基于單片機(jī)和DS18B20溫度系統(tǒng)的應(yīng)用研究畢業(yè)論文

目錄TOC\o"1-3"\h\u2761前言 3235602基于單片機(jī)和DS18B20溫度系統(tǒng)的時代背景、發(fā)展史及意義 485053基于單片機(jī)和DS18B20溫度系統(tǒng)的應(yīng)用 4106054基于單片機(jī)和DS18B20溫度系統(tǒng)的研究 5152754.1控制部分 6117254.2顯示部分 683204.3溫度采集部分 6251045結(jié)論 1012701參考文獻(xiàn) 118880致謝 11基于單片機(jī)和DS18B20溫度系統(tǒng)的應(yīng)用研究摘要：在此科技迅速發(fā)展的年代，在人們的生產(chǎn)和生活中已經(jīng)廣泛使用溫度采集控制，人們采集溫度通常使用溫度計，而人們控制溫度的方式一般是通過通風(fēng)或者人工操作加熱或降溫，可是控制效果不好、時效性也不好，而且工作員工的工作硬度比較大。雖然現(xiàn)在相當(dāng)一部分用戶的溫度傳感器是用半導(dǎo)體二極管充當(dāng)，但這樣做有不好的交換性和太好的成績。因為對溫度要求較高的行業(yè)比較多，并且引發(fā)事故的多數(shù)是由于環(huán)境溫度變化不合理造成，并且還有很多操作人員安全收到威脅的情況，所以，將數(shù)字溫度測量及控制設(shè)備安裝在不安全環(huán)境的某些特定位置，在溫度超過某范圍就報警。本設(shè)計由于使用了智能溫度傳感器進(jìn)行控制，這種傳感器具有比較高的測量精度，簡單的操作，并且還具有比較便宜的價格，本設(shè)計是一個基于單片機(jī)的數(shù)字溫度采集及控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：溫度傳感器；單片機(jī)STC89C52；數(shù)字溫度采集1前言本設(shè)計的內(nèi)容是溫度測試控制系統(tǒng)，控制對象是溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如溫室、水池、發(fā)酵缸、電源等場所的溫度控制。而以往溫度控制是由人工完成的而且不夠重視，其實在很多場所溫度都需要監(jiān)控以防止發(fā)生意外。針對此問題，本系統(tǒng)設(shè)計的目的是實現(xiàn)一種可連續(xù)高精度調(diào)溫的溫度控制系統(tǒng)，它應(yīng)用廣泛，功能強(qiáng)大，小巧美觀，便于攜帶，是一款既實用又廉價的控制系統(tǒng)。對溫度進(jìn)行實時監(jiān)測與控制，設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當(dāng)溫度低于設(shè)定下限溫度時，系統(tǒng)自動啟動加熱繼電器加溫，使溫度上升，同時綠燈亮。當(dāng)溫度上升到下限溫度以上時，停止加溫；當(dāng)溫度高于設(shè)定上限溫度時，系統(tǒng)自動啟動風(fēng)扇降溫，使溫度下降，同時紅燈亮。當(dāng)溫度下降到上限溫度以下時，停止降溫。溫度在上下限溫度之間時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不執(zhí)行。三個數(shù)碼管即時顯示溫度，精確到小數(shù)點一位。2基于單片機(jī)和DS18B20溫度系統(tǒng)的時代背景、發(fā)展史及意義溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗中普遍而且重要的物理參數(shù)，隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，以及測溫儀器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，智能化已是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來，溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個方面，但溫度控制一直是一個未開發(fā)的領(lǐng)域，卻又是與人們息息相關(guān)的一個實際問題。針對這種實際情況，設(shè)計一個溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實際意義。溫度是一個重要的物理量，它反映了物體冷熱的程度，與自然界中的各種物理和化學(xué)過程相聯(lián)系。在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，各個環(huán)節(jié)都與溫度緊密相聯(lián)，溫度的準(zhǔn)確監(jiān)測及控制占據(jù)著極其重要地位。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)；許多化學(xué)反應(yīng)的工藝過程必須在適當(dāng)?shù)臏囟认虏拍苷＿M(jìn)行等。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設(shè)備就不能正常工作，糧倉的儲糧就會變質(zhì)霉?fàn)€，酒類的品質(zhì)就沒有保障。可見，溫度的測量和控制是非常重要的。隨著電子技術(shù)和微型計算機(jī)的迅速發(fā)展，單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。利用單片機(jī)對溫度進(jìn)行控制的技術(shù)也隨之而生，并日益發(fā)展和完善，且越來越顯示出它的優(yōu)越性。3基于單片機(jī)和DS18B20溫度系統(tǒng)的應(yīng)用DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機(jī)房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域，技術(shù)性描述如下：①、獨(dú)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。②、測溫范圍－55℃～+125℃，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這里之前是錯誤的）1℃。③、支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。④、工作電源:3.0~5.5V/DC（可以數(shù)據(jù)線寄生電源）⑤、在使用中不需要任何外圍元件⑥、測量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送⑦、不銹鋼保護(hù)管直徑Φ6⑧、適用于DN15~25,DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫⑨、標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋M10X1,M12X1.5,G1/2”任選⑩、PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連接。4基于單片機(jī)和DS18B20溫度系統(tǒng)的研究考慮使用溫度傳感器，結(jié)合單片機(jī)電路設(shè)計，采用一只DS18B20溫度傳感器，直接讀取被測溫度值，之后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，依次完成設(shè)計要求。比較以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計容易實現(xiàn)，故實際設(shè)計中擬采用方案二。在本系統(tǒng)的電路設(shè)計方框圖如圖4-1所示，它由三部分組成:①控制部分主芯片采用單片機(jī)AT89S51；②顯示部分采用3位LED數(shù)碼管以動態(tài)掃描方式實現(xiàn)溫度顯示；③溫度采集部分采用DS18B20溫度傳感器。加熱繼電器電風(fēng)扇繼電器加熱繼電器電風(fēng)扇繼電器單片機(jī)DS18B20LED顯示指示燈圖4－1溫度計電路總體設(shè)計方案4.1控制部分單片機(jī)AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用，系統(tǒng)應(yīng)用三節(jié)電池供電。4.2顯示部分顯示電路采用3位共陽LED數(shù)碼管，利用動態(tài)掃描方式，從P0口輸出段碼，P2口的P2.5、P2.6、P2.7輸出位碼。LED數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數(shù)點）而作為一個引腳，為共陽管。4.3溫度采集部分DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫。這一部分主要完成對溫度信號的采集和轉(zhuǎn)換工作，由DS18B20數(shù)字溫度傳感器及其與單片機(jī)的接口部分組成。數(shù)字溫度傳感器DS18B20把采集到的溫度通過數(shù)據(jù)引腳傳到單片機(jī)的P1.0口，單片機(jī)接受溫度并存儲。此部分只用到DS18B20和單片機(jī)，硬件很簡單1)DS18B20的性能特點如下[9]：1)獨(dú)特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信；2)多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；3)無須外部器件；4)可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0～5.5V；5)零待機(jī)功耗；6)溫度以3位數(shù)字顯示；7)用戶可定義報警設(shè)置；8)報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；9)負(fù)電壓特性，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的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20采用3腳PR－35封裝，如圖4-2所示。圖4－2DS18B20封裝(3)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：1)64位光刻ROM。開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。64位閃速ROM的結(jié)構(gòu)如下。圖4－3DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)2)非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限值。3)高速暫存存儲，可以設(shè)置DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2PRAM。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。它的內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)和字節(jié)定義如表4-2所示。低5位一直為１，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。表4－2DS18B20內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)Byte0溫度測量值LSB（50H）Byte1溫度測量值MSB（50H）E2PROMByte2TH高溫寄存器TH高溫寄存器Byte3TL低溫寄存器TL低溫寄存器Byte4配位寄存器配位寄存器Byte5預(yù)留（FFH）Byte6預(yù)留（0CH）Byte7預(yù)留（IOH）Byte8循環(huán)冗余碼校驗（CRC）2)非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限值。3)高速暫存存儲，可以設(shè)置DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度。DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率,如圖4-3。圖4－3DS18B20字節(jié)定義TMR1R011111由表4-4可見，分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃／LSB形式表示。當(dāng)符號位S＝0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號位S＝1時，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計算十進(jìn)制數(shù)值。表4-5是一部分溫度值對應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。表4－4DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時間/ms00993.750110187.510113751112750表4－5一部分溫度對應(yīng)值表溫度/℃二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000000100008H000000000000010000000H-0.51111111111110000FFF8H續(xù)表2－5-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H4)CRC的產(chǎn)生

在64bROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼（CRC）。主機(jī)根據(jù)ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)5結(jié)論畢業(yè)設(shè)計選題時之所以選擇多路溫度采集控制系統(tǒng)，主要是旨在學(xué)習(xí)時下應(yīng)用廣泛的單片機(jī)，再者是因為對溫度采集系統(tǒng)感興趣。設(shè)計起初，我先是對STC89C52單片機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)了解，后搜集并學(xué)習(xí)DS18B20的數(shù)據(jù)手冊，接著學(xué)習(xí)了共陰數(shù)碼管和獨(dú)立鍵盤的使用方法。本次設(shè)計使用單片機(jī)控制溫度傳感器測試溫度和數(shù)碼管的顯示以及蜂鳴器的報警，實現(xiàn)了以單總線方式相連兩路溫度傳感器并能實時采集和顯示兩點的溫度而且進(jìn)行高溫度的蜂鳴器報警。在此次實踐中本人學(xué)習(xí)了相關(guān)器件的使用，鍛煉了動手和獨(dú)立解決問題的能力；并且在Keil軟件編程中反復(fù)調(diào)試程序，也鍛煉了本人的耐心，虛心接受并檢查錯誤。參考文獻(xiàn)1、C語言設(shè)計清華大學(xué)出版社主編譚浩強(qiáng)單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)北京理工大學(xué)出版社主編潘定遠(yuǎn)郭穩(wěn)濤數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)北京人民郵電出版社主編周慧施樂軍計算機(jī)控制技術(shù)北京電子工業(yè)出版社主編俞光昀電工技術(shù)北京人民郵電