基于单片机控制的分布式温度检测系统的设计毕业设计论文

本科毕业设计（论文）题目：基于单片机控制的分布式温度检测系统的设计
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8）致谢
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2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：（签名）
年月日
基于单片机控制的
分布式温度检测系统的设计
摘要
温度与我们的生活、生产息息相关。

对于温度检测的要求越来越高，不同的生活领域需要不同的温度。

例如：粮食的储存、海鲜的存放等，都需要特定的温度才行的。

目前，温度的检测已经广泛的用于农业、工业等领域中。

本文研究的是利用数字温度传感器DS18B20与单片机控制设计完成了分布式温度检测系统。

在该系统中PC机作为上机位，下机位以单片机AT89C51为核心，与多片温度传感器组成温度采集模块，完成多点温度的采集、显示及上传。

本文开始先确定了系统的总体设计方案。

采用数字式温度传感器DS18B20、显示器，并确立了单片机AT89C51作为控制器进行数据及信息处理。

硬件的设计，利用DS18B20的“一线总线”技术，只占用单片机的一个I/O就能链接多个温度传感器。

利用显示驱动器MAX7219进行多个显示器的控制，减少单片机的I/O口占用。

网络适配器的设计，使用了RS-232串行端口来完成数据通信。

控制程序采用C语言编写完成，使用Keil-C51开发工具编译。

软件的设计，采用C语言编程进行程序编写，对上机位进行初始化，然后进行数据接收，对温度传感器进行检测数据传输与计算，对显示器进行显示设置。

关键词：DS18B20 显示驱动器MAX7219 AT98C51
THE DESIGN OF THE DISTRIBUTED TEMPERATURE DERECTION SYSTEM BASED ON SINGLE-CHIP
MICROCOMPURE CONTROL
ABSTRACT
Temperature is closely related to our life and production. For the temperature detection requirements are getting higher and higher, different life domains need different temperatures. For example: the food storage, the storage of seafood, etc., all need a specific temperature to do. At present, the detection of temperature has been widely used in the fields of agriculture, industry and so on
This paper studies the use of digital temperature sensor DS18B20 and single-chip microcomputer control design completed the distributed temperature detection system. PC as a reservation in the system, the flight reservation with single chip microcomputer AT89C51 as the core, with multiple temperature sensors temperature acquisition module, complete the multipoint temperature acquisition, display and upload.This article first to determine the overall design of the system. Using digital temperature sensor DS18B20, display, and established the single chip microcomputer AT89C51 as the controller for data and information processing.The design of the hardware, using DS18B20 "1-wire bus", only take up SCM an I/O can link multiple temperature sensor. Use display driver MAX7219 for multiple display control, reduce the MCU I/O port usage.The design of the network adapter, using the RS - 232 serial ports to complete data communication. Control procedures are written using C language, using Keil C51 development tool to compile.The design of the software, programming with C language programming, and some of the flight reservation is initialized, then data reception, testing data and calculation of the temperature sensor, display Settings on the display.
Keywords: DS18B20 Display driver MAX7219 AT98C51
目录
第1章绪论 (1)
1.1 课题研究的目的及意义 (1)
1.2 温度传感器技术的现状与发展趋势 (1)
1.3 课题的研究方法及内容 (1)
1.4 设计的功能、技术指标及主要任务 (2)
1.4.1设计的功能、技术指标 (2)
1.4.2 设计的主要任务 (2)
1.5 章节安排 (2)
第2章方案设计 (3)
2.1 方案构思 (3)
2.2 方案的确定 (4)
2.3 系统总体设计中的关键技术问题 (4)
第3章硬件系统的设计 (5)
3.1 温度传感器的选择 (5)
3.1.1 热电偶 (5)
3.1.2 热电阻 (5)
3.1.3 模拟式温度传感器 (5)
3.1.4 数字式温度传感器 (5)
3.1.5 数字式温度传感器DS18B20的主要特性 (6)
3.1.6 DS18B20的引脚说明 (6)
3.1.7 DS18B20的结构 (7)
3.1.8 测温原理 (10)
3.1.9 连接方式 (10)
3.2 显示器的选择 (11)
3.3 显示驱动器MAX7219 (11)
3.3.1 MAX7219的引脚功能 (12)
烟台南山学院本科毕业设计（论文）
3.3.2 MAX7219的内部结构 (12)
3.3.3 基本工作原理及使用方法 (12)
3.3.4 连接方式 (13)
3.4 单片机AT89C51 (14)
3.4.1 主要特性 (15)
3.4.2 引脚说明 (16)
3.4.3 单片机的连接 (17)
3.5 电平转换芯片MAX232 (18)
3.5.1 MAX232引脚介绍 (19)
3.5.2 MAX232主要特点 (20)
3.6 报警系统 (20)
第4章系统软件设计 ..................................................................... 错误！未定义书签。

4.1 软件分析 ............................................................................. 错误！未定义书签。

4.2 主程序 ................................................................................. 错误！未定义书签。

4.3 温度测量子程序 ................................................................. 错误！未定义书签。

4.4 显示子程序 ......................................................................... 错误！未定义书签。

第5章系统的抗干扰措施 ............................................................. 错误！未定义书签。

5.1 硬件的抗干扰措施 ............................................................. 错误！未定义书签。

5.1.1 双绞屏蔽线长线传输 ................................................... 错误！未定义书签。

5.1.2 利用软件方法抑制尖峰干扰 ....................................... 错误！未定义书签。

5.2 软件的抗干扰措施 ............................................................. 错误！未定义书签。

5.2.1 开机自检 ....................................................................... 错误！未定义书签。

5.2.2 软件“看门狗” ........................................................... 错误！未定义书签。

结论 . (22)
致谢 (23)
参考文献 (24)
附录 (25)
附录一：硬件总体设计图 (25)
附录二：总程序 (26)
第1章绪论
1.1课题研究的目的及意义
温度与我们的生活、生产息息相关。

对于温度检测的要求越来越高，不同的生活领域需要不同的温度。

例如：粮食的储存、海鲜的存放等，都需要特定的温度才行的。

所以对温度的检测是生产生活中非常重要的技术要求。

目前，温度的检测已经广泛的用于农业、工业等领域中。

随着科学技术的发展，温度检测系统不断的完善创新，检测设备也更加精良，传感器DS18B20具有很多的优点，比如它的体积比较小、精准度要高、电压的宽度也更宽了，在使用测量中效果明显[1]。

本课题将这种温度检测设备与单片机相结合使用，力图设计为更完善的检测系统。

1.2温度传感器技术的现状与发展趋势
在改革开放后，我国电子技术发展良好，传感技术逐渐成为产业发展的基础，并且在技术创新、自主研发和竞争能力等方面有了很大的进展，为促进我国经济的发展做出了重要贡献。

由于我国对于半导体的发展较晚，基础设施落后，对于温度传感技术研究还在初级阶段，与国际先进技术相比还存在相当大的差距。

现在国际上常用的温度传感器基本都是国外的一些大公司生产的。

我国相关企业生产的比较少，只有少数机构进行研究生产，但其产品技术较低。

国外情况方面，有众多不同类型的温度传感器，对于有高要求的场合中，美国的DALLAS公司的DS18B20最为优良。

它可以把检测到的温度转化为数字方便读写，比以前的热敏电阻要简便的多。

所以使用DS18B20可以使系统结构更趋简单，可靠性更好，它的体积也非常小，抗干扰性能很好，精确度也很高，使得专业人员都喜欢使用这种传感器。

而对我们这些初学者，它可以让我们在学习生产单片机与温度相关的产品时，能够更好的理解。

1.3课题的研究方法及内容
对于课题的研究，需要广泛的收集整理文献资料，寻找符合设计要求的设备。

本课题研究的是分布式温度检测系统对于温度测量来说，最重要的环节就是对环境温度进行补偿，对数据进行误差分析。

主要研究的内容包括：
（1）选择温度传感器的时候，要考虑测量精度高、抗干扰性强、信号传输处理方便、安装简单、温度补偿容易的器件。

（2）对于硬件的设计，要求结构简单实用、易于操作安装，实用总线技术，节省I/O接口，使系统电路尽量简单。

1.4 设计的功能、技术指标及主要任务
1.4.1设计的功能、技术指标
本次设计，要求的每个点的温度能够本地显示，并且单点测温的功耗要小。

需要系统具有抗干扰的能力。

具体指标如下：
（1）现场测温范围在19—24℃，最小区分度为1℃，标准温度≤1℃；
（2）温度传感器自动检测；
（3）系统可靠通讯距离为300m。

1.4.2设计的主要任务
（1）设计满足上述要求的系统实现方案。

（2）设计多点温度采集电路。

（3）设计实现要求的系统硬件和软件。

1.5章节安排
本论文共分五个章节，第一章是绪论,对课题的研究目的、意义及发展趋势作了简单的介绍，第二章主要是通过对比，确定出系统的设计方案，第三章主要介绍里系统硬件电路的设计，对系统每一部分硬件电路进行了详细介绍，第四章是系统的软件设计，主程序和各个子程序都在第四章进行了介绍，并画出了各个程序的流程图，第五章简单介绍了系统的抗干扰措施。

第2章方案设计
对于温度的检测方法有很多，可选择的器件和技术也是有很多种。

在满足课题要求外，还有充分的考虑到使用环境，因此，结构设计的要简单使用、易于实现，器件的选择要有合适的参数、较低的成本、性能稳定、功耗低。

2.1方案构思
选用成熟的温度传感技术、数据处理技术来构造基本的功能系统。

本系统是要实现温度的测量、上传及显示等功能，所以系统的总体结构可以设计为温度采集模块、系统控制及数据处理模块等模块。

实现本系统方案有以几种方案。

方案一：采用纯硬件的闭环控制系统。

该系统的优点在于速度较快，但可靠性比较差控制精度比较低、灵活性小、线路复杂、调试、安装都不方便。

且要实现题目所有的要求难度较大。

方案二：采用AT89C51单片机为核心，通过温度传感器AD590采集温度信号，
经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，最终经单片机检测处理温度信号。

该方案技术已经成熟，AD转换电路设计较烦琐，而且使用AD590进行温度检测必须对冷端进行补偿，以减小误差。

缺点是调试过程复杂，成本较高，方案原理图如图2.1所示。

图2.1 方案一设计图
方案三：单片机与高精度温度传感器结合的方式。

即用单片机完成人机界面，系统控制，信号分析处理，由前端温度传感器完成信号的采集与转换。

如图2.2所示。

图2.2 方案二设计图
2.2方案的确定
根据以上方案对比，方案三是比较符合要求的，这种方案克服了方案一、二的缺点，所以本课题任务是基于单片机和温度传感器实现对温度的检测。

对硬件电路进行具体设计。

系统由温度采集模块、单片机控制模块、显示及驱动模块、数据上传等组成。

温度采集模块由单片机和多片数字式温度传感器组成。

单片机和PC机相连接进行温度的上传。

2.3系统总体设计中的关键技术问题
根据以上所述的系统总体设计构想，设计中需解决的关键性技术问题如下：（1）系统要进行多点温湿度的测量，在硬件设计时，应尽量使用各种总线技术，以节约系统有限的I/O资源，并使系统电路尽量简单。

（2）由于系统采用了数字式温度传感器，在硬件电路和软件程序设计时，一定要增加抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力，保证系统的稳定性。

（3）由于硬件电路十分简单，为完成系统对多点温度的测量，软件设计必须要有完善的思路，要做到程序简单，调试方便。

第3章硬件系统的设计
3.1 温度传感器的选择
温度传感器种类繁多，不同产品其测量范围与精度是不同的，需要根据各种产品的数据进行判断，选择合适的温度传感器。

3.1.1热电偶
它是根据温度差产生的电动势得到数据的，使用两个不同的导体，链接起来形成回路，进行检测的时候就会产生电动势。

热电偶是利用这样原理进行测温的，直接测温的一端叫做工作端，另一端叫做冷端；冷端和显示器相连，显示热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度。

3.1.2热电阻
它是根据电阻会产生热量进行检测温度的，当温度有变化的时候，电阻的阻值也会产生变化。

所以，只需要检测它的阻值变化情况就能得到温度。

常用的有两个，一个是金属热电阻，它可以测量的温度是-200~500℃，它的优点是测量比较准确、性能比较好。

另一种是半导体热敏电阻，它只能在-50~300℃之间进行检测，它的缺点是其互换性能力不强、线性性能不好，他的优点是温度系数很大，正常的温度下阻值更大。

3.1.3模拟式温度传感器
它能够将多个电路集成在单片IC上，有驱动、信号处理、逻辑控制电路，它的优点是它很小，也非常灵敏，反应的速度也很快。

常见模拟式温度传感器有两种类型，即：
电压输出型：LM3911、LM335、LM45、AD22103。

电流输出型：AD590。

在电压输出型中，LM335系列的传感器具有高精度易娇正的特点。

它的灵敏度很高，一般是10mV/K，工作时的电流是400μA到5mA之间。

3.1.4数字式温度传感器
它主要是将敏感元件、A/D转换单元、存储器等集成在一个芯片上，以数字
信号形式输出测量的温度，使用非常方便，但响应速度较慢。

其中最具特点的传感器是DS18B20。

DS18B20是一种拥有“一线总线”接口技术的数字式温度传感器，它需要的供电电压要求比较低，可进行检测的温度范围很广大，约零下55℃到零上125℃，在编程的分辨率中可以达到9～12位。

其中9对应0.5℃、10对应0.25℃、11对应着0.125℃、12对应0.0625℃。

在出厂时，一般都是设定为12位，它最多只需要0.75s就能把检测到的温度转化成数字。

根据以上传感器的对比发现，数字式传感器DS18B20更加符合本方案的要求。

3.1.5 数字式温度传感器DS18B20的主要特性
（1）可以适应的电压范围比较宽，在3~5.5V之间都是可以的，如果是使用寄生电源的方法，数据线就能够为它供电[2]；
（2）单线接口，只需要一条口线就能和微处理器相连并且双向通讯；
（3）一条三线就能并联多个DS18B20；
（4）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；
（5）要使温度转化为数字量，只需0.9375s就能转化为9位的，0.75s就能转化为12位的，转化速度很快；
（6）它具有很强的抗干扰能力，测量的结果都是以数字信号形式传输的，传送给CPU，也可以传送CRC校验码；
3.1.6DS18B20的引脚说明
DS18B20的引脚图如图3.1所示。

图3.1 DS18B20引脚图
（1）DQ为数字信号输入/输出端；
（2）GND为电源地；
（3）VDD为外接供电电源输入端；
（4）NC 空引脚。

3.1.7DS18B20的结构
DS18B20是由4大部分组成的：64位光刻ROM与单线接口，温度传感器，非易失性高、低温触发器TH和TL，配置寄存器，内部结构如图3.2所示。

图3.2 DS18B20内部结构
64位光刻ROM是在产品出厂之前就已经录入了，我们可以把这64位当做为DS18B20的地址序列码。

其序列号的排列可分出三种代表：前8位是代表产
品类型和型号，中间48位代表着这个数字式温度传感器DS18B20自身的序列号，后面的8位前56位序列号的循环冗余校验码。

设置这个64位光刻ROM，是为了让所有的数字式温度传感器DS18B20都是不一样，只有它们不一样才能在一根线上多连接几个。

数字式温度传感器能够对温度进行准确的检测，在数字信号的转化中，一般都是利用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供的，用0.0625℃/LSB表达，里面的S代表的是符号位[3]。

如表3.1所示。

表3.1 温度寄存器温度存放格式
LS Byte 232221202-12-22-32-4 MS Byte S S S S S 262524它是12位进行转化之后得到的数据，然后是储存到其两个8Bit的RAM里面，在这些二进制里面，MSByte的前5位都是符号位，在测温过程中，如果温度大于0，那么这5位就都为“0”，想要达到目前真实的温度值，只需要把检测到的数值乘以0.0625就能可以了；反之，当检测到的温度是不大于0的，那么这5位就都为“1”，这时想要达到目前真实的温度值，只需要把检测到的数值进行取反后再加上1，之后再乘以0.0625。

例如+10.125℃的数字输出为00A2H，+0.5℃的数字输出为0008H，-0.5℃的数字输出为FFF8H，-10.125℃的数字输出为FF5EH ，如表3.2所示。

表3.2 DS18B20温度与数字输出的对应关系
温度/℃二进制表示十六进制表示
+125 00000111 11010000 07D0H
+25.0625 00000001 10010001 0191H
+10.125 00000000 10100010 00A2H
+0.5 00000000 00001000 0008H
0 00000000 00000000 0000H
-0.5 11111111 11111000 FFF8H
-10.125 11111111 01011110 FF5EH
-25.0625 11111110 01101111 FE6FH
-55 11111100 10010000 FC90H
DS18B20内部的暂存存储器由9个字节组成的，其中前面的两个字节属于
温度信息，第1、2个字节所对应的内容是分别是LS Byte8位和MS Byte8位，
第3字节个是高温限值和第4个字节是低温限值，第5个字节是配置寄存器，第3、4、5这三个字节里面的信息在每次上电的时候都会被刷新，第6、7、8个字
节的内容是用来寄存器内部计算的，第9个字节是CRC校验值[4]，如表3.3所示。

表3.3 高速暂存器
寄存器内容字节地址
温度值低位（LS Byte）0
温度值高位（MS Byte） 1
高温限值（TH） 2
低温限值（TL） 3
配置寄存器 4
保留 5
保留 6
保留7
CRC校验值8
配置寄存器该字节各位的意义如表3.4所示。

表3.4 配置寄存器
TM R1 R0 1 1 1 1 1 其中低五位都是"1"，最前面的一位TM是测试的模拟位，它是用来设置数
字式温度传感器DS18B20是处于工作的状态还是处于测试的状态。

在出厂之前
这位一般都是设置成0。

其中R1和R0都是用来设置分辨率的，如表3.5所示。

表3.5 配置寄存器与分辨率关系
R1 R0 温度计分辨率/bit 最大转换时间/ms
0 0 9 93.75
0 1 10 187.5
1 0 11 375
1 1 1
2 750
3.1.8测温原理
低温度系数振荡器的频率不受温度的影响，产生一种固定频率的脉冲信号，将这个信号传送到减法计数器1，高温度系数振荡器受温度影响较大，随着温度的变化而变化，产生脉冲信号后会传送到减法计数器2，在内部测温电路中隐藏着计数门，当门处于打开状态，DS18B20就会计数低温度系数振荡器所产生的脉冲信号，完成对温度的测量。

当预置被减到0的时候，寄存器的数值就会增加1，减法计数器1的预置会重新设置，重新对脉冲信号进行计数，一直循环下去，直到减法计数器2也到0时停止，此时寄存器的数值就是实际的温度值[5]，测温原理如图3.3所示。

图3.3 DS18B20内部测温原理图
3.1.9连接方式
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。

无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。

根据设计方案将DS18B20的VCC引脚链接外部电源Vcc，GND引脚接地，DQ 引脚和单片机的P1.6引脚相连，具体的链接方式如图3.4所示。

图3.4 DS18B20连接电路图
3.2显示器的选择
根据设计要求，常用的显示器有液晶显示器和数码管显示器。

由于数码管显示器受环境的影响小，还对电源没什么要求，显示的时候还特亮，什么样的环境下都可以正常的显示，其优点非常明显，但它耗电要比液晶显示器大。

3.3显示驱动器MAX7219
本次设计是选择的显示器是共阴极的数码管显示器，所以需要用到驱动器MAX7219，这是一种多位的LED显示驱动器，一次性可以让多个显示器进行工作。

它能够和单片机相连，用3条线的串口接口进行数据的传输工作，能够非常简单的对它的内部参数进行简单的修改，这样就能够控制很多位的LED进行显
示[6]，外形及引脚排列如图3.5所示。