【正文】 。24參考文獻(xiàn)25附錄 A 下位機(jī)程序26附錄 B 上位機(jī)程序40學(xué)位論文數(shù)據(jù)集47 III1. 緒論 引言溫度是測(cè)量科學(xué)和工業(yè)過程控制中最重要的幾個(gè)測(cè)量參數(shù)之一。溫度測(cè)量的重要性可以在科學(xué)研究和日常生活中隨處可見，在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中起著舉足輕重的作用。在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域中，都需要對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)。在化工廠中，經(jīng)?？梢钥吹綔囟茸鳛檎谶M(jìn)行的生產(chǎn)過程運(yùn)行進(jìn)程的唯一指示。電力系統(tǒng)中的資料介紹，電力系統(tǒng)設(shè)備的故障相當(dāng)一部分是由于某些部位溫度過高引起的，因此，如何對(duì)電氣設(shè)備關(guān)鍵部位施行溫度在線監(jiān)測(cè)也成為電力系統(tǒng)高壓設(shè)備維修策略中探討的主題之一。在石化產(chǎn)業(yè)、人員稠密的商場(chǎng)、高層建筑中，火災(zāi)隱患不斷增加，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，而火災(zāi)報(bào)帶系統(tǒng)通常將溫度測(cè)量作為現(xiàn)場(chǎng)溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)。溫度測(cè)量的重要性也可以從全球?qū)囟葌鞲衅骱拖鄳?yīng)裝置的投資上看出來(lái)，據(jù)估計(jì)全世界每年的溫度傳感器的銷售額可以達(dá)到幾億美元，如果加上相關(guān)的控制器、指示器以及其他的測(cè)量系統(tǒng)，這個(gè)數(shù)字可以翻幾倍。在溫度檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)中主要涉及到的是單片機(jī)和溫度傳感器，目前，隨著芯片技術(shù)及單片機(jī)功能的不斷發(fā)展和成熟，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多型號(hào)的單片機(jī)和相應(yīng)的外圍模塊化產(chǎn)品，尤以 8051系列和AVR單片機(jī)最為流行。功能強(qiáng)大的各種單片機(jī)的確減輕了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作量，但它存在兩個(gè)問題：其一，在選定單片機(jī)過程中沒有考慮軟硬件的綜合設(shè)計(jì)，即只考慮了硬件的方便性，沒有考慮與之相應(yīng)的軟件，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期中，硬件與軟件的設(shè)計(jì)過程分離且相互獨(dú)立，在系統(tǒng)集成前沒有交互作用；其二，在硬件選擇過程中，沒有考慮系統(tǒng)開發(fā)周期及成本，往往需要購(gòu)買專用的開發(fā)系統(tǒng)及編程器，開發(fā)人員還要花費(fèi)一定的時(shí)間熟悉指令和仿真器，延長(zhǎng)開發(fā)周期。顯然，這種依據(jù)項(xiàng)目功能選擇單片機(jī)的設(shè)計(jì)方法限制了平衡軟硬件的能力，不能充分發(fā)揮軟硬件各自的潛力。當(dāng)最后軟件與硬件組合到一起時(shí)，很可能要對(duì)硬件或軟件進(jìn)行修改，有時(shí)甚至要增加部分特制的硬件，從而導(dǎo)致開發(fā)周期延長(zhǎng)、系統(tǒng)綜合性能下降及潛在開發(fā)費(fèi)用的增加。為此，要在開發(fā)周期和費(fèi)用的限制下設(shè)計(jì)完整的控制系統(tǒng)，需要采用軟硬件綜合設(shè)計(jì)的方法。軟硬件平臺(tái)技術(shù)，正是在軟硬件綜合設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，考慮到單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的獨(dú)特性及其在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中的相似性，以一種通用的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)快速有效的綜合設(shè)計(jì)。用戶只需依據(jù)項(xiàng)目要求編制相應(yīng)程序，即可完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在生產(chǎn)過程的溫度測(cè)試中，從信號(hào)檢測(cè)和輸出控制兩個(gè)方向來(lái)看，單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通常要處理3種類型的信號(hào)： 1①表示生產(chǎn)過程運(yùn)行情況的開關(guān)量信號(hào)，如各種被控設(shè)備的啟停狀態(tài)、接觸器的開閉狀態(tài)、操作面板上的開關(guān)狀態(tài)以及各種物理量的上下限報(bào)警信號(hào)等。②反映生產(chǎn)過程工況和驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)控制裝置的模擬量信號(hào)，如模擬量輸入的重量、流量、轉(zhuǎn)速、壓力、料位、成分等，模擬量輸出的連續(xù)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)閥，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，它們都是一些隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量。③純數(shù)字設(shè)備要求的數(shù)字信號(hào)，如與上位機(jī)進(jìn)行通訊的RS23RS485串行口、微型打印機(jī)等常規(guī)外設(shè)，某些數(shù)字式執(zhí)行裝置（步進(jìn)電機(jī)及數(shù)顯裝置）以及某些數(shù)字式檢測(cè)裝置（光電碼盤，數(shù)字流量計(jì)等）。此類純數(shù)字信號(hào)大都可直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)線或通訊接口相連，其標(biāo)準(zhǔn)性和通用性很強(qiáng)，應(yīng)用十分方便。而前兩類信號(hào)則大多與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)打交道，情況要復(fù)雜得多，這也是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最難標(biāo)準(zhǔn)化、最費(fèi)時(shí)的一項(xiàng)工作。平臺(tái)技術(shù)綜合應(yīng)用軟硬件技術(shù)，力圖綜合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的大多數(shù)測(cè)控系統(tǒng)的主要部分，將數(shù)字信號(hào)輸入、模擬信號(hào)輸入、 A/D多路轉(zhuǎn)換、開關(guān)量輸出、模擬量輸出、鍵盤、數(shù)碼管顯示、與上位機(jī)通訊、看門狗電路、FLASH存儲(chǔ)等硬件部分綜合成一個(gè)硬件平臺(tái)；依據(jù)該硬件平臺(tái)開發(fā)相應(yīng)的鍵盤輸入模塊、數(shù)碼管顯示模塊、 A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字量輸入 /輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、與上位機(jī)通訊模塊等，并由這些模塊綜合成一個(gè)通用軟件平臺(tái)。兩者互為補(bǔ)充，又互為支持。軟硬件綜合設(shè)計(jì)的平臺(tái)技術(shù)概括起來(lái)有如下特點(diǎn)：①開發(fā)效率高。平臺(tái)系統(tǒng)具有應(yīng)用系統(tǒng)的基本框架，用戶只要適當(dāng)修改軟件，即可生成應(yīng)用系統(tǒng)。②實(shí)時(shí)性好。由于溫度測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)基于單片機(jī)MCU，同時(shí)還具有自帶的眾多功能模塊，通過串行口與微機(jī)PC通訊，所以既可以作為獨(dú)立的智能儀表或控制器使用，又可以與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，構(gòu)成功能更強(qiáng)大的集散控制系統(tǒng)。③徹底根除開發(fā)中大量低水平重復(fù)工作，平臺(tái)的可靠性積累，保證基于平臺(tái)開發(fā)的產(chǎn)品具有良好的可靠性，平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化設(shè)計(jì)極大地有利于產(chǎn)品的生產(chǎn)、維修與更新。單片機(jī)有很多種，以下介紹了其中幾種： 1. MCS51系列是我國(guó)較早引進(jìn)的 Intel公司的單片機(jī)產(chǎn)品。它具有體積小，功能全，價(jià)廉，面向控制，應(yīng)用軟件豐富，技術(shù)在不斷更新，開發(fā)應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域的不同需要，因而具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 MCS51系列單片機(jī)無(wú)論是片內(nèi) RAM容量，I/O口功能，系統(tǒng)擴(kuò)展能力，還是指令系統(tǒng)和 CPU的處理功能都非常強(qiáng)。尤其是 MCS51系列單片機(jī)適合于實(shí)時(shí)控制，可構(gòu)成工業(yè)控制器，智能儀表，智能接口，智能武器裝置以及通用測(cè)控單元等等。 2. PIC系列單片機(jī)為近年來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的力推產(chǎn)品。采用 RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）技術(shù)，應(yīng)用范圍廣，通用性強(qiáng)。此系列產(chǎn)品均為內(nèi)置 ROM（OTPROM 2中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）及 EPROM）型，不可在芯片外再擴(kuò)充程序存儲(chǔ)器，由于一次性可編程（OTP） ROM型芯片價(jià)格便宜，芯片封裝精巧（DIP或 SOP型），大大降低了成本，加之指令集易學(xué)習(xí)，入門較容易，再由多家廠商強(qiáng)力引導(dǎo)市場(chǎng)，使用日漸廣泛。最近，甚至有 DIP8封裝的低價(jià)格產(chǎn)品 PIC12C系列面市，內(nèi)置 4MHZ時(shí)鐘，有 6個(gè) I/O口供使用，價(jià)格還不到十元，更能降低產(chǎn)品的成本。為照顧初學(xué)者，PIC系列單片機(jī)開發(fā)裝置除提供常規(guī)的硬件仿真器外，還提供了價(jià)廉物美的純軟件仿真器，與 OTP芯片編程器組成低價(jià)的開發(fā)套件，有多種產(chǎn)品可供選擇。 3. Z8系列單片機(jī)采用 Z80兼容指令集。它曾被譽(yù)為設(shè)計(jì)得最成功的 8位 MPU（微處理器），被首先以單板機(jī)的形式引于國(guó)內(nèi)，國(guó)內(nèi)早期對(duì)其開發(fā)應(yīng)用十分廣泛，因此，軟件資源十分豐富為其極大的優(yōu)勢(shì)。Z8系列單片機(jī)的價(jià)格也非常有競(jìng)爭(zhēng)力，最便宜的 OTP產(chǎn)品也在十元以內(nèi)，并且功能強(qiáng)大。 4. AVR單片機(jī)是 Atmel公司 1997年推出的 RISC單片機(jī)。高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位，在單片機(jī)市場(chǎng)中占據(jù)很大地位。 RISC（精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）是相對(duì)于 CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）而言的。 RISC并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是通過使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理而提高運(yùn)算速度的。 RISC優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令：并固定指令寬度，減少指令格式和尋址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運(yùn)行速度。由于 AVR采用了 RESC的這種結(jié)構(gòu)，使 AVR系列單片機(jī)都具備了 1MIPS/MHz（百萬(wàn)條指令每秒/兆赫茲）的高速處理能力。 AVR單片機(jī)吸收了 DSP雙總線的特點(diǎn)，采用 Harvard總線結(jié)構(gòu)，因此單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分離的，并且可對(duì)具有相同地址的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行獨(dú)立的尋址。在 AVR單片機(jī)中， CPU執(zhí)行當(dāng)前指令時(shí)取出將要執(zhí)行的下一條指令放入寄存器中，從而可以避免傳統(tǒng) MCS51系列單片機(jī)中多指令周期的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的 MCS51系列單片機(jī)所有的數(shù)據(jù)處理都是基于一個(gè)累加器的，因此累加器與程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就成了單睛機(jī)的瓶頸；在 AVR單片機(jī)中，寄存器由 32個(gè)通用工作寄存器組成，并且任何一個(gè)寄存器都可以充當(dāng)累加器，從而有效地避免了累加器的瓶頸效應(yīng)，提高了系統(tǒng)的性能。 片機(jī)都具備在線編程接口，其中的 ATMega系列還具備 JTAG仿真和下載功能；都含有片內(nèi)看門狗電路、片內(nèi)程序 Flash、同步串行接口 SPI；多數(shù) AVR單片機(jī)還內(nèi)嵌了 AD轉(zhuǎn)換器、EEPROM、摸擬比較器、PWM定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能； AVR片機(jī)的 I/O接口具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，灌電流可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、LED等器件，從而省去驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)約系統(tǒng)成本。AVR單片機(jī)采用低功率、非揮發(fā)的 CMOS工藝制造，除具有低功耗、高密度的特點(diǎn)外，還支持低電壓的聯(lián)機(jī) Flash， EEPROM寫入功能。AVR單片機(jī)還支持 Basic、C等高級(jí)語(yǔ)言編程。采用高級(jí)語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)是單片機(jī)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)單片機(jī)用高級(jí)語(yǔ)言編程可 3中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）很容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)移植，并加快軟件的開發(fā)過程。AVR單片機(jī)具有多個(gè)系列，包括 ATtiny、AT90、ATmega。每個(gè)系列又包括多個(gè)產(chǎn)品，它們?cè)诠δ芎痛鎯?chǔ)器容量等方面有很大的不同，但基本結(jié)構(gòu)和原理都類似，而且編程方也相同。 AVR單片機(jī)系列齊全，可適用于各種不同場(chǎng)合的要求。 AVR單片機(jī)共分為三個(gè)系列：低檔：ATtiny中檔：AT90高檔：ATmega 溫度傳感器有模擬傳感器和數(shù)字傳感器兩種 1. 模擬溫度傳感器：有多種輸出形式（絕對(duì)溫度、攝氏溫度和華氏溫度）以及電壓偏移值。后者讓組件在使用單電源的情形下就能對(duì)負(fù)溫度值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。模擬溫度傳感器的輸出還可以送到比較器來(lái)產(chǎn)生超溫指示信號(hào)，或直接送到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入，用來(lái)顯示實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。模擬溫度傳感器適合需要低成本、小體積和低功耗的應(yīng)用。 2. 數(shù)字溫度傳感器：對(duì)于更緊密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求帶動(dòng)了數(shù)字溫度傳感器的發(fā)展。被測(cè)溫度信號(hào)從敏感元件接收的非電量到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號(hào)，環(huán)節(jié)較多，而且模擬信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸?shù)倪^程中，受到的干擾較多，誤差較大。因此，從非電量轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)，一般將其處理過程集成在單片 IC器件體內(nèi)部，這樣就形成了功能強(qiáng)大，精確的數(shù)字傳感器。 研究?jī)?nèi)容 采用軟硬件綜合設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)試，報(bào)警和描繪出溫度的變化曲線。單片機(jī)的選擇： AVR單片機(jī)是 Atmel公司 1997年推出的 RISC單片機(jī)。與其他單片機(jī)相比，它具有高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位，在單片機(jī)市場(chǎng)中占據(jù)很大地位。AVR單片機(jī)共分為三個(gè)系列：低檔：ATtiny中檔：AT90高檔：ATmega。 ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。溫度傳感器的選擇：數(shù)字式傳感器與模擬傳感器相比，由于采取高集成度設(shè)計(jì)和數(shù)字化處理，在可靠性、抗干擾能力以及器件微小化方面都有明顯的優(yōu)點(diǎn)。DS18B20是美國(guó) DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，它使用 1Wire（單線）接口，這種總線只需要一條 I/O線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，及盡簡(jiǎn)化之能事。這種集成化的智能溫度傳感器與模擬傳感器最大的區(qū)別是將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后通過串行通信的方式輸出。DS18B20具有微型化、低功耗、高性能、抗擾能力強(qiáng)、易于與微處理器接口等優(yōu)點(diǎn)適合用于各種溫度測(cè)控系統(tǒng)。硬件和軟件的總體設(shè)計(jì)內(nèi)容：選用 Atmel公司的 AVR型單片機(jī) Atmega16為核心的單片機(jī)開發(fā)板和 4中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）DS18B20數(shù)字溫度傳感器等一些其他元器件進(jìn)行硬件的焊接，調(diào)試電路，對(duì)選用的單片機(jī)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)的功能，下位機(jī)使用 RS232通信口，通過串口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與 PC機(jī)的串口通訊，在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)溫度顯示、上下限設(shè)定和報(bào)警功能，并可以對(duì)一段時(shí)間內(nèi)采集到的溫度值進(jìn)行圖象處理，從而反映出溫度變化過程。 5 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2. 硬件開發(fā)平臺(tái) 為掌握常見非電量的檢測(cè)方法，同時(shí)鞏固和加強(qiáng)學(xué)生已經(jīng)掌握的相關(guān)單片機(jī)知識(shí)和電子技術(shù)，該課程設(shè)計(jì)選用了一種基于 Atmel公司的 AVR型單片機(jī) Atmega16為核心的單片機(jī)開發(fā)板。開發(fā)板的結(jié)構(gòu)原理如圖 。元件標(biāo)號(hào)解釋： Atmega16單片機(jī) 單片機(jī)擴(kuò)展口 RS232轉(zhuǎn)換芯片 LCD調(diào)節(jié)電位器 9芯 RS232通信口（孔） 16X2液晶屏 ISP下載口 1電機(jī)驅(qū)動(dòng)口 單片機(jī)復(fù)位鍵 1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 功能鍵（4個(gè)） 1電源接口（交流 6～12V） 模擬量輸入口（4通道） 1系統(tǒng)電源部分 7 89 10 6 5 4 11 12 3 21 1413 圖 開發(fā)板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 開發(fā)平臺(tái)基本配置： 本課程設(shè)計(jì)開發(fā)板基本組件包括： AVR單片機(jī)開發(fā)板一塊； 9針串口通