智能仪表课程设计（论文）-基于AT89C51单片机的温室多点温度设计.doc

智能仪表智能仪表 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 温室温度检测装置设计温室温度检测装置设计 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间： I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 学 号学生姓名专业班级 课程设计 题目 温室温度温室温度检测检测装置装置设计设计 课程设计（论文）任务 设计任务设计任务 设计可用于农业大棚温室环境使用的温度检测装置。温度的检测结果可在温 室内显示，并由 CAN 总线远传至控制中心。按下显示键，显示器显示温室平 均温度，显示 10 秒后，自动消隐。 技术参数技术参数 1. 温度监测点 8 个，每个监测点距离50 米； 2. 温度范围：050 温度检测精度±0.5 3. 数据远传距离500 米。 设计要求设计要求 1. 设计内容：温度检测电路、单片机最小系统、键盘显示电路、CAN 通信接口电路及相应的软件设计； 2. 硬件电路图应采用绘图软件绘制，所用器件型号、参数标注完整； 3. 对各功能电路的设计说明应指出所选器件型号、本设计中引脚的连 接方法、芯片（端口）地址、外围器件参数，并说明工作过程 4. 软件设计上应按照系统软、硬件功能的划分说明系统软件的功能、 主程序流程图及工作过程说明、主要程序模块流程图等，要求程序 结构完整，应有变量及端口地址定义，应编译通过全部或部分程序 模块。 进度计划 1. 查阅资料，确定设计方案、绘制系统总体结构图、划分软硬件功能（2 天） 2. 设计温度检测电路、单片机最小系统（1 天） 3. 设计键盘显示电路（1 天） 4. 设计 CAN 通信接口电路，完成系统硬件整体电路图绘制（2 天） 5. 编写、调试系统程序（3 天） 6. 修改设计说明书、准备答辩（1 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 III 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 IV 摘要 本文以 AT89C51 单片机系统为核心，由 DS18B20 数字温度传感器、LED 数 码显示管构成的多点温度检测系统。各个温度检测单元能独立完成各自功能，同 时能够根据主控机的指令对温度进行定时采集，测量结果不仅温度的检测结果可 在温室内显示，并可以由 CAN 总线远传至控制中心机中，进行进一步的存 档、处理。按下显示键，显示器显示温室平均温度，显示 10 秒后，自动消隐。 单片机负责控制指令的发送，控制各个温度点进行温度采集，收集测量数据，并 对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和存储。 关键词：单片机；温度传感器；CAN 总线 II 目 录 第 1 章 绪论1 第 2 章 方案论证2 2.1 温度传感器的选型 .2 2.2 DS18B20 的功能介绍 2 2.3 系统设计框图 .3 第 3 章 硬件设计.4 3.1 AT89C51 单片机最小系统设计 .4 3.1.1 单片机的选择4 3.1.2 时钟电路的设计 .4 3.1.3 复位电路的设计5 3.2 温度采集电路设计 .5 3.3 显示电路的设计 .6 3.3.1 显示器电路的设计.6 3.4 CAN 总线传输电路 7 3.5 键盘电路设计8 第 4 章 软件设计9 4.1 程序框图设计 .9 4.2 程序代码见附录 10 第 5 章 课程设计总结11 参考文献.12 附录 13 附录 14 1 第 1 章 绪论 温度对工、农业生产和日常生活有着重大的影响，如空调系统温度检测，电 力、电讯设备之间过热故障预知检测，消防电气的非破坏性温度检测等等，可见 温度监测系统的应用领域十分广泛，因此对温度的检测有着重要的现实意义。 我国人多地少，人均占有耕地面积更少。因此，要改变这种局面，只靠增加 耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。温 室大棚技术就是其中一个好的方法。 温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环 境，来消除温度对生物生长的约束。而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限 制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不 大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。由于温室大棚能带来可观的经 济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。 随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制便成为 一个十分重要的课题。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，通过读取 温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温 度是否过高或过低。如果过高，就对大棚进行降温处理；如果过低，就对大棚进 行升温处理。这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。现在， 随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品 种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。 大型温室大棚的建设对温度检测技术也提出了越来越高的要求。本设计由单片机、 数字温度传感器、显示电路构成的多点温度数据采集系统，可以方便的实现多点 的温度测量，并容易实现数据的远距离传送，系统的抗干扰性好、设计灵活方便。 本系统可以应用在工业及民用常温温度多点检测场合。 2 第 2 章 方案论证 2.1 温度传感器的选型 温度检测系统具有测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等特点。 若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相 应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。 这样，由于外界因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点 多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降， 并且耗费的材料多，不符合经济性。因此，系统的关键在温度检测系统这部分。 方案一： 采用热敏电阻，可满足 0至 100的测量范围，但热敏电阻精度、重复性、 可靠性较差，对于检测 1 摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中,采 用单片温度传感器,比如 AD590,LM35 等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经 过 A/D 转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测 温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到 复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。 方案二 采用温度传感器 DS18B20. DS18B20 是数字温度传感器，输出信号为全数字 化，便于单片机处理机控制，并且省去了传统的温度采样、AD 转换过程，避免了 采样和传输过程中的干扰，具有更高的精度。DS18B20 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 和单片机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。而且 DS18B20 可以实现多点测量，容 易组成传感器网络。 因此，比较两个方案，本系统温度采集部分选用数字温度传感器 DS18B20,其 测温值可以直接以 9 位数字量读出,无需采集信号的放大与 A/D 转换,减少了器件 及接线, 优化了硬件电路部分的设计,使得单片机的数据处理更加直接化,简单化， 选择方案二进行设计。 2.2 DS18B20 的功能介绍 单线数字温度传感器 DS18B20 特性： 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯 简单的多点分布应用 3 无需外部器件 可通过数据线供电 零待机功耗 测温范围-55+125，以 0.5递增。华氏器件-67+2570F，以 0.90F 递增 温度以 9 位数字量读出 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统 表 2.1 引脚说明： 1GND接地 2DQ数据输入/输出脚。对于单线操作：漏极开路 3VCC可选的 VCC 引脚。 说明： DSl8B20 数字温度计提供 9 位(二进制)温度读数指示器件。温度信息经过单 线接口送入 DSl8B20 或从 DSl8B20 送出，因此从主机 CPU 到 DSl820 仅需一条 线。DSl8B20 的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源，因为每一个 DSl8B20 在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个 DSl820 可以存放在同 一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件 DSl8B20。DS18B20 的测量范围从-55 到+125 ，精度为0.06。DS18B20 都可以设置成两种供电方 式即数据总线供电方式和外部供电方式采取数据总线供电方式可以节省一根导线 但完成温度测量的时间较长采取外部供电方式则多用一根导线但测量速度较快。 2.3 系统设计框图 单片机 温度采集电路 显示电路 数据远传电路 键盘电路 图 2.1 系统框图 4 第 3 章 硬件设计 3.1 AT89C51 单片机最小系统设计 3.1.1 单片机的选择 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数 据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容 标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元， 功能强大 AT89C51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各 种控制领域。 AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 IO 口线，两个 16 位定时计数器，一个 5 向量两级中断结构，一 个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静 态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作， 但允许 RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.1.2 时钟电路的设计 AT89C5l 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外 石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，时钟电路如图 3.2 所示。 图3.2 单片机时钟电路 5 外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 C1、C2 接在放大器的反馈回路中构 成并联振荡电路。对外接电容 C1、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的 大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度 稳定性，如果使用石英晶体，电容使用 30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器应选择 40pF±10F。本设计中由于使用总线的控制器 SJA1000，因此单片机的时钟 电路可以和 SJA1000 共用，在这里只画出了单片机的时钟电路。在 SJA1000 当中， 晶振的选择为 26mHz。 3.1.3 复位电路的设计 图3.3 单片机复位电路 当单片机的复位引脚 RST(全称 RESET)出现 2 个机器周期以上的高电平时， 单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 图 3.3 中电容 C3 和电阻 R2 对电源十 5V 来说构成微分电路。单片机的复位操作 使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器 PC0000H，这表明程序从 0000H 地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内 RAM 为随机值，运行中的复位 操作不改变片内 RAM 区中的内容，21 个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。 3.2 温度采集电路设计 采用单线数字温度传感器 DS18B20 作为温度采集部分，本系统需要对 8 个温度温度监测点进行温度检测，因此每个监测点都需要安装一个温度传感器， 共需 8 个 DS18B20 数字温度传感器进行工作。其温度采集的数据由 P1 口送进单 片机进行处理，电路原理图如图 3.4 所示。 6 图3.4 温度采集部分电路 3.3 显示电路的设计 3.3.1 显示器电路的设计 本系统采用四位 LED 数码管作为显示器，其中第一位显示温度的十位，第二 图3.5 LED数码管显示器驱动显示电路图 7 位显示个位，第三位和第四位分别显示小数点后一位和两位。数码显示管与驱动 芯片 74HC595 相连，由单片机控制，实现数码显示管的显示。 74HC595 内含 8 位串入、串/并出移位寄存器和 8 位三态输出锁存器。寄存 器和锁存器分别有各自的时钟输入 (SCLK 和 SLCK) , 都是上升沿有效。当 SCLK 从低高电平跳变时, 串行输入数据 (SDA) 移入寄存器; 当 SLCK 从低到高电平跳 变时, 寄存器的数据置入锁存器。清除端 (CLR) 的低电平只对寄存器复位 (QS 为低电平) , 而对锁存器无影响。当输出允许控制 (EN) 为高电平时, 并行输出 (Q0Q7) 为高阻态, 而串行输出 (QS) 不受影响。74HC595 最多需要 5 根控制 线, 即 SDA、SCLK、SLCK、CLR 和 EN。其中 CLR 可以直接接到高电平, 用软件 来实现寄存器清零; 如果不需要软件改变亮度, EN 可以直接接到低电平, 而用 硬件来改变亮度。把其余三根线和单片机的 I/ O 口相接, 即可实现。 3.4 CAN 总线传输电路 SJA1000 是一种独立控制器，用于移动目标和一般工业工业环境中的区域网 络控制（CAN） 。它是 PHILIPS 半导体 PCA82C200CAN 控制器的替代产品，它增加 了一种新的工作模式，这种模式支持具有很多新特性的 CAN2.0B 协议。管脚排列 说明如表 3.1 所示。 表 3.1 管脚排列说明 符号引脚说明 AD0-AD72，1，28-23多路地址/数据总线 ALE/AS3ALE 输入信号，AS 输入信号 /CS4片选输入，低电平访问 SJA1000 （/RD）/E5微控制器 WR 信号或 E 使能信号 /WR6微控制器/WR 信号或 RD 信号 CLKOUT7SJA100 产生的提供给为控制的时 钟输出信号；时钟控制器的时钟 关闭位可禁止该引脚 Vss18接地 XTAL19输入到振荡器放大电路 XTAL210振荡放大电路输出 MODE11模式选择输入 VDD312输出驱动的 5V 电压源 TX013从 CAN 输出驱动器 0 输出到物理 线路上 TX114从 CAN 输出驱动器 1 到物理线路 上 VSS315输出驱动器接地 8 图3.6 CAN总线传输电路 3.5 键盘电路设计 独立式按键是指直接用 I/O 口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独 占一根 I/O 口线，每根 I/O 口线上的按键工作状态不会影响其他 I/O 口线的工作 状态，独立式按键电路图如图所示。 图3.7 键盘电路 当 K 键未按下时，P2.7 为高电平；当键盘 K 按下之后，P2.7 口变为低电平， 只要读取各个按键的状态，便可获得按键信息，实现温度显示功能。 9 第 4 章 软件设计 4.1 程序框图设计 初始化 显示字符 P 调用温度检测模块 检测是否全部完成 求平均温度 显示温度 调用显示子程序 是否通信 调用通信子程序 修改指针 N Y N Y N Y 图4.1 系统整体流程图 10 开 始 取显示缓冲区首地 址 送字码初值 传送字位码 指向下一个显示单 元 延时 10 秒 字码右移一位 显示完毕 返 回 N Y 图 4.2 显示电路子流程图 4.2 程序代码见附录 11 第 5 章 课程设计总结 本课程设计采用 DS18B20 温度传感器，由单片机 AT89C51 控制，运用 CAN 总 线传输，实现温室大棚温度的实时监测，可实现定点和远距离读取温室大棚的温 度。本设计采用 DS18B20 数字温度传感器，具有线路简单、硬件少、成本低的优 点，应用前景比较广泛，尤其其具有完善的单总线通信协议，无需复杂繁琐的布 线就可以构成多点温度检测系统，充分利用了 AT89C51 和 DS18B20 硬件接口电路 简洁性。设计的系统测温范围广，精度高，具有广泛的适用性。但由于条件的限 制，串口的通讯并不稳定，未对温度数值进行统计处理，这将有待于改进。 12 参考文献 1周航慈.智能仪器原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，2005 年 2李全利.单片机原理及应用技术.北京：高等教育出版社，2001 年 3何立民.单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，2006 年 4沈善铜.塑料大棚综合利用.江苏：江苏科技出版社，2008 年 5孟建华,郝晋霞 AT89S51 系列单片机及在线编程技术.西安工程科技学院学报 2006 年 6关燕君. 基于单片机的高精度信号采集系统的设计.吉林化工学院学报，2006 年 13 附录 系统整体电路图 14 附录 系统部分程序代码 DS18B20 初始化程序 * INIT_1820: MOV DQP, #0FFH NOP MOV DQP, #0 MOV R0,#250 TSR1: DJNZ R0,TSR1 MOV DQP, #0FFH MOV R0,#25H TSR2: DJNZ R0,TSR2 JNB DQ6,TSR3 LJMP TSR4 TSR3: SETB FLAG1 LJMP TSR5 TSR4: CLR FLAG1 LJMP TSR7 TSR5: MOV R0,#06BH TSR6: DJNZ R0,TSR6 TSR7: MOV DQP, #0FFH RET ;读 DS18B20 的程序,从第一通道 DS18B20 中读出两个字节的温度数据 ;出口参数：TEMPER1_L TEMPER1_H ;* READ1_18200: MOV R4,#2 MOV R1,#36H RE001: MOV R2,#8 RE011: CLR C SETB DQ1 15 NOP NOP CLR DQ1 NOP NOP NOP SETB DQ1 RET ;* ;数码管显示子程序 ;入口参数：TEMPER_GE TEMPER_SHI P0 P23,0 ;* DISPLAY: MOV DPTR,#NUMTAB MOV R0, #10 R1L: MOV R1, #250 DPLOP: CLR SLCK MOV R3,#4 MOV R0,#64H DISP1: MOV A,R0 MOV R2,#8 DISP2: CLR SCLK RLC A MOV SDA,C SETB SCLK DJNZ R2,DISP2 DEC R0 DJNZ R3,DISP1 SETB SLCK MOV A,PORT_NO MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A MOV R7,#80 DJNZ R7,$ DJNZ R1,DPLOP DJNZ R0,R1L LCALL DELAY10S CLR R0 RET 16 延时子程序 ;* DELAY500US: MOV R6,#250 DJNZ R6,$ RET DELAY1: MOV R7,#20H DJNZ R7,$ RET DELAY100MS: MOV R6,#200 D2: MOV R5,#250 DJNZ R5,$ DJNZ R6,D2 RET END