基于ds1820的室温监测装置的设计说明书本科论文.doc
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1、无锡职业技术学院毕业设计说明书 第一章 引言在工、农业生产和日常生活中,对温度的测量及控制占据着极其重要地位。首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域:消防电气的非破坏性温度检测,电力、电讯设备之过热故障预知检测,空调系统的温度检测,各类运输工具之组件的过热检测,保全与监视系统之应用,医疗与健诊的温度测试,化工、机械等设备温度过热检测。温度检测系统应用十分广阔。本设计运用主从分布式思想,由一台上位机(PC微型计算机),下位机(单片机)多点温度数据采集,组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用 RS-232串行通讯标准,通过上位机(PC)控制下位机(单片机)进行现场温度
2、采集。温度值既可以送回主控PC进行数据处理,由显示器显示。也可以由下位机单独工作,实时显示当前各点的温度值,对各点进行控制。下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS1820的系统。DS1820利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量,轻松的组建传感器网络,系统的抗干扰性好、设计灵活、方便,而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械等。基本功能以及技术要求:1. 采用单片机进行室温的监测。2. 对室温进行实时的显示;当室温达到报警
3、设定值时,应能报警。3. 能设定室温的报警值。4. 室温的测量范围为0100,测量精度0.1。5. 当某处的实际室温超过设定的上下限时,该处的蜂鸣器报警。第二章 基于DS1820的室温监测装置系统工作原理在多点测温系统中,传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换,而为了获得较高的测温精度,就必须采用措施解决由长线传输,多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片DS1820测量温度,输出信号全数字化。便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,此元件线形较好。在0100摄氏度时,最大线形偏不大于1摄氏
4、度。采用温度芯片DS1820测量温度,可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成,使总体电路更简洁,搭建电路和焊接电路时更快。而且,集成块的使用,有效地避免外界的干扰,提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片,也是顺应这一趋势。图1 系统硬件连接框图 至从单片机至PC机交流电源AC/DC开关电源模块通讯端口1声、光报警输出控制显示电路主单片机通讯端口2自检电路 图2-2 主单片机系统硬件连接框图至主单片机交流电源AC/DC开关电源模块DS1820-3声、光报警输出控制DS1820-2DS1820-1 从单片机通讯端口DS1820-4 图3 从
5、单片机系统硬件连接框图第三章 硬件结构31 开关电源及看门狗电路a、电源电路因为单片机工作电源为+5V,且底层电路功耗很小。采用7805三端稳压片即可满足要求。具体电路图如下:图4 开关电源电路b、看门狗电路考虑到底层电路板的工作环境相对恶劣,单片机会受到周围环境的干扰,而出现程序跑飞,死机等一些不可预知的不正常工作现象。工作人员也不可能到现场对单片机重起,本设计为单片机电路添加一个外部看门狗电路。定时查询单片机的工作状态,一但发现异常即对单片机延时重起。保证系统安全可靠的运行。NE56604能为多种微处理器和逻辑系统提供复位信号,其门限电平为4.2V 。在电源突然掉电或电源电压下降到低于门限
6、电平时。NE56604将产生精确的复位信号。NE56604内置一个看门狗定时器,用于监控微处理器,以确保微处理器的正常运行。看门狗能产生一个系统复位信号用来终止任何由于微处理器故障而引发的不正常的系统操作。NE56604的看门狗的监控周期为100mS(典型值)。特性:.正负双逻辑输出的有效复位信号。.精准的门限电平监测。.上电复位内部延时。.可利用外部电阻调节的内部看门狗定时器。.看门狗定时器的监控周期为100mS 典型值。.VCC=0.8VDC时产生有效的复位信号典型值。.仅需很少的外围元件。具体电路图如下:图4 看门狗电路32 键盘及显示电路 键盘电路:单片机应用系统中除了复位按键有专门的
7、复位电路,以及专一的复位功能外,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。键盘有编码和非编码两种。非编码键盘硬件电路极为简单。故本系统采用拨码开关来控制。具体电路如下:图5 键盘电路电路A、开关状态的可靠输入键开关状态的可靠输入有两种解决方法。一种是软件去抖动:它是在检测到有键按下时,执行一个10ms的延时程序后,再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平,如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态,从而消除了抖动影响。另一种为硬件去抖动:即为按键添加一个锁存器。两种方法都简单易行,本设计采用的是硬件去抖。B. 对按键进行编码给定键值或给出键号对于按键无论有无编码,以及采用什么编码,最后
8、都要转换成为与累加器中数值相对应的键值,以实现按键功能程序的散转转移。为使编码间隔小,散转入口地址安排方便,常采用依次序排列的键号。拨码开关值含义0000实时显示通道一的温度值0001实时显示通道二的温度值0010实时显示通道三的温度值0011实时显示通道四的温度值0100实时显示通道五的温度值0101实时显示通道六的温度值0110实时显示通道七的温度值0111实时显示通道八的温度值1*自动循环显示所有通道的温度C. 选择键盘监测方法对是否有键按下的信息输入方式有中断方式与查询方式两种。本设计采用的查询法,即在在CPU空闲时调用键盘扫描子程序。温度显示电路:设计采用的是共阴极七段数码管。显示方
9、式有动态扫描和静态显示,两种方法在本设计中皆可。由于静态扫描要用到多片串入并出芯片,考虑到电路板成本计算。本人采用是节约硬件资源的动态扫描方式。即用两块芯片就可以完成显示功能。显示数据由4511译码器输出,ULN2003为位驱动扫描信号。具体电路图如下:图6 温度显示电路33 温度测试电路这里我们用到温度芯片DS1820。DS1820是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO92小体积封装形式。测温分辨率可达0.0625,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生。CPU只需一根端口线就能与诸多DS1820通信,占用微处理
10、器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。DS1820支持“一线总线”接口,测量温度范围为 -55C+125C,在-10+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。34 串口控制电路AT89C51有一个全双工的串行通讯口,所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件,比如电脑的串口是RS232电平的,而单片机的串口是TTL电平的,两者之间必须有一个电平转换电路,我们采用了专用芯片MAX232进行转换,虽然也可以用几个三极管进行模
11、拟转换,但是还是用专用芯片更简单可靠。具体电路如下:图7 单片机至RS-232转换电路我们采用了三线制连接串口,也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线:第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法,但是对本设计来说已经足够使用了,电路如上图所示。通信线采用交叉接法,即两者信号线对应成为RT,TR。 具体连接电路如下:图8 PC机9针串口电路接线图第四章 元器件的选择4.1 电源部分采用开关电源模块供电,本设计共需要两个等级的电源电压。第一:单片机及其外围接口电路工作需要使用标准的5V直流电压;第二:的声光报警电路本设计采用了12V的直流电源供电,目的就是为了提高声光
12、报警的功率,加大声光报警作用的范围,使得操作人员在附近不远处询查时出现转速异常时也可以较清晰的听到或看到报警信息。为了降低成本,同时考虑到线路中的所需使用较大功耗仅在声光报警时,所以选用AC/DC模块为AC220VDC+12V,将此开关电源模块的输出直接向声光报警电路提供电源,同时将一片LM7805的输入端与开关电源模块的输出端相连,这样开关电源模块输出的12V直流电压经LM7805变换成单片机及其外围接口电路需要的5V的直流电源电压。4.2 温度传感器的选择1、DS1820简介DS1820是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器,在其内部使用了在板(ON-B0ARD)专利技术
13、。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。2、DS1820引脚及功能 DS1820的引脚见右图: GND:接地 DQ : 数据输入/输出脚(单线接口,可作寄生供电) VDD:电源电压3、DS1820的内部结构如下图所示图9 DS1820内部结构图(1)DS1820有4个主要的数据部件: 64位激光ROM。64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码(28H)组成。 温度灵敏元件。 非易失性温度报警触发器TH和TL。可通过软件写入用户报警上下限值。 配置寄存器。配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。DS18B20在0工作时按此寄存器中的分辨率将温度
14、转换成相应精度的数值,其各位定义如图所示。TMR1R011111MSB DS18B20配置寄存器结构图LSB图10 DS1820内部结构图其中,TM:测试模式标志位,出厂时被写入0,不能改变;R0、R1:温度计分辨率设置位,其对应四种分辨率如下表所列,出厂时R0、R1置为缺省值:R0=1,R1=1(即12位分辨率),用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。(2) 高速暂存存储器高速暂存存储器由9个字节组成,其分配如下图所示。当温度转换命令发布后,经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式如
15、图所示。对应的温度计算:当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变为原码,再计算十进制值。配置寄存器与分辨率关系表 :表10 配置寄存器与分辨率关系表R0R1温度计分辨率/bit最大转换时间/us00993.750110187.510113751112750温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRCLSB DS1820 存储器映像图MSB图11 DS1820存储器映像图温度值格式图DS1820 温度数据表:232221202-12-22-32-4MSBLSBSSSSS262524对DS1820的设计,需要注意以下问题(1)对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS
16、1820 进行操作,需要用较为复杂的程序完成。编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行,读、写时间片程序要严格按要求编写。尤其在使用DS1820 的高测温分辨力时,对时序及电气特性参数要求更高。(2)有多个测温点时,应考虑系统能实现传感器出错自动指示,进行自动DS1820 序列号和自动排序,以减少调试和维护工作量。(3)测温电缆线建议采用屏蔽4 芯双绞线,其中一对线接地线与信号线,另一组接VCC和地线,屏蔽层在源端单点接地。DS1820 在三线制应用时,应将其三线焊接牢固;在两线应用时,应将VCC与GND接在一起,焊接牢固。若VCC脱开未接,传感器只送85.0 的温度值。(4)实
17、际应用时,要注意单线的驱动能力,不能挂接过多的DS1820,同时还应注意最远接线距离。另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。典型对应的温度值表:表10 典型对应的温度值表温度/二进制表示十六进制表示+125 +25.0625+10.125+0.50-0.5-10.125-25.0625-5500000111 1101000000000001 1001000100000000 1010001000000000 0000100000000000 0000000011111111 1111100011111111 0101111011111110 0110111111111100 10010000
18、07D0H0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90H4、DS1820的室温监测装置结构原理(1)传感器部分 采用数字温度芯片DS1820测量温度,输出信号全数字化。便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,此元件线形较好。在0100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度。DS1820的最大特点之一采用了单总线的数据传输,由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可
19、以带多个DS1820,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建传感器网络。采用温度芯片DS1820测量温度,体现了系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成,使总体电路更简洁,搭建电路和焊接电路时更快。而且,集成块的使用,有效地避免外界的干扰,提高测量电路的精确度。(2)主控制部分 此次设计采用AT89C51八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小,硬件实现简单,安装方便。既可以单独对多DS1820控制工作,还可以与PC机通信.运用主从分布式思想,由一台上位机(PC微型计算机),下位机(单片机)多点温度数据采集,组成两级分布式多点温度测量的巡
20、回检测系统,实现远程控制。另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用,编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。4.3 单片机本模块采用的主要芯片是AT89C52,该单片机是ATMEL公司生产的低功耗、高性能的8位CMOS微处理器,它自带8K的快速擦写可编程的程序存储器,芯片的制造工艺采用了ATMEL公司的高集成固定存储技术,在程序指令的设置与输出方面和工业标准80C52相兼容。可擦写的特性是程序存储器在系统中能被重写或者通过一种惯用的固化内存的设备来完成,通过结合一种通用8位CPU激光擦除功能整合在一个芯片中。AT89C52是一款功能强大的微处理器,给嵌入式系统提供了较强的灵活性和极为有
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