【正文】 中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 緒論 設(shè)計(jì)背景和意義溫度是一個反映物體冷熱程度的物理量。溫度的檢測和控制在當(dāng)代日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工程中有著越來越廣泛的應(yīng)用，要求也越來越高[1]。在冶金、化工等工業(yè)生產(chǎn)過程中，廣泛使用的各種加熱爐、反應(yīng)爐等，都要求對溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。在日常生活中，電烤箱、微波爐、電熱水器等電器也需要進(jìn)行溫度檢測與控制[2],而且現(xiàn)在越來越多的地方用到多點(diǎn)溫度測量，比如冰箱的保鮮層和冷凍層是不同的溫度,這就需要多點(diǎn)的測量和顯示可以讓用戶直觀的看到溫度值，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)冰箱的溫度。它還在其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如：消防電氣的非破壞性溫度檢測，空調(diào)系統(tǒng)的溫度檢測等。溫度檢測系統(tǒng)應(yīng)用十分廣闊[3]。 國內(nèi)外同類設(shè)計(jì)概況目前多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的多點(diǎn)溫度檢測儀器來講，發(fā)展水平仍比較落后，和德國、美國等發(fā)達(dá)國家相比有著很大差距。采用51單片機(jī)來對溫度進(jìn)行檢測和控制，不僅具有成本低廉、控制方便和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對溫度的處理問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題[4]。 本課題要解決的問題和方法本文基于AT89C51單片機(jī)，由兩片DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境溫度，兩片DS18B20溫度傳感器采用單總線連接方式，統(tǒng)一連接于單片機(jī)的同一IO口，由LCD1602將采集的溫度實(shí)時顯示出來，當(dāng)溫度超過設(shè)定的溫度值范圍，單片機(jī)控制外圍電路中的蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警，并且利用max232實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。因此主要電路包括：單片機(jī)系統(tǒng)電路，溫度采集電路，溫度顯示電路，上位機(jī)通信電路，報(bào)警電路等組成。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案的選擇該設(shè)計(jì)主要由溫度測量，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理部分組成，實(shí)現(xiàn)方案有很多種，下面將列出兩種經(jīng)常用到的實(shí)現(xiàn)方案。 設(shè)計(jì)方案一采用熱敏電阻傳感器。隨著環(huán)境溫度的變化，熱敏電阻的阻值也發(fā)生線性變化，電阻兩端的電壓也隨著電阻的線性改變而發(fā)生相同的變化，用處理器采集電阻兩端的電壓，然后根據(jù)公式計(jì)算出當(dāng)前的環(huán)境溫度值。數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有A/D 通道的單片機(jī)或使用專業(yè)的A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，同時對溫度進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警和控制[5]。此方案的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，體積小，精確度高，但是它們也存在著輸出電壓小、抗干擾能力差的缺點(diǎn)，并且這種設(shè)計(jì)需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，因此此類設(shè)備需要比較多的外部硬件支持，硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高。 設(shè)計(jì)方案二采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，℃，穩(wěn)定性好，被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，輸出信號全數(shù)字化。多個DS18B20可以接在一根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，便于單片機(jī)控制及處理，省去傳統(tǒng)測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的性能比較穩(wěn)定，線形較好，在0—100176。C時，最大線性偏差小于1176。C。DS18B20采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，在同一條總線上可以掛接任意多個DS18B20傳感器，可以同時測量多個環(huán)境溫度，同時也提高了單片機(jī)IO口的利用效率。由DS18B20和單片機(jī)AT89C51構(gòu)成的溫度測量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號，測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，體積也不大[6]。采用51單片機(jī)控制，軟件編程的自由度很大，可通過C語言編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便。另外51單片機(jī)在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。該系統(tǒng)利用AT89C51單片機(jī)芯片控制多個溫度傳感器DS18B20進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時溫度檢測并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量多個地點(diǎn)的環(huán)境溫度并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報(bào)警溫度進(jìn)行報(bào)警和相應(yīng)的控制處理[7]。從以上兩種方案，容易看出方案二的測溫裝置電路更簡單、實(shí)現(xiàn)更方便、程序設(shè)計(jì)也更容易實(shí)現(xiàn)，故本次設(shè)計(jì)采用了方案二。 系統(tǒng)的構(gòu)成本設(shè)計(jì)是以51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的一種多點(diǎn)數(shù)字溫度報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)整體硬件電路包括單片機(jī)晶振電路，復(fù)位電路，電源電路，2路溫度采集電路，溫度顯示電路，報(bào)警電路，上位機(jī)通信電路等組成。： 硬件電路系統(tǒng)框圖單元模塊功能如下：系統(tǒng)的核心器件是51單片機(jī)，它是整個系統(tǒng)的核心，由它來控制協(xié)調(diào)各外圍電路模塊的正常工作， 本設(shè)計(jì)采用較為常見的AT89C51單片機(jī)。 本設(shè)計(jì)的單片機(jī)的電源電路設(shè)計(jì)了兩種供電方式，一種是采用計(jì)算機(jī)的USB口，單片機(jī)的工作電壓為5V，計(jì)算機(jī)的USB口恰好能直接提供5V的直流電壓，因此采用計(jì)算機(jī)的USB口供電較為簡單。第二種供電方式采用三端固定式穩(wěn)壓模塊7805，7805芯片外接12V電池組或穩(wěn)壓電源，12V電壓經(jīng)過7805能輸出5V電壓[8]。溫度檢測電路由2路DS18B20構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測。DS18B20是美國 DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它內(nèi)部含有AD轉(zhuǎn)換芯片，,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，能直接讀出被測溫度，而且DS18B20采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸，可以在一條總線上掛接任意多個DS18B20，每個DS18B20芯片擁有唯一的序列號，只需在程序中通過訪問不同的序列號，就可以通過一條總線控制全部的DS18B20芯片。提高了單片機(jī)I/O口的利用率，電路也十分簡單。報(bào)警功能由蜂鳴器完成，在程序中預(yù)先設(shè)定了報(bào)警界限，即當(dāng)溫度超出或低于所設(shè)定的溫度范圍時，將單片機(jī)的I/O口拉高，使蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，另外為了區(qū)分不同的DS18B20溫度不再界限內(nèi)，在單片的兩個I/O分別接了不同顏色的發(fā)光二極管，以達(dá)到區(qū)分的目的。顯示模塊則由LCD1602顯示，LCD1602可以顯示兩行字符，所以上下兩行分別顯示不同兩點(diǎn)的溫度。與上位機(jī)通信模塊采用MAX232芯片，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5Ｖ單電源供電。 系統(tǒng)的工作過程系統(tǒng)由DS18B20采集溫度后進(jìn)行轉(zhuǎn)換再把溫度數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)控制LCD1602進(jìn)行同步溫度顯示，同時對溫度值進(jìn)行處理，當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定值后，由蜂鳴器和發(fā)光二極管產(chǎn)生報(bào)警。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用AT89C51為主控器，兼容所有89C51單片機(jī)。 89C51單片機(jī)簡介。它把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本功能部件都集成在一個集成電路芯片上。它由如下功能部件組成[9]：（1） 微處理器（CPU）（2） 數(shù)據(jù)存儲器（RAM）（3） 程序存儲器（4K Flash ROM）（4） 4個8位可編程并行I/O口（、P2口、P3口）（5） 1個全雙工串行口（6） 2個16位定時器/計(jì)數(shù)器（7） 中斷系統(tǒng)（8） 特殊功能寄存器（SFR）圖 89C51單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)1 CPU89C51單片機(jī)中有1個8位CPU，與通用的CPU基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的位處理功能。2 數(shù)據(jù)存儲器（RAM）片內(nèi)為256B，片外最多可擴(kuò)展64KB。片內(nèi)128B的RAM以高速RAM的形式集成在單片機(jī)內(nèi)，可以加快單片機(jī)運(yùn)行的速度，而且這種結(jié)構(gòu)的RAM還可以降低功耗。3 程序存儲器（ROM）程序存儲器用來存儲程序。89C51片內(nèi)集成有4KB的Flash存儲器，片外可外擴(kuò)至64KB。4 中斷系統(tǒng)5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。5 定時器/計(jì)數(shù)器片內(nèi)有3個16位的定時器/計(jì)數(shù)器，具有4種工作方式。6 串行口1個全雙工的串行口，具有4中工作方式?？蛇M(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行I/O，甚至于多個單片機(jī)相連構(gòu)成多級系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的應(yīng)用更廣。7 P1口、P2口、P3口、P0口4個8位并行I/O口。8 特殊功能寄存器（SFR）共有21個特殊功能寄存器，用于CPU對片內(nèi)各功能部件進(jìn)行管理、控制和監(jiān)視。特殊功能寄存器實(shí)際上是片內(nèi)各個功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，這些特殊功能寄存器映射在片內(nèi)RAM區(qū)80H~FFH的地址區(qū)間內(nèi)。二、AT89C51單片機(jī)引腳功能說明： AT89C51引腳圖（1）電源引腳VCC（40腳）：接+5V電源GND（20腳）：接地。（2）時鐘引腳 XTAL1（19腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器電路的輸入端。XTAL2（18腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。（3）控制引腳RST（9腳）：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。單片機(jī)運(yùn)行時，在此引腳加上持續(xù)時間大于2個機(jī)器周期的高電平時，就可以對單片機(jī)完成復(fù)位操作。/VPP（31腳）：當(dāng)引腳為高電平時，89C51單片機(jī)讀片內(nèi)程序存儲器，但在PC值超過8KB時將自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器中的程序。為低電平時，對程序存儲器的讀操作只先頂著外部程序存儲器。（4）I/O口引腳P0口：8位，漏極開路