毕业设计(论文)-基于AT89C51的智能温度预警系统的设计.doc
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1、毕业设计(论文) 课 题 名 称 基于 AT89C51 的智能温度 预警系统的设计 学 生 姓 名 学 号 系、年级专业 信息工程系 07 级通信工程 指 导 教 师 职 称 讲 师 2011 年 5 月 25 日 I 摘 要 本设计系统地介绍了基于AT89C51 的智能温度预警系统的组成、设计方案、 电路原理、程序设计以及系统仿真过程。DS18B20多点温度测量系统是以 AT89C51单片机作为控制核心,数字温度传感DS18B20为控制对象,运用C语 言编程实现系统的各种功能。该系统由单片机最小系统、传感器电路、报警电路、 LCD显示电路、行列式键盘电路、电源电路六大部分组成。借助PROTE
2、US软件, 实现了系统电路设计和仿真。它适用于电力工业、煤矿、森林、火灾、高层建筑等 场所,还可以用于环境恶劣的工业控制现场。通过DS18B20的单总线技术,系统 实现了对远程环境的温度测量与监控。 关键词:DS18B20;仿真;测量系统;PROTEUS;单片机 II Abstract The design systematically introduced the composition, the design, the circuit theory, the program design and the system simulation process of the multipoint
3、 temperature measurement system which based on the AT89C51.The AT89C51 intelligence temperature measurement system, the AT89C51 MCU as its control core, digital temperature sensing DS18B20 as its control target, use the C-language programming system to realize the functions. The system composed of s
4、ix major components, which are the smallest MCU system, the sensor circuit, the alarm circuits, the LCD display circuit, the keyboard, the power circuit. The system realizes the circuit design and simulation with PROTEUS software. It applies to the power industry, coal, forest, fire, high-rise build
5、ings and other places, it can also applies to industrial control field with the bad environment. Through the monobus technology of the DS18B20, the system achieves the measurement and monitoring of the long-range environmental temperature. Key words: DS18B20;simulation;measurement system;PROTEUS;MCU
6、 目 录 摘 要I ABSTRACT .II 第 1 章 绪 论.1 1.1 课题来源.1 1.2 课题研究的目的意义.1 1.3 国内外现状及水平.1 1.4 课题研究内容.2 第 2 章 统方案设计.3 2.1 基于模拟温度传感器的设计方案.3 2.2 基于数字温度传感器的设计方案.4 2.3 方案论证4 第 3 章 电路设计.6 3.1 工作原理6 3.2 DS18B20 与单片机接口技术.7 3.3 键盘电路设计.13 3.4 显示电路设计14 3.5 报警电路设计.15 3.6 电源电路设计.16 第 4 章 程序设计.18 4.1 系统资源分配.18 4.2 系统流程设计.18 4
7、.3 程序设计.24 第 5 章 系统仿真.34 5.1 PROTEUS 仿真环境介绍 34 5.2 原理图绘制35 5.3 程序加载.35 5.4 系统仿真36 5.5 仿真结果分析39 第 6 章 PCB 板设计 40 6.1 PCB 板设计.40 6.2 PCB 板制作方法42 总 结.45 参考文献.46 附 录.47 致 谢.52 邵阳学院毕业设计(论文) 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题来源 温度是国际单位制七个基本量之一,与人类的生活环境息息相关。它是一种在 生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量,同时也是一种最基本的环境参 数。在实验研究和工业生产中,在机械、电力、化
8、工、生物、冶金、农业、实验等 行业和人们的家居生活里经常需要对环境温度进行检测和控制。例如,汽车发动机 气缸的温度必须保持在一定的范围内;在合适温度微生物的新陈代谢才能正常进行。 许多化学反应在不同的温度下会生成不同的反应物;温度过高,粮仓的粮食就会霉 烂变质,电子设备的工作效率会降,低使用寿命会缩短,饭菜会变馊。由此可见, 研究温度测量工具有着极其重要的实用价值。 随着现代嵌入式技术和传感器技术的发展,作为各种信息的采集、处理、传输 的功能器件,温度传感器的作用日益突出,成为自动检测、自动控制系统和计量测 试中不可缺少的重要技术工具,其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。 本课题结合现
9、在嵌入式技术和传感技术设计的智能温度预警系统就是满足生产生活 中人们对温度测量的需求。 1.2 课题研究的目的意义 随着科学技术的高速发展,科技的进步带动了传感技术的发展,自动控制设备 的性能和性价比发生了巨大的变化,新世纪是嵌入式技术迅猛发展的时代,传感技 术也成为当今科技的主流之一,被广泛地应用于生产和生活中。基于 AT89C51 的智 能温度预警系统的设计,其目的在于: (1) 掌握数字温度传感器 AT89C51 单片机的工作原理、和使用方法,利用 C 语言编写单片机程序。 (2) 掌握数字温度传感器 DS18B20 的工作原理、和使用方法,利用 C51 对 系统进行编程。 (3) 本课
10、题综合了现代嵌入式技术和传感器技术专业领域方面的知识,可全 面提高学生的理论水平和动手能力。 1.3 国内外现状及水平 传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生 产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经 邵阳学院毕业设计(论文) 2 历了以下三个阶段:传统的分立式温度传感器(含敏感元件);模拟集成温度传感器; 数字温度传感器。目前,温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠 性及安全性、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 速发展,同时具有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。随 着我国
11、四个现代化和经济发展,我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进 步,发展以温度传感器为载体的温度测量技术具有重大意义。 1.4 课题研究内容 本设计研究的主要内容如下: (1)本设计以 AT89C51 单片机为控制系统,来实现对温度的监测、处理等功 能。在广泛查阅温度检测控制理论和方法、测温技术和温度控制技术等资料的基础 上,根据不同的控制要求及应用领域完成对系统方案的总体设计。 (2) 在比较各元器件的特点和功能后,选择合适的元器件。 (3) 设计硬件系统。设计主要包括:温度传感器采集温度数据、单片机处理 温度数据、LCD 显示温度、键盘设置参数、报警电路等模块。 (4) 设计软件系统。
12、本以 C 语言为设计语言,用 Source Insight 软件编辑代码, 采用 Keil 软件编译程序。 本设计的重点分为软件和硬件两个方面。其中硬件开发的难点在于各种元器件 的选择和使用。软件开发的难点在于温度传感器的时序。 邵阳学院毕业设计(论文) 3 第 2 章 统方案设计 2.1 基于模拟温度传感器的设计方案 该方案由 AD590 模拟温度传感器、运算放大器、AD 转换器、51 单片机、键盘、 液晶显示屏、集成功率放大器、报警器组成,如图 2.1 所示。 本方案采用 AD590 模拟温度传感器检测温度,传感器将测量的温度变换转换成 变化的电流,再通过模拟电路将电流的变化转换成电压的变
13、化,使用运算放大器将 信号进行适当的放大,最后通过 AD 转换器将模拟信号转换成数字信号,传送给 AT89C51。AT89C51 将温度值进行处理之后用液晶显示屏显示 ,有报警信号时, 信号通过集成功放放大,传给报警器。 图 2.1 基于模拟温度传感器的设计方案 本方案使用的测温元件的性能指标如下: (1)模拟温度传感器的测温范围为55+150。 (2)模拟温度传感器的电源电压范围为 4V30V,电源电压可在 4V6V 范围 变化,电流 变化 1mA,相当于温度变化 1K。模拟温度传感器可以承受 44V 正向电 压和 20V 反向电压,因而器件反接也不会被损坏。 单 片 机 AD590 AD5
14、90 LCD显示电路 集 成 功 放 报 警 器 44键盘 AD590 AD590 运 算 放 大 器 多 路 选 择 器 A/D 转 换 邵阳学院毕业设计(论文) 4 (3) 输出电阻为 710MW。 (4) 精度高,模拟温度传感器共有 I、J、K、L、M 五档,其中 M 档精度最 高,在55+150范围内,非线性误差为0.3。 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便、温度 测量范围广等优点,得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电 流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为 10mV/K,温度 0时输出为 0,温度 25 时输出 2.982V。电流输出型的灵
15、敏度一般为 1mA/K。 2.2 基于数字温度传感器的设计方案 该方案以数字温度传感器 DS18B20 为温度测量元件,使用 AT89C51 单片机作 为控制核心,使用 4 个 DS18B20 进行温度检测,通过 44 键盘设置正常温度的最 大值,采用 12864 液晶显示电路,使用 LM386 作为功率放大器报警电路中的喇 叭。 图 2.2 基于数字温度传感器的设计方案 本课题采用 DS18B20 数字温度传感器作为测为测温元件,它具有如下特点: (1) 测量温度范围在55C 到125C 之间。 (2) 每个 DS18B2 都有唯一的 ID。 (3) 912 位分辨率可调。 (4) 只要一个
16、端口即可通信。 (5) 实际应用中不需要外部接任何元器件即可实现测温。 (6) 内部有温度上、下限告警设置。 单 片 机 DS18B20 DS18B20 LCD 显示电路 集 成 功 放 报 警 器 44键盘 DS18B20 DS18B20 邵阳学院毕业设计(论文) 5 2.3 方案论证 本设计要求测温范围为-20+80,精度为 0.5,测量的点数为 4。采用 LCD 显示,显示数据每秒刷新 1 次。 综合分析数字温度传感器和模拟温度传感器的性能指标,以上两个方案都能实 现设计的需求。 方案一采用了 DS18B20 数字温度传感器。它能在现场采集温度数据,直接将温 度物理量转换为数字信号并以总
17、线方式传送到单片机,再由单片机进行数据处理, 并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9-12 位的数字式读取方式,因而使用数字 温度传感器可使系统结构更加简单,可靠性更高,大大提高系统的抗干扰能力。数 字温度传感器体积小、经济、使用方便灵活、测试精度高、较高的性能价格比,有 CRC 校验,系统简明直观,适合于恶劣环境的现场温度测量,如: 测温类消费电子 产品、环境控制设备或过程控制等。 方案二采用 AD590 模拟温度传感器,转换结果需要经过 AD 转换器和运算放大 器。它虽然成本低,控制简单,但是后续电路复杂,而且需要进行温度标定。 AD590 集成温度传感器输出为电流,且输出信号较弱,所以
18、需要后续放大及 A/D 转 换电路。如采用普通运放则精度难以保证,而测量放大器价格较高,这样会使系统 成本升高。 方案一程序设计稍微复杂一些,使用有大量的资料可以查询,该方案完全可行, 经济上也有很大的优势,同时体现了技术的先进性。 综上所述,本设计采用方案一进行系统设计。 邵阳学院毕业设计(论文) 6 第 3 章 电路设计 3.1 工作原理 基于 AT89C51 的智能温度预警系统以 AT89C51 为控制芯片,以 Keil 软件为系 统开发平台,用 C51 进行程序设计,以 PROTEUS 作为仿真软件。系统主要由传感 器电路、单片机最小系统、键盘电路、液晶显示电路、报警电路、电源电路组成
19、, 系统原理图如图 3.1 所示。 图 3.1 系统原理图 DS18B20 数字温度传感器,每个 DS18B20 有自己的序列号,因此本系统可以 在一根总线上挂接了 4 个 DS18B20,通过 CRC 校验,对各个 DS18B20 的 ROM 进 行寻址,地址符合的 DS18B20 数字温度传感器才作出响应,接收主机的命令,向主 机发送转换的温度。采用这种寻址技术,单片机使用一个 IO 口即能实现对四点环境 的温度数据进行采集,使系统硬件电路更加简单,系统更加稳定。它的输入/输出采用 数字量,以单总线技术,接收主机发送的命令,根据 DS18B20 内部的协议进行相应 的处理,将转换的温度以串
20、口发送给主机。主机按照通信协议用一个 IO 口(P1.7)模 拟 DS18B20 的时序,发送命令(初始化命令、ROM 命令、RAM 命令)给 S1S5S9S13 S2S6S10S14 S3S7S11S15 S4S8S12S16 1 25 9 3 U2 74LS21 Y 1 12M C2 30pF C3 30pF C1 10uF R2 10K +5V VSS 1 VDD 2 VO 3 RS 4 R/W 5 E 6 RET 17 VEE 18 LEDA 19 LEDK 20 DB0 7 DB1 8 DB2 9 DB3 10 DB4 11 DB5 12 DB6 13 DB7 14 CS1 15 C
21、S2 16 J1 LCM_128_64 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RP11K R1 10K R4 10K R3 10K +5V C4 10uF +5V +5V 2 3 5 1 8 64 U1 LM386 C5 100n C6 47n LS1 8 GND R5 10k +5 P3.4 P3.4 CS1 CS2 E RW RS RW E CS1 CS2 RS P3.2 P3.2 L0 L1 L2 L3 H0 H1 H2 H3 H0 H1 H2 H3 L0 L1 L2 L3 P2 10k R6 10 C8 220u P1 10k C7 10u VCC 1 GND 3 DQ 2 U3 DS1
22、8B20 VCC 1 GND 3 DQ 2 U4 DS18B20 VCC 1 GND 3 DQ 2 U5 DS18B20 VCC 1 GND 3 DQ 2 U6 DS18B20 R7 RES2 +5V P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST/VPD 9 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INTO 12 P3.3/INT1 13 P3.4/TO 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2.0 21 P2.1 2
23、2 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 RSEN 29 ALE/PROG 30 VPP/EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VDD 40 IC? AT89C51 H0 H1 H2 H3 邵阳学院毕业设计(论文) 7 DS18B20,转换完成之后单片机读取温度值,在内部进行相应的数值处理,用 12864LCD 显示各点的温度。在系统启动的时候,可以通过 44 键盘设置各点温 度的上限值,当某点的实际温度超过设置值时,报警器开始报警,液
24、晶显示该传感 器的路数、设置温度值、实际温度值以及路数和该路的状态,从面实现了对各点温 度的测量和实时监控。 3.2 DS18B20 与单片机接口技术 3.2.1 DS18B20 的引脚功能 DS18B20 的引脚功能描述见表 3.1。 表 3.1 DS18B20 引脚功能描述 序号名称引脚功能描述 1GND地信号 2DQ数字输入输出引脚,开漏单总线接口引脚,当使用寄生电源时, 可向电源提供电源 3VDD可选择的 VDD 引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必须接地 3.2.2 DS18B20 与单片机接口电路 如图 3.2 所示,为单片机和 DS18B20 的接口电路。DS18B20 只有三个引
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