水泥养护箱温度检测系统设计

辽 宁 工 业 大 学

毕业设计（论文）

题目：

院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名：

指导教师： （签字） 起止时间：

本科生课程设计（论文）

课程设计（论文）任务及评语

学 号 课程设计（论文）题目 学生姓名 专业班级 水泥养护箱温度检测系统设计 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能 水泥养护箱是水泥企业必备的试验设备，其性能的优劣直接影响水泥检验结果的准确性设计，单片机控制的水泥养护箱温度检测系统，温度范围20℃┈35℃。控制要求： （1）系统每隔2分钟采集一次温度值，正常情况下，由2位LED显示器显示；（2）当温度达到35℃以上时，红色指示灯常亮，并伴有声音报警，低于20℃时,黄色指示灯亮，也伴有声音报警；温度在20℃～35℃之间时，绿色指示灯长亮。 设计任务及要求 1、分析系统功能，选择单片机、传感器和功能模块； 2、设计系统的硬件电路图； 3、编写相应的软件，完成控制系统的控制要求； 4、上机调试、完善程序； 5、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 技术参数 定时采集温度值，正常时显示；低于下限或高于上限报警。 1、 布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天） 2、硬件设计（2天） 3、按系统的课程设计（论文）任务划进度计

控制要求，完成软件设计（2天） 4、上机调试、修改程序（2天） 5、撰写、打印设计说明书（2天） 6、答辩（1天） 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 指导教师评语及成绩注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

本科生课程设计（论文）

摘 要

本次课程设计着重介绍了水泥养护箱温度检测系统的组成以及各个组成部分的工作原理。

该水泥养护箱温度检测系统主要是通过温度传感(DS18B20)采集温度信号并且在LED显示屏上显示，然后将数据传入AT89C51单片机，根据对单片机内部ROM的编程来判断该温度信号是否已经超出或者低于之前由键盘电路键入的温度值上限和下限，根据判断结果决定是否发出声光报警。

该水泥养护箱温度检测系统的硬件电路主要由温度检测模块、控制模块、显示模块、报警模块等四大部分组成。其中温度检测模块主要由数字温度传感器DS18B20构成，控制模块主要由AT89C51单片机构成，显示模块主要为LED显示器组成，报警模块主要由蜂鸣器与三色发光二极管组成。 关键词：AT89C51；DS18B20；声光报警

本科生课程设计（论文）

目 录

第1章 绪论 .......................................................... 1 第2章 课程设计的方案 ................................................ 2

2.1 系统要求 ..................................................... 2 2.2 系统设计方案的选择 ........................................... 2 2.3 系统组成总体结构图 ........................................... 5 第3章 硬件设计 ...................................................... 6

3.1 89C51单片机最小系统的设计 .................................... 6 3.2 温度检测电路设计 ............................................. 7 3.3 显示电路的设计 ............................................... 9 3.4 键盘电路的设计 ............................................... 9 3.5 温度报警模块的设计 .......................................... 10 3.6 温度检测系统原理图 .......................................... 11 第4章 软件设计 ..................................................... 13

4.1 系统程序流程图设计 .......................................... 13

4.1.1 DS18B20温度检测流程图 ................................................................... 13 4.1.2 键盘流程图 .......................................................................................... 14 4.1.3 报警程序流程图 .................................................................................. 15 4.1.4 显示程序流程图 .................................................................................. 16 4.1.5 系统主程序流程图 .............................................................................. 16 4.2 系统程序清单 ................................................ 18

4.2.1 DS18B20程序清单 ............................................................................... 18 4.2.2 键盘电路程序清单 .............................................................................. 20 4.2.3 报警程序清单 ...................................................................................... 21 4.2.4 显示程序清单 ...................................................................................... 23 4.2.5 系统主程序清单 .................................................................................. 24

第5章 课程设计总结 ................................................. 27 参考文献 ............................................................ 28

本科生课程设计（论文）

第1章 绪论

温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

水泥养护箱温度对水泥的强度有一定的影响。水泥养护箱的温度20℃—35℃之间，相对湿度不底于90%，试验表明养护箱温度相对控制标准提高5℃左右，不同龄期的抗折、抗压强度就相应偏高2%-5%。

而温度对水泥早期强度的影响比对水泥后期强度的影响更大一些。在水泥破型时试验室温度应控制在17-25℃范围内。温度不仅对其水化有影响，而且对其硬化也有影响，破型试验室的温度控制不好，会对试体强度有影响，尤其是短龄期的试体影响更大。同时压力机油粘度与温度有很大关系，粘度会影响加荷速度，从而影响水泥强度检验结果。为了增强试验的准确性和可比性，破型室的温度应严格控制，且温度越接近20℃—35℃越好。

可见，温度在对水泥的养护和应用这两大方面都极其重要。

水泥养护箱专用于水泥试块的标准养护。全不锈钢制作，喷雾装置采用超声波加湿、制冷采用大功率压缩机、温湿度（数显），并可装微型打印机，是试验室、质检部门对水泥试件养护的常用设备。

本次课程设计就是基于单片机基本原理，设计水泥养护箱温度检测系统，以便于及时对水泥养护箱的温度进行检测和调节，以保证箱内水泥试块的质量。

1

本科生课程设计（论文）

第2章 课程设计的方案

2.1 系统要求

水泥养护箱是水泥企业必备的试验设备，其性能的优劣直接影响水泥检验结果的准确性设计。

本次设计单片机控制的水泥养护箱温度检测系统，使其温度控制范围始终在20℃┈35℃之间，系统具体要求如下：

（1）系统每隔2分钟采集一次温度值，正常情况下，由2位LED显示器显示； （2）当温度达到35℃以上时，红色指示灯常亮，并伴有声音报警，低于20℃时,黄色指示灯亮，也伴有声音报警；温度在20℃～35℃之间时，绿色指示灯长亮。

2.2 系统设计方案的选择

根据上述系统要求，本系统应由单片机控制器、温度检测电路、显示电路、键盘电路以及温度报警电路等几部分组成，下面依次对各个组成部分进行选择。

一、单片机的方案选择

方案一：传统的8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。

方案二：8051片内有4KB的 ROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。但是用户编的程序却无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代用户烧写，并是一次性的，今后用户和芯片厂都不能改写其内容。

方案三：在众多的51系列单片机中，AT89系列单片机最为流行，在我国得到了极为广泛的应用。AT89系列单片机是美国Atmel公司的8位Flash单片机产品。分为标准型、低档型和高档型三大类。标准型以AT89C51为代表，低档型以AT89C201为代表，高档型以AT89S8252为代表。其中，标准型的AT89系列单片机具有如下特点：（1）片内有足够的Flash ROM，可避免扩展外部ROM。扩展外部ROM既增加应用成本，又增加线路的复杂性，影响系统的可靠性。（2）Flash ROM

2

本科生课程设计（论文）

是电擦除和电写入，读写方便，可擦写1000次以上，可在线修改程序。（3）价格低廉。在国内，AT89C51、AT89C52芯片的零售价在10元以下。（4）片内ROM具有三级保密系统。即具有3个保密位，对其编程后，可呈现3种不同方式的保密功能，可有效防止程序被非法复制。（5）AT89C51系列单片机中还有相应的低电压芯片。（6）AT89C51系列单片机时钟频率最高为24MHz。

经过单片机8031、8051和AT89C51的比较，并且根据实际情况我们发现使用AT89C51单片机，无论是SIP封装，还是LCC、QFP封装，均可以用相同引脚的芯片直接替换，并且使用和修改程序方面都十分方便，而且十分经济。

所以，本次课程设计应选择方案三，即AT89C51单片机。 二、温度传感器的方案选择

方案一：在传统的温度检测系统中，一般选用的是模拟式温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。当系统进行多点温度测量时，所用模拟温度传感器增多，使系统变的复杂。

方案二：PT100温度传感器采用铂金属，它的阻值随温度上升而匀速增长，但是外接硬件电路复杂，需AD转换，测量范围小，精度一般。

方案三：随着传感器技术的发展，产生了数字式温度传感器，它有效的解决了模拟式温度传感器外部电路复杂及抗扰性能差的弊病，降低了对系统的要求。

数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

DS18B20数字式温度传感器的测量精度为±0.5℃，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，与前一代产品不同，新的产品支持3～5.5v的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且新一代产品更便宜，体积更小，以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。可以选择更小的封装方式，更宽的电压适用范围，分辨率设定及用户设定的报警温度存储在EPROM中，掉电后依然保存。

因此，本次课程设计中温度传感器的选择，为了使系统更加灵敏更加简洁，应选用方案三，即数字温度传感器DS18B20。

三、键盘电路的方案选择

3

本科生课程设计（论文）

本学期通过对《单片机原理及接口技术》的学习，我们知道键盘电路分为两种：一种是独立式按键，一种是矩阵式键盘。

方案一：独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。故在按键数量不多时，常采用这种按键电路。

方案二：矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。很显然，在按键数量较多的场合，矩阵键盘与独立式按键键盘相比，要节省很多的I/O口线。

所以，本次课程设计应选择方案二，即矩阵式键盘。 四、显示电路的方案选择

在单片机系统中，常用的显示器件有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。

与LCD显示器相比，LED显示器的使用更加普遍，而且经济实惠。 LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。

方案一：LED静态显示方式就是当显示器显示某一字符时相应段的发光二极管恒定的导通或截至，并且显示器的各位可同时显示。静态显示时，较小的驱动电流就能得到较高的显示亮度。

方案二：LED动态显示方式就是一位一位的轮流点亮显示器的各个位，对显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。

LED的静态显示方式和动态显示方式相比，每一位都可以独立显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就可以保持相应的显示字符。由于每一位都由一个8位输出口控制段选码，故在同一时间里，各位可同时显示，且显示的字符可以各不相同。

因为本次课程设计所设计的温度检查系统的温度检测范围为20℃—35℃之间，所以显示器应选择2位LED显示器，即方案二，选择2位LED静态显示器。

五、温度报警器的选择

由于温度对水泥的养护和应用具有很大的影响，所以当温度值高出或者低于水泥养护要求的温度范围时，都将对水泥产生影响。由此可见，温度报警的及时性和有效性都很重要。

方案一：采用发光二极管等发光装置作为温度报警装置。

方案二：采用蜂鸣器配合三色发光二极管等声光类型报警器作为温度报警装置。

4

本科生课程设计（论文）

考虑到温度出现变化时，水泥养护箱周围不一定有工作人员，如果只有发光装置发出警报难以被及时发现，导致水泥出现质量问题，在本次课程设计中，应采用方案二，即采用蜂鸣器配合三色发光二极管等声光类报警器为温度报警装置。

2.3 系统组成总体结构图

该温度检测系统由89C51单片机、DS18B20数字温度传感器、键盘电路、显示电路、温度报警电路组成。

系统结构图，如图2.1所示：

图2.1 系统结构图

温 度 传 感 器 温度报警模块 89C51控制器 键盘显示电路 5

本科生课程设计（论文）

第3章 硬件设计

3.1 89C51单片机最小系统的设计

单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,单片机、晶振电路、复位电路,便组成了一个最小系统。

振荡器，作为单片机系统正常工作的保证，如果振荡器不起振，系统将会不能工作；假如振荡器运行不规律，系统执行程序的时候就会出现时间上的误差，这在通信中会体现的很明显：电路将无法通信。他是由一个晶振和两个瓷片电容组成的，x1和x2分别接单片机的x1和x2，晶振和瓷片电容是没有正负的，两个瓷片电容相连的那端接地。

复位电路，给单片机一个复位信号（一个一定时间的低电平）使程序从头开始执行；一般有两中复位方式：上电复位，在系统一上电时利用电容两端电压不能突变的原理给系统一个短时的低电平；手动复位，同过按钮接通低电平给系统复位，如果手按着一直不放，系统将一直复位，不能正常工作。

所以，单片机最小系统如图3.1所示：

图3.1单片机最小系统

6

本科生课程设计（论文）

3.2 温度检测电路设计

DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。

DS18B20数字温度传感器的电源可以是外部提供从芯片的VDD输入，也可以由数据线本身提供而无需再接外部电源。

DS18B20数字温度传感器提供9位-24位（二进制）温度读数，以指示器件的温度，数据经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从主机CPU到DS18B20仅需要一条DQ。DS18B20的电源可以外部提供从芯片的VDD输入，也可以有数据线本身提供而无需再接外部电源。每一个DS18B20都有唯一的64位长的序号，因此可以将多个DS18B20接到同一根单线总线上，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。测温范围为－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

DS18B20引脚图如图3.2所示：

图3.2 DS18B20引脚图

已知水泥养护箱的主要技术参数如下： 1、温度控制仪精度：±1℃ 2、箱内温度：≤1℃ 3、湿度控制：≥90%

7

本科生课程设计（论文）

4、工作电压：220V±10% 5、加热功率：600W 6、压缩机功率：158W

7、内部尺寸：580×550×1130mm

为了使DS18B20数字式温度传感器能够对水泥养护箱内的温度变化更快速更精确的感应，并且节约成本。应在水泥养护箱的上部安装一个DS18B20数字式温度传感器，这样当温度上升时，安装在上部的温度传感器可以快速的感应到箱内温度，并且通过温度报警模块进行报警。

在AT89C51单片机和DS18B20的连接过程中，单片机的任一I/O接口都可与DS18B20连接，本次课程设计中是将DS18B20的数据引线DQ与单片机的P1.7相连，DS18B20工作于寄生电源，只占用单片机的一个I/O接口，采用总线供电可以减少一根导线，但测量时间较长，而外部供电测量速度较快。

由AT89C51单片机和数字温度传感器DS18B20组成温度检测电路，温度检测电路如图3.3所示：

图3.3 温度检测电路

8

本科生课程设计（论文）

3.3 显示电路的设计

由于本次课程设计所设计的温度检查系统的温度检测范围为20℃—35℃之间，所以显示器应选择2位LED显示器与AT89C51单片机相连，系统显示电路如图3.4所示：

图3.4 显示电路

3.4 键盘电路的设计

本次课程设计中，采用的是4*4矩阵键盘。

矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻R接到＋5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。

对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和

9

本科生课程设计（论文）

列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。

矩阵式键盘及其接口电路如图3.5所示：

图3.5 键盘电路

3.5 温度报警模块的设计

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，他广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电话机等电子产品中作发声器件。

蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5—15V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

在本次课程设计中，温度报警电路由AT89C51单片机与蜂鸣器配合三色发光二极管组成，其报警电路如图3.6所示：

10

本科生课程设计（论文）

图3.6 温度报警电路

3.6 温度检测系统原理图

综上所述，该水泥养护想温度检测系统分别由AT89C51单片机、温度检测电路、键盘电路、显示电路、报警电路共五大部分组成，其温度检测系统原理图如图3.7所示：

11

本科生课程设计（论文）

图3.7 温度检测系统原理图

12

本科生课程设计（论文）

第4章 软件设计

4.1 系统程序流程图设计

4.1.1 DS18B20温度检测流程图

温度采集子程序主要负责驱动力外部的温度传感器DS18B20进行工作，通过串口通信方式向DS18B20写入ROM命令，并读取当前温度值，将读取的数据存放在26H-2EH存储单元，其中26H单元存放温度值的低位，27H单元存放温度值的高位，程序流程图如图4.1所示：

图4.1 DS18B20流程图

13

开始 DS18B20初始化 向DS18B20写入 相应的ROM程序 读出温度值并 进行温度校验 结束

本科生课程设计（论文）

4.1.2 键盘流程图

键盘电路用来设置箱内的温度上下限，其按键流程图如图4.2所示：

Y 上限+1

+键？ 上限设置 开 始 N Y —键？

N N

功能键？

Y

Y 下限+1 +键？ N Y —键？

Y

Y

图4.2 键盘流程图

上限—1 下限设置 下限—1 功能键？ N 显 示 14

本科生课程设计（论文）

4.1.3 报警程序流程图

程序中首先判断所读取的温度是否超出所设定的下限，如果超出下限，报警器发出声光报警；如果没有超出下限，再跟上限值比较判断是否超出上限，如果超出，报警器发出声光报警，否则程序返回，报警程序流程图如图4.3所示：

Y

N

Y

图4.3 报警程序流程图

开 始 判断所读取的温度是否超出下限 判断所读取的温度是否超出上限 N Beep=1，声光报警 Beep= -Beep，不报警 返 回

15

本科生课程设计（论文）

4.1.4 显示程序流程图

由于该显示电路函数主要在主函数中被调用，所以该2位LED显示电路流程图如图4.4所示：

图4.4 显示流程图

准 备 送待显示数据 显示数据 返回

4.1.5 系统主程序流程图

该水泥养护箱温度检测系统的组成可以概括为三大模块，即控制模块、显示模块、报警模块。

系统主程序流程图如图4.5所示：

16

本科生课程设计（论文）

第5章 课程设计总结

经过十天的努力，我终于完成了设计要求，实现了水泥养护箱温度检测系统所有功能，并在次基础上进行了创新，我都感觉收获很多。特别是在设计硬件和调试程序时增长了许多经验，同时也感受到了团队的力量。面对诸多困难我都能通过互助、协同一一克服。比如温度检测精度不高，软硬件调试不协调，我都通过查阅资料，进行商讨将其解决。通过此次设计过程不仅增长了知识还增加了我解决问题的能力，为以后在电子方面的发展奠定的基础。在此，衷心感谢王老师的细心指导。

27

本科生课程设计（论文）

参考文献

[1]张国雄.测控电路 （第三版）.机械工业出版社.2008.1

[2]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社.1993.8 [3]何道清 张禾 谌海云 .传感器与传感器技术（第二版）.科学出版社.2008.3 [4]黄继昌，张海贵，郭继忠. 实用单元电路及其应用[M]. 人民邮电出社，2002 [5]沙占友，王彦朋，孟志永. 单片机外围电路设计[M]. 电子工业出版社，2003 [6]张福学. 传感器应用及其电路精选[M]．北京：北京电子工业出版社，1991

28

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库水泥养护箱温度检测系统设计在线全文阅读。