基于51单片机的远程温度采集与显示系统设计.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.45M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 课题研究现状

1.3 本课题的研究内容与目标

2 基本方案比较

2.1 设计方案一

2.2 设计方案二

2.3 设计方案三

3 RS-485接口标准

3.1 接口标准的选择

3.2 RS-485的应用原则

4 单元模块设计

4.1 温度传感器的选择方案

4.2 DS18B20的介绍

4.2.1 DS18B20简介

4.2.2 DS18B20的特性

4.2.3 DS18B20的结构

4.2.4 DS18B20在温度测量方面的应用

4.3 电源模块设计

4.3.1 电源的组成

4.3.2 电源设计

4.4 单片机模块

4.4.1 AT89C51单片机的介绍

4.4.2 AT89C51的主要性能

4.5 温度采集模块

4.6 显示模块

4.7 键盘模块

4.8 报警模块

4.9 远程通信模块

4.10 KeilC与Proteus连接调试

4.10.1 Proteus简介

4.10.2 Proteus与KeilC的连接

5 抗干扰的分析

5.1 抗干扰技术主要体现

5.2 用于单片机系统的干扰抑制元件

5.3 提高总线系统抗干扰能力的主要手段

5.4 RS-485系统的常见故障及处理方法

结论

致谢

参考文献

附录 A 温度采集程序

兰州交通大学毕业设计（论文）摘要随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，单片机技术在各个领域得到了充分的应用。本设计以AT89C51单片机为设计开发平台，结合DS18B20温度传感器、LCD液晶显示、LED数码管、RS-485远程通信、按键和报警几部分电路，构成了远程温度采集与显示系统。远程通信采用RS-485串行通讯的标准，通过DS18B20进行现场总线的温度采集，然后将温度数据送入单片机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。本设计中的温度采集系统充分发挥了AT89C51单片机的特点，结合现有技术，大大降低了电路的设计复杂度，该系统具有温控准确、操控界面良好、稳定性高、抗干扰能力强等优点。使用RS-485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到了广泛的应用。本系统能够同时检测4路温度，检测温度的范围为-55℃~+125℃。本设计采用AT89C51八位单片机实现，单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现较简单，安装方便。基于单片机的温度采集系统广泛应用于采用计算机、自动测试、微电子和自动控制等多项技术，不仅具有信号采集方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标。关键词：RS-485 总线；单片机；温度测量系统－I－

兰州交通大学毕业设计（论文） Abstract With the development of digital technology and the increasingly widespread application of computer, microcontroller technology in various fields have been fully applied. The design use AT89C51 microcontroller as development platform,combined with DS18B20 temperature sensor, LCD liquid crystal display, LED digital tube, RS-485 remote communications, alarm buttons, and several parts of the circuit, constitutes a remote temperature measurement and display system. Remote Communication with RS-485 serial communication standard, through the field bus DS18B20 temperature acquisition,then the temperature data into the microcontroller for data processing, with the inspection speed, scalability and low cost characteristics. The design of the temperature acquisition system fully plays the characteristics of the AT89C51 microcontroller, combined with existing technology, greatly reduces the circuit complexity, the system has accurate temperature control, good control interface, high stability, strong anti-interference advantages . Using the RS-485 bus, a pair of twisted pair can achieve multi-station network, the distributed system, simple equipment, low cost, can communicate over long distances to get the advantages of a wide range of applications. The 4-way system can detect temperature, test temperature range is -55 ℃ ~ +125 ℃. This design uses eight AT89C51 MCU, MCU software programming large degree of freedom can be achieved by programming a variety of arithmetic and logic control algorithm. Small volume and hardware implementation is relatively simple, easy to install. Temperature acquisition system based on microcontroller is widely used by computer, auto test, a number of micro-electronics and automatic control technology, signal acquisition is not only convenient, simple and great advantages of flexibility, but also can greatly improve the technical indicators measured temperature . Key words: RS-485 bus；Single-chip microcomputer；Temperature measurement system －II－

兰州交通大学毕业设计（论文）目录要.....................................................................................................................................I 摘 Abstract......................................................................................................................................II 录..................................................................................................................................III 目 1 绪论........................................................................................................................................1 1.1 课题背景与意义.........................................................................................................1 1.2 课题研究现状.............................................................................................................2 1.3 本课题的研究内容与目标.........................................................................................2 2 基本方案比较........................................................................................................................4 2.1 设计方案一.................................................................................................................4 2.2 设计方案二.................................................................................................................4 2.3 设计方案三.................................................................................................................5 3 RS-485 接口标准....................................................................................................................7 3.1 接口标准的选择.........................................................................................................7 3.2 RS-485 的应用原则....................................................................................................8 4 单元模块设计......................................................................................................................10 4.1 温度传感器的选择方案...........................................................................................10 4.2 DS18B20 的介绍...................................................................................................... 11 4.2.1 DS18B20 简介............................................................................................... 11 4.2.2 DS18B20 的特性........................................................................................... 11 4.2.3 DS18B20 的结构........................................................................................... 12 4.2.4 DS18B20 在温度测量方面的应用............................................................... 14 4.3 电源模块设计...........................................................................................................14 4.3.1 电源的组成....................................................................................................14 4.3.2 电源设计........................................................................................................15 4.4 单片机模块...............................................................................................................18 4.4.1 AT89C51 单片机的介绍...............................................................................18 4.4.2 AT89C51 的主要性能...................................................................................18 4.5 温度采集模块...........................................................................................................18 4.6 显示模块...................................................................................................................21 4.7 键盘模块...................................................................................................................24 4.8 报警模块...................................................................................................................24 －III－

兰州交通大学毕业设计（论文） 4.9 远程通信模块...........................................................................................................25 4.10 KeilC 与 Proteus 连接调试.................................................................................... 27 4.10.1 Proteus 简介.................................................................................................27 4.10.2 Proteus 与 KeilC 的连接............................................................................. 28 5 抗干扰的分析......................................................................................................................30 5.1 抗干扰技术主要体现...............................................................................................30 5.2 用于单片机系统的干扰抑制元件...........................................................................30 5.3 提高总线系统抗干扰能力的主要手段...................................................................31 5.4 RS-485 系统的常见故障及处理方法......................................................................32 论..................................................................................................................................34 谢..................................................................................................................................35 致参考文献............................................................................................................................36 附录 A 温度采集程序........................................................................................................... 37 结－IV－

兰州交通大学毕业设计（论文） 1 绪论 1.1 课题背景与意义在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你在生活在那里，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，工业发展对是否掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说是几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。传感器主要经历了三个发展阶段：模拟集成温度传感器、模拟集成温度控制器、智能温度传感器。温度传感器的发展趋势：进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片机测温系统等高科技的方向迅速发展。自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代的单片机技术进入了快速发展的时期。近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝着快速，高性能的方向发展，从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各个行业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能，单片机在国内的主要的应用领域有三个：第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括手机、电话和BP机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如键盘、软盘、收银机、电表等。除了上述应用领域外，汽车、电子行业在外国也是单片机应用很广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多、能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪表中的误差的修正、线性处理等问题。在温度采集与显示系统中，用到了自动检测与传感器技术、单片机原理及应用、单片机接口技术、模拟电子技术、数字电子技术等方面的大量知识。检测技术和传感技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列的技术措施。随着人类社会进入信息时代，以信息的获取转换、显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为一门完整的技术学科，在促进生产发展和科学进步的广阔领域内发挥着重要的作用。其主要应用如下：检测技术是产品检验和质量控制的重要手段；检测技术在大型的设备的安全经济运行检测中得到了广泛的应用；检测技术和装置时自动化系统中不可缺少的组成部分；检测技术的完善与发展推动着现代科学的进步；另一方面看，现代化生产和科学技术的发展也不断地对检测技术提出新的要求。它是由传感器、测量电路、显示记录装置组成。－1－

兰州交通大学毕业设计（论文）传感器在温度测控系统中的应用：目前市场主要存在单点和多点两种温度测温仪表。对于单点测温仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大而得到了普遍的应用。此种产品测温范围大都在 -200℃~800℃之间，分辨率 12 位，最小分辨温度在 0.001~0.01 之间。自带 LED 显示模块，显示 4 位到 16 位不等。有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相对于单点的测量有一定得差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。基于单片机的温度采集系统广泛应用于采用计算机、自动测试、微电子和自动控制等多项技术，不仅具有信号采集方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标。 1.2 课题研究现状温度采集属于模拟量的采集，也就是数据采集，国内外数据采集领域正在发生着重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统正在发展。其次，总线兼容型数据采集插件的数量正在增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。数据采集已长时间地被认为与数据记录及其它数据采集系统相等同。在工作时，一些要打印出拷贝，而另一些则把采集的数据馈送给主计算机处理。但是，随着分布式控制在各个领域里越来越普遍的应用，数据采集设备开始同控制设备想结合。近年来，在温度采集方面，利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度监测技术的一种发展趋势。数字化技术推动了信息化的革命，在传感器的期间结构上采用数字化技术，使信息的采集更加方便。例如，对于温度信号采集系统，传统的模拟温度采集器多为铂电阻、铜电阻等。每一个传输线至少有两根导线，带补偿接法需要三根导线。如果对 50 路温度信号进行检测，就需要 100 根导线接到检测端口，然后还要经过电桥电路、信号放大、通道选择、A/D 转换等，才能将温度信号提供给计算机处理。而现在新型的 DS1820 单总线数字温度传感器，采用 3 脚(或 8 脚)封装，从 DS1820 读出或写入数据仅需要一根 I/O 口线。用这种智能化数字式传感器的优胜显而易见，而且不用进行模数转换，节省了资源。 1.3 本课题的研究内容与目标本设计以 51 单片机为设计开发平台，主要由 AT89C51 单片机、DS18B20 温度传感器、LCD 液晶显示、数码管、远程通信、按键和报警电路几部分组成。远程通信采用 RS-485 串行通讯的标准，通过 DS18B20 进行现场总线的温度采集，然后将温度数据送－2－

兰州交通大学毕业设计（论文）入单片机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。本设计采用 AT89C51 八位单片机实现，单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现较简单，安装方便。该系统有：单片机、显示器、键盘、串口通讯、液晶显示等以及整个系统中所需要的电源组成的一个系统，对于超过此限的温度数据将产生报警信号。设计温度采集系统充分发挥了 AT89C51 单片机的特点，结合现有技术，大大降低了电路的设计复杂度，该系统具有温控准确、操控界面良好、稳定性高、抗干扰能力强等优点。温度采集系统的设计必将给生产生活带来一定的飞跃，大大促进了生产的需要，在以后的发展中更进一步提高效率。本设计的实现目标有以下几点： (1) 实时巡检功能本系统能够同时检测 4 路温度，检测温度的范围为-55℃~+125℃。网络节点数与所选的 RS-485 芯片的驱动能力和接收器的输入阻抗有关，如 75LBC184 标称最大值为 64 点，SP485R 标称最大值为 400 点。实际应用时，因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同，实际节点数均达不到理论值。例如 75LBC184 运用在 500m 分布的 RS-485 网络上的节点数超过 50 或速率大于 9.6kb/s 时，工作可靠性明显降低。通常推荐节点数按 RS-485 芯片最大值的 70%选取，传输速率在 1200~9600b/s 之间选取。通信距离 1km 以内，从通信效率、节点数、通信距离等综合考虑选用 4800b/s 最佳。通信距离 1km 以上时，应考虑通过增加中继模块或降低速率的方法提高数据传输的可靠性。所以根据实际需要，检测点数是可以扩展的。 (2) 传输距离远使用 RS-485 串行总线进行传输，MAX485 驱动芯片进行电平转换，传送距离大于 1200m，抗干扰能力强。 (3) 功能完善 ○1 由主控机分别设置各从机的温度报警上下限，超过预定的温度值时则发出一定频率的声音来提醒工作人员。 ○2 主从机采用中文点阵式液晶显示器，人机界面友好。 ○3 自带+5V 和+12V 直流稳压电源。－3－

兰州交通大学毕业设计（论文） 2 基本方案比较常见的温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器，对于控制系统可以采用计算机、单片机等[1]。 2.1 设计方案一采用模拟分立元件，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。 2.2 设计方案二采用PC机作为主控机，单片机构成信号采集单元。通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理，通过通信线路将信息上行到PC机，在PC机上我们可对温度信号进行任何分析、处理。图 2.1 方案二的框图采用该方案技术已经成熟，而且通过将温度信息上传到 PC 机，利用 PC 机强大的数据处理能力和相应的辅助软件，可以多角度、多需求的分析处理温度数据，但这在工业上大多不是必须的。而且目前 PC 的机价格的原因，制造出这样的系统，不会得到普遍的应用，所以我不准备采用此种方案。－4－

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