基于Proteus的数字温度监控系统仿真研究

论文总字数：13874字

目 录

1 绪论 4

1.1 课题研究背景 4

1.2 温度监控系统的发展现状 4

1.2.1 温度监控系统的国外发展现状 4

1.2.2 温度监控系统的国内发展现状 4

1.3 课题研究的主要内容以及研究目的 5

2 系统设计方案 6

2.1 系统总体设计方案 6

2.2 元件选取 6

3 系统硬件设计 6

3.1 控制模块设计 6

3.1.1 AT89C51单片机简介 6

3.1.2 单片机最小系统 7

3.2温度传感器模块 9

3.2.1 DS18B20简介 9

3.2.2 温度传感器电路 11

3.3 模块化设计 11

4 仿真与调试 12

4.1 工具介绍 12

4.1.1 Proteus软件的主要功能 12

4.1.2 Proteus的运用 13

4.2 电路仿真 14

4.3 程序设计 14

4.4 系统调试 15

4.4.1 仿真调试 16

4.4.2 硬件调试 17

5 总结与展望 19

参考文献 20

致谢 21

大棚温度监控系统设计

陈榆

，China

Abstract: The temperature monitoring system design is based on SCM, at first, the modules are classified and designed, using AT89C51 single chip microcomputer as the core, using DS18B20 temperature acquisition, through the single-chip microcomputer for data processing and the results are sent to the relay, realize the heating or refrigerating measures. This design uses the digital tube display, the key circuit can control the temperature range, the alarm module prompts the work condition. This paper introduces the hardware composition, software design, system debugging and so on.

Keywords: Single chip; Proteus; DS18B20; Temperature monitoring alarm system; Circuit simulation

1 绪论

1.1课题研究背景

无论是在工业制造、科技生产还是社会生活中，温度都是非常广泛而且非常重要的热学参数之一。温度反映的是物体的冷热程度，它既是一个相当重要的物理参数之一，也是一个非电物理量。社会生产中所有的物理、化学变化都和温度有着不可分割的关系。要想提高产品的质量、工作的效率以及生产的安全性，就需要对温度有一个很好的把控，所以温度测量变得极为必要且具有极为重要的现实意义和价值。而在整个温度的测量系统中，被使用得最为频繁推广得最为普及的元器件就是温度传感器。

人们对温度的研究可以说已经经历了一段很长的历史。早在十七世纪初，伽利略就发明了气体式温度计，如图1所示。1821年，热电偶传感器被德国的赛贝研制出来，这也是历史上第一次真正的实现了把温度转化成电信号的可能，如图2所示即为传统的热电偶传感器。后来，科学技术的不断进步，人们不断改进并创造出了更多样式的温度传感器，半导体技术越来越强大了，人们又先后研制出了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器以及集成式温度传感器^[1]。20世纪以来，温度传感器的发展可以概括为下面三个阶段：1、传统的分立式温度传感器。2、模拟集成温度传感器。3、智能温度传感器。到了21世纪，温度传感器确立了新的未来发展方向，即精度高、功能多、总线标准化以及可靠性高^[2]。

图1 伽利略温度计 图2 热电偶传感器

目前，对大棚温度的控制仍停留在人工监守、采用普通可视温度计采集数据的方式，通过人脑分析决策控制温度，劳动强度大，操作规程复杂，效率低下。而对于一些智能监测系统，由于采用的是电阻式温度传感器，需要AD转换，精度低，反应缓慢，电路复杂。为此，本设计提出了基于DS18B20的大棚温控系统，该系统以DS18B20型数字温度传感器作为温度采集单元，以单片机AT89C51作为数据处理核心，决定温度控制执行部件的动作，较好的解决了上述问题，实现了高精度温度采集、快速的数据分析及准确的调温动作，控制过程高度智能化，提高了生产效率。

本文主要是对数字式智能温度报警器的设计，要求这种温度监控系统能在所设定的环境内进行实时的温度监控，并且一旦温度超出设定范围就能发出警报，并且可以采取相应的加热或降温措施达到控制温度的目的。在实际生活中，温度监控系统的开启以及范围的设置跟各种因素都有联系，如果光依靠传统的控制方法，那么整个系统的效率和效果都无法达到高水平状态。本文有效的结合了传统与现代的控制理论，使整个系统表现得更加高效率高质量。

1.2温度监控系统的发展现状

1.2.1温度监控系统的国外发展现状

自1970年之后，因为工业发展的需求，尤其是微电子和计算机技术的快速发展以及自动控制原理和方法不断完善，国外的温度监控报警系统(Temperature Monitoring Alarm System, TMAS)得到了迅猛的发展。日本和许多西方国家的技术都遥遥领先于我们，他们已经生产出了许多优异实用的温度控制仪器和监控仪表，而且在各个领域都得到了很好的推广使用。国外较先进的温度监控系统都可以适合比较复杂或是对温度较为敏感的场所。其优点都较为明显，比如稳定性好，精确度高，响应及时，且普遍采用自适应控制等先进的技术，适用范围广，实用率高。

1.2.2温度监控系统的国内发展现状

温度监控系统在我国各个领域已经得到了非常普遍的应用，但是可以说我国制造出来的温度监控器都有一定的缺点与局限性。当前，国内的温度控制领域的总体水准还停留在上个世纪90年代前期，“点位”控制和常规的PID控制器是较为主要的产品，但是它们只能适应于普通的温度系统控制，对于较为复杂的时变温度系统就很难适应^[3]。国内对于先进的智能化控制仪表的研制远没有达到理想的程度，进步空间十分巨大。当下，我们在温度控制领域与先进国家还有较大差距，国内的企业规模较小，以PID控制器为主，产品相对而言还不够成熟，抗干扰能力不强，精确度有时无法满足我们的需求。但是，我们国家正大力扶持高新技术产业，整个科技产业展现出了蓬勃的活力，相信在不久的将来，一定可以取得巨大进步。

电子科技的迅速发展，加上温度传感器功能的进一步完善，使得温度监控系统也变得越来越普及。事实证明，温度传感器以及温度监控系统确实能为我们的生产生活带来很多方便，它的应用领域也越来越广泛。图3和图4所展示的正是温度监控系统的应用实例。

图3 大棚温度监控系统应用 图4 楼宇温度监控系统应用

1.3课题研究的主要内容以及研究目的

不论是日常生活还是工业生产都离不开温度控制。工业自动控制中的很重要的部分就是温度控制，而温度控制中的重要环节就是温度测量^[4]。例如“楼宇自动报警系统”，适用于酒店、商场等，一旦有区域发生火灾时，可以立即打出警报，提示我们赶紧采取防火措施，尽量避免发生重大的事故，可以减少人员的伤亡和财产的损失。现在酒店、商场等公共场所不断扩展，这种自动警报装置成了必不可少的组成部分。“多点测温”技术正是楼宇报警装置中最核心的部分。

传统温度检测方法仍是国内较为主要的检测方式，模拟温度传感器是被利用的较为普遍的器件。本文是选用的是数字式温度传感器DS18B20，这种传感器可以将模拟温度传感器和信号处理电路结合,能与单片机直接相连,这样温度采集和数据处理就显得简单方便。与传统的温度传感器相比，它的构造简单、不易被干扰，在环境比较恶劣的情况下也可以实时温度监控，它能提高温度报警系统的速度和精准度，正变得越来越普及。

2 系统设计方案

2.1 系统总体设计方案

根据设计要求，该温度监控分为以下模块：

图5 系统整体设计

温度采集模块：通关过温度传感器来来测量温度，并将采集后的信号进行放大和转换后传送给主控模块。

主控模块：接收温度传感器采集的信号，进行数据处理和逻辑判断，把处理后的结果输出给液晶显示模块、声光提示模块和加热制冷模块。

按键输入模块：通过“设置”、“加”、“减”来控制温度范围。

声光提示模块：当温度超出设定值时起报警作用。

液晶显示模块：显示当前水温和设定值。

加热制冷模块：起调节温度的作用。

2.2 元件选取

（1）单片机模块

采用AT89S51。AT89S51片内具有4K字节程序存储空间，256字节的数据存储空间没有EEPROM存储空间，也与MCS-51系列单片机完全兼容，具有在线编程可擦除技术。

（2）温度传感器模块

用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器 DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。

（3）显示模块

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到 5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。由于它的价格便宜使用简单在电器特别是家电领域应用极为广泛。

3 系统硬件设计

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