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1、沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）第一章 绪论 本章介绍了温度采集与控制系统设计的背景与意义，通过本章，可以了解温度传感器和单片机的发展状况以及相关技术的发展状况。1.1 课题背景与意义温度控制无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，而在当今，我国农村锅炉取暖，农业大棚等多数都没有实时的温度监测和控制系统，还有部分厂矿，企业还一直沿用简单的温度设备和纸质数据记录仪，无法实现温度数据的实时监测与控制。随着社会经济的高速发展，越来越多的生产部门和生产环节对温度控制精度的可靠性和稳定性等有了更高的要求，传统的温度控制器的控制精度普遍不高，不能满足对温度要求较为苛刻
2、的生产环节。 人们对于温度监测技术的要求日益提高，促进了温度传感器技术的不断发展进步。温度传感器主要经历了三个发展阶段：模拟集成温度传感器、模拟集成温度控制器、智能温度传感器。温度传感器的发展趋势：进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片机测温系统等高科技的方向迅速发展。自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代的单片机技术进入了快速发展的时期。近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝着快速，高性能的方向发展，从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各个行业
3、，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。单片机在国内的主要的应用领域有三个：第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括手机、电话和BP机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如键盘、收银机、电表等。除了上述应用领域外，汽车、电子行业在外国也是单片机应用很广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多、能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪表中的误差的修正、线性处理等问题。1.2 本课题的研究内容与目标设计以STC89C52单片机为系统控制核心，结合DS18B20温度传感器、12864液晶显示、BM100无
4、线模块、报警、升温和降温指示灯几部分电路，构成了一整套温度检测，报警及控制系统。DS18B20进行温度采集，然后将温度数据送入单片机进行处理通过串口和无线模块发送出去，另一边单片机串口和无线模块接收然后在12864液晶上显示出来，达到了实时监控的目的，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。在报警系统中，对于超过此限的温度数据将产生报警信号并进行相应的升温或降温操作。本设计采用两片STC89C52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，硬件实现较简单，方便。设计温度采集系统充分发挥了STC89C52单片机的特点，结合现有技术，大大降低了电路
5、的设计复杂度，该系统具有温控准确、操控界面良好、稳定性高、抗干扰能力强等优点。温度采集系统的设计必将给生产生活带来一定的飞跃，大大促进了生产的需要，在以后的发展中更进一步提高效率。本设计的实现目标如下：（1）.温度实时监测本系统在接收端用到了中文点阵式液晶显示器，显示清晰，能够把温度传感器采集来的温度实时显示在屏幕上，达到实时监测的目的。（2）温度远程无线可靠传输BM100模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，嵌入高速单片机和高性能射频芯片。BM100模块采用高效交织纠错算法，具有抗干扰和高灵敏度等特点。BM100模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口速率，发射功率，通信速率等各种参数
6、。BM100模块能够透明传输任何大小数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，同时体积小、传输距离较远，丰富便捷的配置功能，能够应用非常广泛的智能化通信领域。（3）各种附加功能及控制功能完善由单片机分别设置温度报警上下限，超过预定的温度值时报警灯就会亮，相应的给出升温或降温的控制信号。1.3 论文的详细内容安排 本文共分5章。第一章绪论，首先介绍了本文设计的课题背景，然后介绍了温度传感器和单片机的发展状况，最后介绍了论文的内容安排。第二章首先是对温度采集与控制系统的任务分析，对任务明确之后，才能更加准确的进行设计。接着阐述了系统方案的设计，对方案进行了详细分析。第三章介绍了温度采集与控制系统的
7、硬件设计，这些硬件设计是软件编程的基础。第四章阐述了软件的设计过程，也是本毕设所要做的关键性工作。包括软件结构说明，主程序与子程序的设计。第五章则是对软件和硬件进行调试、分析，解决出现的各种问题。之后，对本次毕业设计做出了总结并给出了重要结论，最后做出了社会经济效益分析。第二章 系统方案设计 本章主要内容是对设计任务书进行分析和为完成任务所需要掌握的知识，之后就要从成本、设计周期、等方面进行方案设计。2.1 任务分析1. 主要内容：设计一个基于单片机的远程无线温度采集与监控系统。该系统硬件设计主要包括：主控单元、温度数据采集单元、数据传输单元、电源单元等。软件部分包括：温度数据的采集收发存储与
8、处理、温度控制指令的处理等。2. 主要功能：完成远程温度的数据监测与传输，并能进行报警和相应的温度控制操作。3. 主体思路：熟悉科研课题的环境及毕业设计的具体要求，收集相关资料和调研，熟悉硬件和软件设计环境并完成硬件和软件的设计，完成远程温度采集与控制系统的软硬件设计和调试，最后是工作总结和撰写论文。为完成以上任务，首先要学习51单片机的相关知识：I/O口的输入输出操作、单个I/O的操作、定时器中断、外部中断、串口等。然后是DS18b20的工作原理、管脚意义，如何初始化、读数据、数据处理等。还有对12864液晶的学习，如何写指令、写数据、初始化、设定显示位置等。学会了单个器件的使用还要将他们整
9、合到一起，由于整个系统使用C语言编程，所以要学习并掌握单片机C语言的基本知识。2.2 设计方案本系统设计方案主要包括硬件和软件两个部分。硬件部分包含两个子系统，温度采集系统和温度监测与控制系统，其整体框图如图2.1所示。其中在温度采集模块中有STC89C52单片机、DS18B20温度传感器、以及无线模块BM100。其工作方式是DS18B20将采集的温度通过一个I/O口送到单片机进行数据处理，然后将处理好的数据通过串口和无线模块BM100发送出去。温度监控与控制系统的核心同样是一个STC89C52单片机，它将通过无线模块BM100和串口接收到的温度值在12864液晶屏上显示出来，达到实时监控的目
10、的。另外通过单片机设置温度报警阀值，超过报警阀值时则进行报警提示并进行相应的升温和降温控制信号输出，达到控制的目的。图2.1 整体结构软件设计是驱动这些硬件正常工作的关键。软件部分要分为温度采集程序设计和温度监测与控制程序设计。温度采集子系统程序中包含串口的初始化，即设定好波特率（本系统选用的是9600b/s），然后调用温度处理子程序，在温度处理子程序中系统会用到读温度子程序将温度按位处理，读温度子程序包含DS18B20的初始化、读写子程序等，其流程图如图2.2所示。温度监测与控制子系统程序中要设定相同的波特率，这样才能够接收到数据且不丢失。在接收数据时，系统采用串口中断的方式进行接收，当进入
11、串口中断后，判断起始标志位数据，当判断起始标志位数据成功后，开始按顺序接收数据，并送入存储数组，然后送入显示子程序进行送显，如果判断起始标志位数据失败，则等待并继续进行起始标志位数据判断直至判断成功。报警装置使用的是LED灯，当超过所设定的32，LED将被点亮，并发出降温操作信号；如果低于所设定的30，报警灯也会亮起，并发出升温操作信号，其流程图如图2.3所示。图2.2 温度采集流程图图2.3 温度监测与控制流程图论证该方案的可行性，主要从成本、设计周期等方面进行考虑，分析如下：1、成本分析本设计的核心是2片STC89C52单片机、12864液晶、DS18B20温度传感器、2个BM100无线模
12、块等。经过市场调研，STC89C52单片机单价在4元左右，12864液晶大约40元，DS18B20价位在5元左右，BM100无线模块单价是70元，其他电阻、电容、晶振等也都比较便宜。所以本硬件设计成本相对合理。2、设计周期该设计方案的硬件部分是在学习各单个器件的工作原理后设计出来的，时间主要放在资料的理解和应用上，硬件设计以及制作的时间会随着所收集的资料的理解来进行调整。软件工作的设计重点是C语言的学习，以及时序图的理解和读写操作。设计周期的长短取决于软件的理解及掌握程度。经过分析，此方案成本较低，设计周期合理，并且能较好的达到任务指标，因此设计执行此方案。第三章 硬件设计本章主要阐述了两部分
13、内容，温度采集子系统的设计和温度监测及控制子系统的设计，同时对各个单元进行了详细说明。在温度采集子系统中，DS18B20将采集的温度通过一个I/O口送到STC89C52单片机进行数据处理，然后将处理好的数据通过串口和无线模块BM100发送出去。温度监测与控制子系统的核心同样是一个STC89C52单片机，它将通过无线模块BM100和串口接收到的温度值在12864液晶屏上显示出来，达到实时监测的目的。另外通过单片机分别设置温度报警上下限，超过预定的温度阀值时进行报警，并发出相应的升温或降温控制信号，达到温度控制的目的。单片机的最小系统与其他单元分开设计，以便进行实验和修改。3.1 温度采集传输子系
14、统 3.1.1 STC89C52单片机最小系统的设计STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断
15、，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz， 6T/12T。其管脚如图3.1所示。 基于STC89C52单片机最小系统的设计包括以下2个部分：图3.1 STC89C52管脚图1、复位电路部分复位是STC89C52的初始化操作，只需给复位引脚RST加上一个高电平就可以使其复位，原理图如图3.2所示。图3.2 最小系统复位电路设计原理图2、振荡电路每个单片机系统里面都有震荡电路，STC89C52系统既可以选用内部震荡电路，也可以选用外部震荡电路，本系统选用外部震荡电路。外部震荡电路主要基于一个晶振，该晶振结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快，本系统中所选用的晶振是11.0592MHz。原理图如图3.3所示。图3.3 最小系统震荡电路设计原理图3.1.2 DS18B20接口设计 DS18B20是Dal
