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2018-1-10 04:19 上傳

設(shè)計一個家居分布式溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)，因此要求該系統(tǒng)必須有較好的實時溫度顯示以及溫度過高或過低的報警功能，以便能夠及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)等安全隱患，保障人身安全和家庭財產(chǎn)。

二、總體設(shè)計

2.1設(shè)計方法

本次設(shè)計為了突出經(jīng)濟、可靠、耐用的特點，決定采用以單片機系統(tǒng)設(shè)計代替常規(guī)模擬電路系統(tǒng)設(shè)計。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采用STC89C51單片機和DS18B20數(shù)字溫度傳感器組成下行機硬件系統(tǒng)，具有即時溫度采集，可實現(xiàn)溫度自動記錄，分析，持續(xù)運行，使系統(tǒng)有良好的可靠性、擴展、人性化設(shè)計和較低的生產(chǎn)成本性能。

本系統(tǒng)的電路設(shè)計方框圖如圖1所示，它由三部分組成:①控制部分主芯片采用單片機89C51；②顯示部分采用ED數(shù)碼管以動態(tài)掃描方式實現(xiàn)溫度顯示；③溫度采集部分采用DS18B20溫度傳感器。

圖1（詳見附件）

2.2 設(shè)計中所用器件介紹

1.DS18B20溫度傳感器

（1)管腳圖如圖2，有以下幾點特點：

①獨特的單線總線接口方式：DS18B20與上位機連接時可通過一條傳輸線路實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。

②可通過數(shù)據(jù)線供電，供電電壓容許范圍大，為+3.0～+5.5V，也可選用外部+5V供電。

③實際工作過程中，不需要添加外圍器件。

④用戶可自行設(shè)定溫度報警上下限值，其值是非易失性的。

⑤可測溫度范圍為-55～+125℃，測溫分辨率為0.5℃（-10℃—+85℃），2℃（-55～+125℃）。

⑥負壓特性，電源反接時能夠自動保護DS18B20不會被燒毀，此時的芯片無法正常工作。

⑦轉(zhuǎn)換速度快，效率高，可在93.75ms內(nèi)完成9位溫度轉(zhuǎn)換。 ⑧可實現(xiàn)多點測溫，多個DS18B20溫度傳感器可并聯(lián)在唯一的三線上。 ⑨適用于各種微處理器和上位機系統(tǒng)。

⑩內(nèi)含64位的只讀存儲ROM，每片DS18B20出廠前就有唯一的產(chǎn)品序號。大型測溫系統(tǒng)，單線上可掛接多片DS18B20傳感器。

圖2

1腳—GND:接地。

2腳—I/O：數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線)，屬于漏極開路輸出。外接上拉電阻后，常態(tài)下成高電平。

3腳—VCC:電源端，為可供選用的外部+5V電源端，不用時接地。

（2）DS18B20的工作原理

根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：

(1) 每一次讀寫之前都必須要對DS18B20進行復(fù)位； (2) 復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令；

(3) 最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。

復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待15～60微秒左右后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。

2.74LS245芯片

74LS245是常用的芯片，用來驅(qū)動led或者其他的設(shè)備，它是8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。其引腳圖如圖3。

片選端/CE低電平有效，當DIR="0"時，信號由 B 向 A 傳輸;(接收)DIR="1"，信號由 A 向 B 傳輸;(發(fā)送)當CE為高電平時，A、B均為高阻態(tài)。由于P2口始終輸出地址的高8位，接口時74LS245的三態(tài)控制端1G和2G接地，P2口與驅(qū)動器輸入線對應(yīng)相連。P0口與74LS245輸入端相連,E端接地，保證數(shù)據(jù)線暢通。8051的/RD和/PSEN相與后接DIR，使得RD和PSEN有效時，74LS245輸入(P0.1←D1)，其它時間處于輸出(P0.1→D1)。

圖3

三、硬件設(shè)計

• 原理圖電路
  

如下圖4所示,該圖主要由單片機控制電路、顯示電路、晶振電路、繼電器電路和復(fù)位電路組成。

圖4

2.復(fù)位電路

電路圖如圖5

復(fù)位電路作用：

一是在給電路通電時馬上進行復(fù)位操作

二是在必要時可以由手動操作

三是根據(jù)程序或者電路運行的需要自動地進行。

圖5

3.時鐘電路

電路圖如圖6

時鐘模塊主要起作用的是晶振,每個單片機系統(tǒng)里都有晶振，全稱叫晶體振蕩器，在單片機系統(tǒng)里晶振的作用非常大，它結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，單片機的運行速度也就越快。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。

4.DS18B20傳感器電路

該電路傳感器采用更穩(wěn)定,測量更為準確的外部供電的方式VCC端口上接5V的電源,如圖7

5.顯示電路

顯示電路采用了7段共陰數(shù)碼管掃描電路，節(jié)約了單片機的輸出端口，便于程序的編寫，如圖8

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)設(shè)計的整體思想

一個應(yīng)用系統(tǒng)要完成各項功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時還必須得到相應(yīng)設(shè)計合理的軟件的支持，尤其是微機應(yīng)用高速發(fā)展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復(fù)雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時會變得很簡單，如數(shù)字濾波，信號處理等。因此充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源和軟件資源，采用與S51系列單片機相對應(yīng)的51匯編語言和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法進行軟件編程。

程序設(shè)計語言有三種：機器語言、匯編語言和高級語言。機器語言是機器唯一能“懂”的語言，用匯編語言或高級語言編寫的程序（稱為

源程序）最終都必須翻譯成機器語言的程序（成為目標程序），計算機才能“看懂”，然后逐一執(zhí)行。

高級語言是面向問題和計算過程的語言，它可通過于各種不同的計算機，用戶編程時不必仔細了解所用的計算機的具體性能與指令系統(tǒng)，而且語句的功能強，常常一個語句已相當于很多條計算機指令，于是用高級語言編制程序的速度比較快，也便于學習和交流，所以本系統(tǒng)采用C語言來編寫程序。

本裝置的軟件包括主程序、讀出溫度子程序、復(fù)位應(yīng)答子程序、寫入子程序、以及有關(guān)DS18B20的程序（初始化子程序、寫程序和讀程序）等。

主程序的功能是：啟動DS18B20測量溫度，將測量值與給定值進行比較，若測得溫度小于設(shè)定值，置P1.5為低電平。當測得溫度大于設(shè)定值，則置P1.4為低電平。

4.2 系統(tǒng)總流程圖

如下圖9

4.3系統(tǒng)程序設(shè)計

• 系統(tǒng)仿真
  

如下圖，用開關(guān)來控制多個傳感器，先打開一個開關(guān)，若傳感器檢測到溫度為71.5顯示到數(shù)碼管上，因為大于所設(shè)定最高溫度70，揚聲器發(fā)出報警并且高溫指示燈亮。

如下圖，若傳感器檢測到溫度低于-20，將-24.50顯示到數(shù)碼管中，且揚聲器報警，低溫指示燈亮。

如下圖，傳感器檢測到溫度為28.5在所設(shè)溫度上下限之間，揚聲器不報警且指示燈不亮。

• 調(diào)試過程
  

在keil5中對程序進行編譯，調(diào)試成功，調(diào)試結(jié)果如下圖

• 總結(jié)
  

緊緊張張的傳感器課設(shè)就將要結(jié)束了，首先給我的感覺就是有好多東西都不懂。但這未必是一件壞事，越是不懂就說明我要學的東西很多，我的提升空間也就越大。

我利用自己課余時在自習室里學習單片機，查閱傳感器方面相關(guān)文獻，以此提升自己。當東西做不完時，我都有一種沖動，呆在自習教室晚上不回了。正是因為這種執(zhí)著拼搏的精神使我收獲很多，多數(shù)天我都會感覺腦子里都是滿滿的，不管是懂得的收獲還是不懂得煩惱。

從剛開始的什么也不懂到現(xiàn)在的Proteus仿真、程序編寫、調(diào)試等一些東西基本上動能很好的掌握了，可以說這是一個巨大的進步，調(diào)試是一個復(fù)雜而漫長的過程，需要我不斷地去做。

有一次我程序也做出來了，但是在仿真上就是不行，結(jié)果總是不對，經(jīng)過一上午的檢查調(diào)試，終于知道了是我在Proteus上的一根線接錯了，從這可以看出這是一個看似簡單而最容易出錯的過程，需要嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。

現(xiàn)在我的家居分布式溫度監(jiān)控報警系統(tǒng)已經(jīng)做出來了，當檢測到的環(huán)境溫度值大于最小上線溫度時，蜂鳴器會做頻率較低的報警；當環(huán)境溫度大于較大上線溫度值時，蜂鳴器會做頻率較高的報警。除此之外，它還可以用于倉庫、實驗室、機房等設(shè)備上，具有一定實用價值。

該系統(tǒng)的整體設(shè)計還是有很大的提升空間的，比如該系統(tǒng)只是報警這是不夠的，最終還是需要人去做出反應(yīng)，我們可以讓它自動切斷電源，從而保護設(shè)備，這樣使其更具有自動化，從而會有更大的推廣應(yīng)用范圍。