測溫報警器設(shè)計.doc

目 錄第1章 緒論121.1 溫度測量的意義121.2溫度傳感器的原理及發(fā)展現(xiàn)狀121.2.1溫度傳感器的發(fā)展過程121.2.2溫度傳感器的分類121.2.3溫度傳感器的原理及發(fā)展131.3本課題主要研究內(nèi)容17第二章 硬件的設(shè)計182.1器件的選擇182.2芯片的結(jié)構(gòu)和工作原理182.2.1單片機at89c52182.2.2溫度傳感器ds18b20242.3硬件電路設(shè)計312.3.1單片機基本配置電路312.3.2單片機與傳感器的接口電路322.3.3顯示電路342.3.4報警電路382.3.5整體電路圖39第三章 軟件設(shè)計403.1軟件開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境403.2數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計413.3顯示模塊程序設(shè)計413.4報警模塊程序設(shè)計44結(jié) 論46致 謝47測溫報警器設(shè)計【摘 要】本次論文設(shè)計的內(nèi)容是基于智能化溫度傳感器的測溫報警器的設(shè)計。首先對該設(shè)計進行整體思路分析?，F(xiàn)在市場上有多種優(yōu)良的溫度傳感器，經(jīng)過各方面的考慮和分析，選擇dallas公司的智能化一線傳感器ds18b20作為核心溫度傳感器。因為它價格低廉、使用方便、接口簡單、易于推廣?？刂破鬟x用基于51內(nèi)核的at89系列單片機，其價格便宜、功能齊全、易于擴展。在顯示方面，采用普通的led即可滿足該設(shè)計的要求，顯示方式為動態(tài)掃描顯示方式。報警裝置采用三極管驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲報警，此電路連接方便，簡單耐用。本文主題設(shè)計分為兩個部分，第一部分為硬件設(shè)計部分，主要講述了硬件各部分的接口和驅(qū)動電路，電路主要分為四個部分：數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、輔助電路、報警電路。第二部分為軟件設(shè)計部分，這部分重點講解各模塊的功能的軟件實現(xiàn)，用程序流程圖簡潔的表達了程序的思路和實現(xiàn)過程。同時介紹了所使用的軟件開發(fā)平臺uvision2.0。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計完全可以勝任55到125攝示度的溫度測量，測量誤差小，反應靈敏，顯示方便，適合糧倉、家具城、酒店、智能化大廈等溫度測量需求較大的場合?！娟P(guān)鍵字】：ds18b20； 單片機； 測溫報警； 一線；temperature alarm design【abstract】:this paper is a temperature alarm design based on intelligent temperature sensor. first on the design analysis of the overall idea. there are now a wide range of temperature sensors, after all considerations and analysis, choice the intelligent sensor of dallas co as a core temperature sensor. because it is cheap, easy to use, simple interface, easy to promote. controllers based on the selection of the 51 kernel at89 microcontroller, its cheap, multifunctional and easy to expand. on display, ordinary led can be designed to meet the requirements of display mode for dynamic scanning formats. alarm device driver used triode audible alarm buzzer, the circuit connecting convenient and simple durability. in this paper the design theme is divided into two parts, the first part is the hardware design, describing the hardware components of the interface and driver circuit, circuit consists of four parts : data acquisition module, display module, auxiliary circuit, alarm circuit. the second part will be part of software design, which focuses on the function of each module of the software, simple flow chart with the expression of ideas and procedures to achieve process. also introduces the use of the software development platform - uvision2 .0. after tests revealed that the design fully competent to -55 to 125 degrees perturbation the temperature measurement have little measurement error, shows convenient and,and its responsive,suitable for silos furniture city, hotels, intelligent buildings, and so on greater demand for temperature measurement occasions.【keywords】:ds18b20； mcu； temperature alarm； single wire;42第一章 緒論本文設(shè)計了一個基于智能化溫度傳感器的測溫報警器，它具有不同于傳統(tǒng)的測溫器，具有快速、靈敏、誤差小、智能化等優(yōu)點。文章將通過硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面來介紹這個設(shè)計。1.1 溫度測量的意義溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，隨著人們生活水平的不斷提高，對生活質(zhì)量的要求不斷提升，自然會更加關(guān)注跟人身體健康緊密聯(lián)系的溫度；同時在工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要實時測量溫度，尤其是在高危生產(chǎn)行業(yè)，如花炮生產(chǎn)、煤礦行業(yè)等。但依靠人工檢測既浪費時間、物力、人力，又有一定的危險性，且測量的數(shù)據(jù)也不準確；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，各種農(nóng)作物的生長都跟溫度有直接的關(guān)系，掌握了溫度的變化就可以更好的控制農(nóng)作物的生長。因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。1.2溫度傳感器的原理及發(fā)展現(xiàn)狀溫度的測量離不開各種傳感工具，下面就談一談溫度傳感器的分類及發(fā)展現(xiàn)狀。1.2.1溫度傳感器的發(fā)展過程(1) 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件);主要是能夠進行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換。(2) 模擬集成溫度傳感器/控制器;(3) 智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。 1.2.2溫度傳感器的分類傳感器分類方法很多，常用的有2種:一種是按被測的參數(shù)分，另一種是按變換原理來分。通常按被測的參數(shù)來分類，可分為熱工參數(shù):溫度、比熱、壓力、流量、液位等;機械量參數(shù):位移、力、加速度、重量等;物性參數(shù):比重、濃度、算監(jiān)度等;狀態(tài)量參數(shù):顏色、裂紋、磨損等。溫度傳感器屬于熱工參數(shù)。溫度傳感器按傳感器于被測介質(zhì)的接觸方式可分為2大類:一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器，接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸，通過熱傳導及對流原理達到熱平衡，這時的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高，并在一定程度上還可測量物體內(nèi)部的溫度分布，但對于運動的、熱容量比較小的、或?qū)Ω袦卦懈g作用的對象，這種方法將會產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。目前最常用的是輻射熱交換原理。此種測溫方法的主要特點是可測量運動狀態(tài)的小目標及熱容量小或變化迅速的對象，也可測溫度場的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。1.2.3溫度傳感器的原理及發(fā)展（一） 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器熱電偶傳感器熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精確度;測量范圍廣，可從-50-1600進行連續(xù)測量，特殊的熱電偶如金鐵-鎳鉻，最低可測到-269，鎢-錸最高可達2800。熱電偶傳感器主要按照熱電效應來工作。將兩種不同的導體a和b 連接起來，組成一個閉合回路，即構(gòu)成感溫元件。當導體a和b的兩個接點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象即稱為熱電效應，也叫溫差電效應。熱電偶就是利用這一效應進行工作的。熱電偶的一端是將a、b兩種導體焊接在一起，稱為工作端，置于溫度為t的被測介質(zhì)中。另一端稱為參比端或自由端，放于溫度為t0的恒定溫度下。當工作端的被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時，熱電勢隨之發(fā)生變化，將熱電勢送入計算機進行處理，即可得到溫度值。熱電偶兩端的熱電勢差可以用下式表示:et=e(t)-e(t0)式中:et熱電偶的熱電勢e(t)溫度為t時的熱電勢e(t0)溫度為t0時的熱電勢當參比端的溫度t0恒定時，熱電勢只于工作端的溫度有關(guān)，即et=f(t)。當組成熱電偶的熱電極的材料均勻時，其熱電勢的大小與熱電極本身的長度和直徑無關(guān)，只與熱電極的成分及兩端的溫度有關(guān)。（二） 集成(ic)溫度傳感器1. 模擬集成溫度傳感器 模擬集成傳感器是采用硅半導體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用ic。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控測，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。目前在國內(nèi)外仍是普遍應用的一種集成傳感器。2. 智能溫度傳感器智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)(ate)的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(cpu)、隨機存取存儲器(ram)和只讀存儲器(rom)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(mcu);并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化和諧也取決于軟件的開發(fā)水平。（三） 智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢 21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 1. 提高測溫精度和分辨力 21世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位a/d轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到1。目前，國外已相繼推出多種高速度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是912位a/d轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達0.50.0625。由美國dallas半導體公司新研制的ds1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數(shù)據(jù)，其分辨力高達0.03125，測溫精度為0.2。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器。以ad7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉(zhuǎn)換時間分別僅為27s、9s。2. 增加測試功能 溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如，ds1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘(rtc)，使其功能更加完善。ds1624還增加了存儲功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的e2prom存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。 傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機模式，有的還增加了低溫極限擴展模式，操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言，主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設(shè)定其a/d轉(zhuǎn)換速率(典型產(chǎn)品為max6654)，分辨力及最大轉(zhuǎn)換時間(典型產(chǎn)品為ds1624)。 3. 總線技術(shù)的標準化與規(guī)范化 智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化，所采用總線主要有單線(1-wire)總線、i2c總線、smbus總線和spi總線。溫度傳感器作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信。4. 可靠性及安全性設(shè)計 d轉(zhuǎn)換器大多采用積分式或逐次比較式轉(zhuǎn)換技術(shù)，其噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差。新型智能溫度傳感器(例如tmp03/204、lm74、lm83)普遍采用了高性能的-式a/d轉(zhuǎn)換器不僅能濾除量化噪聲，而且對外圍元件的精度要求低;由于采用數(shù)字反饋方式，因此比較器的失調(diào)電壓及零點漂移都不會影響溫度的轉(zhuǎn)換精度。這種智能溫度傳感器兼有抑制串模干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點。 為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時產(chǎn)生誤動作，在ad7416/7417/7817、lm75/76、max6625/6626等智能溫度傳感器的內(nèi)部，都設(shè)置了一個可編程的“故障排隊(fault queue)”計數(shù)器，專用于設(shè)定允許被測溫度值超過上、下限的次數(shù)。僅當被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達到或超過所設(shè)定的次數(shù)n(n=14)時，才能觸發(fā)中斷端。若故障次數(shù)不滿足上述條件或故障不是連續(xù)發(fā)生的，故障計數(shù)器就復位而不會觸發(fā)中斷端。這意味著假定n=3時，那么偶然受到一次或兩次噪聲干擾，都不會影響溫控系統(tǒng)的正常工作。 76型智能溫度傳感器增加了溫度窗口比較器，非常適合設(shè)計一個符合acpi(advanced configuration and power interface，即“先進配置與電源接口”)規(guī)范的溫控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護功能，可用來監(jiān)控筆記本電腦和服務器中cpu及主電路的溫度。微處理器最高可承受的工作溫度規(guī)定為th，臺式計算機一般為75，高檔筆記本電腦的專用cpu可達100。一旦cpu或主電路的溫度超出所設(shè)定的上、下限時，int端立即使主機產(chǎn)生中斷，再通過電源控制器發(fā)出信號，迅速將主電源關(guān)斷起到保護作用。此外，當溫度超過cpu的極限溫度時，嚴重超溫報警輸出端(t_crit_a)也能直接關(guān)斷主電源，并且該端還可通過獨立的硬件判斷電路來切斷主電源，以防主電源控制失靈。上述三重安全性保護措施已成為國際上設(shè)計溫控系統(tǒng)的新觀念。 為防止因人體靜電放電(esd)而損壞芯片。一些智能溫度傳感器還增加了esd保護電路，一般可承受10004000v的靜電放電電壓。通常是將體等效于由100pf電容1.2k電阻串聯(lián)而成的電路模型，當人體放電時，tcn75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較器信號輸出端和地址輸入端均可承受1000v的靜電放電電壓。lm83型智能溫度傳感器則可隨4000v的靜電放電電壓。最新開發(fā)的智能溫度傳感器(例如max6654、lm83)還增加了傳感器故障檢測功能，能自動檢測外部晶體管溫度傳感器(亦稱遠程傳感器)的開路或短路故障。max6654還具有選擇“寄存阻抗抵消”(parasitic resistance cancellation，英文縮寫為prc)模式，能抵消遠程傳感器引線阻抗所引起的測溫誤差，即使引線阻抗達到100，也不會影響測量精度。遠程傳感器引線可采用普通雙絞線或者帶屏蔽層的雙絞線。 5. 虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器 虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計算機平臺、并通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及校準，以實現(xiàn)最佳性能指標。最近，病因b&k公司已開發(fā)出一種基于軟件設(shè)置的teds型虛擬傳感器，其主要特點是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號并且附帶一張軟盤，軟盤上存儲著對該傳感器進行標定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時，傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計算機，首先從計算機輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號，再從軟盤上讀出有關(guān)數(shù)據(jù)，然后自動完成對傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設(shè)置和記錄工作。1.3本課題主要研究內(nèi)容 雖然現(xiàn)在溫度的測量已經(jīng)走向成熟化和智能化，但是傳統(tǒng)的溫度測量裝置要不存在著讀取麻煩，反應時間慢，要不存在著測量誤差大，設(shè)備復雜等等弊端，針對以上弊端本文設(shè)計了基于ds18b20測溫報警器，主要功能：1. 利用溫度傳感器測取溫度信息。2. 使用單片機與傳感器進行通信，讀取溫度信息并且寫入控制信息（如溫度上下限，溫度分辨率等）。3. 溫度顯示功能，將單片機采集的溫度信息送往顯示模塊電路進行實時顯示。4. 溫度報警功能，當溫度超過設(shè)定上下限溫度時，發(fā)出聲音報警第二章 硬件的設(shè)計2.1器件的選擇本章主要研究硬件器件的選擇及各種器件之間的接口電路設(shè)計。由于是利用單片機控制智能溫度傳感器進行溫度的測量，綜合考慮設(shè)計成本，電路結(jié)構(gòu)及其功能?？刂菩酒捎昧?1單片機。對于傳感器的選擇，選用美國dallas公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片，ds18b20作為溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同，ds18b20可直接將被測物的溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號，以供單片機處理，它還具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強等優(yōu)點。顯示裝置采用常用的數(shù)字顯示工具：八段數(shù)碼管。led驅(qū)動選用motorola公司的led硬件譯碼驅(qū)動器mc14499。溫度報警裝置采用普通的有源蜂鳴器，利用三級管驅(qū)動。下圖為本設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)圖。 溫度采集模塊控制模塊報警電路顯示模塊輔助電路 圖1 整體結(jié)構(gòu)圖2.2芯片的結(jié)構(gòu)和工作原理2.2.1單片機at89c52（1） 引腳說明51單片機的引腳分布如下圖2所示 1. 電源引腳vcc和gndvcc（40腳）：電源端，為+5vgnd（20腳）：接地端。2. 時鐘電路引腳xtalo和xtal1xtal0（18腳）：接外部晶體的一端。在51單片機內(nèi)，它是振蕩電路反向發(fā)大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率。若需要采用外部時鐘電路，該引腳輸入外部時鐘脈沖，要檢查振蕩電路是否正確工作，可用示波器查看x2端是否有脈沖信號輸出。xtal1（19腳）：接外部晶體的另一端。在51單片機內(nèi)，它是振蕩電路反向放大器的輸入端。采用外部時鐘時，該引腳必須接地。3.控制信號引腳rst、ale、psen和earst（9腳）：rst是復位信號輸入端，高電平有效。當此引腳保持兩個機器周期（24個時鐘振蕩周期）的高電平時，就可以完成復位操作。rst引腳的第二功能是備用電源輸入端，當主電源vcc發(fā)生故障時，降低到低電平規(guī)定值時，單片機自動將+5v電源接入rst端，為隨機存儲器ram提供備用電源，以保證存儲在ram中的信息不會丟失，使其復電后能繼續(xù)正常工作。 圖2 單片機引腳圖ale/prog（30腳）：地址鎖存允許信號。51單片機上電正常工作后，ale引腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。cpu訪問片外存儲器時，ale輸出信號做為鎖存低8位地址的控制信號。cpu訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，會丟失一個脈沖。平時不訪問片外存儲器時，ale端也以1/6的振蕩頻率固定輸出正脈沖，因此ale信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。ale端的負載驅(qū)動能力為8個ls型ttl。使用第二功能prog時，此引腳用于向片內(nèi)帶有eprom的51單片機提供編程脈沖輸入。psen（29腳）：程序存儲允許輸出信號端。在訪問片外存儲器時，此端定時輸出脈沖作為讀片外程序存儲器的選通信號。此引腳接eprom的oe端，psen端有效，即允許讀出eprom/rom中的指令碼。cpu從外部eprom/rom取指令期間，psen信號在每個機器周期（12個時鐘周期間）中兩次有效。不過，在訪問片外ram時，要少產(chǎn)生2次psen負脈沖信號。psen端同樣可以驅(qū)動8個ls型ttl。要檢查一個小型8051系統(tǒng)上電后cpu能否正確到eprom/rom中讀取指令碼，可用示波器觀測psen端有無脈沖輸出，如有，說明基本上工作正常。ea/vpp（31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端固化編程電壓輸入端。當ea腳接高電平時，cpu只訪問片內(nèi)eprom/rom，并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，但在pc（程序計數(shù)器）的值超過0fffh時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi)的程序。當ea腳為低電平（接地）時，cpu只訪問外部eprom/rom，并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。對于無片內(nèi)rom的8031或8032，需要外擴eprom，此時必須將ea接地。此引腳的第二功能vpp是在對8751片內(nèi)eprom固化編程時，作為施加較高編程電壓（一般為21伏）的輸入端。4. i/o（輸入/輸出）端口p0、p1、p2和p3p0口（p0.0p0.7,3932腳）：p0口是一個漏極開路的8位準雙向i/o端口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動8個ls行ttl負載。當po口作為輸入口使用時，應先向鎖存器（地址80h）寫入全1，此時p0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。作輸入口使用時要先寫1，這是準雙向的含義。在cpu訪問片外存儲器時，p0口是分時提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。在此期間，p0口內(nèi)部上拉電阻有效。對于8751單片機，因不需要外擴eprom，所以p0口可作為一個數(shù)據(jù)輸入/輸出口，此時若p0口用做輸入，則需外接上拉電阻。p1口（p1.0p1.7，18腳）：p1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向i/o端。p1口的每一位能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ls行ttl負載。在p1口作為輸入口使用時，應先向p1口鎖存器（地址90h）寫入全1，此時p1口引腳由內(nèi)部上拉電阻接成高電平。p2口（p2.0p2.7，2128腳）：p2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向i/o端口。p2口的每一位能驅(qū)動4個ls型ttl負載。p3口（p3.0p3.7，1017腳）：p3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向i/o端口。p3口的每一位能驅(qū)動4個ls型ttl負載。p3口與其他i/o端口有很大區(qū)別，除作為一般準雙向i/o口外，每個引腳還具有專門的功能。如下表所示： 表1 p3口特殊功能p3口第二功能注釋 p3.0rxd串行輸入口p3.1txd串行輸出口p3.2int0外部中斷0輸入（低電平有效）p3.3int1外部中斷1輸入（低電平有效）p3.4t0計數(shù)器0計數(shù)輸入p3.5t1計數(shù)器1計數(shù)輸入p3.6wr外部數(shù)據(jù)ram寫選通（低電平有效）p3.7rd外部數(shù)據(jù)ram讀選通（低電平有效）（2） 中央處理器cpu51單片機最為核心的部分是中央處理器cpu，它有運算器和控制邏輯構(gòu)成，其中包括若干特殊功能寄存器（sfr）。運算器以算術(shù)邏輯單元alu為中心，還包括累加器acc、暫存寄存器、b寄存器和程序狀態(tài)存儲器psw。alu是單片機中必不可少的數(shù)據(jù)處理單元之一，可以對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術(shù)運算和“與”、“或”“異或”等邏輯運算，以及位操作運算。累加器a: 這是一個使用相對頻繁的特殊的通用寄存器, 有重復累加數(shù)據(jù)的功能。 暫存存儲器：為alu提供運算數(shù)據(jù), 或保留運算中間或最終的結(jié)果。 程序狀態(tài)字psw是一個逐字定義的8位寄存器，其內(nèi)容的主要部分是alu單元的輸出，用來寄存本次運算的的特征信息。psw是一個程序可訪問的寄存器，而且可以按位訪問。格式如下： 表2 psw寄存器格式信息cyacfors1rs0ov p其中，p為奇偶標志位，每個指令周期都由硬件置位或清除，表示累加器中值為1的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。若累加器值為1的個數(shù)是奇數(shù)，p置位（奇校驗），否則p清除。psw.1是保留位，不作使用。psw.2（ov）溢出標志位，運行運算指令時由硬件置位或清除，指示運算是否產(chǎn)生溢出。ov置位表示運算結(jié)果超出了目的寄存器a所能表示的帶符號數(shù)的范圍。rs0和rs1是工作寄存器選擇控制位，該兩位的四種組合狀態(tài)用來選擇03寄存器。ac為輔助進位標志位，也稱半進位標志位，當?shù)退奈幌蚋咚奈粩?shù)發(fā)生進位或者借位時，ac被硬件置位，否則被清除。cy為進位標志位，有進位或借位時，cy被硬件置位，否則被清除?？刂破鳎╟ontroller）是整個計算機的指揮中心, 它負責從內(nèi)部存儲器中取出指令并對指令進行分析、判斷, 并根據(jù)指令發(fā)出控制信號, 使計算機的有關(guān)部件及設(shè)備有條不紊地協(xié)調(diào)工作, 保證計算機能自動、連續(xù)地運行?？刂破髦饕ǎ褐噶钭g碼器id和地址指針dptr。數(shù)據(jù)指針dptr是一個 16 位的專用寄存器, 其高位字節(jié)寄存器用dph表示,低位字節(jié)寄存器用dpl表示。既可作為一個 16 位寄存器dptr來處理, 也可作為兩個獨立的 8 位寄存器dph和dpl來處理。dptr 主要用來存放 16 位地址, 當對 64 kb外部數(shù)據(jù)存儲器空間尋址時, 作為間址寄存器用。在訪問程序存儲器時, 用作基址寄存器。 程序計數(shù)器pc: 存放將要執(zhí)行的指令地址。它是一個 16 位的專用寄存器, 可尋址范圍是0000h0ffffh共 64 kb。 程序中的每條指令存放在rom區(qū)的某一單元, 并都有自己的存放地址。 cpu 要執(zhí)行哪條指令時, 就把該條指令所在的單元的地址送上地址總線。 在順序執(zhí)行程序中, 當pc的內(nèi)容被送到地址總線后, 會自動加 1, 即(pc) (pc)+1, 又指向cpu 下一條要執(zhí)行的指令地址。 指令存儲器ir: 存放根據(jù)pc 的內(nèi)容從存儲器中取出的指令。 （3） 存儲器結(jié)構(gòu)51單片機系列的存儲器采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，即將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器完全分開，二者各有自己的尋址方式，尋址空間和控制系統(tǒng)。51單片機的存儲器包括： 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ram）：128b。 內(nèi)部程序存儲器（rom）：8051為4kb，8052為8kb。 外部擴充數(shù)據(jù)存儲器（ram）：最大可擴充至64kb（不含內(nèi)部ram）。 外部擴充程序存儲器（rom）：最大可擴充至64kb（含內(nèi)部rom）。51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 圖3 51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（4） 串行口51單片機具有一個全雙工的串行通信接口，能同時進行發(fā)送和接收。它可以作為uart（通用異步接收和發(fā)送器）使用，也可以作為同步移位寄存器使用。2.2.2溫度傳感器ds18b20ds18b20是dallas公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，他具有獨特的單線總線接口方式。（1） ds18b20簡介 1. 獨特的單線接口方式：ds18b20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與ds18b20的雙向通訊。 2. 在使用中不需要任何外圍元件。 3. 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0+5.5 v。 4. 測溫范圍：-55 +125 。固有測溫分辨率為0.5 。 5. 通過編程可實現(xiàn)912位的數(shù)字讀數(shù)方式，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625。 6. 用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。 7. 支持多點組網(wǎng)功能，多個ds18b20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。8. 負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。（2） ds18b20的外形： 圖4 ds18b20外形圖引腳定義： (1) dq為數(shù)字信號輸入/輸出端； (2) gnd為電源地； (3) vdd為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。（3） ds18b20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：64位rom和單線接口電源檢測存儲器和控制器高速緩存存儲器溫度靈敏元件低溫觸發(fā)器tl高溫觸發(fā)器th配置寄存器8位crc生成器i/o口接地vdd 圖5 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖64b閃速rom的結(jié)構(gòu)如下：8b檢驗crc48b序列號8b工廠代碼msb lsb msb lsb msb lsb圖6 64位閃存rom結(jié)構(gòu)圖光刻rom中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該ds18b20的地址序列碼。64位光刻rom的排列是：開始8位（28h）是產(chǎn)品類型標號，接著的48位是該ds18b20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（crc=x8+x5+x4+1）。光刻rom的作用是使每一個ds18b20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個ds18b20的目的。失性溫度報警觸發(fā)器th和tl，可通過軟件寫入用戶報警上下限。高速暫存存儲器：ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存ram和一個非易失性的可電擦除的e2ram。后者用于存儲th，tl值。數(shù)據(jù)先寫入ram，經(jīng)校驗后再傳給e2ram。高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如下表所示。表3 ram的存儲配置結(jié)構(gòu)寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位0溫度值高位1高溫限值th2低溫限值tl3配置寄存器4保留5保留6保留7crc檢驗8第五字節(jié)為配置寄存器，該字節(jié)的各位的意義如下表： 表4 配置寄存器的結(jié)構(gòu)tmr1r011111低五位一直都是1，tm是測試模式位，用于設(shè)置ds18b20在工作模式還是在測試模式。在ds18b20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。r1和r0用來設(shè)置分辨率（ds18b20出廠時被設(shè)置為12位），如下表所示：表5 分辨率設(shè)置表r1r0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms當溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0號和第1號個字節(jié)。數(shù)據(jù)格式如下表所示。 圖7 溫度數(shù)據(jù)格式單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062 5 /lsb形式表示(默認分辨率)。對應的溫度計算：當符號位s=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當s=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值。下表是對應的一部分溫度值溫度 二進制表示十六進制表示+12500000111 11010000 07d0h +25.062500000001 10010001 0191h +0.500000000 00001000 0008h 000000000 00000000 0000h -0.5111111111 11111000 fff8h -25.0625111111110 01101111 fe6fh -55111111100 10010000 fc90h表6 部分溫度值的表示（4） ds18b20的測溫原理ds18b20的測溫原理如下圖所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，ds18b20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55 所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是ds18b20的測溫原理。斜率累加器計數(shù)比較器減法計數(shù)器預置低溫度系數(shù)振蕩器減到0溫度寄存器預置減法計數(shù)器2高溫度系數(shù)振蕩器減到0圖8 傳感器測溫原理圖（5） ds18b20的通訊協(xié)議 ds18b20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。主機操作單線期間ds18b20必須遵循下面的順序：1. 初始化單線總線上的所有操作均從初始化開始。初始化過程如下：主機通過拉低總線480s以上，產(chǎn)生復位脈沖，然后釋放總線，進入rx接收模式。主機釋放總線時，會產(chǎn)生一個上升沿。單線器件ds18b20檢測到該上升沿后，延時1560s，通過拉低總線60240s來產(chǎn)生應答脈沖。主機接收到從機的應答脈沖后，說明有單線器件在線。2. rom操作命令一旦總線主機檢測到應答脈沖，便可以發(fā)起rom操作命令。共有5條rom操作命令，如下表所示： 表7 rom操作命令指 令約定代碼功 能讀rom33h讀ds1820rom中的編碼（即64位地址）符合rom55h發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位rom編碼，訪問單總線上與該編碼相對應的ds1820使之做出響應，為下一步對該ds1820的讀寫做準備。搜索rom0f0h用于確定掛接在同一總線上ds1820的個數(shù)和識別64位rom地址。為操作各器件作好準備。跳過rom0cch忽略64位rom地址，直接向ds1820發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。告警搜索命令0ech執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應。3. 內(nèi)存操作命令在成功執(zhí)行了rom操作命令之后，才可以使用內(nèi)存操作命令。主機可以提供6種內(nèi)存操作命令，如下表所示：指 令約定代碼功 能溫度變換44h啟動ds1820進行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時最長為500ms（典型為200ms）。結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)ram中。讀暫存器0beh讀取內(nèi)部ram中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4eh此命令寫暫存器中地址2到地址4的三個字節(jié)（th、tl和配置寄存器）在發(fā)起復位脈沖之前，三個字節(jié)都要寫。復制暫存器48h將ram中第3、4字節(jié)的內(nèi)容復制到eeprom中。重調(diào)eeprom0b8h將eeprom中內(nèi)容恢復到ram中的第3、4字節(jié)。讀供電方式0b4h讀ds1820的供電模式。寄生供電時ds1820發(fā)送“0”，外接電源供電ds1820發(fā)送“1”。表8 內(nèi)存操作命令(6) 單線(1-wire)技術(shù)目前常用的微機和外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€有平方c總線、spi總線等,其中平方c總線采用同步串行兩線(一根時鐘線,一根數(shù)據(jù)線)方式,而spi總線采用同步串行三線(一根時鐘線、一根輸入線、一根數(shù)據(jù)輸出線)方式.這兩種總線需要至少兩根或兩根以上的信號線.美國dalls公司突出了一項特有的總線技術(shù).該技術(shù)與上述不同,它采用單根信號線,既可傳輸時鐘,又能傳輸數(shù)據(jù),而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的,因而這種單線技術(shù)具有線路簡單、硬件開銷少、成本低廉、便于擴展的優(yōu)點單線技術(shù)適用于單主機系統(tǒng),單主機能夠控制一個或多個從機設(shè)備.主機可以是微控制器,從機可以是單線器件,它們之間的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成.主機或從機通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線,以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線,而讓其他設(shè)備使用.單線通常要求外接一個約5k的上拉電阻,這樣當該線閑置時,其狀態(tài)為高電平.主機和從機之間的通信主要分為三個步驟:初始化單線器件、識別單線器件和單線數(shù)據(jù)傳輸.由于只有一根線通信,所以必須是嚴格的主從結(jié)構(gòu),只有主機呼叫從機時,從機才能應答,主機訪問每個單線器件都必須嚴格遵循單線命令序列,即遵守上述三個步驟的順序.如果命令序列混亂,單線器件將不會響應主機.2.3硬件電路設(shè)計2.3.1單片機基本配置電路（1） 時鐘電路單片機的時鐘電路用于產(chǎn)生單片機所需要的時鐘信號，單片機在時鐘信號的控制下各部件之間同步工作，時鐘信號控制著計算機的工作節(jié)奏。在mcs51芯片內(nèi)有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，輸入為xtal1，輸出為xtal2。而在芯片的外部，xtal1和xtal2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩電路。如下圖所示。 圖9 振蕩電路 在由多片單片機組成的系統(tǒng)中，為了各單片機之間時鐘信號的同步，應當引入唯一的公用外部脈沖信號作為各單片機的振蕩脈沖。這時，外部脈沖經(jīng)xtal2引腳注入。由于本設(shè)計只需一個控制器，所以選用外接晶振即可。 （2） 復位電路復位是單片機的初始化工作，復位后中央處理器cpu和單片機內(nèi)的其它功能部件都處在一定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。一般在單片機剛開始接上電源時，或是斷電，發(fā)生故障后都要復位。復位后不會改變片內(nèi)ram中低于128b的內(nèi)容，但是特殊功能寄存器sfr的值被初始化。顯然當上電時電容的作用足夠使復位口保持兩個周期的高電平。萬一沒有復位時，可以用開關(guān)手動復位。復位電路如下所示： 圖10 開關(guān)復位電路2.3.2單片機與傳感器的接口電路由于使用的傳感器具有獨特的單總線結(jié)構(gòu)，所以與單片機的接口相對簡單，只需將傳感器的單總線接到單片機的一個i/o口上即可。溫度傳感器的供電方式有兩種，一種為寄生電源供電方式，一種為外部電源供電方式。因此，單片機與傳感器的接口有兩種情況。（1） 寄生電源連接方式 圖11 ds18b20寄生電源方式下的接口電路如上圖所示，在寄生電源供電方式下，ds18b20從單線信號線上汲取能量：在信號線dq處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。獨特的寄生電源方式有三個好處： 進行遠距離測溫時，無需本地電源可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取rom電路更加簡潔，僅用一根i/o口實現(xiàn)測溫（2） 外部電源供電連接方式 圖12 ds18b20外部電源供電方式在外部電源供電方式下，ds18b20工作電源由vdd引腳接入，此時i/o線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個ds18b20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，ds18b20的gnd引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85。經(jīng)過考慮，外部電源供電方式工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。因此本課題采用外部電源方式對傳感器進行供電。2.3.3顯示電路（1） led數(shù)碼管工作原理數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管led組成，其中包括七個細長型的led和一個小數(shù)點型的led，每個led稱為一個字段，分別為a、b、c、d、e、f、g、dp共8段。其中dq為小數(shù)點。數(shù)碼管有共陰和共陽兩種結(jié)構(gòu)形式。如下圖所示。當為共陰結(jié)構(gòu)時，二極管陰極全部連到一起，設(shè)為ue,當ue