智能化温度自动采集系统

摘要
现代农业生产离不开环境控制，本文针对温室智能化控制存在的诸多因素，将智能传感器DS18B20与单片机AT89C52控制相结合，提出了基于单片机的智能化温度自动采集系统的设计方案。

在系统硬件设计中，整个系统由数据采集系统、单片机控制系统和计算机监控系统组成。

系统以单片机为核心，以多个温度传感器作为测量元件，通过单片机与智能传感器相连，实现数据的采集、存储和显示，最终将数据通过串口传送给计算机。

在软件设计中，系统采用了层次化、模块化设计的方法，主要编写了主程序和温度采集、键盘扫描等子程序。

该系统的主要特点就是可以实现大棚温度的实时监测，能够较远距离的传输温度信号，并且测量范围较广，测量精度较高。

关键词：智能温度传感器DS18B20 单片机AT89C52 温度采集显示
Abstract
Modern agricultural production is inseparable from the environment control.This intelligent control for greenhouse will be among the many factors that intelligent sensor DS18B20 combination of the control and SCM AT89C52. This thesis proposes a design of intelligent automatic temperature acquisition system.
This hardware design system adopts hierarchical, modular design. The whole system consists of data acquisition system and single-chip microcomputer control system and computer monitoring system composition. System based on SCM, with multiple temperature sensor as measuring element, through the single-chip microcomputer and intelligent sensor is linked together, realize the data acquisition, storage and display,this eventually data will transmitted through serial computer. In software design, system USES a hierarchical, modular design method, the main program mainly prepared with temperature gathering, keyboard scan a subroutine and so on.
The system's main characteristic is can realize real-time monitoring, trellis temperature to the greater distance transmission temperature signal a wider range, and measurement, high measurement precision.
Keywords：Intelligent temperature sensor DS18B20 SCM AT89C52 Temperature gathering display
目录
第1章绪论 (1)
1.1课题研究目的和意义 (1)
1.2国内外研究现状 (3)
1.3本文主要研究内容 (6)
第2章系统总体方案设计 (7)
2.1系统组成 (7)
2.2系统控制方案设计 (7)
2.3系统总体方案设计 (8)
2.3.1 系统控制器的选择 (8)
2.3.2检测元件的选择 (10)
2.3.3 外围接口设备的选择 (12)
第3章系统硬件设计 (16)
3.1控制单元电路设计 (16)
3.2信号检测电路设计 (22)
3.3 外围设备接口电路的设计 (23)
3.3.1显示器接口电路设计 (23)
3.3.2键盘接口电路设计 (25)
3.3.3串口通讯电路设计 (26)
3.4 系统硬件原理图 (27)
第4章系统软件设计 (29)
4.1 总体设计思想 (29)
4.2 主程序设计 (32)
4.3 数据采集子程序设计 (35)
4.4 键盘显示子程序 (37)
第5章总结 (39)
致谢 ............................................................................................. 错误！未定义书签。

参考文献 . (41)
附录1：智能化温度自动采集系统硬件原理图 (43)
附录2：智能化温度自动采集系统程序清单 (44)
第1章绪论
1.1 课题研究目的和意义
随着科技发展的脚步越来越快，各行各业对于温度检测的要求越来越高，无
论是对于机器温度的检测，还是厂房温度的控制，甚至在日常家居温度的监控中，智能化温度自动采集系统都成为其中必不可少的一部分。

由于各个行业对测温系统的要求越来越高，这必然引起了我们对智能化温度
采集的重视。

迈入21世纪后，温度传感器也正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性，以及向开发虚拟传感器和网络传感器等高科技的方向迅速发展。

进而使温度的测量和控制占据了更加重要的地位，消防电气的非破坏性温度
检测，电力、通讯设备的过热故障预知检测，空调系统的温度检测，医疗与诊断
设备的温度测试，粮仓的温度监控，军械库房、数控车床等等设备的温度过热检测，大到国家企业，小到居家生活都与温度检测密切相关，可见智能化温度采集
系统的应用十分广阔。

温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、煅烧、浓度、结晶以及空气流动等物理和化学过程。

温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产量等一系列重大问题。

因此在现代社会对于温度采集和检测的意义就越来越大。

传统的温度控制系统采用模拟电路设计，存在不可避免的缺陷，如系统的电路结构复杂，操作困难，系统电路所需的功率较大，易出现温度的漂移，缺乏友好的人机界面，温度控制的实时性差等。

这些缺点都源于温度控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。

采用单片机进行温度控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面都具有重要的现实意义。

同时，单片机还具有很强的可扩展性，它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理功能。

温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中得到了广泛应用。

在工业生产中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。

使用智能化温度自动采集系统可以对生产环境的进行自动监控，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高生产效率。

伴随信息领域各种技术的发展，采集数据的信息化也成了目前社会的主流发展方向。

并且这种数据采集方式已在石油勘探、地震数据采集等领域得到了应用。

再辅之以测控技术的迅猛发展，以嵌入式计算机为核心的数据采集系统已经在测控领域中占到了统治地位。

数据采集系统就是将现场采集到的数据进行处理、传输、显示、存储等操作，而它的主要功能则是把模拟信号转变成数字信号，然后进行分析、处理、存储和显示。

恰好与之相符的是，我们想要设计的智能化温度自动采集系统必须可以适用于各种恶劣环境并满足其对温度控制方面的不同要求，故我们设计的系统不仅要灵活、抗干扰性好而且在数据采集及处理方面要做到精准和及时，这样才能保证我们设计的温度采集系统无论应用于哪个领域，都能有较高的工作效率，便捷的实时操作与监控方式，除此之外，还可以取得不菲的经济效益。

我们设计智能化温度自动采集系统的主要目的是为了实现对被测物体的实时监测，以及当其发生温度的骤变时，我们能够及时的采取相应措施进行弥补和挽救，尽量避免和减少因为温度不适给机器和工厂带来不必要的经济损失。

有这样一组调查报告我们可以关注一下，我国有13多亿人口，其中就有9亿多农民，可见保持粮食生产和流通的稳定至关重要。

粮食仓储和流通设施的建设意义也很重大。

由于粮食仓储规模逐渐增大以及多种仓型和供应的需要，已经使目前的粮仓储备仓容严重不足。

每年由于粮食霉坏变质，鼠咬虫蛀和跑冒滴漏等各种情况，就可能造成巨大的经济损失。

以中型粮库为例的一套粮温检测与控制系统平均价格仅相当于粮食价格的1.27％，而每年由于粮食霉坏变质，鼠咬虫蛀和跑冒滴漏等问题造成的粮食损失最少在5％以上，所以智能化温度自动检测系统在粮仓建设方面具有直接作用，不但能产生巨大经济效益，也具有重大的社会效益。

随着粮食产量的逐年增加，传统的人工查看粮温的方法现已逐步被电子测温设备所取代。

准确及时地检测粮堆各部位温度湿度两项生态因子，即可得到粮堆内部多种生态环境变化数据，准确地反映和显示粮堆内部各处温度、湿度、粮食水分、绝对湿度、饱和湿度等粮堆气象状况，结合外温外湿、仓温仓湿及粮质，计算机粮情检测系统就可较全面地分析粮堆内虫害霉菌的繁衍活动规律，以及粮堆内外生态环境状况等储粮相关数据，实时控制指导粮仓密闭、机械通风、降温制冷等设备运行，以控制粮堆的温度。

同时通过大量检测的数据进行统计、综合、预测分析，控制粮仓设备等处于安全运行状况，对粮食不用药物熏蒸，确保储粮品质，实现绿色保质保鲜储粮。

由此可见，在工、农业生产和日常生活中，各个环节都与温度紧密相联，在一些工业自动化系统中，一般温度检测点占全部检测点的50%以上，可见温度的测量及控制占据着极其重要地位。

温度已成为大多数仪器正常工作的前提，而且对温度的要求也越来越严格。

因此，对于智能温度采集方法的研究也越来越受到人们的重视。

1.2 国内外研究现状
随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化温度自动采集已是现代温度控制系统发展的主流方向。

特别是近年来，国内外在多路温度采集装置的设计上都有了比较成熟的设计技术，这系列的产品不仅性能高、价位低，而且是利用大屏幕液晶显示可以同时观看到多通道温度的变化，十分适合于智能化的温度自动采集。

1.国内的研究现状
国内的智能温度采集器普遍具有以下七大特性：
（1）快速的设定模式，所有重要的测量数据都放置在同一位置，设定过程简单，拥有可拆卸式输入端子，可以把每8个通道作为一个单位移动输入端子，令配线更加简单。

此外端子模块可单独购买，增加了系统使用的灵活性。

（2）多通道输入技术，拥有标准配置的USB接口，能够可靠记录采集到的数据。

用户不仅可以一键保存测量数据，而且能直观明了的观察到数据显示。

温度采集装置拥有最高32通道的直接插槽，接上热电偶就可以测量，还有1个无限扩
展插槽，可以接受模块组合。

无论用户是需要少数几个简单的数据记录通道，还是需要数百上千个性能通道，智能温度采集装置都能满足客户的温度采集要求。

此外，各通道间都互为绝缘，具有较强的耐共模噪声，在广泛的现场应用中可以进行可靠的数据采集。

（3）多点同时采样技术，以单通道每秒一次的测量周期，与以往的温度巡检装置不同的是，智能温度采集装置能够真正的做到每通道同时采样同时显示，因此用户可以采集更加详细的数据。

（4）大容量内存，国外的温度采集装置多配有外部U盘转存接口，这样可以更大要求的满足用户存储时间长的要求，用户还可以根据自己不同的存储要求配备不同的U盘容量。

如果一旦发生断电现象，数据会自动保存在U盘中，决不用担心数据丢失，当再次恢复供电时智能温度采集装置便会自动恢复温度采集。

（5）具有高可靠性的硬件设备，国内设计的智能化温度自动采集装置一般用电子开关管作为切换输入信号的扫描仪。

它是由隔离电压达到3000VDC及3nA低漏电流的MOSFET和光电耦合器构成，能够达到10采样点/秒的高速扫描，区别于传统的继电器采样模式，延长了扫描仪的使用寿命并且消除了噪声。

（6）外部存储媒体功能，该功能可确保文件自动保存到外部存储媒体时，始终保留最新数据。

当外部存储媒体的容量已满或超过最大可存储文件数时，旧文件自动删除以保存新文件。

外部存储媒体功能可以让用户长时间连续使用，无需更换外部存储装置。

（7）智能分析和显示，国内外的智能温度采集装置都拥有一个或多个超清晰宽视角LCD液晶显示屏，可以将温度采集的实时数据进行显示，同时可以把数据和曲线以文本格式保存在外部存储器中。

利用相应的软件便可查看数据或者曲线，然后做出分析。

除了以上的主要特性外，智能温度自动采集装置可以设定参数选用1～32路任意路测量，测量时间间隔可以由用户自由设定，可为1ms～99m，常用的温度采集装置都会有报警系统，用户可以自行设定温度上下限和选择单一报警通道还是全部通道报警，且温度单位摄氏（℃）和华氏（℉）可以自动转换。

仪器的分辨率可以达到0.1℃，温度采集的范围为－50～150℃，测量精度优于0.5级，配有计算机系统软件采集温度数据，绘制温度曲线，同时将温度数据曲线保存在上位
机中。

2.国外的研究现状
与国内的智能温度自动采集系统相比较，国外设计的温度采集系统在某些方面比我国的优越一些。

它可配置成20～120个通道，6位半分辨率，0.004%基本直流电压精度和极低的读数噪声，250通道/秒的扫描速率，配有HP-IB和RS232接口，并带有内置信号调整的输入通道，这样就可以使用户在第一时间内完成温度采集所需要的速度和精度。

近年来，无论在科研实验、大棚蔬菜种植、各种动物养殖还是卫生医疗等场合经常要用到智能化温度采集系统。

利用上位机将采集到的多点温度进行分析处理是非常方便的。

目前上位机的数据接口最方便的就是通用串行总线USB。

USB 总线具有连接方便，无需外接电源，即插即用，支持热插拔，动态加载驱动程序等特有优点，在主机和数据采集系统之间可以实现简单、快捷、可靠的连接和通讯。

在测试设备与计算机之间建立有效、灵活、低功耗、可靠的通讯方式。

实现测试仪器高速、便捷、网络化是当今仪器发展的一个重要方向。

然而通过利用USB 作为数据采集与交换的方式的广泛应用，我们发现目前使用的大多数USB设备都属于USB外设，它们之间进行数据的交换都离不开作为USB主机的PC，这又给室外检测或监控设备的使用带来困难。

如图1-1所示：
图1-1 多路温度采集器
1.3 本文主要研究内容
智能化温度自动采集系统的技术指标：
测量范围：0～120℃；
控制精度：±0.5℃；
采样点数：32点；
循环采样时间：60秒；
实时时钟：12小时或24小时；
显示位数：8位显示；
传输内容：点号、时间、仪器号；
并且具有与上位机通讯的功能。

第2章系统总体方案设计
2.1系统组成
我国是农业大国，大棚种植已经成为我国农业不可缺少的种植方式，为了保证大棚种植的产量，温度的采集控制在大棚种植中占据了非常重要的地位。

在大棚温度测量中，传统的方法是用温度计测量，人工读取记录的方式，这种方法不仅麻烦而且精度较低。

我们针对大棚温度采集的特点设计了一个智能化温度自动采集系统，可以实现对多个大棚的多个采集点同时进行温度采集。

智能化温度自动采集系统主要由3个部分组成：
1.信号采集部分：负责管理每个大棚的温度采集终端，每隔一定时间发出一个采集指令，各个大棚受到指令后开始进行温度采集。

2.信号传输部分：每个大棚都有一个温度采集终端，每个采集终端都是通过1-Wire总线连接若干个数字温度传感器，温度采集终端和上位机之间使用 RS232串行接口，只需发送控制指令即可实现对远程对象的有效控制。

3.信号处理部分：主要功能是接收各个采集终端的每个采样点的温度数据，当我们想要知道哪个大棚中的实时温度时就将其显示出来。

2.2系统控制方案设计
智能化温度自动采集系统是一个开环工作系统，它的工作流程就是将温度采集装置安装在温室大棚的固定位置上，利用温度检测装置采集检测出大棚在不同时刻的温度值，然后将检测到的温度值传回到单片机中，单片机可以根据不同的输入显示出某个大棚在某一时刻的实时温度，这样便完成了一个智能化温度自动采集系统的开环控制。

智能化温度自动采集系统开环控制结构图如图2-1所示：
显
示
数
据
图2-1 智能化温度自动采集系统原理框图
2.3系统总体方案设计
智能化温度自动采集系统主要运用主从分布式思想，由上位机、主控模块和多块温度采集模块组成，从而形成三级分布式多点温度测量的监测系统。

最底层的温度采集模块采用单片机作为主控芯片，采用数字式温度传感器进行温度信号的采集。

当需要进行温度测量时，温度采集模块根据主控模块发来的采集指令进行温度信号的采集，并把采集到的温度信号通过主控模块传输给上位机。

主控模块和各温度采集模块之间的数据通讯采用串口通信的方式。

将下位机检测到的温度信号传给上位机，实现上下位机的通讯功能。

此外还要将采集到的不同点的温度显示出来，便于我们对大棚中的温度进行实时监控。

其总体设计框图如图2-2所示：
图2-2 智能化温度自动采集系统总体设计框图
2.3.1 系统控制器的选择
方案一：采用单片机作为智能化温度自动采集系统的控制器，因为它的集成度高，系统结构简单，使用方便，易实现模块化，且其有较好的抗干扰性，可靠
性高，芯片引线齐全，容易实现外部扩展。

除此之外，它的运行速度较高，控制功能较强，单片机内部的数据信息可以保存很长时间，具有较高的性价比。

单片机内部虽也有和工控机功能类似的模块，比如CPU、内存、并行总线、还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对于工控机和PLC 弱很多，故只适合做一些控制电器不是很复杂的工作。

由于单片机低廉的成本，造就了它只能用最低级的汇编语言进行软件编程。

单片机也正是凭借着它体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用与仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可以实现多种物理量的测量。

采用单片机控制使的仪器仪表数字化、智能化和微型化。

此外，单片机也可以构成形式多样的控制系统和数据采集系统，应用于工业控制。

方案二：采用工控机作为智能化温度自动采集系统的控制器。

工控机的主要特点有：
1.采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。

2.采用总线结构和模块化设计技术。

CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。

3.机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。

4.配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。

5.电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。

6.具有自诊断功能。

7.可视需要选配I/O模板。

8.设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。

9.开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。

10.可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。

11.可采用无源母板（底板），方便系统升级。

正是由于工控机有以上优点，使得它拥有了不菲的价格，故其更加适用于工业现场，工作在有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等工厂里，完成在工厂中的连续作业。

方案三：采用PLC即可编程逻辑控制器作为智能化温度自动采集系统的控制
器。

PLC的特点就是它的实现成本较低，由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。

另外它的使用范围广，速率高。

只要有电力线覆盖的地方就可以使用PLC，这样的规模是其他任何网络无法比拟的。

它还可以提供高速的传输，这样便使PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造了极大的空间。

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，可以即插即用，没有繁琐的过程，所以它更适合于用于控制大型机械的生产过程。

根据智能化温度自动采集系统的设计要求，以及对所提方案的比较，以单片机作为控制器的系统电路极其简单，程序编写与固化也相当方便灵活，而且有效的降低了开发成本。

故本设计更适合于选择方案一，即选用单片机作为智能化温度自动采集系统的控制器。

2.3.2检测元件的选择
方案一：采用热电偶作为智能化温度自动采集系统中温度的检测元件。

它的主要特点就是测量范围广，测量精度高，且构造简单，使用方便。

它的测量范围为-200～1300℃，特殊情况下最大测量范围可达到-270～2800℃，因其直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

热电偶常常用在温度测量仪表中作为测温元件，由于热电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。

正是由于这样，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。

因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度对测温的影响。

在使用热电偶补偿导线时还必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

所以只要安装不当或绝缘性变差都会影响温度检测的精度，引入误差，造成测温系统的不稳定。

方案二：采用热电阻作为智能化温度自动采集系统中温度的检测元件。

与热电偶相比，热电阻的主要优点是在同样温度下它输出的信号较大，易于测量。

热电阻感温部分的尺寸较大，热电偶工作端只是很小的焊点，因而热电阻测温的反应速度比热电偶慢。

在测电阻时，热电阻必须借助外加电源。

热电阻与热电偶的选择最大的区别就是温度范围的选择，同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高，故热电阻是低温区常用的一种温度检测器。

由于铂电阻的测量精确度是最高的，所以它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

选择不同材料制成的热电阻，其应用的环境也不同。

例如铂电阻适用于中性和氧化性介质中，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度系数大，适用于无腐蚀介质，一旦超过150就易被氧化。

热电阻通常对其安装的要求比较高，而且安装起来也比较复杂。

方案三：采用集成温度传感器AD590作为智能化温度自动采集系统中温度的检测元件。

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它具有线性度好、灵敏度高、体积小、不需要辅助电源等优点，它可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件一旦反接也不会被烧坏。

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，常用于测温和热电偶的冷端补偿,但是由它构成的电路比较复杂，测量点数较少，而且对线阻也有要求，造成了它不利于信号的远距离采集和传输。

方案四：采用温度传感器DS18B20作为智能化温度自动采集系统中温度的检测元件。

该传感器具有独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；它的测温范围在－55～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；此外它的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果。