【正文】 目錄智能環(huán)境參數(shù)檢測儀畢業(yè)論文 目錄第1章 引言 1 1 目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 課題設(shè)計(jì)的目的和意義 2 論文主要內(nèi)容 3 多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分析 4第2章 多點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 5 5 6 7 7 DS18B20性能參數(shù)介紹 8 DS18B20的測溫原理 10 DS18B20自動(dòng)搜索算法 11 DS18B20編程設(shè)計(jì) 14 AT89S52微控制器相關(guān)介紹 22 DM1602液晶顯示器簡介 24 MAX232串口芯片簡介 29第3章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及程序編程 31 31 31 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 32 溫度數(shù)據(jù)處理算法分析及程序設(shè)計(jì) 33 溫度數(shù)據(jù)處理算法 33 溫度數(shù)據(jù)處理子程序 35 DM1602液晶接口電路 37 38 MCU與MAX232通信電路設(shè)計(jì) 38 串口通信方式 39 串口通信波特率計(jì)算 41 串口通信硬件連接電路 44 45 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 45 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 46 47 程序流程圖 48第4章 結(jié)論 49參考文獻(xiàn) 50致謝 52附錄 53外文資料原文 66譯文 77第1章 引言第1章 引言環(huán)境監(jiān)控是一個(gè)重要的課題，特別是在工業(yè)應(yīng)用場合中。通過對設(shè)備儀器的工作狀況的監(jiān)控，能夠檢測設(shè)備儀器的各種的工作異常情況，從而避免設(shè)備儀器由于環(huán)境的惡化而出現(xiàn)故障而蒙受經(jīng)濟(jì)損失；而設(shè)備儀器一般都有一定的溫度的環(huán)境因數(shù)特性，在不同的工作環(huán)境下其性能會(huì)有稍微的變化，在精密的儀器和設(shè)備中，這種性能的變化往往是噪聲系統(tǒng)的誤差，從而降低了系統(tǒng)的性能,這種變化可以看成固定的變化，可以通過補(bǔ)償?shù)姆椒ㄐ拚蛘呦?，從而提高系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性。所以有必要通過某種方法檢測不同的環(huán)境參數(shù)，諸如溫度、濕度、電網(wǎng)電壓、電磁干擾等。 目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前溫度檢測儀表種類繁多，常用的溫度檢測儀表如圖11所示。圖11 常見溫度檢測儀表近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)效率的不斷提高，自動(dòng)化水平與范圍的不斷擴(kuò)大，對溫度檢測技術(shù)的要求也愈來愈高，各國專家都在有針對性地競相開發(fā)各種特殊而實(shí)用的測溫技術(shù)，并取得了重大進(jìn)展。新一代溫度檢測元件如圖12所示。圖12 新一代溫度檢測元件 課題設(shè)計(jì)的目的和意義各種環(huán)境參數(shù)中，其中最關(guān)鍵也最常見的一個(gè)參數(shù)就是溫度參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于設(shè)備的溫度過高或者過低,造成的工作故障比比皆是，在普通的工作場合中，可以通過溫度計(jì)人為的檢測環(huán)境的溫度，但是這種方法不方便，并且精度不高，操作性差，無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。特別在對于可靠性要求很高的生產(chǎn)場合中，是不允許有差錯(cuò)的出現(xiàn)，因?yàn)闇囟仍斐傻墓收蠒?huì)帶來非常惡劣的效果。所以在現(xiàn)代的工業(yè)場所中，大體上都是采用溫度濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過總線把各個(gè)地方的溫濕度信息送到集中處理計(jì)算機(jī),進(jìn)行監(jiān)控。傳統(tǒng)的方式一般采用熱電偶或熱電阻，其輸出的模擬信號(hào)，需要經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后才能送入單片機(jī)等微處理器，這樣的硬件電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本較高。近年來，各種新型溫度傳感器和測量方法大量出現(xiàn)并成功應(yīng)用。單總線數(shù)字式智能型傳感器技術(shù)徹底改變了傳統(tǒng)的溫度測量方法，在糧庫測溫系統(tǒng)、冷庫測溫系統(tǒng)、智能化建筑控制系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)等多種系統(tǒng)中都需要多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)。因此，多點(diǎn)溫度測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)尤為重要。本課題基于以上的目標(biāo),制作一個(gè)綜合的測試系統(tǒng)，可以同時(shí)檢測多路系統(tǒng)的溫度信息,并將溫度信息實(shí)時(shí)的上傳到上位機(jī)以供后續(xù)處理?；贏T89C52單片機(jī)、C語言和DS18B20傳感器的多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。論文研究在理論和實(shí)踐方面均具有重要意義，主要表現(xiàn)在：。測量現(xiàn)場的智能傳感器測得被測對象的數(shù)據(jù)信息后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給精密測控儀器或高檔次微機(jī)去分析處理，既節(jié)約了人力物力，又提高了貴重復(fù)雜設(shè)備的利用效率。論文通過溫度傳感器DS18B20提取12Bit溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理，使溫度數(shù)據(jù)可精確到小數(shù)點(diǎn)后4位，這在科學(xué)研究及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都具有重要價(jià)值。添加了蜂鳴器模塊，設(shè)置了溫度的限度并且在PC終端上進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)采集，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控過程和數(shù)據(jù)，使測量跨越了空間和時(shí)間的限制，并且能實(shí)現(xiàn)測量設(shè)備和測量信息等資源的共享。 論文主要內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)有測溫系統(tǒng)的缺點(diǎn)，我們提出了一種新型的測溫方案，具有以下4個(gè)特性：，簡化測溫電路。，利于有干擾現(xiàn)場的應(yīng)用。，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；并設(shè)計(jì)了溫度信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對溫度信息的存查詢、顯示和報(bào)表打印等功能，方便溫度場的分析和模擬。，降低系統(tǒng)的資金投入。為了達(dá)到上述4個(gè)目標(biāo)，我們提出了多點(diǎn)智能測溫系統(tǒng)的方案，并為這個(gè)方案的實(shí)施找到了技術(shù)上的支持：1）選擇DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20作為數(shù)字溫度傳感器，一條單總線上可掛接多個(gè)DS18B20，很方便地組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)，℃；且省去了傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換單元，簡化測溫電路。2）設(shè)計(jì)了實(shí)用的雙層總線結(jié)構(gòu)，分別是室內(nèi)測溫層和溫度數(shù)據(jù)傳輸層。3）采用單總線作為室內(nèi)測溫層總線，簡化布線工作；通過RS232總線實(shí)現(xiàn)溫度采集電路和PC機(jī)之間的串行通信。實(shí)時(shí)溫度高精度測量，本系統(tǒng)能夠通過多個(gè)溫度傳感器(3x7的矩陣)實(shí)時(shí)檢測被測對象的溫度信息，測量精度精確到小數(shù)點(diǎn)后4位。在測量現(xiàn)場通過LCD顯示模塊SMC1602A進(jìn)行本地顯示。根據(jù)實(shí)際需要，所檢測的溫度點(diǎn)數(shù)是可以擴(kuò)展的。 多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分析論文研制的基于智能傳感器的多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)的整個(gè)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖13。圖13 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖其主要功能是在現(xiàn)場對被測溫度進(jìn)行采集、計(jì)算和處理，其中主要包括以下5個(gè)部件的設(shè)計(jì)：a)穩(wěn)壓電源；b)液晶顯示模塊；c)溫度處理控制模塊；d)串行接口；e)溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。85第2章 多點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)第2章 多點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)我們不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場總線的數(shù)字化正好解決了本系統(tǒng)要求的第2特性，而現(xiàn)場總線所具有的多點(diǎn)通信的功能又為第4項(xiàng)特性的實(shí)現(xiàn)掃清了道路。因此，能否選擇一種適合于多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)就成為本系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。目前國際上的現(xiàn)場總線種類繁多，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。既然系統(tǒng)設(shè)計(jì)是為了完成預(yù)期的功能，那么我們完全可以自主構(gòu)建一個(gè)總線結(jié)構(gòu)。溫度傳感器的選擇是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于智能溫度傳感器采用數(shù)字化技術(shù)，能以數(shù)據(jù)形式輸出被測溫度值，具有測溫誤差小、分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)、用戶可設(shè)定溫度上下限、具有超限自動(dòng)報(bào)警功能，并且?guī)Т锌偩€接口，適配各種微控制器，因此我們采用智能溫度傳感器。我們采用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20。因?yàn)楹推渌麛?shù)字溫度傳感器相比，它更適合本系統(tǒng)，比較結(jié)果見表21所示?？梢奃S18B20具有測溫準(zhǔn)確度高、總線掛接負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)勢。它集溫度測量、報(bào)警監(jiān)測和數(shù)據(jù)通信多種功能于一體，并且兼容于DALLAS公司提出的單總線，可以很方便的組成底層總線。由于這層總線的主要功能是完成變風(fēng)量空調(diào)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的檢測，所以稱之為測溫層總線。表21 數(shù)字溫度傳感器的比較傳感器使用總線測溫準(zhǔn)確度測量范圍（℃）總線最多掛接傳感器數(shù)量LM75I^2C3℃25~+1008LM74SPI3℃55~+1258MAX65751Wire℃55~+1258DS18201Wire℃55~+12580~100DS18B201Wire℃55~+12580~100，分辨力可編程測溫層總線由AT89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)完成對總線上所有DS18B20發(fā)布命令和接收數(shù)據(jù)。另外，它還是溫度傳輸層總線不可缺少的一部分。單片機(jī)在獲取溫度數(shù)據(jù)后需要進(jìn)一步和PC機(jī)通信。本系統(tǒng)中只有一個(gè)單片機(jī)和PC進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，通信距離在10m以內(nèi)，因此選擇RS232標(biāo)準(zhǔn)作為串行數(shù)據(jù)通信的物理層協(xié)議。這層總線結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的傳輸，所以稱之為溫度傳輸層總線。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示。AT89C52單片機(jī)P1口的8條口線作為8條單總線，每條單總線上掛接DS18B20，因此完全可以滿足此系統(tǒng)溫度場測量的需要。圖21 測溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：檢測范圍：~℃可擴(kuò)充到：55~+125℃檢測誤差：177?！娌蓸铀俾剩骸?0分鐘硬件平臺(tái):微型計(jì)算機(jī)采用普通的PC機(jī)軟件平臺(tái)(1)Windows操作系統(tǒng)(2)應(yīng)用軟件①溫度數(shù)據(jù)的采集與處理②數(shù)據(jù)的串行通信與存儲(chǔ)功能在20世紀(jì)90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨率只能達(dá)到1℃。目前國外己相繼推出多種高精度、高分辨率的數(shù)字溫度傳感器，所采用的是9~12位A/D轉(zhuǎn)換器，~℃。由美國DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨率數(shù)字溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，℃，測溫精度為177?！?。為了提高多通道數(shù)字溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用調(diào)整逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道數(shù)字溫度傳感器為例，它對本地傳感器、一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為27us、9us。新型數(shù)字溫度傳感器的測試功能也在不斷增強(qiáng)。例如，DS1629型單線數(shù)字溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘(RTC),使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256Byte的E^2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶的短信息。另外，數(shù)字溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展,這就為研究和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。數(shù)字溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)大模式，操作非常簡便。對某些數(shù)字溫度傳感器而言，主機(jī)(外部微處理器或單片機(jī))還可通過相應(yīng)的寄存器來設(shè)定其A/D轉(zhuǎn)換速率(典型產(chǎn)品為MAS6625)。數(shù)字溫度控制器適配各種微控制器，構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng)。他們還可以脫離微控制器單獨(dú)工作，自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀。目前，數(shù)字溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線(lwire)總線、I^2C總線、SM BUS總線和SPI總線。溫度傳感器作為從機(jī)可通過專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。數(shù)字溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適合各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測量功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平?！鎫℃，可選用的常用溫度傳感器有集成溫度傳感器、熱電偶、熱電阻等。集成溫度傳感器(如AD590、DS18B20等)使用方便，信號(hào)易于調(diào)理，它們的測溫范圍普遍窄，一般在200℃以下，基本可以滿足要求。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，其優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、測量范圍廣，常用的熱電偶從50℃~+1600℃均可連續(xù)測量。但需要采用電路或軟件設(shè)計(jì)等修正方法來補(bǔ)償冷端t0≠0℃時(shí)對測溫的影響，使用不便。熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高,性能穩(wěn)定,使用方便，測量范圍為200℃~600℃，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測量精確度是最高的，但在價(jià)格方面偏貴，所以本課題最終選擇DS18B20作為實(shí)際應(yīng)用的溫度傳感器。DS18B20數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個(gè)測溫系統(tǒng)，具有線路簡單、能耗低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。DS18B20本身包括寄生電源、溫度傳感器、64bit激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器(內(nèi)含便箋式RAM)、存儲(chǔ)與控制邏輯、用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器、結(jié)構(gòu)寄存器8bit循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)發(fā)生器等8部分。它通過編程可實(shí)現(xiàn)9Bit至12Bit的數(shù)字值讀數(shù)方式，能將溫度值轉(zhuǎn)化為9Bit和12Bit的數(shù)字量。而且DS18B20與單片機(jī)之間的通信是利用1Wire方式，只要在編程方面多注意這個(gè)傳感器的時(shí)序問題，就能大大簡化這個(gè)系統(tǒng)的硬件規(guī)模，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，同時(shí)，可靠性更高。并且能準(zhǔn)確地讀取溫度信號(hào),進(jìn)而后續(xù)處理。所以選擇DS18B20作為本論文的溫度傳感器很符合設(shè)計(jì)思路。 DS18B20性能參數(shù)介紹DS18B20溫度傳感器特點(diǎn)如下：(1)獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊。(2)在DS18B20中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無二的64位的序列號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中。(3)實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測溫，簡單地多點(diǎn)分布式測溫應(yīng)用。(4)測量溫度范圍在55℃到+125℃之間。(5)可通過數(shù)據(jù)線供電。~。(6)數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。(7)用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置，內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。T092封裝的DS18B20溫度傳感器的引腳排列見圖22所示。圖22 DS18B20引腳圖DS18B20溫度傳感器的引腳功能描述如表22所示。表22 DS18B20引腳功能描述8引腳封裝09封裝符號(hào)說明51GND接地。42DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。對于單線操作：漏極開路。當(dāng)工作在寄生電源模式時(shí)用來提供電源（建“寄生電源”節(jié)）33VDD可選的VDD引腳。工作與寄生電源模式時(shí)VDD必須接地。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖23所示，主要由4部分組成：64bitROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。圖23 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20的測溫原理DS18B20的測溫原理如圖24所示，它運(yùn)用了一種將溫度直接轉(zhuǎn)換為頻率的時(shí)鐘計(jì)數(shù)法。圖24中低溫度系數(shù)振蕩器的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1；高溫度系數(shù)振蕩器隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55℃所對應(yīng)的基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器