基于AT89C51單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書

1、題目摘 要：本課題主要介紹基于AT89C51單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用AT89C51單片機(jī)分別采集各個(gè)溫度點(diǎn)的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度顯示、報(bào)警等功能。它以AT89C51單片機(jī)為主控制芯片,采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè),測(cè)量精度可以達(dá)到0.5。該系統(tǒng)采用了1602顯示模塊，形象直觀的顯示測(cè)出的溫度值?；贏T89C51單片機(jī)的單總線溫度測(cè)控系統(tǒng)具有硬件組成簡(jiǎn)單、讀數(shù)方便、精度高、測(cè)溫范圍廣等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。摘 要字?jǐn)?shù)100字以內(nèi)關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度傳感器；AT89C51單片機(jī)；溫度測(cè)量1 引言在信息高速發(fā)展的21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月

2、異，科技的進(jìn)步帶動(dòng)了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的信息時(shí)代，測(cè)量技術(shù)也成為當(dāng)今科技的一個(gè)主流，廣泛地深入到研究和應(yīng)用工程的各個(gè)領(lǐng)域。溫度是一個(gè)永恒的話題和人們生活環(huán)境有著密切關(guān)系的物理量，也是一種在生產(chǎn)、科研、生活中需要測(cè)量和控制的重要物理量，是國(guó)際單位制七個(gè)基本量之一。溫度的變化會(huì)給我們的生活、工作、生產(chǎn)等帶來重大影響，因此對(duì)溫度的測(cè)量至關(guān)重要。其測(cè)量控制一般使用各式各樣形態(tài)的溫度傳感器。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，作為各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸相處理的功能器件，溫度傳感器的作用日顯突出，已成為自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)量測(cè)

3、試中不可缺少的重要技術(shù)工具，其用途已遍及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。2 總體方案設(shè)計(jì)21方案一：該方案使用了AT89C51單片機(jī)作為控制核心,以智能溫度傳感器DS18B20為溫度測(cè)量元件，對(duì)各點(diǎn)溫度進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)置溫度上下限，超過其溫度值就報(bào)警。顯示電路采用1602液晶模塊顯示，使用二極管，電阻和蜂鳴器組成的報(bào)警電路。如圖1DS18B20溫度傳感器數(shù)據(jù)采集單片機(jī) 1602液晶顯示電路報(bào)警電路圖1溫度測(cè)量系統(tǒng)方案框22方案二：該方案采用 溫度測(cè)量（數(shù)字量）-數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)處理-控制執(zhí)行-溫度打印，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。AT89C51單片機(jī)報(bào)警鍵盤LED顯示A/D轉(zhuǎn)換光隔加熱電路溫度傳感器圖2

4、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖運(yùn)算放大器打印機(jī)要有方案比較，就經(jīng)用的是什么方案3分電路設(shè)計(jì)和論證3.1溫度傳感器的選擇在電熱恒溫箱的控制系統(tǒng)中溫度傳感器是非常重要的元件之一，它將負(fù)責(zé)恒溫箱的溫度采集，也就是對(duì)恒溫箱的溫度作時(shí)時(shí)地采集。它把采集到的溫度傳道控制部分，然后由控制部分分析是否需要加熱或是停止加熱一系列的動(dòng)作，由于溫度度傳感器是電熱恒溫箱的溫度探測(cè)器，所以對(duì)于溫度傳感器的性能，包括它的工作穩(wěn)定性、可靠性及靈敏度等技術(shù)指標(biāo)一定要保證，因?yàn)樗苯佑绊懙秸麄€(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。溫度是一個(gè)和人們生活環(huán)境密切相關(guān)的物理量，也是一個(gè)在科學(xué)試驗(yàn)和生產(chǎn)活動(dòng)中需要控制的重要物理量。因此，在各種傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用

5、最廣泛的一種。溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置，用于檢測(cè)溫度和熱量，因此也叫做熱電式傳感器。其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的元件主要有熱電阻、熱敏電阻和高分子NTC、PTC熱敏電阻，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的傳感器主要有熱電偶和PN結(jié)式傳感器，將熱輻射轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的器件有熱釋電探測(cè)器、紅外探測(cè)器，另外還有集成溫度傳感器、光纖溫度傳感器、液晶溫度傳感器和智能溫度傳感器等等，種類越來越多，應(yīng)用亦愈來愈廣泛。3.2溫度傳感器的基本原理利用感溫材料，把測(cè)量溫度轉(zhuǎn)化為測(cè)量電阻的測(cè)溫系統(tǒng)，主要有金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡(jiǎn)稱熱電阻，后者簡(jiǎn)稱熱敏電阻。它們的阻值隨溫度的升高，有的增加

6、即屬于正溫度系數(shù)熱敏電阻，有的減少即屬于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。常用于測(cè)量-200500ºC范圍內(nèi)的溫度，同時(shí)在5001200ºC溫度范圍中也有足夠好的特性。1.熱電阻的特性大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻具有隨溫度變化的特性，其特性方程如下：Rt = Ro1+a(t-to) 式中Rt表示任意絕對(duì)溫度t時(shí)金屬的電阻值；Ro表示基準(zhǔn)狀態(tài)to時(shí)的電阻值；a是熱敏電阻的溫度系數(shù)(1/ºC)。對(duì)于絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，a并不是一個(gè)常數(shù)，而是有關(guān)溫度的函數(shù)，但在一定的溫度范圍內(nèi)，可近似地看成一個(gè)常數(shù)。不同的金屬導(dǎo)體，a保持常數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度范圍也不同。一般選作感溫電阻的材料必須滿足如下要求:(1)

7、電阻溫度系數(shù)a要高，這樣在同樣條件下可加快熱響應(yīng)速度，提高靈敏度。通常純金屬的溫度系數(shù)比合金大，一般均采用純金屬材料。(2)在測(cè)溫范圍內(nèi)，化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，以保證熱電阻的測(cè)溫準(zhǔn)確性。(3)具有良好的輸出特性，即在測(cè)溫范圍內(nèi)電阻與溫度之間必須有線性或接近線性的關(guān)系。(4)具有較高的電阻率，以減少熱電阻的體積和重量。(5)具有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。比較合適的材料有鉑、銅、鐵和鎳等。它們的阻值隨溫度的升高而增大，具有正溫度系數(shù)。3.3熱敏電阻熱敏電阻是用某種金屬氧化物為基體原料，加入一些添加劑，采用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的電阻器，其電阻對(duì)溫度變化很明顯，電阻溫度系數(shù)比金屬的大很多，被稱

8、為熱敏電阻。熱敏電阻分為三種類型：正溫度系數(shù)(PTC-Positive Temperature Coefficient)熱敏電阻，負(fù)溫度系數(shù)(NTC-Negative tempera-ture Coefficient)熱敏電阻和臨街溫度系數(shù)(CTR-Critical temperature Resistor)熱敏電阻。它們的共同特點(diǎn)是靈敏度高，從復(fù)性好，工藝簡(jiǎn)單，便于工業(yè)化生產(chǎn)，因而成本較低，應(yīng)用很廣泛。它們的溫度特性曲線如圖1.熱敏電阻特性參數(shù)1.標(biāo)稱電阻值(R)標(biāo)稱電阻是熱敏電阻在25ºC時(shí)的零功率狀態(tài)下的阻值。其大小取決于熱敏電阻的材料和它的幾何尺寸。如果環(huán)境溫度不是25

9、86;C，而在25ºC27ºC之間，則按下式計(jì)算Rt = R·1+a(t-25)2.電阻溫度系數(shù)(a)用于描述溫度的變化引起電阻變化率變化的參數(shù)。指在規(guī)定的溫度下，單位溫度變化使熱敏電阻值變化的相對(duì)值。用下式表示a = 1/R·dR/dT*100%式中a決定了熱敏電阻在全部工作范圍內(nèi)對(duì)溫度的靈敏度，單位為%/ºC。3.時(shí)間常數(shù)()盡管熱敏電阻的幾何尺寸可以制作得很小，但它還是有熱慣性的。時(shí)間常數(shù)就是表征熱敏電阻值慣性大小的參數(shù)，其數(shù)值等于熱敏電阻在零功率測(cè)量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)，熱敏電阻的阻值從起始值變化到最終變化量的63%時(shí)所需的時(shí)間。4

10、.額定功率(P)指在標(biāo)準(zhǔn)壓力(750*133.322 Pa)和規(guī)定的最高環(huán)境溫度下，熱敏電阻長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的最大耗散功率。在實(shí)際使用中，熱敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率。3.4半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器半導(dǎo)體材料的電阻率對(duì)溫度非常敏感，這顯然對(duì)半導(dǎo)體器件的可靠性會(huì)產(chǎn)生不利影響，但是我們可以利用其電阻率隨溫度變化的特性制成溫度傳感器。1.半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器的工作原理有半導(dǎo)體物理知半導(dǎo)體材料的電阻率可以用下式表示=1/(nqµ+pµ)式中n,p分別為材料中電子和空穴的濃度；µ、µ分別為電子和空穴的遷移率；q為電子的電量。對(duì)于P型半導(dǎo)體材料，空穴濃度遠(yuǎn)

11、遠(yuǎn)大于電子濃度，則上式可以簡(jiǎn)化為=1/pqµ對(duì)于N型半導(dǎo)體，電子濃度n遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴濃度p,則式可以簡(jiǎn)化為=1/nqµ以上表明，半導(dǎo)體材料的電阻率主要決定于載流子(電子或空穴)濃度和遷移率。而載流子濃度和遷移率都與溫度密切相關(guān)，應(yīng)分別進(jìn)行分析。3.5 熱電偶利用兩種不同的金屬連接在一起，當(dāng)結(jié)點(diǎn)處溫度變化時(shí)，另兩端產(chǎn)生電勢(shì)變化的原理制成的傳感器稱為熱電偶。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，精度高，熱慣性小的特定，可測(cè)量局部溫度，便于遠(yuǎn)距離傳送，集中檢測(cè)和自動(dòng)記錄，應(yīng)用十分廣泛。1.熱電偶的基本原理1823年賽貝克(Seebeck)發(fā)現(xiàn)，把兩種不同的金屬組成閉合回路，且使其兩接觸點(diǎn)處溫度

12、不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，把這個(gè)物理現(xiàn)象稱為賽貝克效應(yīng)，亦稱熱電效應(yīng)。將兩種不同導(dǎo)體材料A和B，兩端連接在一起組成回路，一端溫度為To,另一端溫度為T(若 T>To),則圖中微安表上會(huì)有一定讀數(shù)；若將To觸點(diǎn)分開，則端口產(chǎn)生一個(gè)與溫度T、To及導(dǎo)體材料A、B有關(guān)的電勢(shì)E(T,To),這個(gè)電勢(shì)就是賽貝克電勢(shì)，兩個(gè)端點(diǎn)中溫度為T的一端稱為工作端，溫度為To的一端稱為自由端或參考端?；芈返目傠妱?dòng)勢(shì)為E(T,To)=aTdT=E(T)-E(To)式中a為熱電勢(shì)或賽貝克系數(shù)，其值與熱材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。眾所周知，半導(dǎo)體材料和器件的許多性能參數(shù)，如電阻率、PN結(jié)的反向漏電流和正向電壓等都與溫度有

13、著密切的關(guān)系，利用它們對(duì)溫度的依賴性制成半導(dǎo)體溫敏器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)，控制和補(bǔ)償?shù)裙δ?。半?dǎo)體溫度傳感器按其工作原理可分為用半導(dǎo)體單晶體制成的非結(jié)型溫度傳感器和具有PN結(jié)的半導(dǎo)體溫度傳感器兩種類型。3.6 PN結(jié)溫度傳感器1.二極管溫度傳感器由PN結(jié)理論可知，二極管的正向電流Io與其壓降Vf有如下關(guān)系I = Iexp(qV/kT)式中I為PN結(jié)反向飽和電流；q為電子的電荷量；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。則 V = kT/q lnI/I又因反向飽和電流為Io = ATexp(-qV/KT)式中A為發(fā)射結(jié)面積；是與材料和工藝有關(guān)的常數(shù)；qV為禁帶寬度。由上式可得到V = -V-kT/qln

14、 B+ln T-ln I上式表明，當(dāng)電流保持不變時(shí)，PN結(jié)正向壓降V隨溫度T的上升而下降，近似線性關(guān)系。二極管溫度傳感器是利用PN結(jié)正向電壓與溫度關(guān)系的特性而制作的。2.晶體管溫度傳感器研究發(fā)現(xiàn)在晶體管機(jī)電機(jī)電流恒定的條件下，其發(fā)射結(jié)上的正向電壓隨溫度上升而近似線性下降，這種溫度特性與二極管相似。但對(duì)于實(shí)際的二極管，其正向電流除擴(kuò)散電流以外，還包括空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流成份，后兩種電流成分使實(shí)際二極管的電壓溫度特性偏離前面講的理想近似線性關(guān)系。而三機(jī)管中雖然發(fā)射極電也包括上述三部分，但是只有擴(kuò)散電流能夠到達(dá)集電極，后兩個(gè)電流成分則作為基極電流漏掉，使晶體管表現(xiàn)出比二極管更好的線性

15、和互換性。（1）基本原理由晶體管原理可知，NPN晶體管的基極發(fā)射極電壓V與溫度T的關(guān)系為V = V-kT/q(AT/Ic)式中V=E/q(Eg為硅單晶的禁帶寬度 );A為發(fā)射結(jié)面積；是與材料和工藝有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)Ic一定且T不太高時(shí),Vbe基本與溫度成線性關(guān)系，當(dāng)溫度較高時(shí)，產(chǎn)生一定的非線性偏移。（2）晶體溫度傳感器的結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)時(shí)，只有溫敏三極管本身是不夠的，必須附加適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，才?gòu)成溫度傳感器。外圍電路通常包括參考電壓源、運(yùn)算放大及線性電路等部分。圖給出了一種常用的晶體管溫度傳感器基本電路及其溫度特性曲線。該電路由一只運(yùn)算放大器和一個(gè)溫敏三極管組成。電容C的作用是防止寄生振蕩。溫敏

16、三極管作為反饋元件跨接在運(yùn)放的反向輸入端和輸出端，基極接地。這種接法使得發(fā)射極為正偏，而集電極幾乎為零偏。這是因?yàn)檫\(yùn)放的反相輸入端為虛地。晶體管的集電極Ic僅取決于電阻Rc和電源電壓E即Ic=E/Rc,而與溫度無(wú)關(guān)，從而保證了恒流源工作條件，使電壓V隨T近似線性下降3.7集成溫度傳感器所謂集成溫度傳感器是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一個(gè)芯片上的溫度傳感器。它與其他溫敏元件相比，最大的優(yōu)點(diǎn)在于輸出結(jié)果與絕對(duì)溫度成正比，即是理想的線性輸出。同時(shí)，體積小，成本低，使用方便，因此廣泛用于溫度檢測(cè)、控制和許多溫度補(bǔ)償電路中。因?yàn)闇孛艟w管的V與絕對(duì)溫度的關(guān)系并非絕對(duì)的線性關(guān)系，加之在同一批同型號(hào)的產(chǎn)

17、品中，V值也可能有±100mV的離散性，所以集成溫度傳感器采用對(duì)管差分電路，直接給出與絕對(duì)溫度嚴(yán)格成正比的線性輸出。圖中給出集成溫度傳感器的基本原理圖。其中BG1和BG2晶體管的雜質(zhì)分布種類完全相同，且都處于正向工作狀態(tài)，集電極電流分別為I1和I2。由圖可見，即電阻R1上的壓降V為兩管的基極發(fā)射極壓降之差，并有V=V-V=kT/qI/I-kT/qI/I=kT/qI/I·I/I式中I、I為BG1和BG2管的發(fā)射極反向飽和電流；若Ae1、Ae2為BG1和BG2管發(fā)射極面積。而Ies2/Ies1=Ae2/Ae1,通過設(shè)計(jì)可以使BG1、BG2發(fā)射極面積之比=Ae2/Ae1是與溫度無(wú)

18、關(guān)的常數(shù)，故只要在電路設(shè)計(jì)中能保證I1/I2是常數(shù)，則式中Vbe就是溫度T的理想的線性函數(shù)，這就是集成溫度傳感器的基本原理。1.電壓型集成溫度傳感器（1）基本原理 電壓型集成溫度傳感器是指輸入電壓與溫度成正比的溫度傳感器。其核心電路如圖所示。圖中BG3,BG4,BG5PNP晶體管結(jié)構(gòu)和性能完全相同，BG3與BG4組成恒流源，且兩者射極電流相同(稱為電流鏡),所以R1上壓降V可表示為V=kT/q則R1上電流為I=kT/qR因?yàn)锽G5與BG3、BG4完全相同，且基極、集電極點(diǎn)位相同，所以BG5的射極電流與 BG3、BG4 上相同，所以Vo=R/R·kT/q則上述電路的溫度系數(shù)為

19、=dVo/dT=R/R·k/q可見只要兩個(gè)電阻比為常數(shù)，就可得到正比于絕對(duì)溫度的輸出電壓，而輸出電壓的溫度靈敏度即溫度系數(shù)可由電阻比R/R；BG1，BG2的發(fā)射極面積比來調(diào)整。（2）電壓型集成溫度傳感器的電路結(jié)構(gòu)及性能常用的電壓型集成溫度傳感器為四端輸出型，代表性的型號(hào)有SL616,LX5600/5700,LM3911,UP515/610A-C和UP3911等。其線路由基準(zhǔn)電壓、溫度傳感器和運(yùn)算放大器三部分組成。溫度傳感器是核心電路，原理是輸出電壓與溫度成正比，如圖若將圖中輸入與輸出短接，運(yùn)算放大器起煥緩沖的作用，輸出為10mV/K·T,即是PTAT的輸出值。若給輸入端加上

20、偏置電壓，那么傳感器的零輸出將由0K移到與偏置電壓對(duì)應(yīng)的溫度。假設(shè)所加偏壓為2.73V，零輸出溫度2.73V/K=273K。只要所選偏置電壓為設(shè)定·10mV/K，傳感器的溫度達(dá)到設(shè)定溫度T時(shí),輸出為0，未達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)輸出不為0，因此與適當(dāng)?shù)目刂齐娐废嘟?，此電路可作為溫度控制使用。外形結(jié)構(gòu)為四個(gè)引線封裝形式。典型性能參數(shù)中，最大工作溫度范圍為-40125，靈敏度為10mV/K，線性偏差為0.52%,長(zhǎng)期穩(wěn)定性為0.3%，測(cè)量精度為±4K。四端電壓輸出型溫度傳感器框圖2.電流型集成溫度傳感器（AD590）（1）AD590的基本原理AD590原理電路如圖所示。其中T和T集成在一

21、起，作為電流鏡向恒流源，使流過T和T的電流相等。則電路的總電流IT表示為I=2I=2kT/qR為了使IT隨溫度線性變化，電阻R必須選用具有零溫度系數(shù)的薄膜電阻。則電流溫度系數(shù)為 C=dI/d=2k/qR如果取8，R為358,則電流溫度系數(shù)C可調(diào)整為1uA/K。圖1-48為AD590的實(shí)際線路圖。原理圖1-47的T1,T2,T3,T4分別為圖1-48中的T9,T11,(T1-T2),(T3-T4)代替。T9和T11的發(fā)射結(jié)面積比為常數(shù)。T1,T2,T3,T4組成典型的恒流負(fù)載，為T9,T11提供相等的恒定電流(I1-I2)。T7,T8差分對(duì)管的負(fù)反饋?zhàn)饔檬筎9和T11的集成電極電壓保護(hù)相等，T1

22、0為T7和T8恒流負(fù)載。流過其上電流與T11的相同。調(diào)節(jié)R5可調(diào)節(jié)傳感器的電流。由于流過R5的電流為流過R6的2倍，則有 Vbe11+2I9R5=Vbe9+I9R6所以 Vbe= Vbe11- Vbe9=I9(R6-2R5)則有 I總=3I9=2kT/q(R6-2R5)=3kT/qR*6圖1-47 AD590原理電路圖式中R*相當(dāng)于前面原理電路的電阻R。另外T12的作用是在剛接通電源時(shí)，提供一個(gè)小電流使傳感器開始工作。T6能使T7和T8集電極電壓平衡，同時(shí)在工 作電壓接反時(shí)又能起到保護(hù)器件的作用。 圖1-48 AD590的實(shí)用電路圖（2）AD590的結(jié)構(gòu)及性能AD590是美國(guó)哈里斯公司生產(chǎn)的采

23、用激光修正的精密集成溫度傳感器。AD590有3種封裝形式：To -52封裝、陶瓷封裝（測(cè)量范圍為-50+150）、To -92封裝（測(cè)溫范圍0+70）。主要性能指標(biāo)見表，該器件的外形與小功率晶體管相仿，共有3個(gè)管腳：1腳為正極，接電流輸入；2腳為負(fù)極，接電流輸出；3腳接管殼。使用時(shí)將第3腳接地，可起到屏蔽作用。AD590M的測(cè)溫范圍是-55+150，最大非線性誤差為±0.3，響應(yīng)時(shí)間僅20us，線性誤差低至±0.05，功耗約2mW。AD590等效于一個(gè)高阻抗的恒流源。在工作電壓為+4+30V，測(cè)溫范圍是-55+150范圍之內(nèi)，對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K，就輸出1uA的電流

24、。在298.2K(對(duì)應(yīng)于25.2)時(shí)輸出電流恰好等于298.2uA。這表明，其輸出電流I(uA)與熱力學(xué)溫度T(K)嚴(yán)格成正比。因此，輸出電流的微安數(shù)就代表著被測(cè)溫度的熱力學(xué)溫標(biāo)數(shù) 型號(hào)主要技術(shù)指標(biāo)AD590IAD590JAD590KAD590LAD590M最大非線性誤差/±0.3±1.5±0.8±0.4±0.3額定溫度系數(shù)/uA/K1.0額定輸出電流/uA298.2(+25.2)長(zhǎng)期溫度漂移/月±0.1響應(yīng)時(shí)間/us20工作電壓范圍/V+4+30AD590系列產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)AD590電流-溫度特性曲線傳感器比較寫的好多啊3.8 單

25、片機(jī)的選擇3.8.1 單片機(jī)的發(fā)展隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展。微型計(jì)算機(jī)發(fā)展很快。單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問世以來，以其極高的性能價(jià)格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。它就是在一塊半導(dǎo)體硅片上集成了微處理器（CPU），存儲(chǔ)器（RAM,ROM,EPROM）和各種輸入、輸出接口（定時(shí)器計(jì)數(shù)器，并行口，串行口，A/D轉(zhuǎn)換器以及脈寬調(diào)制器PWM等），這樣一塊集成電路芯片具有一臺(tái)計(jì)算機(jī)的屬性，因而被稱為單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀器

26、儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等各個(gè)方面。單片機(jī)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)已逐漸成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。 目前世界上由很多單片機(jī)制造公司，如美國(guó)的INTEL、ATMEL、MOTOROLA、ZILOG和FAIRCHILD公司；荷蘭的PHILIPS公司；德國(guó)的SIEMES公司等。他們相繼推出了各種的單片機(jī)品種，其中ATMEL公司推出的高性能位單片機(jī)AT89C51單片機(jī)以其優(yōu)越的性能，成熟的技術(shù)和高性價(jià)比迅速占了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程領(lǐng)域的主要市場(chǎng)，成為單片機(jī)領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品。3.8.2 AT89C51單片機(jī)性能與應(yīng)用AT89C51內(nèi)部包括1個(gè)8位CPU、128B RAM,2

27、1個(gè)特殊功能寄存器(SFR)、4個(gè)8位并行I/O口、1個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，它是一個(gè)低功耗、高性能的含有4KB閃爍存儲(chǔ)器的8位CMOS單片機(jī)，時(shí)鐘頻率高達(dá)20MHz，制造工藝為CHMOS的單片機(jī)一般都采用40只引腳的雙列直插封裝(DIP)方式，如圖40個(gè)引腳分別是：1. Vcc(40引腳)：接+5V電源。2. Vss(20引腳)：接地。3. XTAL1(19引腳)：接外部晶體的1個(gè)引腳。該引腳內(nèi)部是1個(gè)反相放大器的輸入端。這個(gè)反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳接地。4. XTAL2(18引腳)：接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸

28、出端。若采用外部時(shí)鐘振蕩器時(shí)，該引腳接收時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。5RST/V(9引腳)：RST(RESET)是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。在單片機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，此引腳應(yīng)為0.5V低電平。V為本引腳的第二功能，即備用電源的輸入端。當(dāng)主電源Vcc發(fā)生故障，降低到某一規(guī)定值的低電平時(shí)，將+5V電源自動(dòng)接入RST端，為內(nèi)部RAM提供備用電源，以保證片內(nèi)RAM中的信息不所有的圖都要居中。圖1 什么圖 下面的依次排下去單片機(jī)的最小系統(tǒng)要寫出來吧丟失，從而使單片機(jī)在復(fù)位

29、后能繼續(xù)正常運(yùn)行。6.ALE (30引腳)：ALE引腳輸出為地址鎖允許信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，ALE引腳不斷輸出正脈沖信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)的負(fù)跳沿用于單片機(jī)發(fā)出的低8位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號(hào)。即使不訪問外部鎖存器，ALE端仍有正脈沖信號(hào)輸出，此頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率fosc的1/6。如果要判斷單片機(jī)芯片的好壞，可用示波器查看ALE端是否有正脈沖信號(hào)輸出。如有脈沖信號(hào)輸出，則單片機(jī)基本上是好的。7.PSEN(29引腳)：程序存儲(chǔ)器允許輸出控制端。在單片機(jī)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此引腳輸出脈沖負(fù)跳沿作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。此引腳接外部程序存儲(chǔ)器的端。

30、8. /Vpp(31引腳)：功能為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制端。當(dāng)引腳為高電平時(shí)，單片機(jī)訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，但在PC值超過0FFFH(對(duì)于8051)時(shí)，即超出片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的4KB地址范圍時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)引腳為低電平時(shí)，單片機(jī)則只訪問外部程序存儲(chǔ)器，不論是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于8031來說，因無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以該引腳必須接地，這樣只能選擇外部程序存儲(chǔ)器。9.P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。 P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線（高8位）

31、復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。AT89C51作為溫度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心器件。該器件是INTEL公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)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(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的CMOS產(chǎn)品。不僅結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，而且繼承和擴(kuò)展了MCS一48單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長(zhǎng)度小于4K，四個(gè)I/O口全部提供給用戶?？捎?V電壓編程,而且擦寫時(shí)

32、間僅需10毫秒，僅為8751/87C51的擦除時(shí)間的百分之一,與8751/87C51的12V電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒有兩種電源的要求，改寫時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。工作電壓范圍寬（2.7V6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在0Hz24MHz之間，比8751/87C51等51系列的6MHz12MHz更具有靈活性,系統(tǒng)能快能慢。AT89C51芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。P0口是三態(tài)雙向口,通稱數(shù)據(jù)總線口,因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀/寫操作。3.9溫度傳感器的工作原理與單片機(jī)的連接溫度傳感器的單總線(1-Wir

33、e)與單片機(jī)的P27連接，P27是單片機(jī)的高位地址線。P2端口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO，其輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)該端口寫“1”，可通過內(nèi)部上拉電阻將其端口拉至高電平，此時(shí)可作為輸入口使用，這是因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流3。如圖3所示：DS18B20與單片機(jī)的接口電路非常簡(jiǎn)單。DS18B20只有三個(gè)引腳，一個(gè)接地，一個(gè)接電源，一個(gè)數(shù)字輸入輸出引腳接單片機(jī)I/O口，電源與數(shù)字輸入輸出腳間需要接一個(gè)4.7K的電阻4。圖3溫度傳感器與單片機(jī)的連接圖DS18B20的內(nèi)部框圖如圖4所示。64位ROM存儲(chǔ)器件獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。暫

34、存器包含兩字節(jié)（0和1字節(jié)）的溫度寄存器，用于存儲(chǔ)溫度傳感器的數(shù)字輸出。暫存器還提供一字節(jié)的上線警報(bào)觸發(fā)（TH）和下線警報(bào)觸發(fā)（TL）寄存器（2和3字節(jié)），和一字節(jié)的配置寄存器（4字節(jié)），使用者可以通過配置寄存器來設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換的精度。暫存器的5、6和7字節(jié)器件內(nèi)部保留使用。第八字節(jié)含有循環(huán)冗余碼（CRC ）。使用寄生電源時(shí)，DS18B20不需額外的供電電源；當(dāng)總線為高電平時(shí)，功率由單總線上的上拉電阻通過DQ引腳提供；高電平總線信號(hào)同時(shí)也向內(nèi)部電容CPP充電，CPP在總線低電平時(shí)為器件供電。（注：INTERNAL VDD-內(nèi)部VDD 64-BIT ROM AND 1-wire PROT-64位R

35、OM和單線端 MEMORY CONTROL LOGIC-存儲(chǔ)器控制邏輯 SCRATCHPAD 暫存器 TEMPERATURE SENSOR 溫度傳感器 ALARM HIGH TRIGGER( TH）REGISTER 上限溫度觸發(fā)ALARM LOW TRIGGER( TL）REGISTER 下限溫度觸發(fā) 8-BIT CRC GENERTOR 8位CRC產(chǎn)生器 POWER SUPPLLY SENSE 電源探測(cè) PARASITE POWER CIRCUIT 寄生電源電路）圖4 DS18B20的內(nèi)部框圖訪問DS18B20必須嚴(yán)格遵守這一命令序列，如果丟失任何一步或序列混亂，DS18B20都不會(huì)響應(yīng)主機(jī)

36、。a初始化：DS18B20所有的數(shù)據(jù)交換都由一個(gè)初始化序列開始。由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟在其后的由DS18B20發(fā)出的應(yīng)答脈沖構(gòu)成。當(dāng)DS18B20發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時(shí)，即向主機(jī)表明它已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。b. ROM命令：ROM命令通過每個(gè)器件64-bit的ROM碼，使主機(jī)指定某一特定器件（如果有多個(gè)器件掛在總線上）與之進(jìn)行通信。DS18B20的ROM如表3-6所示，每個(gè)ROM命令都是8 bit長(zhǎng)。c. 功能命令：主機(jī)通過功能命令對(duì)DS18B20進(jìn)行讀/寫Scratchpad存儲(chǔ)器，或者啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換。DS18B20的功能命令如表5所示。表5 DS18B20的功能命令圖指令代碼功能讀R

37、OM33H讀DS18B20中的編碼(即64位地址)符合ROM55H發(fā)出此命令后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的DS18B20,使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該DS18B20的讀寫作準(zhǔn)備搜索ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上DS18B20的個(gè)數(shù)和識(shí)別64位ROM地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備跳過ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20V 溫度轉(zhuǎn)換命令，適用于單個(gè)DS18B20工作報(bào)警搜索命令0ECH執(zhí)行后，只有溫度超過廟宇值上限或下限的片子才做出響應(yīng)溫度轉(zhuǎn)換44H啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)為500ms(典型為200ms),結(jié)果豐入內(nèi)部9字節(jié)RA

38、M中讀暫存器BEH讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的第3、4字節(jié)寫上、下溫度數(shù)據(jù)命令，緊該溫度命令之后，傳達(dá)兩字節(jié)的數(shù)據(jù)復(fù)制暫存器48H將RAM中第3、4字內(nèi)容復(fù)制到E2PROM中重調(diào)EEPROM0B8H將EEPROM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3、4字節(jié)讀供電方式0B4H讀DS18B20的供電模式，寄生供電時(shí)DS18B20發(fā)送“0”，外部供電時(shí)DS18B20發(fā)送“1”(6)DS18B20的信號(hào)方式DS18B20采用嚴(yán)格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。除了應(yīng)答脈沖所有這些信號(hào)都由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào)?？?/p>

39、線上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)的低位在前。a.初始化序列：復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖在初始化過程中，主機(jī)通過拉低單總線至少480µs，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖(TX)。然后主機(jī)釋放總線并進(jìn)入接收(RX)模式。當(dāng)總線被釋放后，4.7k的上拉電阻將單總線拉高。DS18B20檢測(cè)到這個(gè)上升沿后，延時(shí)15µs60µs，通過拉低總線60µs240µs產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。初始化波形如圖6所示。圖6 初始化脈沖b.讀和寫時(shí)序在寫時(shí)序期間，主機(jī)向DS18B20寫入指令；而在讀時(shí)序期間，主機(jī)讀入來自DS18B20的指令。在每一個(gè)時(shí)序，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。讀/寫時(shí)序如圖3-4所示。

40、寫時(shí)序存在兩種寫時(shí)序：“寫1”和“寫0”。主機(jī)在寫1時(shí)序向DS18B20寫入邏輯1，而在寫0時(shí)序向DS18B20寫入邏輯0。所有寫時(shí)序至少需要60µs，且在兩次寫時(shí)序之間至少需要1µs的恢復(fù)時(shí)間。兩種寫時(shí)序均以主機(jī)拉低總線開始。產(chǎn)生寫1時(shí)序：主機(jī)拉低總線后，必須在15µs內(nèi)釋放總線，然后由上拉電阻將總線拉至高電平。產(chǎn)生寫0時(shí)序：主機(jī)拉低總線后，必須在整個(gè)時(shí)序期間保持低電平（至少60µs）。在寫時(shí)序開始后的15µs60µs期間，DS18B20采樣總線的狀態(tài)。如果總線為高電平，則邏輯1被寫入DS18B20；如果總線為低電平，則邏輯0被寫入

41、DS18B20。3.10單片機(jī)與報(bào)警電路系統(tǒng)中的報(bào)警電路是由三極管，蜂鳴器，發(fā)光二極管和限流電阻組成，并與單片機(jī)的P1.0P1.3端口連接。P1端口的作用和接法與P2端口相同，不同的是在Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址數(shù)據(jù)，如圖所示7；圖7報(bào)警電路3.11電源電路由于該系統(tǒng)需要穩(wěn)定的5 V電源，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須采用能滿足電壓、電流和穩(wěn)定性要求的電源。該電源采用三端集成穩(wěn)壓器LM7805。它僅有輸入端、輸出端及公共端3個(gè)引腳，其內(nèi)部設(shè)有過流保護(hù)、過熱保護(hù)及調(diào)整管安全保護(hù)電路由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作為穩(wěn)壓電源。圖8為電源電路連接圖6。圖8電源電路連接圖3.12顯示

42、電路采用技術(shù)成熟，價(jià)格便宜的1602液晶顯示器做為輸出顯示。本次設(shè)計(jì)使用的1602液晶顯示器為5V電壓驅(qū)動(dòng)，帶背光，可顯示兩行，每行16個(gè)字符，不能顯示漢字，內(nèi)置128個(gè)字符的ASCII字符集字庫(kù)，只有并行接口，無(wú)串行接口7。4 軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序流程圖 如圖10所示I/O口初始化讀溫度顯示Tvalue>fano風(fēng)扇開啟Tvalue<fanc風(fēng)扇關(guān)閉Tvalue<alarm報(bào)警不報(bào)警喂狗NYNYNY開始有風(fēng)扇嗎？4.2各子程序流程圖4.2.1 顯示部分flage=0Zt=0顯示溫度負(fù)值Zt=1開啟風(fēng)扇的溫度值Zt=2關(guān)閉風(fēng)扇的溫度值Zt=3顯示溫度正值報(bào)警的溫度值顯示延時(shí)

43、NYNYNYNY4.2.2 按鍵部分NNNalarm+NFanc=0Fanc>150YFanc+S3是否按下Zt=1Zt=2Zt=3NYYKey=1;Zt+;Zt=0Zt>=4Arm=0arm>150YFano>150YFano+Fano=oS4是否按下NYFano=oFano-Fano<30YAlarm<30YArm=0YZt=3Zt=2Zt=1S2是否按下Fanc-S2、S3、S4都不按下YFanc=0NAlarm-NNNFanc<30YKey=0N4.3主程序#include <reg51.h> / 51系類單片機(jī)頭文件#includ

44、e "LCD1602.h" /包含對(duì)1602讀寫操作的頭文件#include "Delay.h"/延時(shí)操作頭文件#include "18B20.h" /包含對(duì)18B20操作的頭文件#include<intrins.h>sbit beep = P30; /定義蜂鳴器信號(hào)線sbit led0=P10;/定義發(fā)光二極管端口sbit led1=P11;sbit led2=P12;sbit led3=P13;uint warn_l1=250; /定義溫度下限值 溫度*10uint warn_l2=220;uint warn_h1=3

45、70;uint warn_h2=350;/*函數(shù)名稱：deal(uint t) * 函數(shù)功能：對(duì)18B20獲取的溫度進(jìn)行相應(yīng)的處理 * 入口參數(shù)：temp *出口參數(shù)：無(wú) */void deal(uint t)if(t>warn_l2)&&(t<=warn_l1)/2225度 led0=0; /第一個(gè)閃爍Delayms(20);led0=1;mdi(); /蜂鳴器慢“滴” /模擬開啟制熱else if(t<=warn_l2) / <22 度led0=0;led1=0; /第一二燈閃爍Delayms(10);led0=1;led1=1;kdi();/蜂鳴器

46、快“滴” /模擬加大制熱功率else if(t>warn_h2)&&(t<=warn_h1) /3537度led2=0; /第三個(gè)燈閃爍Delayms(20);led2=1;mdi(); /蜂鳴器慢“滴” /模擬開啟制冷else if(t>=warn_h1)/ >37度led2=0; /第三四個(gè)燈閃爍led3=0;Delayms(10);led2=1;led3=1;kdi(); /蜂鳴器慢“滴” /模擬加大制冷功率else beep=1; /溫度正常/*函數(shù)名稱：display(uint t); *函數(shù)功能：顯示溫度 *入口參數(shù)：t *出口參數(shù)：無(wú) */

47、void display(uint t)write_com(0x80+12); / 第一行第13列write_data(t/100+0x30); /十位+0X30轉(zhuǎn)換為字符顯示write_com(0x80+14);write_data(t%100/10+0x30);write_com(0x80+15);write_data(t%10+0x30);/*函數(shù)名稱：main(void); * 函數(shù)功能：主函數(shù) * 入口參數(shù)：無(wú) * 出口參數(shù)：無(wú) */void main(void) uchar i = 0; uint temp = 0; while(1) init(); /LCD 初始化 tempch

48、ange(); /溫度轉(zhuǎn)換 _nop_(); /稍作延時(shí) temp = get_temp(); deal(temp); /溫度處理 _nop_(); for(i=10;i>0;i-) display(temp(); /溫度處理 18B20.H 頭文件#ifndef _18B20_h_ /防止重復(fù)定義#define _18B20_h_#include<reg52.h>#include<intrins.h> #include"18B20.h"#include"Delay.h"extern void dsreset(void);

49、/函數(shù)聲明 外部可見extern void tempwritebyte(uchar dat);extern bit tempreadbit(void);extern uchar tempreadbyte(void);extern void tempchange(void);extern uint get_temp(void);#endif 18B20.C 文件#include"18B20.h"sbit beep = P30; /定義蜂鳴器信號(hào)線sbit ds = P27; /定義18B20信號(hào)線static uint temp = 0;static float f_temp

50、 = 0.0;/* 函數(shù)名稱：dsreset(void) * 函數(shù)功能：18B20 初始化 * 入口參數(shù)：無(wú) * 出口參數(shù)：無(wú) */void dsreset(void) ds = 1; /將數(shù)據(jù)線置高電平 _nop_(); /稍作延時(shí)，要盡可能短 ds = 0; / 拉低數(shù)據(jù)線 Delayus(40); /延時(shí) _nop_(); ds = 1; /將數(shù)據(jù)線拉高 Delayus(14); /延時(shí) ds = 1; /拉高數(shù)據(jù)線/* 函數(shù)名稱：temwritebyte(uchar dat) * 函數(shù)功能：向18B20寫一個(gè)字節(jié) * 入口參數(shù)：dat * 出口參數(shù)：無(wú) */void tempwritebyte(uchar dat) uint i; for(i=0;i<8;i+) / 一個(gè)字節(jié)有8位 ds=0; /將數(shù)據(jù)線拉低 _nop_(); /稍作延時(shí)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定 ds=dat&0x01; /低位在前，高位在后 Delayus(3); /