1、摘 要I本科毕业论文（20 届）基 于 单 片 机 的 水 温 测 量 控 制 及 高 温 报 警 系 统 设 计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要现代生活中温度控制系统可以称得上无所不在，热水器系统、空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等家电产品甚至手持式高速高效的计算机和电子设备等，均需要提供温度控制功能。本次系统的系统设计可以用于热水器温度控制系统和饮水机等各种电器电路中。它主要以单片机 AT80C51 为核心，使用单总线温度转换芯片 DS18B20 实时采集温度，通过 4 个数码管显示温度和 4 个按键实现人机对话，并通过数码管显示
2、实现对水温的测量，而且利用了语音报警系统实现高温报警并提供各种运行指示灯用来指示系统现在所处状态，如：温度设置，加热，停止加热，测温等，整个系统通过使用四个按键来设置加热温度和控制运行模式。关键词：单片机 AT89C51,数码管,DS18B20,语音报警 AbstractIIIAbstractIn modern life，the temperature control system can be said omnipresent, for example，water heater system, air conditioning system, refrigerator, electric c
3、ooker, electric fans and other household electrical appliances and even a high performance computer and electronic equipment are required to provide temperature control function. This system can be used for water heater temperature control system and drinking fountains and various electrical circuit
4、s. It is mainly on AT80C51 single-chip microcomputer as the core, the use of single bus temperature conversion chip DS18B20 real-time acquisition of temperature, through four digital display of temperature and four keys to achieve human-computer dialogue, and through the digital display of temperatu
5、re measurement, and the use of the voice alarm system to achieve high temperature alarm and provide a variety of running indicating lamp is used to indicate the state of the system now, such as: the set temperature, heating, heating, temperature. The system uses four buttons to set the heating tempe
6、rature and control of operating mode.Keywords: SCM AT89C5, digital tube, DS18B20, voice alarm目 录IV目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 温度检测与报警系统的发展情况 .11.3.1 温度参数 .21.3.2 温度检测 .31.3.3 语音报警特点 .3第二章 系统总体设计 .52.1 硬件总体设计 .52.2 系统设计方案的讨论 .62.2.1 温度传感器的选择 .62.2.2 主控制部分设计 .82.3 总结 .8第三章 硬件
7、系统设计 .93.1 单片机最小系统电路 .93.2 温度检测模块 .113.2.1 DS18B20 性能特点与内部结构 .113.2.2 DS18B20 的测温原理 .163.2.3 DS18B20 在测温系统中的应用 .173.3 语音电路 .183.3.1 ISD1420 语音芯片介绍 .183.3.2 语音电路录放音的过程 .193.4 键盘显示电路及可编程接口芯片 8279 与单片机链接 .203.4.1 8279 芯片的主要特征是 .203.4.2 8279 的结构 .20目 录V3.4.3 8279 的功能说明 .223.5 串行通信电路 .233.6 RS232 简介 .243
8、.7 MAX232 简介 .253.8 电源电路 .26第四章 系统软件设计 .274.1 软件开发工具的选择 .274.2 系统软件设计的一般原则 .274.3 系统软件设计的一般步骤 .274.4 软件实现 .274.4.1 主程序流程图 .284.4.2 温度传感器程序流程图 .284.4.3 键盘显示流程图 .294.4.4 通信模块程序设计 .31总 结 .32参考文献 .33致 谢 .34附录一 硬件电路原理图 .35附录二 程序源 .36第一章 绪 论1第一章 绪 论1.1 课题背景温度是一个很重要的物理参数，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在工业生产过程中，温度
9、检测和控制都直接和安全生产、产品质最、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各个领域中都受到普遍重视。温度检测类仪表作为温度计量工具，也因此得到广泛应用。随着科学技术的发展，这类仪表的发展也日新月异。特别是随着计算机技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于工业控制领域，形成了智能化的测量控制仪器，从而引起了仪器仪表结构的根本性变革。1.2 温度检测与报警系统的发展情况多路温度的测量、记录、传输在工业及民用领域应用中一直是量大面广的设备之一，所以目前多路温度巡检仪并不少见。甚至其中有很多己经作为典型例题出现在许多关于单片机应用的教科书中，虽然在电路结构、元器件的
10、选择和相应的软件编程上略有区别，但是它们均能以单片机为核心，完成巡检、显示、报警和记录等功能。但是这些温度巡检仪都有一个共同的主要缺点，那就是只能检测的路数不能任意增加。这是由于温度的检测离不开温度传感器，而传统的温度传感器例如 PT100 、K 、J 等都是模拟量输出，需要进行信号的放大和 A/D 转换方能被单片机接受，如果要增加测试路数，那未必定要增加放大器和 A/D 转换器的个数，接线将十分复杂。并且它们的准确性易受环境、接线、放大等因素的影响，因而误差大，远传受距离的限制等，多路共测时，检测效果也大打折扣。随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的要求越来越高，在很多场
11、合，诸如啤酒、饮料、食品、白酒发酵生产线，中频热处理行业的水路温度保护，提升机、通讯机、发电厂等轴温记录，变电所各电节点的温度检测，农业大棚、鸡舍等，温度巡检仪有着越来越广阔的应用与发展前第一章 绪 论2景。监测点的增加，就硬件电路和软件编程而言，并非意味着简单的增加几条电路连线和循环指令，而是与相关的软硬件技术有极为密切的联系。随着单片机技术及其外围芯片、现场总线技术的发展越来越完善，使得设计能够满足对更多测试点的温度的测试、报警、记录等的温度巡检仪成为可能。目前，温度传感器的发展日新月异，种类繁多，各有千秋，特别是数字式温度传感器开始越来越多的应用于温度检测仪表中。所谓数字式温度传感器即集
12、温度感应、变换、数码调制于一体，对外输出数字信号 5。具有抗干扰性好、可靠性高、硬件电路简单、使用方便等优点。尤其是对于数十个乃至上百个点的检测，采用数字式温度传感器便可以摒弃 A/D 转换和放大器，无疑对简化电路起到不可估量的作用。在设计电路时，使用不同的温度传感器，对电路性能有极大的影响。测控对象与计算机之间的信息交换是通过总线进行的，常见的有 C 总线、2ISPI 总线等被广泛应用着，它们技术成熟，有众多的芯片和功能完善的软件相支持 6。近年美国 DALLAS 半导体公司推出了一项新技术-单总线技术，即用一根信号线( 1-wire)在其上可以挂接许多测控对象，甚至电源也经这根信号线馈给，
13、从而可以方便地组建一个测控系统。该技术有较高的性能价格比，适用于温度测控场合，当测控对象很多时更可以显示其优越性，抗干扰性能好，具有 CRC 校验功能，系统简明直观易于掌握。本课题将综合运用先进的元器件和技术设计温度巡检仪，使其可以真正方便地实现对温度监控的自动化，为生产管理部门提供高精度的实时温度，使操作者可以在生产过程中及时了解关于温度的参考信息，保证生产能够在正常的环境温度下进行，对于保障安全生产、节约能源、提高效率、保障产品质量有重要的社会意义。并且在上面提到的行业中，都需要多路同时检测，应用面广，需求量大，任何一个厂的一次使用量都在 10 台仪器以上，因此多路温度巡检仪一旦设计成功并
14、投入生产必将带来良好的经济效益，前景非常广阔。1.3 温度参数 温度检测和语音报警1.3.1 温度参数传统的机械式温度检测仪表在工矿企业中己经有上百年的历史了。一般均第一章 绪 论3具有指示温度的功能，由于测温原理的不同，不同的仪表在报警、记录、控制变送、远传等方面的性能差别很大。例如热电阻温度计，它的测温范围是-200650 ，测量准确，可用于低温或温差测量，能够指示报警、远传、控制变送，但维护工作量大并且不能记录；光学温度计测温范围是3003200 ，携带使用方便，价格便宜，但是它只能目测，也就是说必须熟练才能测准，而且不能报警、远传、控制变送。本文设计的温度范围： C C，精度误差 C，
15、可任意设定温5015.0度的上下限报警。1.3.2 温度检测温度检测的一些基础知识如表 1-1 所示。表 1-1 温度检测基本知识测温方式 类别 仪器名称 测温原理 测量范围 /双金属温度计 固体热膨胀变形量随温度变化-80600压力式温度计 气体、液体在定容条件下，压力随温度变化-100500膨胀式玻璃管液体温度计 液体热膨胀体积量随温度变化-100600电阻类 热电阻 金属或半导体电阻值随温度变化-200650接触式测温仪表热电类 热电偶 热电效应 2001800石英晶体温度计 晶体的固有频率随温度变化-50120其它电学类集成温度传感器 半导体器件的温度效应 -50150光电亮度温度传感
16、器物体单色辐射强度及亮度随温度变化6002400非接触式测温仪表全辐射温度传感器 物体全辐射能随温度变化 7002000部分辐射温度传感器限于特定部分光谱范围工作内辐射能随温度变化光电比色温度传感器两个波长的亮度比随温度变化第一章 绪 论41.3.3 语音报警特点语音报警采用了数字化处理和计算机技术，它具有如下特点：（1）适合大规模工业生产过程的报警常规的闪光报警系统是拟报警窗口上的文字作为运行人员获得报警信息的手段。但是，当生产过程的复杂程度很高时，运行人员需要监视大量的仪表，并且要经常操作许多复杂的控制设备，这些都离不开人的视觉功能。因此，运行人员的视觉负担很重，而听觉能力则没有发挥作用。
17、按照人类工程学的观点，存在着功能运用的严重失衡。而语音报警软件或系统是用语音作为发出报警信息手段，它可以在不干扰运行人员视线的情况下，及时把报警信息告诉运行人员，尤其是在夜间值班时，其重要性更为突出 7。因此，语音报警非常适合大型火力发电厂生产过程的报警。（2）能区分报警发生的先后次序以前的闪光报警系统只能区分每一故障，不能识别报警事件发生的先后次序，因此，不便于事故分析，而语音报警能够区分所有报警事件发生的先后次序，起到了事件顺序记录 SOE 的作用。（3）能记录报警信息在报警信息的处理方式上采用了一些特殊的方式，能够可靠地防止报警信息的丢失，并且可以记录瞬时发生的故障。（4）能取消报警光字
18、牌由于语音成为提供报警信息的主要手段，所以报警窗口的尺寸可以大大缩小，甚至可以取消报警光字牌 88。因此，它显著地减少了报警信息在控制盘、台上所占用的面积，方便于控制盘、台的安装和设计，有利于在控制室实现全CRT 监控。第二章 系统总体设计5第二章 系统总体设计本系统的总体设计思路如下：温度传感器 DS18B20 把所测得的温度发送到AT89C51 单片机上，经过 51 单片机处理，将把温度在显示电路上显示。本设计实现一基于 AT89C51 单片机的温度测量及高温报警系统，应用于大型仓库和工厂等领域的多点温度检测中。该系统将采集到的多个温度信息与设定值进行比较，当超出设定的上限温度时，通过语音电路给出语音提示及报警信号。2.1 硬件总体设计基于单片机的水温测量控制及高温报警系统设计总体设计框图如图 2-1 所示。控制器采用单片机 AT89C51，温度传感器采用 DS18B20，语音电路采用ISD1420,用 4 位 LED 数码管以串口传送数据实现温度显示。单片机温度采集电路8279 芯片数码显示电路电源电路键盘电路语音报警电路图 2-1 总体框图时钟电路复位电路
