毕业论文-基于单片机的温度监测系统

1、摘要信息技术的高速发展和广泛应用给人类带来了革命性的进步，随之渗透到人们日常活动的方方面面。因此各种计算机、服务器机房也如雨后春笋般涌现。大量维护工作也由此产生。对于机房的日常管理和维护最重要的就是安全问题。而其中最为突出的问题之一就是防火。本次毕业设计的主要目的就是设计一个基于温度监测的火灾报警系统。本人采用理论探讨与实际开发相结合的方法，研究了美国 DALLAS 公司开发的一线总线技术及其通信协议。并以美国 DALLAS 公司的一线总线技术为核心，连同单片机技术，将火灾报警的温度监测环节予以实现。并且依据该理论，设计出一个廉价、实用的温度监测系统。关键词：一线总线 DS1820 AT89C51AbstractThe high-speed development and wide application of information technology has brought revolutionary progress to and influenced human beings. As the result, the emerged computer单片机技术开发应用;智能传感

2、器应用等。并且以理论分析和该技术方案为基础，在 不断地实验和方案调整中，完成了一个温度监测系统的设计。 2 系统硬件电路设计2.1 基于数字温度传感器的系统硬件设计方案 图21 监测系统示意图DS1820的所有功能、操作均是在单片机控制下进行的，线上接有若干个 DS 1820传感器，即可进行多点的温度采集.值得注意的是所有的命令码均以串行方式通过一线总线输出到DS 1820，读出的数字温度值也以串行方式输入到单片机，并存入数据缓存。2.2一线总线网络根据 DS 1820数字温度传感器的功能特点，选择一线总线的网络结构。该网络基于 DS1820以及一线总线协议。其特点在后面的章节中将有详细介绍，这里不再讨论。 图 22 系统逻辑框图2.3 系统硬件结构框图本系统的硬件，主要由三个部分组成：基于 AT89C51 单片机及其外围电路的主机控制单元； DS 1820 串行组成的一线总线型网络；LED 数字显示及其驱动电路。电路原理图如下图：2.4 结构框图的简要说明2.4.1 基于 AT89C51 单片机及其外围电路的主机控制单元AT89C51 单片机功能强、I/O 口多、但是其内部的数据暂存

3、存储器空间比较小，只有 128 个字节。而 DS 1820 的 ROM 码有 64 位，也就是说，记录一个 ROM 码要占据 8 个字节的 数据暂存存储器空间，再加上用于搜索、温度值存储、指针等操作所必须额外分配的存储 器空间。实际上 AT89C51 单片机内部已经没有多少富余了，在程序编写中发现，10 个 ROM 码是能允许的最大值。哪怕再增加一个 8 字节的 ROM 码都必须使用扩展的片外 RAM。考虑 到本系统目前只计划应用在较小的机房中，监测点不多；同时，本设计的重点在于数字温 度传感器及其一线总线技术的应用研究。因此，没有使用外扩 RAM 的方法来扩大一线总线 网络的规模。相信，即便本系统由于某种原因需要对一线总线网络进行扩展，无论是选择 单片机换型，或者选择外扩 RAM，实现它们都应没有太大的障碍。AT89C51 具有 4 个 I/O 口，它们分别是 P0 口、P1 口、P2 口和 P3 口。利用其中的 3 个 I/O 口，与本系统其它部分连接，分别实现了不同的功能：P1 口连接着由 10 个 DS 1820 传感器组成一线总线网络，还连接着用于显示单个 DS 1820 传

4、感器 ROM 码的接口电路。P0、P2 口连接着 LED 数字显示单元。P0 口连接一片 14 引脚的反相门芯片 7406，用于对 6 个 LED 显示灯的选择控制。同时，7406 也起到了反向驱动器的作用。P2 口连接两片 14 引脚的 7407 芯片，用于发送显示内容。同时 7407 也起到正向驱动器的作用。2.4.2 DS 1820 串行组成的一线总线型网络最多由 10 片 DS 1820 组成的一线总线网络，由三条线连接。它们分别是电源线、数据 传输线、共用地线。电源线根据 DS1820 的要求，使用 5V 的直流供电。在具体设计上可以 和 AT89C51 使用同一个电压源。数据传输线直接连接在 P1 口的 P1.5 引脚上，对应着 P1 寄 存器的 P1.5 数据位，因此主机对总线上的 DS 1820 的操作实际上就是对 P1.5 数据位的操 作。所以在程序设计时需要注意这一点。还有，就是出于对特殊情况的特别考虑，本系统设置了一个插口，用于读出某 个 DS 1820 传感器 ROM 码。这个插口除了中间的引脚连接在 AT89C51 的 P1.6 引脚上，从硬 件上说和一线总线

5、网络的接口没有什么不同。但是从软件上来说，它专用于对单个 DS 1820 的 ROM 码读取。实际的设计上，作者在数据线上设置了一个切换跳线，当需要系统进 行读 ROM 码操作时，就将该引脚接上带 5K 左右上拉电阻的上拉电；需要系统转入正常的 温度监测运行时，就将该引脚的数据传输线连至地线。AT89C51 通过对 P1.6 引脚的读和判断，就可以决定是转入读 ROM 操作还是运行温度监测。 通过一个小小的切换跳线，就可以实现在两种功能之间方便地进行切换。这个跳线以及 DS 1820 插口都设置在主机的面板上，很便于使用。2.4.3 LED 数字显示及其驱动电路LED 显示器的工作情况有两种:一种是温度显示;另一种是 ROM 码显示。DS 1820 测温范 围上限是 125，因此温度的十进制显示需要用 3 位;本系统总线上有 10 个 DS 1820 传感器的温度值需要显示，所以要显示系统为每个传感器自动分配的编号，必须设置 2 位显示； 另外考虑到编号和温度的显示值紧挨在一起可能造成混淆，因此在它们之间还增加了分隔 的一位。最终选择在这里设置了 6 位的 LED 显示。当显示 ROM

6、 码时，即使用十六进制显示，也最少需要显示 16 个十六进制数。因此设计 上，只能是让 6 个 LED 从低位到高位逐个显示三次，如此才能全部显示完。考虑到人工记 录需要时间，所以软件设计上采用无限循环的显示方式。要想中止显示 ROM 的操作，只要 拔下待测的 DS 1820，并且将切换跳线跳至测量温度运行模式即可。本系统使用 7406 和 7407 作为电路驱动芯片，主要是考虑简化硬件设计和软件设计。降低 系统硬件和软件的复杂程度。便于后期调试，以及为将来可能的功能扩展留有余地。系统 还可扩展当 LED 显示超过最高温度后的控制电路，某个监测点的温度超标时将自动开启风 扇降低温度，如温度仍然不能降低到控制的范围内，报警系统将被开启，提醒工作人员予 以有效措施加以控制。2.5 系统可行应用分析由于监测点的数量不确定，系统规模应具有一定的可伸缩性。也就是说总线上的传感器数 量是可以在一定范围内随意增减的。不会因为传感器数量的变化影响系统正常运行。系统必须能够同时监测多个点的温度，因此必须具备地址查询的功能。另外每个 DS 1820 传感器具有一个 ROM 码，这为实现地址查询提供了技术上

7、的可能。为了能支持总线上 的地址识别，对 DS 1820 传感器 ROM 码的事先读取是必要的。因此系统必须具备读取和显 示 ROM 码的功能。作为多路监测系统，确认多个测量点的实际地理位置是必要的。就是说某个传感器被放置 在具体某个地方应该明确。否则，即使系统己经提供了某个线路接点温度不正常的信息， 管理人员也无法确认是哪里的接点出现了问题。在这里解决方案是使用自动排序、双地址方案：64 位的 ROM 码虽然能确认传感器的唯一性，但直接在传感器的现场识别中使用仍然非 常不便。如果主机能够自动为所有挂载在总线上的传感器排序。并且编上方便识别的号码， 就可以很好的解决这个问题。但这也要求主机对传感器的排序结果应该具有唯一性，否则 可能出现系统因某种原因重启后，双地址排序错误的问题。DS1820 本身具有报警功能，当测量的温度值超出主机所设定的上限值或者下限值时， DS 1820 就会向总线发送报警信号，此时正在监听总线的主机将得知报警信息。该功能的 设置使我们在系统设计时增加了手段和实现方法。然而，经过仔细研究，最终认为，使用轮询的方法更为妥当。作为一个报警系统，漏报的 问题是要努力克服

8、避免的。当总线上的一个 DS 1820 出现故障时，即使温度值超标，DS 1820 也不会提供报警。而该传感器的故障情况，管理者也是无从得知的。尽管使用轮询的 访问方式同样无法克服从机意外故障的问题，但由于轮询定期的访问每个 DS 1820 传感器， 作为管理人员就可以及时知道总线上某个从机出现故障，可以及时处理。这样可以提高系 统本身的可靠性，降低了漏报故障发生的机会。由于我国普遍采用的是摄氏温度计量方法。因此最后的测量结果，也应当直观明确地以人 们更为习惯的十进制摄氏温度显示。3 主要元器件介绍3.1 AT89C513.1.1 单片机的选择用微型计算机渗透到测试领域并得到充分发挥，是现代测试技术发展的必然趋势，也是目 前作为智能仪表的设计的一般方法，目前市场上的单片机从数据总线宽度上来分主要有 8 位机、16 位机、32 位机，其中的 32 位单片机近年来在信号分析与处理、语音处理、数字 图象处理等数字信号处理运用领域得到广泛的运用，但在工业测控现场，占主导地位的还 是 8 位机和 16 位机，对本课题涉及的多路温度的监测，运用单片机的主要目的是构成一个 具有一定判断、运算能力以及

9、具有存储、显示、通信等功能的智能测量仪表，它所处理的 信息量和复杂程度由于是温度因而用 8 位机已经足够了。目前，生产单片机的厂商有很多， 尤其是近年来微电子技术、计算机技术的飞速发展，比较著名的有 Intel，Philips，Microchip， Motorola，Zilog， Atmel 等半导体企业。由于采用智能化的数字温度传感器省去了 A/D 转换电路和信号放大电路等外围电路，只 需要从一个 I/O 口引脚引出一条总线就可以连接数个传感器，构成一个多点检测系统。考虑到一般单片机 I/O 口的驱动能力，一条总线上能够搭载的传感器数量是有限的， 传感器数量过多会导致丢失数据和误码的问题。原则上，一条总线上搭载的传感器数量， 应以测试结果为依据。当检测点很多，超过一条总线的负载能力时，根据需要，还可以考虑从软件和硬件方 面进行改进，以期总线上可以搭载更多的传感器。另外，单片机内必须分配足够的存储器以存储 DS 1820 的 ROM 码。由于 DS 1820 的 ROM 码非常长(64 位)，因此将会占据很大的寄存器空间。如果占据的空间太大，就有必要 为单片机设计外扩寄存器。在这里，出于方便开发的考虑，选用了经典的单片机 AT89C51。3.1.2 主要特性与 MCS-51 兼容4K 字节可编程闪烁存储器寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8 位内部 RAM32 可编程 I/O 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3.1.3 管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口,每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚 第一次写 1 时,被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时,P0 口作为原码输入口,当 FIASH 进行校验时,P0 输出原码,此 时 P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门 电流。P1 口管脚写入 1 后,被内部上拉为高,可用作输入,P1 口被外部下拉为低电

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