多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計.doc

摘要：本次設(shè)計介紹了基于單片機AT89C51控制DS18B20的智能溫度顯示，給出了該顯示儀的硬件電路及詳細說明，重點介紹了DS18B20與單片機的接口設(shè)計以及數(shù)字溫度計的軟件的主程序、DS18B20讀寫程序和顯示程序，并給出了基于PROTEUS軟件的電路仿真圖。該儀表具有簡單、穩(wěn)定、實用、精度高等優(yōu)點。關(guān)鍵字：單片機、DS18B20、溫度、精度高、實用。1.前言32.設(shè)計總體方案42.1設(shè)計內(nèi)容42.2設(shè)計要求53器件的選擇53.1 單片機AT89C5153.2 溫度傳感器DS18B2063.3 1602LCD顯示屏84.模塊設(shè)計94.1晶振電路與復(fù)位電路94.2溫度采集電路104.3顯示電路114.4 報警系統(tǒng)125.總結(jié)13附錄1：電路圖14附錄2：源代碼151.前言隨著人們生活水平的不斷提高,單片機控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的。單片機在測控領(lǐng)域中具有十分廣泛的應(yīng)用，它既可以測量電信號，又可以測量溫度濕度等非電信號。由單片機構(gòu)成的溫度檢測、溫度控制系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。單片機在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等各測控領(lǐng)域的應(yīng)用中獨占鰲頭。今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來越多稱之為單片機的小電腦在為我們服務(wù)。時下，家用電器和辦公設(shè)備的智能化、遙控化、模糊控制化己成為世界潮流，而這些高性能無一不是靠單片機來實現(xiàn)的。人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在我國各領(lǐng)域已經(jīng)引用的非常廣泛，可以說是滲透到社會的每一個領(lǐng)域。溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器、智能集成溫度傳感器。目前的智能溫度傳感器(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，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)。社會的發(fā)展使人們對傳感器的要求也越來越高，現(xiàn)在的溫度傳感器正在基于單片機的基礎(chǔ)上從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展，并朝著高精度、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。2.設(shè)計總體方案2.1設(shè)計內(nèi)容根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，當溫度傳感器DS18B20把所測得的溫度發(fā)送到AT89C51單片機上，經(jīng)AT89C51處理，將把溫度在顯示電路上顯示。當開機后，顯示屏和計時器進行初始化設(shè)置。同時，本系統(tǒng)能夠設(shè)置報警溫度，在到達報警時間后能夠通過LED發(fā)光二極管以及發(fā)音器提示報警。利用AT89C51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度檢測并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量環(huán)境溫度。系統(tǒng)框圖如下圖：AT89C51溫度控制報警電路溫度傳感器顯示設(shè)備圖1.1 系統(tǒng)框圖選擇DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片機AT89C51為測控系統(tǒng)的核心來完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報警等功能。選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，輸出信號全數(shù)字化。便于單片機處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路，省卻了采樣保持電路、運放、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及進行長距離傳輸時的串并轉(zhuǎn)換電路，簡化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。當LCD液晶顯示器接收到來自AT89C51單片機傳送來的溫度信息后，分別顯示了當前的溫度。2.2設(shè)計要求設(shè)計的主要功能和指標如下：（1）提示開機，當按下開機鍵后，響起開機聲。（2）利用溫度傳感器（DS18B20）測量某一點環(huán)境溫度。（3）測量范圍為-55110，精度為0.5。（4）用液晶進行實際溫度值顯示。（5）當達到報警溫度后，能夠自動發(fā)出報警聲。3器件的選擇 3.1 單片機AT89C51AT89C51作為溫度測試系統(tǒng)設(shè)計的核心器件。該器件是INTEL公司生產(chǎn)的MCS5l系列單片機中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，采用了可靠的CMOS工藝制造技術(shù)。具有高性能的8位單片機，屬于標準的MCS-51的CMOS產(chǎn)品。片內(nèi)含8Kbytes的可販毒擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件兼容標準的MCS-51指令系統(tǒng)。片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征。其具有如下性質(zhì)：（1）與MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容（2）4K字節(jié)可重擦寫Flash閃爍存儲器。（3）壽命：1000寫/擦循環(huán)。（4）數(shù)據(jù)保留時間：10年。（5）全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz。（6）三級程序存儲器鎖定。（7）128*8位內(nèi)部RAM。（8）32可編程I/O線。（9）兩個16位定時器/計數(shù)器。（10）8個中斷源。（11）可編程串行通道。（12）低功耗的閑置和掉電模式。（13）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。AT89C51單片機提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89C51可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。3.2 溫度傳感器DS18B20DS18B20是美國DALLAS公司繼DS1820之后推出的增強型單總線數(shù)字式溫度傳感器，它在轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較之前產(chǎn)品有了很大的改進，給用戶帶來了更方便、更令人滿意的效果。DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20是一種新型的“一線器件”，其體積更小、更適用于多種場合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟。DALLAS半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。溫度測量范圍為-55+125 攝氏度，可編程為9位12位轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可以在遠端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源；GND為地信號；VDD為可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，I/O與單片機的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時UDD、GND接地，I/O接單片機I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5K左右的上拉電阻.DS18B20 的性能特點如下：獨特的單線接口方式，DS18B20在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。DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。 存儲器與控制邏輯高速緩存溫度傳感器8位CRC發(fā)生器配置寄存器高溫觸發(fā)器低溫觸發(fā)器64位ROM和單線接口圖3.1 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。其具有9條特點：（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。（2）溫范圍55125，在-10+85時精度為0.5。（3）零待機功耗。（4）可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。（5）在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。（6）用戶可定義報警設(shè)置。（7）報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度的器件。（8）結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。DS18B20作為新型的一線器件，能夠方便的和中心處理器進行連接，并具有很大的擴展空間。溫度范圍較廣，使得整體的測溫范圍能大幅度的上升，零待機消耗更是起到了節(jié)能的作用。利用用戶能自定義報警設(shè)置這一特點，能夠在實現(xiàn)報警功能上得到很大的便利，同時極強的抗干擾性能使得溫度的檢測更加準確，作為溫度計最基本的要求，準確必須滿足。這些好處使得DS18B20最終被選擇。3.3 1602LCD顯示屏由于設(shè)計中要求顯示測試溫度，因此顯示屏首先要能夠一次性容納這些字符。工作電壓不能太高，與單片機的連接方式需要簡單，顯示準確。本設(shè)計中采用的是1602型LCD液晶屏能夠很好的滿足這些要求。此液晶屬于工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。LCD液晶顯示器是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要23伏就可以工作，工作電流僅為幾微安，是任何顯示器無法比擬的，同時可以顯示大量信息，除數(shù)字外，還可以顯示文字、曲線，比傳統(tǒng)的數(shù)碼LED顯示器顯示的界面有了質(zhì)的提高。在儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。1602擁有很多出色的優(yōu)點：(1) 顯示質(zhì)量高，由于液晶顯示器的每一個點收到信號后就一直保持那種色彩和亮度恒定發(fā)光，因此液晶顯示器的畫質(zhì)高而且不會閃爍。(2) 數(shù)字式接口，液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機的接口簡單操作也很方便。(3) 功率消耗小，相比而言液晶顯示器的主要功耗在內(nèi)部電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其他器件要小很多。4.模塊設(shè)計4.1晶振電路與復(fù)位電路晶振電路和復(fù)位電路與單片機連接構(gòu)成最小系統(tǒng)電路，如何選取合適的引腳，選取何種連接方式都至關(guān)重要。因此需要了解AT89C51的引腳特點。圖4.1 AT89C51單片機引腳圖在晶振電路中，主要用到了XTAL1和XTAL2兩個引腳。（1）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。（2）XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。在晶振電路中，AT89C51具有兩種晶振方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需要在引腳外接石英晶體和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10-30pf。另一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接外部時鐘，XTAL2腳懸空。本設(shè)計的晶振電路如圖4.2所示。圖4.2 晶振電路單片機的晶振頻率采用11.0592MHZ，外加兩個30pF電容。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，外接石英晶體和振蕩電容，構(gòu)成了片內(nèi)時鐘振蕩方式。而振蕩周期指的就是單片機外接石英晶體振蕩器的周期。當時鐘起振后，產(chǎn)生一定的頻率的時鐘信號，單片機的CPU在時鐘信號的控制下能一步一步完成自己的工作，同時與整個系統(tǒng)相關(guān)的周期還有振蕩周期、狀態(tài)周期、機器周期和指令周期。電容C1和C2主要用于校正波形，振蕩器的作用主要是產(chǎn)生時鐘振蕩。而整個電路的作用則是為了產(chǎn)生自激振蕩。對于復(fù)位電路，AT89C51有兩種復(fù)位方式，分別是上點復(fù)位和按鍵復(fù)位。本設(shè)計采用的是按鍵復(fù)位，即利用一個復(fù)位電容和按鍵的組合使得復(fù)位變得更加直接和簡單。引腳RST作用是復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。在按下按鍵后，系統(tǒng)自動復(fù)位，十分方便。在復(fù)位電路中添加按鍵主要是為了能夠使得復(fù)位更加方便，電容主要是在復(fù)位后進行充電，而上拉電阻起到限流的作用，保護了電路。圖4.3復(fù)位電路4.2溫度采集電路溫度控制電路主要運用到了DS18B20和AT89C51。如何使兩者連接實現(xiàn)功能是溫度控制電路的主要設(shè)計目的。圖4.4 DS18B20管腳圖在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，I/O與單片機的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時UDD、GND接地，I/O接單片機I/O。內(nèi)部寄生電源I/O口線要接5K左右的上拉電阻。這里采用的是第一種連接方法,如圖4.5所示:P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳電位被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。作為輸入時，P2口的管腳電位被外部拉低，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。圖4.5 溫度采集電路傳感器數(shù)據(jù)采集電路主要指DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路。DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式考慮到實際應(yīng)用中寄生電源供電方式適應(yīng)能力差且易損壞，此處采用電源供電方式，I/O口接單片機的P2.4口。4.3顯示電路液晶顯示器是一種將液晶顯示器件,連接器件,集成電路,PCB線路板,背光源,結(jié)構(gòu)器件裝配在一起的組件。在顯示電路中，VSS接地，VDD接5V正電源，VEE為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，為了獲得最佳對比度，VEE接地。RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。RS和R/W選用不同的高低電平，將影響寄存器的選擇。4.1寄存器選擇控制表RSR/W操作說明00寫入指令寄存器（清除屏等）01讀busy flag（DB7），以及讀取位址計數(shù)器（DB0DB6）值10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)由于液晶顯示器的功能是顯示各字符，所以RS置高電平，R/W接地。8位雙向數(shù)據(jù)線D0-D7與雙向I/O口相連。圖4.6 液晶顯示電路圖4.4 報警系統(tǒng)利用有源蜂鳴器進行報警輸出，采用直流供電。當所測溫度超過獲高于所預(yù)設(shè)的溫度時，數(shù)據(jù)口相應(yīng)拉高電平，報警輸出。而兩個發(fā)光二極管直接和單片機的P3.6和P3.7相接，當溫度大于100度時D1發(fā)亮，蜂鳴器報警，反之黃燈D2發(fā)亮。至于報警電路，連接方式如4.7所示。圖4.7報警電路5.總結(jié) 通過這學期對智能化儀表這門課程的學習，讓我對智能儀表的概念以及發(fā)展現(xiàn)狀有了一個較為全面的掌握，隨著微型計算機技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，引起了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革，即以微型計算機為主體，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表的常規(guī)線路，成為新一代具有某種智能的靈巧儀表。這類儀表的設(shè)計重點，已經(jīng)從模擬和邏輯電路的設(shè)計轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ玫奈C模板，或微機功能部件、接口電路和輸入/輸出通道的設(shè)計,以及應(yīng)用軟件的開發(fā)。傳統(tǒng)模擬式儀表的各種功能是由單元電路實現(xiàn)的, 而在以單片機或嵌入式系統(tǒng)為主體的儀表中,則由編程軟件、各種特殊而復(fù)雜的功能模塊、簡化的用戶組態(tài)編程功能以及各種典型應(yīng)用的控制策略包等模塊組成的軟件, 來完成眾多的數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)。而在本次課程設(shè)計中，本人就采用了這種已經(jīng)相當普及的方法設(shè)計了一個基于單片機和溫度傳感器的多路溫度采集系統(tǒng)，并通過了軟件仿真，最后得出了設(shè)計結(jié)果的可行性，設(shè)計過程中，首先，要對DS18B20做一個詳細的了解，作為設(shè)計中一個重要的元件，要知道它的一般流程：初始化ROM操作指令存儲器操作指令數(shù)據(jù)傳輸。然后必須掌握它的每個端口的作用，并用單片機通過高低電平來控制它的工作過程，不一樣的模塊它的工作時序是不同，這里要通過軟件正確的編寫出讀寫時序，才能確保在測量溫度的環(huán)節(jié)中不出問題。一個完整的系統(tǒng)同樣也需要一個人機界面才能便于使用者讀出數(shù)據(jù)，所以這里用到了lcd1602液晶屏，這個液晶屏的優(yōu)點在于自帶字庫，且易于控制顯示位置，基本上達到了設(shè)計的要求。同時，在做整個課程論文的過程中，也遇到了諸多問題：第一， 不能靈活自如的運用C51語言。第二， 對某些硬件的功能不太熟悉。第三， 缺乏一定的理論基礎(chǔ)。 但是，通過張海濤老師和同學們的幫助，最終還是取得了一個令人滿意的結(jié)果，再次對幫助過我的老師和同學們表示感謝，我也會在以后的學習工作中，逐步彌補自己的不足。附錄1：電路圖附錄2：源代碼#include#includelcd1602.h#includeds18b20.h#includeds18b20_2.h#includeds18b20_3.h#includeds18b20_4.h#define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define TIMER0_COUNT 0xEE11sbit SPK=P35;sbit LED1=P36;sbit LED2=P37;bit flag; uint wendu; uint wendu1; uint wendu2; uint wendu3;uchar count,timer0_tick,count=0;static void timer0_initialize(void) EA=0; timer0_tick=0; TR0=0; TMOD=0X01; TL0=(TIMER0_COUNT & 0X00FF); TH0=(TIMER0_COUNT 8); PT1=1; ET0=1; TR0=1; EA=1; void display_temp() uchar A1,A2; uchar A3,A4; uchar A5,A6; uchar A7,A8; tmpchange(); wendu=tmp(); A1=wendu/10; A2=wendu%10; gotoxy(1,1); display_data(A1); display_string(.); write_date(int_to_charA2); tmpchange2(); wen