毕业设计论文 基于单片机的温度测量系统

毕 业 论 文

基于单片机的温度测量系统

所在系部： 电气信息工程系

摘 要

随着社会经济的不断发展，现代农业生产离不开环境控制，本文在对国内外温室智能控制进行深入分析的基础上，针对温室智能化控制存在的诸多因子，将智能传感器监测和单片机控制相结合，提出了基于单片机的温度检测系统设计方案。

本系统采用层次化、模块化设计，整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、计算机监控系统组成。系统以单片机为核心，以多个温度、湿度传感器作为测量元件，通过单片机与智能传感器相连，采集存储智能传感器的测量数据。在单片机系统中，还要实现程序的扩展存储、数据的实时显示、超限语音报警和数据辅助存储功能。单片机作为监控计算机与智能传感器连接的中心。

本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系统的总体设计方案，包括其功能设计；设计原则；组成与工作原理；二是进行智能传感器的硬件电路设计；包括硬件电路构成及测量原理；温度传感器的选择；单片机的选择；输入输出通道设计；三是进行了调试和仿真，包括硬件仿真和软件仿真。

关键词：AT89C2051 单片机 DS18B20 温度测量

Abstract

With the socio-economic development, modern agricultural production can not be separated from environmental control, this article in the greenhouse at home and abroad to conduct in-depth analysis of intelligent control based on the existence of intelligent control for greenhouse many factors, the intelligent sensor monitoring and single-chip control by combining single-chip based on the temperature detection system design.

The system uses a hierarchical, modular design, the entire system by the data acquisition system, single-chip control system, computer monitoring system. System to single-chip microcomputer as the core to a number of temperature and humidity sensor as a measurement component, through the single-chip smart sensor and connected to the storage collection of intelligent sensor measurement data. In single-chip system, but also the realization of the extended stored procedures, data, real-time display, alarm and data overrun voice auxiliary storage. Single-chip computer as a monitor connected with the center of intelligent sensors.

The design made the following main aspects: First, the overall design of the system, including its functional design; design principles; the composition and working principle; Second, an intelligent sensor hardware circuit design; including hardware and measurement circuit principle; the choice of temperature sensor; SCM choice; input and output channel design; Third, we carried out the testing and simulation, including hardware simulation and software simulation.

Keywords ：AT89C2051 Single-Chip Microcomputer DS18B20 Temperature Measurement;

目 录

摘 要 ..............................................................................................................................................ii Abstract ........................................................................................................................................... iii

1 绪论 .............................................................................................................................................. 1

1.1 单片机温度测量系统的选题背景 . ................................................................................... 1

1.2 单片机温度测量系统选题的现实意义 . ........................................................................... 2

1.3 国内外研究现状及其发展 . ............................................................................................... 3

1.3.1 国外温室环境控制 . ................................................................................................ 3

1.3.2 国内温室控制技术 . ................................................................................................ 3

1.3.3 温室环境控制技术的三个发展阶段 ..................................................................... 3

1.3.4 温室控制存在的问题 . ............................................................................................ 4

1.4 单片机温度测量系统主要研究的内容 . ........................................................................... 5

2 单片机温度测量系统总体设计 . .................................................................................................. 6

2.1 单片机温度测量系统的功能设计 . ................................................................................... 6

2.2 单片机温度测量系统的设计的原则 . ............................................................................... 6

2.3 单片机温度测量系统的组成与工作原理 . ....................................................................... 7

3 系统硬件电路的设计 . .................................................................................................................. 9

3.1 系统硬件电路构成及测量原理 . ....................................................................................... 9

3.1.1 系统硬件电路构成 . ................................................................................................ 9

3.1.2 系统工作原理 . ...................................................................................................... 10

3.1.3 系统主要技术指标 . .............................................................................................. 13

3.2 温度传感器的选择 . ......................................................................................................... 13

3.2.1 DS18B20的介绍 ................................................................................................... 14

3.2.2 DS18B20的性能特点 ........................................................................................... 14

3.2.3 DS18B20的控制方法 ........................................................................................... 15

3.2.4 DS18B20的测温原理 ........................................................................................... 16

3.3 单片机的选择 . ................................................................................................................. 16

3.3.1 单片机的概述 . ...................................................................................................... 16

3.3.2 AT89C2051芯片的主要性能 ............................................................................... 17

3.3.3 AT89C2051芯片的内部结构框图........................................................................ 17

3.4 输入通道的设计 . ............................................................................................................. 18

3.4.1 Pt100温度传感器 ................................................................................................. 18

3.4.2 A/D转换 ................................................................................................................ 20

3.5 输出通道设计 . ................................................................................................................. 22

3.5.1 温控箱的功率调节方式 . ...................................................................................... 22

3.5.2可控硅输出电路 . ................................................................................................... 23

4 系统调试..................................................................................................................................... 25

4.1 TKS仿真器与集成开发环境KEIL ................................................................................ 25

4.1.1 TKS仿真器 ........................................................................................................... 25

4.1.2 集成开发环境KEIL . ............................................................................................ 26

4.1.3 利用KEIL 开发系统软件流程 . ........................................................................... 28

4.2 系统硬件调试 . ................................................................................................................. 28

4.3 系统软件调试 . ................................................................................................................. 29

结 论 ............................................................................................................................................ 31

参考文献......................................................................................................................................... 32 致 谢 ............................................................................................................ 错误！未定义书签。

1 绪论

1.1 单片机温度测量系统的选题背景

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义。

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。

今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以

大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。因此，单片机对温度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。基于此，本课题围绕应用于温室大棚的基于单片机的温度测控系统展开应用研究工作。

1.2 单片机温度测量系统选题的现实意义

随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温度控制措施。但是，目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、A 心转换器及单片机等组成的传输系统[2]。这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的的设计方案，根据实用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案。

数字化单总线技术[4]是利用DALLAS 公司生产的新型器件实现的。它将系统的地址线、数据线、控制线合为一根导线，允许在这根导线上挂接数百个控制对象，形成多点单总线测控系统。这些测控对象所用的芯片都由该公司提供。采用单总线协议后，可在检测点将模拟信号数字化。这样，在单总线上传输的便是数字信号。本文介绍的温度测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的。该系统能够对大棚内的温度进行采集，利用温度传感器将温室大棚内温度的变化，变换成电流的变化，再转换为电压变化输入模数转换器，其值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，显示温室大棚内的实际温度，同时通过比较，对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析。如果超过我们预先设定的温度限制，温度报警系统将进行报警，并同时自动对大棚内的温度进行控制。

这种设计方案实现了温度实时测量、显示和控制。该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时

控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。

1.3 国内外研究现状及其发展

1.3.1 国外温室环境控制

国外对温室环境控制技术研究较早，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。现在世界各国的温室控制技术发展很快，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。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km 以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。

1.3.2 国内温室控制技术

我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。我国温室设施计算机应用，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。我国温室现状还远远没有达到工厂化农业的境地，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着温室装备配套能力差，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。

1.3.3 温室环境控制技术的三个发展阶段

从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段：

1、手动控制。这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的