阻碍所存货物的利用寿命和工作靠得住性[9]。
因此设计出能够实时并准确监测仓库温度的系统显得尤其重要。
温度监测技术的现状与进展趋势
传感器技术是现代科技的前沿技术,许多国家已将传感器技术列为与通信技术和运算机技术一样重要的位置,称之为信息技术的三大支柱之一。
目前灵敏元器件与传感器在工业部门的应用普及率已被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。
因此,传感器技术作为一种与现代科学紧密相关的新兴学科正取得空前迅速的进展,而且在相当多的领域被愈来愈多地利用[10]。
近百年来,温度传感器的进展大致经历了以下三个时期:
(1)传统的分立式温度传感器(含灵敏元件);
(2)模拟集成温度传感器/操纵器;
(3)智能温度传感器。
目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向进展[11]。
智能温度传感器进展的新趋势进入21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高靠得住性及平安性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速进展。
在温度的测量技术中,接触式测温进展较早,这种测量方式的优势是:
简单、靠得住、低廉,测量精度较高,一样能够测得真实温度;但由于检测元件热惯性的阻碍,响应时刻较长,对热容量小的物体难以实现精准的测量,而且该方式不适宜于对侵蚀性介质测温,不能用于极高温测量,难于测量运动物体的温度。
非接触式测温是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方式,其优势是不破坏被测温场,能够测量热容量小的物体,适于测量运动温度,还能够测量区域的温度散布,响应速度较快。
但也存在测量误差较大,结构复杂,价钱昂贵等缺点。
因此,在实际的测量中,要依照具体的测量对象选择适合的测量方式,在知足测量精度要求的前提下尽可能减少人力和物力的投入。
要紧研究内容
仓库温度的监测是仓库治理工作中最为重要的一个环节,选用适合的单片机、选用精准度高的温度传感器和搭试合理的键盘设定电路、温度显示电路和报警电路是本课题研究的要紧内容。
全文共分为四章,各章节的要紧内容安排如下:
第一章为绪论,简要介绍了温度监测技术的研究背景、意义和目前国内外研究现状。
第二章为器件的选择与方案的论证和硬件电路设计,包括键盘设定电路、温度搜集电路、显示电路和报警电路。
第三章为软件设计,介绍了温度传感器的检测流程及程序实现,温度显示电路及报警电路的程序实现。
第四章为系统的实现与测试,应用protues软件和keil软件实现对所设计的电路的仿真。
第二章系统整体方案及硬件设计
整体设计方案
温度监测系统,要紧要完成对温度的搜集、键盘设定温度值、显示和报警等工作,从而实现对温度的监测。
传统采纳热电阻充当测温器件的方案,尽管其中段测量线性度好,精度较高,可是测量电路的设计难度高,且测量电路系统庞大,难于调试,而且本钱相对较高。
鉴于上述缘故,本系统采纳DS18B20充当测温器件。
外部温度信号经DS18B20将输入的模拟信号转换成8位的数字信号,通过并口传送到单片机系统(AT89C51)。
单片机系统将接收的数字信号译码处置,通过数码管将温度显示出来,同时单片机通过扫描键盘,获取仓库治理员对仓库温度范围的设定,单片机将实时检测到的温度值与所设定的温度范围进行比较,超出范围,便驱动蜂鸣器报警电路报警,以便于警示仓库治理员及时进行处置。
温度监测系统的整体框图如下:
图系统整体框图
温度传感器的选择
2.2.1方案论证选择
方案一:
采纳热电阻温度传感器。
热电阻是利用导体的电阻随温度转变的特性制成的测温元件。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻,其要紧的特点为精度高、测量范围广、便于远距离测量。
铂的物理、化学性能极稳固,耐氧化能力强,易提纯,复制性好,工业性好,电阻率较高,因此,铂电阻用于工业检测中高周密测温的温度标准。
缺点是价钱贵,温度系数小,受到磁场阻碍大,在还原介质中容易被玷污变脆。
按IEC标准测温范围-200~650度。
铜电阻的温度系数比铂电阻大,价钱低,也易于提纯和加工,但其电阻率小,在侵蚀性介质中利用稳固性差,在工业顶用于-50~180度测温。
方案二:
采纳DS18B20,它的测温范围在-55~150度之间,而且精度高。
DS18B20能够经受44V正向电压和20V反向电压,因此器件反接也可不能损坏,利用靠得住。
它只需接直流电源就能够工作,而且无需进行线性校正,因此利用也比较方便,接口很简单。
作为电流输出型传感器的一个特点是,和电压输出型相较,它有很强的抗外界干扰能力。
DS18B20的测量信号可远传百米远。
综合比较方案一和方案二,方案二更适合于本设计系统关于温度传感器的选择。
2.2.2DS18B20简介
温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”,其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
温度测量范围为-55~+150摄氏度,可编程为9位~12位转换精度,测温分辨率可达摄氏度,分辨率设定参数和用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后仍然保留。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既能够在远端引入,也能够采纳寄生电源方式产生;多个DS18B20能够并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能够与诸多DS18B20通信,占用微处置器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,能够挂很多如此的数字温度计,十分方便。
其封装方式如图2.2所示。
DQ为数据输入/输出引脚;GND为地信号;VCC为电源引脚。
图DS18B20封装方式
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它能够看做是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是:
开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,如此就能够够实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位,具体形式为:
表用16位符号扩展的二进制补码
LSByte
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
MSByte
Bit15
Bit14
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
S
S
S
S
S
这是12位转化后取得的12位数据,存储在18B20的2个8b的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,若是测得的温度大于0℃,那么这5位为0,只要将测到的数值乘于即可取得实现温度,若是温度小于0℃,那么这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘以即可取得实际温度[12]。
实测温度和数字输出的对应关系如表所示。
表实测温度和数字输出的对应关系
Temperature(温度)
Digitaloutput(二进制)
Digitaloutput(十六进制)
+125℃
0000011111010000
07D0h
+85℃
0000010101010000
0550h
+25.0625℃
0000000110010001
0191h
+10.125℃
0000000010100010
00A2h
+0.5℃
0000000000001000
0008h
0℃
0000000000000000
0000h
-0.5℃
1111111111111000
FFF8h
-10.125℃
1111111101011110
FF5Eh
-25.0625℃
11111111001101111
FF6Fh
-55℃
1111110010010000
FC90h
DSl8820是美国Dallas半导体公司生产的新一代数字式温度传感器,采纳TO一92封装。
它具有独特的单总线接El方式,将地址线、数据线、操纵线复用为一根信号线,输入输出均为数字信号。
这使得其与单片机接口变得十分简单,克服了模拟式传感器与微机接口时需要的AD转换器及其它复杂外围电路的缺点。
由它组成的温度测控系统超级方便,而且本钱低、体积小、靠得住性高[13]。
他具有独特的单总线接口方式,仅需利用1个端口就能够实现与单片机的双向通信。
采纳数字信号输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。
他的工作电压利用范围宽~V),能够采纳外部供电方式,也能够采纳寄生电源方式,即当总线DQ为高电平常,窃取信号能量给DS18B20供电。
它还有负压特性,电源极性接反时,DS18B20可不能因接错线而烧毁,但不能正常工作。
能够通过编程实现9~12位的温度转换精度设置。
由表可见,设定的分辨率越高,所需要的温度数据转换时刻就越长,在实际应用中要将分辨率和转换时刻衡量考虑。
表分辨率与转换时刻关系
1)DS18B20特性介绍
DS18B20采纳3脚TO-92封装,形如三极管,同时也有8脚SOIC封装,还有6脚的TSOC封装。
测温范围为-55~+125℃,可编程为9~12位转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,在-10~85℃范围内,精度为±015℃。
每一个DS18B20芯片的ROM中寄存了一64位ID号:
前8位是产品类型编号,随后48位是该器件的自身序号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码。
又因其能够采纳寄生电源方式供电。
因此,一条总线上能够同时挂接多个DS18B20,实现多点测温系统。
另外用户还可依如实际情形设定非易失性温度报警上下限值TH和TL。
DS18B20检测到温度值经转换为数字量后,自动存入存储器中,并与设定值TH或TL进行比较,当测量温度超出给定范围时,就输出报警信号,并自动识别是高温超限仍是低温超限。
用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后仍然保留。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既能够在远端引入,也能够采纳寄生电源方式产生;多个DS18B20能够并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能够与诸多DS18B20通信,占用微处置器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
以上特点使DS18B20超级适用与多点、远距离温度检测系统。
DS18B20的性能特点如下:
●一线接口通信方式,串行传输数字信号;
●9~12位的温度转换分辨率可选,12位分辨率最高为0.0625℃;
●内部3字节EEPROM,用户可概念系统设置;
●用户可概念报警设置;
●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;
●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的内部结构
DS18B20内部结构要紧由4部份组成:
64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,配制寄放器。
其内部结构以下图所示。
图DS18B20内部结构
3)DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的电可擦除的E²PRAM,后者寄存高温度和低温度触发器TH,TL和结构寄放器。
DS18B20的暂存寄放器散布如图2所示,暂存存储器包括了8个持续字节,前2个字节是测得的温度信息,第1个字节的内容是温度的低8位,第2个字节是温度的高8位,第3个和第4个字节是TH,TL的易失性拷贝,第5个字节是结构寄放器的易失性拷贝,这3个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、7、8个字节用于内部计算,第9个字节是冗余查验字节。
表DS18B20暂存寄放器散布
寄存器内容
字节地址
温度值低位(LSByte)
0
温度值高位(MSByte)
1
高温限值(TH)
2
低温限值(TL)
3
配置寄存器
4
保留
5
保留
6
保留
7
CRC校验值
8
表配置寄放器结构
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
配置寄放器结构如表所示,低五位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式仍是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率,如表所示:
(DS18B20出厂时被设置为12位)
表分辨率设置表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
ms
0
1
10位
ms
1
0
11位
375ms
0
0
12位
750ms
2.2.3DS18B20与单片机的接口电路
1)DS18B20的寄生电源供电方式
在寄生电源供电方式下,DS18B20从单线信号线上汲取能量:
在信号线DQ处于高电平期间把能量贮存在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作,直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。
独特的寄生电源方式有三个益处:
●进行远距离测温时,无需本地电源
●能够在没有常规电源的条件下读取ROM
●电路加倍简练,仅用一根I/O话柄现测温
要想使DS18B20进行精准的温度转换,I/O线必需保证在温度转换期间提供足够的能量,由于每一个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA,当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时,只靠上拉电阻就无法提供足够的能量,会造成无法转换温度或温度误差极大。
改良的寄生电源供电方式如以下图所示,为了使DS18B20在动态转换周期中取得足够的电流供给,当进行温度转换或拷贝到E²RAM操作时,用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流,在发出任何涉及到拷贝到E²RAM或启动温度转换的指令后,必需在最多10μS内把I/O线转换到强上拉状态。
在强上拉方式下能够解决电流供给不足的问题,因此也适合于多点测温应用,缺点确实是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。
图改良的寄生电源供电方式
2)DS18B20的外部电源供电方式
外部电源供电方式如以下图所示,DS18B20工作电源由VDD引脚接入,现在I/O线不需要强上拉,不存在电源电流不足的问题,能够保证转换精度,同时在总线上理论能够挂接任意多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。
外部电源供电方式是DS18B20的最正确工作方式,工作稳固靠得住,抗干扰能力强,而且电路也比较简单,因此本课题选用此供电方式。
注意:
当温度高于100℃时,不能利用寄生电源,因为现在器件中较大的漏电流会使总线不能靠得住地检测高低电平,从而致使数据传输误码率的增大
图外接电源工作方式
键盘设定电路
本设计中采纳五个按键设定仓库温度的上下限,别离为k1,k2,k3,k4,k5,并接在上位机的P1口,其中k1键用于温度上限设置的选定,k2键用于温度下限设置的选定,k3键用于设定温度值的十位,k4键用于设定温度值的个位,k5键为确认键。
软件运行时,先要进行仓库温度的设定,因此要先扫描按键的闭合与否。
键盘电路如以下图所示:
图键盘连接电路
用按键设定好温度上下限后,单片机将在仓库温度越界后驱动报警电路中的蜂鸣器报警。
数码管显示电路
LED数码管,也叫LED数码显示器,由于它具有很高的性能价钱比、显示清楚、亮度高、利用方便、电路简单、寿命长等诸多优势,长期以来一直在各类
电子产品和工程操纵中取得超级普遍的应用。
在单片机操纵系统中,因为单片机的硬件简单、灵活等特点,超级适合利用LED数码管作为其输出设备,如此既知足了操纵系统硬件简单,又能如实地显示被控系统的温度、压力、流量、高度等一些单片机的处置结果[14]。
LED数码管的显示方式通常有两种[15]:
①动态扫描显示。
动态扫描方式是用其接口电路把所有显示器的8个字段(a~g和dp)的同名端连在一路,而每一个显示器的公共极COM各自独立同意I/O线操纵。
CPU向字段输出端口输出字型码时,所有
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