多点无线温度监测系统的设计-本科毕业论文开题报告
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在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如引 线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当， 就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技 术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国 Dallas 半导体公司 推出的数字温度传感器 DS18B20，具有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用 I/0 端口即可完
成与微处理器的通信；在-10～+85℃ 温度范围内具有 0．5℃ 精度；用户可编程设定 9～12 位
的分辨率。以上特性使得 DS18B20 非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。
二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等 研究现状：国外对温度控制技术研究较早，始于 20 世纪 70 年代。先是采用模拟式的组合仪表， 采集现场信息并进行指示、记录和控制。80 年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计 算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国 家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。我国对于温度测控技术的研究 较晚，始于 20 世纪 80 年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握 了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算 机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术 上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国 家相比，存在较大差距。 发展趋势：我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困 扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和 可靠性差等缺点。在今后的温控系统的研究中会趋于智能化，集成化，系统的各项性能指标更准 确，更加稳定可靠。 研究方法：本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC 微型计算机），下位机（单片机）无 线多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。整个系统包括主、从两个 子系统，其中主系统完成对试验现场设定温度值、设定值显示、实际值显示、失控报警和接收数
[6]卢思祺. MCS-51 单片机温度控制系统的设计[J]. 科技致富向导,2013,17:25-30. [7]金泽浩,金健聪,陈铁铭. 基于单片机的温度控制系统设计[J]. 科技致富向导,2014,17:189-286. [8]邹家柱. 多点温度无线检测与控制系统设计[J]. 价值工程,2011,21:35-36. [9]李庚. 多点式集中管理温度采集系统的设计与实现[D].电子科技大学,2013. [10]王晓员,姚旻. 基于单片机多点温度控制的硬件构建设计[J]. 湛江师范学院学报,2010,03:70-73. [11]于相斌,张庆国,田辉. 基于单片机的多点温度测量仪的设计[J]. 微型机与应用,2011,08:20-22. [12]王丹,赵凯. 基于单片机的多点温度测量系统设计[J]. 才智,2011,14:90. [13]Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering[D] 22 2007,65-77 [14]程院莲. 基于 51 单片机的多点温度检测系统设计[J]. 数字技术与应用,2012,11:8-10. [15]张璐璐. 单片机温度测量和控制系统的设计与实现[D].吉林大学,2014. [16]张小明. 探究基于单片机的温度控制系统[J]. 电子制作,2015,01:271-272. [17]金泽浩,金健聪,陈铁铭. 基于单片机的温度控制系统设计[J]. 科技致富向导,2014,17:189-286. [19]赵亮. 跟我学 51 单片机系列教程(十)——单总线应用[J]. 电子制作,2011,10:74-77. [20]赵文艺. 基于单片机的实验室数据采集系统的设计[D].北方工业大学,2012. [21]Computers and Electronics in Agriculture[D] 71 2010, 176–181
多
路
温
开
度
关
传
变
感
送
A/D
单
LED
转
片
显示
器
器
换
机
图 3.1 方案二的框图
如图 3.1，采用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。
3.3 设计方案三 本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC 微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据 采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用 RS-232 串行通讯标准，通过 上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值既可以送回主控 PC 进行数据处 理，由显示器显示。也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。
采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，实现多点温度的测量及显示，该 方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化， 而且测量误差大。 3.2 设计方案二
本方案采用 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。
(1)独特的单线接口，既可通过串行口线，也可通过其它 I/O 口线与微机接口，无需变换其它电 路，直接输出被测温度值；
(2)多点能力使分布式温度检测应用得以简化； （3)不需要外部元件； （4) 既可用数据线供电，也可采用外部电源供电； （5)不需备份电源； （6) 测量范围为-55～+125℃ ， 固有测温分辨率为 0．5℃ ；
三、对于课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或 设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲
解决的主要问题是温度自动控制问题，使得在一定的区间内，在自动控制系统的控制下，温 度始终在人们要求的范围之内。
解决问题的思路与方法有：本设计是基于 AT89C51 为核心的单片机温度控制系统，温度信号 由 18B20 温度传感器进行采集，然后经过转换成数字信号后传入单片机，由单片机对数字信号进 行相应的处理，从而得到温度控制的目的，然后输出在数码管上进行显示。首先要解决的是对 18B20 数字温度传感器本身的属性，它的用法，各个性能参数，内部功能有一个很好的掌握，还 要对 51 单片机的用法，外围电路（温度检测电路，温度控制电路，单片机串口通信的电路，复 位电路，数码管显示电路）的设计接法进行进一步的掌握，最后就是软件编写部分了，软件部分 需要解决的问题有 18B20 初始化模块， 温度数据显示模块，超高（低）温控制模块，串口初始化模块。 3.1 设计方案一
本科毕业设计开题报告
题目 学生姓名 所在院(系) 专业班级 指导教师
多点无线温度监测系统的设计 学号
年 月日
题目
多点无线温度监测系统的设计
一、选题的目的及研究意义 随着科学技术的不断进步与发展，在工业生产中温度是常用的被控参数，而采用单片机来对
这些被控参数进行控制已成为当今的主流。温度控制在工业控制、电子测温计、医疗仪器、家用 电器等各种温度控制系统中广泛应用，且由过去的单点测量向多测量发展。目前温度传感器有模 拟和数字两类传感器，为了克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和 A／D 转换器 的弊端，大多数多点测温控制系统采用数字传感器，并大大方便了系统的设计。比较有代表性的 数字温度传感器有 DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635、SMT160-30 等。
主程序
键盘设定值检测
设定值显示
接收副系统数据
实际值显示
Y 温度超出范
围否？
N
报警
返回
图 3.4 系统三的主程序流程图
四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明 [1]夏志华. 基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J]. 煤炭技术,2013,02:191-193. [2]关力鑫. 单片机温度控制系统的总体设计[J]. 农机使用与维修,2010,06:29-31. [3]李晓洁. 基于单片机的温度控制系统设计[J]. 城市地理,2014,20:91-92. [4]卢庆林. 数字动态扫描显示电路的设计[J]. 组合机床与自动化加工技术,2007,02:56-60. [5]刘翔. 基于单片机的自动温度测量报警系统设计[J]. 电子设计工程,2011,01:125-127.
据功能；子系统完成温度采集、温度控制和发送数据功能。该系统采用 RS-232 串行通讯标准， 通过上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值既可以送回主控 PC 进行数 据处理，由显示器显示。也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控 制。下位机采用的是单片机基于数字温度传感器 DS18B20 的系统。DS18B20 利用单总线的特点 可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便， 而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测 场合。 应用领域：多点无线温度的测量广泛应用于以下领域：①冷冻库，粮仓，储罐，电信机房，电力 机房，电缆线槽等测温和控制领域。②轴瓦，缸体，纺机，空调等狭小空间工业设备测温和控制。 ③汽车空调，冰箱，冷柜以及中低温干燥箱等。④太阳能供热，制冷管道热量计量，中央空调分 户热能计量等。
下位机采用的是单片机基于数字温度传感器 DS18B20 的系统。DS18B20 利用单总线的特点可以 方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而 且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场 合。如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测 试、空调系统的温度检测、石化、机械等。系统框图如下：
多个 DS18B 20 温度采 集模块
AT98C 51 单片 机（副）
无线收 发模块
图 3.2 方案三的子系统图
无线收发模块 键盘识别电路
AT89C51 单片机(主)
数码显示
报警系统
PC
RS232
计
算
机
图 3.3 方案三的系统框图 3.4 方案的比较与选择
基于数字式温度计 DS18B20 的温度测量仪的硬软件开发过程，DS18B20 将温度信号直接转 换为数字信号，实现了与单片机的直接接口，从而省去了信号调理电路。该仪器电路简单、功能 可靠、测量效率高，很好地弥补了传统温度测量方法的不足。相对与方案 1，在功能、性能、可 操作性等方面都有较大的提升。相对与方案 2，硬件电路简单，易于操作，具有更高的性价比， 更大的市场。所以我采用方案 3 完成本设计。 3.5 方案的阐述与论证
方案三以 DS18B20 为传感器、NRF24L0 为无线收发模块、AT89C51 单片机为控制核心组成 多点温度测试系统实现对试验现场温度数据进行远程无线测量与控制，该系统包括传感器电路、 无线收发电路、键盘与显示电路、串口通信电路等组成部。采用美国 Dallas 半导体公司推出的数 字温度传感器 DS18B20，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。它具有独特的单总线接口， 仅需要占用一个通用 I/0 端口即可完成与微处理器的通信。全部传感元件及转换电路集成在形如 一只三极管的集要求通过简单的编程实现 9～12 位的数字值读数方式。其可以分别 93．75ms 和 750ms 内完成 9 位和 12 位的数字量，最大分辨率为 0.0625℃ ， 而且从 DS18B20 读出或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线(单线接口)读写。 它有如下的性能特点：
（7)通过编程可实现 9～12 位的数字读数方式； （8)用户可定义非易失性的温度告警设置； （9)警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件(温度警告情况)； （10)应用范围包括恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统。 以上特性使得 DS18B20 非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。 根据 DS18B20 以上的特点我选用方案三来实现本课题。以下为方案三的主程序流程图：
成与微处理器的通信；在-10～+85℃ 温度范围内具有 0．5℃ 精度；用户可编程设定 9～12 位
的分辨率。以上特性使得 DS18B20 非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。
二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等 研究现状：国外对温度控制技术研究较早，始于 20 世纪 70 年代。先是采用模拟式的组合仪表， 采集现场信息并进行指示、记录和控制。80 年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计 算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国 家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。我国对于温度测控技术的研究 较晚，始于 20 世纪 80 年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握 了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算 机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术 上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国 家相比，存在较大差距。 发展趋势：我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困 扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和 可靠性差等缺点。在今后的温控系统的研究中会趋于智能化，集成化，系统的各项性能指标更准 确，更加稳定可靠。 研究方法：本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC 微型计算机），下位机（单片机）无 线多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。整个系统包括主、从两个 子系统，其中主系统完成对试验现场设定温度值、设定值显示、实际值显示、失控报警和接收数
[6]卢思祺. MCS-51 单片机温度控制系统的设计[J]. 科技致富向导,2013,17:25-30. [7]金泽浩,金健聪,陈铁铭. 基于单片机的温度控制系统设计[J]. 科技致富向导,2014,17:189-286. [8]邹家柱. 多点温度无线检测与控制系统设计[J]. 价值工程,2011,21:35-36. [9]李庚. 多点式集中管理温度采集系统的设计与实现[D].电子科技大学,2013. [10]王晓员,姚旻. 基于单片机多点温度控制的硬件构建设计[J]. 湛江师范学院学报,2010,03:70-73. [11]于相斌,张庆国,田辉. 基于单片机的多点温度测量仪的设计[J]. 微型机与应用,2011,08:20-22. [12]王丹,赵凯. 基于单片机的多点温度测量系统设计[J]. 才智,2011,14:90. [13]Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering[D] 22 2007,65-77 [14]程院莲. 基于 51 单片机的多点温度检测系统设计[J]. 数字技术与应用,2012,11:8-10. [15]张璐璐. 单片机温度测量和控制系统的设计与实现[D].吉林大学,2014. [16]张小明. 探究基于单片机的温度控制系统[J]. 电子制作,2015,01:271-272. [17]金泽浩,金健聪,陈铁铭. 基于单片机的温度控制系统设计[J]. 科技致富向导,2014,17:189-286. [19]赵亮. 跟我学 51 单片机系列教程(十)——单总线应用[J]. 电子制作,2011,10:74-77. [20]赵文艺. 基于单片机的实验室数据采集系统的设计[D].北方工业大学,2012. [21]Computers and Electronics in Agriculture[D] 71 2010, 176–181
多
路
温
开
度
关
传
变
感
送
A/D
单
LED
转
片
显示
器
器
换
机
图 3.1 方案二的框图
如图 3.1，采用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。
3.3 设计方案三 本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC 微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据 采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用 RS-232 串行通讯标准，通过 上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值既可以送回主控 PC 进行数据处 理，由显示器显示。也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。
采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，实现多点温度的测量及显示，该 方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化， 而且测量误差大。 3.2 设计方案二
本方案采用 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。
(1)独特的单线接口，既可通过串行口线，也可通过其它 I/O 口线与微机接口，无需变换其它电 路，直接输出被测温度值；
(2)多点能力使分布式温度检测应用得以简化； （3)不需要外部元件； （4) 既可用数据线供电，也可采用外部电源供电； （5)不需备份电源； （6) 测量范围为-55～+125℃ ， 固有测温分辨率为 0．5℃ ；
三、对于课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或 设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲
解决的主要问题是温度自动控制问题，使得在一定的区间内，在自动控制系统的控制下，温 度始终在人们要求的范围之内。
解决问题的思路与方法有：本设计是基于 AT89C51 为核心的单片机温度控制系统，温度信号 由 18B20 温度传感器进行采集，然后经过转换成数字信号后传入单片机，由单片机对数字信号进 行相应的处理，从而得到温度控制的目的，然后输出在数码管上进行显示。首先要解决的是对 18B20 数字温度传感器本身的属性，它的用法，各个性能参数，内部功能有一个很好的掌握，还 要对 51 单片机的用法，外围电路（温度检测电路，温度控制电路，单片机串口通信的电路，复 位电路，数码管显示电路）的设计接法进行进一步的掌握，最后就是软件编写部分了，软件部分 需要解决的问题有 18B20 初始化模块， 温度数据显示模块，超高（低）温控制模块，串口初始化模块。 3.1 设计方案一
本科毕业设计开题报告
题目 学生姓名 所在院(系) 专业班级 指导教师
多点无线温度监测系统的设计 学号
年 月日
题目
多点无线温度监测系统的设计
一、选题的目的及研究意义 随着科学技术的不断进步与发展，在工业生产中温度是常用的被控参数，而采用单片机来对
这些被控参数进行控制已成为当今的主流。温度控制在工业控制、电子测温计、医疗仪器、家用 电器等各种温度控制系统中广泛应用，且由过去的单点测量向多测量发展。目前温度传感器有模 拟和数字两类传感器，为了克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和 A／D 转换器 的弊端，大多数多点测温控制系统采用数字传感器，并大大方便了系统的设计。比较有代表性的 数字温度传感器有 DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635、SMT160-30 等。
主程序
键盘设定值检测
设定值显示
接收副系统数据
实际值显示
Y 温度超出范
围否？
N
报警
返回
图 3.4 系统三的主程序流程图
四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明 [1]夏志华. 基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J]. 煤炭技术,2013,02:191-193. [2]关力鑫. 单片机温度控制系统的总体设计[J]. 农机使用与维修,2010,06:29-31. [3]李晓洁. 基于单片机的温度控制系统设计[J]. 城市地理,2014,20:91-92. [4]卢庆林. 数字动态扫描显示电路的设计[J]. 组合机床与自动化加工技术,2007,02:56-60. [5]刘翔. 基于单片机的自动温度测量报警系统设计[J]. 电子设计工程,2011,01:125-127.
据功能；子系统完成温度采集、温度控制和发送数据功能。该系统采用 RS-232 串行通讯标准， 通过上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值既可以送回主控 PC 进行数 据处理，由显示器显示。也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控 制。下位机采用的是单片机基于数字温度传感器 DS18B20 的系统。DS18B20 利用单总线的特点 可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便， 而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测 场合。 应用领域：多点无线温度的测量广泛应用于以下领域：①冷冻库，粮仓，储罐，电信机房，电力 机房，电缆线槽等测温和控制领域。②轴瓦，缸体，纺机，空调等狭小空间工业设备测温和控制。 ③汽车空调，冰箱，冷柜以及中低温干燥箱等。④太阳能供热，制冷管道热量计量，中央空调分 户热能计量等。
下位机采用的是单片机基于数字温度传感器 DS18B20 的系统。DS18B20 利用单总线的特点可以 方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而 且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场 合。如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测 试、空调系统的温度检测、石化、机械等。系统框图如下：
多个 DS18B 20 温度采 集模块
AT98C 51 单片 机（副）
无线收 发模块
图 3.2 方案三的子系统图
无线收发模块 键盘识别电路
AT89C51 单片机(主)
数码显示
报警系统
PC
RS232
计
算
机
图 3.3 方案三的系统框图 3.4 方案的比较与选择
基于数字式温度计 DS18B20 的温度测量仪的硬软件开发过程，DS18B20 将温度信号直接转 换为数字信号，实现了与单片机的直接接口，从而省去了信号调理电路。该仪器电路简单、功能 可靠、测量效率高，很好地弥补了传统温度测量方法的不足。相对与方案 1，在功能、性能、可 操作性等方面都有较大的提升。相对与方案 2，硬件电路简单，易于操作，具有更高的性价比， 更大的市场。所以我采用方案 3 完成本设计。 3.5 方案的阐述与论证
方案三以 DS18B20 为传感器、NRF24L0 为无线收发模块、AT89C51 单片机为控制核心组成 多点温度测试系统实现对试验现场温度数据进行远程无线测量与控制，该系统包括传感器电路、 无线收发电路、键盘与显示电路、串口通信电路等组成部。采用美国 Dallas 半导体公司推出的数 字温度传感器 DS18B20，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。它具有独特的单总线接口， 仅需要占用一个通用 I/0 端口即可完成与微处理器的通信。全部传感元件及转换电路集成在形如 一只三极管的集要求通过简单的编程实现 9～12 位的数字值读数方式。其可以分别 93．75ms 和 750ms 内完成 9 位和 12 位的数字量，最大分辨率为 0.0625℃ ， 而且从 DS18B20 读出或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线(单线接口)读写。 它有如下的性能特点：
（7)通过编程可实现 9～12 位的数字读数方式； （8)用户可定义非易失性的温度告警设置； （9)警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件(温度警告情况)； （10)应用范围包括恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统。 以上特性使得 DS18B20 非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。 根据 DS18B20 以上的特点我选用方案三来实现本课题。以下为方案三的主程序流程图：