摘要

　　在工業(yè)自動(dòng)化系統中，工業(yè)過(guò)程控制、過(guò)程監測及機電一體化控制等，都是以單片機為核心的單機或多機網(wǎng)絡(luò )系統。在單片機硬件得到迅速發(fā)展的同時(shí)，開(kāi)發(fā)單片機所用軟件的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言也發(fā)生了變化，單片機控制系統已經(jīng)實(shí)現了智能化控制，它提高了系統的開(kāi)發(fā)效率也提高了產(chǎn)品質(zhì)量等。由于單片機在體積、功耗、價(jià)格和操作性能等方面的優(yōu)勢，它已得到廣泛的應用。數據測量與控制是計算機實(shí)踐應用的主要方向之一，數據的采集、處理和控制等的實(shí)現都是該領(lǐng)域的需要核心解決的問(wèn)題。而溫度值在很多控制系統中是一個(gè)重要的指標。某些控制場(chǎng)合下溫度指標值有時(shí)要求準確多點(diǎn)實(shí)時(shí)測量。目前市場(chǎng)中大多數溫度測量系統均為單點(diǎn)溫度測量,由于采樣位數偏低或編程算法冗長(cháng)等原因,出現其測量溫度精度不準確。系統開(kāi)發(fā)起來(lái)比較浪費工時(shí)，同時(shí)系統的干擾問(wèn)題也很難解決。溫度傳感器正向數字式和智能化的方向發(fā)展，能夠讓溫度測量系統能更好地應用到各種控制領(lǐng)域。

　　論文從軟硬件兩方面對多點(diǎn)溫度測量系統的設計分模塊進(jìn)行了闡述，介紹了溫度傳感器 DS1820、微處理器 W78E516B 等系統主要部件的相關(guān)參數并對其外圍電路進(jìn)行了設計。

　　本文基于單片機的嵌入式系統的開(kāi)發(fā)與設計技術(shù)，結合溫度監測的實(shí)際應用，根據 RTOS 系統的選取原則，本系統采用了μC/OS-II 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。

　　系統微控制器選用了 8 位的微控制器 W78E516B。測量溫度器件采用 DS1820 溫度傳感器。利用 RS-232C 總線(xiàn)進(jìn)行數據通訊。使本設計的該系統能耗低、體積很小、傳輸距離遠、可靠性高與系統的 ISP 功能、抗干擾強的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)。

　　關(guān)鍵詞:控制器；溫度測量；數字溫度傳感器；嵌入式系統；實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統

Abstract

　　In the industrial automation system, industrial process control, process monitoring and electromechanical integrated control, are all single microcontroller as the core or multi machine network system. With the rapid development of the hardware, software development language with the development of single-chip microcomputer has changed, single-chip microcomputer control system has realized the intelligent control, it improves the efficiency of system development and improve the quality of the products. Due to the single-chip microcomputer in volume, power consumption, price and performance, it has been widely used. Data measurement and control is one of the main direction of computer application, data acquisition,processing and control are the fields required core problem. While the temperature value in many control systems is an important index. Temperature index of some control situations sometimes requires accurate value multi-point real-time measurement. According to the investigation, most temperature measurement systems are single point temperature measurement systems on the market at present. Due to the low sampling digit and long programming algorithm, temperature measurement precision is not accuracy.System development waste of time, the system, and the interference problem is difficult to solve. The temperature sensor is a digital and intelligent direction, can make the temperature measurement system can be better applied to the control field.

　　The paper elaborates the design of the multi-point temperature measurement system basing on modules from two aspects of hardware and software. It introduces the related parameters of the main parts of the temperature sensor DS1820, the microprocessor W78E516B and designs their peripheral circuits.

　　This paper is based on the development and the design technology of microcontroller’s embedded system, according to the practical application of temperature monitoring with selection principle of the RTOS, this system uses a muC/OS - II embedded real-time operating system.; the microcontroller selects 8 bit micro controller W78E516B. Temperature measuring device uses DS1820 temperature sensor. Using the RS - 232c bus for data communications. Make the design of the system is low power consumption, small size, long transmission distance, high reliability and system ISP function, combine the advantages of strong anti-interference.

　　Keywords:Controller; temperature measurement; digital temperature sensor; embedded system; real-time multitasking operating system;

　　在工業(yè)自動(dòng)化系統中，單片機承擔了智能化的任務(wù)。由于單片機在體積、功耗、價(jià)格和操作性能等方面的優(yōu)勢，它已得到廣泛的應用。單片微型計算機是微型計算機的一個(gè)分支，它以其獨特的結構和性能，越來(lái)越普遍地應用到國民經(jīng)濟建設的各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)自動(dòng)化系統中,單片機承擔了越來(lái)越多的智能化任務(wù),加之單片機具有集成度高、成本低、多功能、易于產(chǎn)品化等特點(diǎn)，因此倍受青睞。

　　此外，新型單片機的接口，無(wú)論從類(lèi)型上還是數量上都得到了很大的發(fā)展，這不僅大大地提高了單片機的功能，且使系統的總體結構也大大地簡(jiǎn)化了。

　　單片機作為應用系統中的核心部件，按其結構和微電子設計的優(yōu)點(diǎn)，它已完全融入應用系統中，故而單片機也稱(chēng)為嵌入式微控制器。在嵌入式微控制器中，數據的采集、處理和控制是計算機實(shí)踐應用的主要方向之一，數據的采集、處理和控制等的實(shí)現都是該領(lǐng)域的需要核心解決的問(wèn)題。近年來(lái)，單片機已經(jīng)應用到了家用電器、辦公自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、智能儀表的控制電路和航空航天電子系統等領(lǐng)域，既微控制技術(shù)已得到不斷發(fā)展，日益完善、充實(shí)。溫度測量控制系統就是用于數據測量、數據處理、自動(dòng)監測等功能的機電控制系統。這種系統適用于糧庫、藥房等倉儲貨物的管理，并為其提供了科學(xué)的儲存監測處理設備。溫度是一個(gè)非常重要的檢測標準，為更好的掌握目標溫度變化、大力的減少損失、降低管理成本、增加經(jīng)濟效益提供了有力保障！該系統廣泛地應用了單片機計算機，實(shí)現了生產(chǎn)、管理以及社會(huì )生活的現代化，從而使科學(xué)技術(shù)成為主要的生產(chǎn)力[1]。本文基于單片機的嵌入式系統的開(kāi)發(fā)與設計技術(shù)，結合溫度監測的實(shí)際應用，根據 RTOS 系統的選取原則，本系統采用了μC/OS-II 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。

　　系統微控制器選用了 8 位的微控制器 W78E516B。測量溫度器件采用 DS1820 溫度傳感器。利用 RS232 總線(xiàn)進(jìn)行數據通訊。使本設計的該系統能耗低、體積很小、傳輸距離遠、可靠性高與系統的 ISP 功能優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)。設計了一個(gè)單片機溫度測量和控制系統。

　　當前，我國信息化技術(shù)和應用發(fā)展非常廣泛，在許多科研機構和辦公場(chǎng)所都使用了辦公自動(dòng)化設備。因此，在一個(gè)狹小的區域內使用了很多的用電設備，整個(gè)狹小的空間里需要使用較多的電源裝置，這種情況存在著(zhù)嚴重的火災隱患。所以，需要經(jīng)常進(jìn)行溫度檢測，防止出現嚴重的火災事故。通過(guò)經(jīng)常進(jìn)行溫度檢測，可以達到在發(fā)生火災事故時(shí)第一時(shí)間發(fā)現，并能夠及時(shí)進(jìn)行監測報警，避免造成財產(chǎn)損失和人員傷亡。

　　以前，主要使用模擬物理量來(lái)測量和監控溫度，可以得到比較直觀(guān)的結果。這種方法所使用的測溫元件多數是熱電阻和熱電偶元件，在系統設計過(guò)程中，由于體積大、能耗高、抗干擾能力弱，應用過(guò)程中非常麻煩，而且不便于在溫度測量和控制系統中應用。

　　目前數字溫度傳感器已得到了廣泛的應用，體積較小的數字傳感器已經(jīng)代替了溫敏電子元器件的模擬物理量進(jìn)行測量。很多電子元器件生產(chǎn)企業(yè)根據不同應用和需求研發(fā)了多款產(chǎn)品，物美價(jià)廉。使本設計有了很大的選擇余地來(lái)選取數字溫度傳感器，準確多點(diǎn)實(shí)時(shí)測量溫度[2]。通常情況下計算機控制系統是應用程序設計方法實(shí)現系統的測量功能，這種軟件設計實(shí)現時(shí)候比較麻煩，主要體現在實(shí)時(shí)性差、并行操作的相互通信實(shí)現比較困難、維護不方便、移植性差、程序結構冗長(cháng)。

　　計算機在處理中斷程序時(shí)，一般都響應高級中斷程序處理，因此中斷處理程序要求盡量簡(jiǎn)單，程序執行時(shí)間短，這樣可提高系統的實(shí)時(shí)性。計算機處理程序時(shí)遵循級別高先響應級別低后響應的原則，高級中斷程序處理在實(shí)時(shí)操作的處理過(guò)程中比較復雜，占用 CPU 的執行時(shí)間較長(cháng)。低級或同級中斷就無(wú)法實(shí)時(shí)響應處理。如果用設置標志來(lái)中斷，一方面會(huì )增加程序的復雜性，另一方面主程序不可能在執行其它程序時(shí)，隨時(shí)去檢查這些標志位而轉向其它的處理程序。因此很難達到系統的實(shí)時(shí)正確處理。由于實(shí)時(shí)控制系統的功能較強，系統中各個(gè)部分之間需要進(jìn)行數據和信息的相互通信。若采用中斷方式處理數據的話(huà)，則各部分之間需并行傳輸交換信息的，該種方法很難實(shí)現并行操作的相互通信。隨著(zhù)單片機控制系統的功能要求越來(lái)越復雜，相應的程序要求也越來(lái)越繁瑣，尤其是在實(shí)現并行傳輸數據和信息時(shí)需使用大量的中斷和標志，因此使得程序很難設計和調試。

　　采用順序程序設計方法和中斷方法的結構，使得程序難于修改和移植。為了實(shí)現系統各任務(wù)有效準確地互相傳輸數據和信息，采用了多任務(wù)操作系統的單片機嵌入式控制系統。設計軟件程序時(shí)合理地應用多任務(wù)操作系統，使控制系統的軟件程序能更好的并行處理多個(gè)任務(wù)和工作。

　　由于采用了 RTOS 操作系統，控制系統的中斷、互相數據傳輸、任務(wù)管理等特有性能可以得到充分的利用，有效地縮短了處理繁瑣復雜程序設計的時(shí)間并提升了處理信息的精確性。在系統運行時(shí)，在多任務(wù)操作系統中背景程序得以先運行，它能夠把 CPU 和存儲器合理的分配給每項任務(wù)，從而使程序并行處理，并且系統的精確性得到了大大的提高。

　　由于單片機應用系統軟硬件資源所限，單片機系統的開(kāi)發(fā)需要有相應的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境，要進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)設計。設計者不但要熟練掌握單片機語(yǔ)言的編程技術(shù)，而且還要具備較扎實(shí)的單片機硬件方面的理論和實(shí)踐知識。雖然單片機嵌入式系統的引入使控制系統大大“軟化”，但與其它計算機應用問(wèn)題相比，在具體的應用時(shí)硬件內容固然重要，但控制應用必須需要軟硬件相結合。來(lái)提高單片機應用系統的各項性能和指標，實(shí)際中單片機嵌入式系統非常適宜多任務(wù)和實(shí)時(shí)系統。

　　目前國內外經(jīng)濟發(fā)展速度迅猛，對各個(gè)應用程序的要求也相應提高，溫度控制系統也成為了一些領(lǐng)域的關(guān)注的對象，并不斷的向著(zhù)智能化發(fā)展。國產(chǎn)的溫度控制調節器分辯率不是很高，所以產(chǎn)生的結果也相對的模糊。而國外的溫度控制調節器相對的再分辨率和精確度上提高了很多，但銷(xiāo)售價(jià)位也比較昂貴。許多發(fā)達國家現在已經(jīng)生產(chǎn)出來(lái)了一批性?xún)r(jià)比較高的溫度控制器，而且應用范圍非常廣泛，例如美國、瑞典等。它們都有許多相似的特點(diǎn)，適用于一些處理系統比較繁瑣冗長(cháng)、受干擾程度較弱、精確度比較模糊的系統。繁瑣冗長(cháng)的處理程序所需要的時(shí)間就相對較長(cháng)一些，就很有可能導致所處理的結果不具備實(shí)時(shí)有效性；受干擾程度較弱而且具備自動(dòng)整定功能，就可以在系統處理的結果的同時(shí)自動(dòng)的調節可接受范圍內的允許的誤差值從而得到更加準確的處理結果；借助計算機的技術(shù)實(shí)時(shí)的控制溫度的變化，使分析的結果精度更高。現在，我國的溫度控制系統也在不斷地借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，向更加高科技，智能化的方向發(fā)展[3]。

　　為了更好的響應國家節能減排的號召，很多大規模的工廠(chǎng)都開(kāi)始應用溫度控制系統，來(lái)實(shí)時(shí)監控生產(chǎn)現場(chǎng)。溫度測量控制系統就是用于數據測量、數據處理、自動(dòng)監測等功能的機電控制系統。這種系統適用于糧庫、藥房等倉儲貨物的管理，并為其提供了科學(xué)的儲存監測處理設備。智能化的溫度控制系統不但節約了很多原本必須需要人工來(lái)承擔的工作，而且還提高了檢測的效率和精度，很好的加快了大中型企業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的辦公自動(dòng)化進(jìn)程。目前能夠很好的與國外接軌的溫度控制系統主要應用在主蒸汽溫度控制系統和電力脫硫設備當中。在溫度測控系統中，測量的儀器是非常重要的，好的測量?jì)x器所分析的結果要更為準確和有效。

　　在溫度控制系統中，溫度傳感器的種類(lèi)也很多，其溫度檢測方法也是各種個(gè)樣。按溫度傳感器按安裝方式分為兩大類(lèi)，既接觸式和非接觸式傳感器。

　　溫度測量是直接接觸被測物體進(jìn)行測量，在一定的測溫范圍內，利用傳導或對流達到熱平衡的原理，也可實(shí)現監測物體內部的溫度分布情況。

　　測溫元件與被測物體不直接接觸。對于測量運動(dòng)物體、小目標和熱容量小的被測物體的表面溫度，可使用這種傳感器實(shí)現溫度測量，同時(shí)對溫度場(chǎng)的溫度分布情況也可進(jìn)行監視和測量等。

開(kāi)發(fā)設計溫度測量和控制系統:

單片機嵌入式系統的軟硬件協(xié)同設計

W78E516B 內部結構圖

DS1820 內部結構圖

系統硬件結構框圖

顯示電路原理圖

系統軟件結構框圖

目 錄

　　摘 要
　　Abstract
　　目 錄
　　第一章 緒 論
　　　　1.1 理論基礎及設計意義
　　　　1.2 溫度控制系統概述
　　　　1.3 設計工作
　　　　1.4 設計內容
　　第二章 單片機嵌入式系統基礎
　　　　2.1 單片機嵌入式系統簡(jiǎn)述
　　　　　　2.1.1 單片機嵌入式系統的歷史
　　　　　　2.1.2 單片機嵌入式系統的結構
　　　　　　2.1.3 單片機嵌入式系統開(kāi)發(fā)技術(shù)
　　　　　　2.1.4 系統開(kāi)發(fā)環(huán)境選取
　　　　2.2 溫度傳感器簡(jiǎn)述
　　　　　　2.2.1 溫度傳感器的發(fā)展介紹
　　　　　　2.2.2 DS1820 溫度傳感器的選取
　　　　2.3 本章小結
　　第三章 需求分析
　　　　3.1 系統設計思想
　　　　3.2 系統功能需求分析
　　　　3.3 其他需求
　　　　3.4 本章小結
　　第四章 系統設計與實(shí)現
　　　　4.1 系統硬件詳細設計
　　　　4.2 系統軟件設計
　　　　　　4.2.1 任務(wù)的劃分
　　　　　　4.2.2 人機交互任務(wù)的實(shí)現
　　　　　　4.2.3 串行通信模塊的設計
　　　　　　4.2.4 遠程加載程序的設計
　　　　　　4.2.5 溫度監控軟件的實(shí)現
　　　　4.3 系統測試
　　　　　　4.3.1 系統測試概述
　　　　　　4.3.2 系統的具體測試
　　　　4.4 本章小結
　　第五章 結論
　　　　5.1 工作總結
　　　　5.2 系統的完善及展望
　　參考文獻
　　作者簡(jiǎn)介
　　致 謝

（如您需要查看本篇畢業(yè)設計全文，請您聯(lián)系客服索取）