機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計（論文）-單片機(jī)溫度控制系統(tǒng).doc

山東山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）2010屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(論文)材料學(xué)號 20071422學(xué) 生 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）課題名稱單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)專業(yè)班級機(jī)電一體化0703班姓 名 系 部電氣工程系實習(xí)單位萊鋼永鋒鋼鐵有限公司指導(dǎo)教師二0一0年 六 月 vi摘 要溫度是日常生活中無時不在的物理量，溫度的控制在各個領(lǐng)域都有積極的意義。很多行業(yè)中都有大量的用電加熱設(shè)備，如用于熱處理的加熱爐，用于融化金屬的坩鍋電阻爐及各種不同用途的溫度箱等，采用單片機(jī)對它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單、靈活性大等特點，而且還可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，智能化溫度控制技術(shù)正被廣泛地采用。本溫度設(shè)計采用現(xiàn)在流行的at89s51單片機(jī)，配以ds18b20數(shù)字溫度傳感器，該溫度傳感器可自行設(shè)置溫度上下限。單片機(jī)將檢測到的溫度信號與輸入的溫度上、下限進(jìn)行比較，由此作出判斷是否啟動繼電器以開啟設(shè)備。本設(shè)計還加入了常用的數(shù)碼管顯示及狀態(tài)燈顯示燈常用電路，使得整個設(shè)計更加完整，更加靈活。該設(shè)計已應(yīng)用于花房，可對花房溫度進(jìn)行智能監(jiān)控。關(guān)鍵詞: 溫度箱；at89s51；單片機(jī)；控制；模擬目 錄摘 要i目 錄ii前 言3第一章 at89s51單片機(jī)簡介41.1at89s51單片機(jī)41.2主要特性41.3管腳說明4第二章 ds18b20溫度傳感器簡介72.1 溫度傳感器的歷史及簡介72.2 ds18b20的工作原理72.2.1 ds18b20工作時序72.2.2 rom操作命令92.3 ds18b20的測溫原理92.3.1 ds18b20的測溫原理:92.3.2 ds18b20的測溫流程11第三章 總體設(shè)計方案123.1 方案一123.2 方案二12第四章 單片機(jī)接口設(shè)計174.1 設(shè)計原則174.2 引腳連接174.2.1 晶振電路174.2.2 串口引腳174.2.3 其它引腳18第五章 系統(tǒng)整體設(shè)計195.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計195.1.1 主板電路設(shè)計195.1.2 各部分電路195.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計215.2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計整體思路215.2.2 系統(tǒng)程序流圖225.3 調(diào)試26結(jié)論28參考文獻(xiàn)29致 謝30附 錄31ii山東山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）前 言隨著社會的發(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。溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開溫度。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機(jī)械制造、糧食存儲、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。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；煉油過程中，原油必須在不同的溫度和壓力條件下進(jìn)行分餾才能得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品。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。因此，各行各業(yè)對溫度控制的要求都越來越高?？梢?，溫度的測量和控制是非常重要的。單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應(yīng)運而生。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)。本設(shè)計是對溫度進(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。 第一章 at89s51單片機(jī)簡介 1.1at89s51單片機(jī)at89s51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes isp(in-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的at89s51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 at89s51具有如下特點：40個引腳，4k bytes flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，at89s51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 1.2主要特性 8031 cpu與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程flash存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán)) 全靜態(tài)工作：0hz-33mhz 三級程序存儲器保密鎖定 128*8位內(nèi)部ram 32條可編程i/o線 兩個16位定時器/計數(shù)器 6個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 1.3管腳說明 vcc：供電電壓。 gnd：接地。 p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。 p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。 p2口：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(dāng)p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷0） p3.3 /int1（外部中斷1） p3.4 t0（記時器0外部輸入） p3.5 t1（記時器1外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 i/o口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器cpu將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作。這是由硬件自動完成的，不需要我們操心，1然后再實行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯，為什么看上面的圖，如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0q端為0q為1加到場效應(yīng)管柵極的信號為1，該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗，此時即使引腳上輸入的信號為1，也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1。若先執(zhí)行置1操作，則可以使場效應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入，由于在輸入操作時還必須附加一個準(zhǔn)備動作，所以這類i/o口被稱為準(zhǔn)雙向口。89c51的p0/p1/p2/p3口作為輸入時都是準(zhǔn)雙向口。接下來讓我們再看另一個問題，從圖中可以看出這四個端口還有一個差別，除了p1口外p0p2p3口都還有其他的功能。 rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持rst腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ale/prog：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。 /psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。 /ea/vpp：當(dāng)/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。 at89sxx系列單片機(jī)實現(xiàn)了isp下載功能，故而取代了89cxx系列的下載方式，也是因為這樣，atmel公司已經(jīng)停止生產(chǎn)89cxx系列的單片機(jī)。7第二章 ds18b20溫度傳感器簡介2.1 溫度傳感器的歷史及簡介溫度的測量是從金屬(物質(zhì))的熱脹冷縮開始。水銀溫度計至今仍是各種溫度測量的計量標(biāo)準(zhǔn)?？墒撬娜秉c是只能近距離觀測，而且水銀有毒，玻璃管易碎。代替水銀的有酒精溫度計和金屬簧片溫度計，它們雖然沒有毒性，但測量精度很低，只能作為一個概略指示。不過在居民住宅中使用已可滿足要求。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中為了配合遠(yuǎn)傳儀表指示，出現(xiàn)了許多不同的溫度檢測方法，常用的有電阻式、熱電偶式、pn結(jié)型、輻射型、光纖式及石英諧振型等。它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù)(如電阻值，熱電勢等)的變化的原理。隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高，出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器。2.2 ds18b20的工作原理2.2.1 ds18b20工作時序根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議，ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：1. 每一次讀寫之前都必須要對ds18b20進(jìn)行復(fù)位；2. 復(fù)位成功后發(fā)送一條rom指令；3. 最后發(fā)送ram指令，這樣才能對ds18b20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主cpu將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，ds18b20收到信號后等待1560微秒左右后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主cpu收到此信號表示復(fù)位成功。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，具體工作方法如圖2.1，2.2，2.3所示。(1) 初始化時序 圖2.1 初始化時序總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機(jī)響應(yīng)應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道，總線上有從機(jī)設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。主機(jī)輸出低電平，保持低電平時間至少480us，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著主機(jī)釋放總線，4.7k上拉電阻將總線拉高，延時1560us，并進(jìn)入接受模式，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時480us12。(2) 寫時序圖2.2 寫時序 寫時序包括寫0時序和寫1時序。所有寫時序至少需要60us，且在2次獨立的寫時序之間至少需要1us的恢復(fù)時間，都是以總線拉低開始。寫1時序，主機(jī)輸出低電平，延時2us，然后釋放總線，延時60us。寫0時序，主機(jī)輸出低電平，延時60us，然后釋放總線，延時2us8。(3) 讀時序 圖2.3 讀時序總線器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時序是，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便從機(jī)能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時序至少需要60us，且在2次獨立的讀時序之間至少需要1us的恢復(fù)時間。每個讀時序都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線1us。主機(jī)在讀時序期間必須釋放總線，并且在時序起始后的15us之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。主機(jī)輸出低電平延時2us，然后主機(jī)轉(zhuǎn)入輸入模式延時12us，然后讀取總線當(dāng)前電平，然后延時50us42.2.2 rom操作命令當(dāng)主機(jī)收到dsl8b20 的響應(yīng)信號后，便可以發(fā)出rom 操作命令之一，這些命令如表2.2,om操作命令。2.3 ds18b20的測溫原理2.3.1 ds18b20的測溫原理:每一片dsl8b20在其rom中都存有其唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)rom 中。主機(jī)在進(jìn)入操作程序前必須用讀rom(33h)命令將該dsl8b20的序列號讀出。程序可以先跳過rom，啟動所有dsl8b20進(jìn)行溫度變換，之后通過匹配rom，再逐一地讀回每個dsl8b20的溫度數(shù)據(jù)。ds18b20的測溫原理如圖2.4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(dāng)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(jìn)行計數(shù)，進(jìn)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(yīng)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(yù)置在-55 所對應(yīng)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(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)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(yù)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(jìn)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2.3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(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值. 指令約定代碼功 能讀rom33h讀ds18b20 rom中的編碼符合rom55h發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位rom編碼，訪問單線總線上與該編碼相對應(yīng)的ds18b20 使之作出響應(yīng)，為下一步對該ds18b20的讀寫作準(zhǔn)備搜索rom0f0h用于確定掛接在同一總線上ds18b20的個數(shù)和識別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ds18b20發(fā)溫度變換命令，適用于單片工作。續(xù)告警搜索命 令0ech執(zhí)行后，只有溫度超過設(shè)定值上限或者下限的片子才做出響應(yīng)溫度變換44h啟動ds18b20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間最長為500ms，結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)ram中讀暫存器0beh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、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟讀命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)復(fù)制暫存器48h將e2pram中第3，4字節(jié)內(nèi)容復(fù)制到e2pram中重調(diào)e2pram0bbh將e2pram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ds18b20發(fā)送“0”，外接電源供電ds18b20發(fā)送“1”表2.1 rom操作命令另外，由于ds18b20單線通信功能是分時完成的，他有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對ds18b20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化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)據(jù)。減法計數(shù)器斜坡累加器減到0減法計數(shù)器預(yù) 置低溫度系數(shù)振 蕩 器高溫度系數(shù)振 蕩 器計數(shù)比較器預(yù) 置溫度寄存器減到0圖2.4 測溫原理內(nèi)部裝置2.3.2 ds18b20的測溫流程初始化ds18b20跳過rom匹配溫度變換延時1s跳過rom匹配讀暫存器轉(zhuǎn)換成顯示碼數(shù)碼管顯示圖2.5 ds18b20測溫流程第三章 總體設(shè)計方案3.1 方案一測溫電路的設(shè)計，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計需要用到a/d轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。3.2 方案二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3.1所示，它由三部分組成:控制部分主芯片采用單片機(jī)at89s51；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；溫度采集部分采用ds18b20溫度傳感器。加熱繼電器電風(fēng)扇繼電器單 片 機(jī)ds18b20led顯示指示燈 圖3.1 溫度計電路總體設(shè)計方案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。2. 顯示部分顯示電路采用3位共陽led數(shù)碼管，從p0口送數(shù)，p2口掃描。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3.05.5v；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pr35封裝，如圖3.2所示；ds18b20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3.2所示。圖3.2 ds18b20封裝(3) ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成5：1) 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10。64位閃速rom的結(jié)構(gòu)如下.8b檢驗crc48b序列號8b工廠代碼（10h） msb lsb msb lsb msb lsb表3.1 rom結(jié)構(gòu)圖3.3 ds18b20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。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。高速暫存ram的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。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)定義如圖3.3所示。低5位一直為，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。 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）表3.3ds18b20內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)38山東山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）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。由表3-1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0.0625lsb形式表示。當(dāng)符號位s0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s1時，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補碼變成原碼，再計算十進(jìn)制數(shù)值。 r1r0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時間/ms00993.750110187.510113751112750表3.4 ds18b20溫度轉(zhuǎn)換時間表溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+1250000 0111 1101 000007d0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00000191h+10.1250000 0000 1010 000100a2h+0.50000 0000 0000 00100008h00000 0000 0000 10000000h-0.51111 1111 1111 0000fff8h表3.5一部分溫度對應(yīng)值表4) crc的產(chǎn)生 在64 b rom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)據(jù)。第四章 單片機(jī)接口設(shè)計4.1 設(shè)計原則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，如圖3.1所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的ds18b20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個mosfet管來完成對總線的上拉。本設(shè)計采用電源供電方式， p1.1口接單線總線為保證在有效的ds18b20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個mosfet管和89s51的p1.0來完成對總線的上拉。當(dāng)ds18b20處于寫存儲器操作和溫度a/d變換操作時，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時間最大為10 s。采用寄生電源供電方式是vdd和gnd端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三狀態(tài)的。主機(jī)控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：1：初始化；2：rom操作指令；3：存儲器操作指令。4.2 引腳連接4.2.1 晶振電路單片機(jī)xial1和xial2分別接30pf的電容，中間再并個12mhz的晶振，形成單片機(jī)的晶振電路。4.2.2 串口引腳 p0口接9個2.2k的排阻然后接到顯示電路上。p1.0溫度傳感器ds18b20如圖4.1所示。18b20單 片 機(jī)p1.0vccgnd 圖4.1 ds18b20與單片機(jī)的接口電路p1.1和p1.2引腳接繼電器電路的4.7k電阻上，p1口其他引腳懸空p2口中p2.0、p2.1、p2.2、p2.3分別接到顯示電路的4.7k電阻上，p2.5接蜂鳴器電路，其他引腳懸空p3口中p3.5、p3.6、p3.7接到按鍵電路4.2.3 其它引腳 ale引腳懸空，復(fù)位引腳接到復(fù)位電路、vcc接電源、vss接地、ea接第五章 系統(tǒng)整體設(shè)計5.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計5.1.1 主板電路設(shè)計單片機(jī)的p1.0接ds18b20的2號引腳，p0口送數(shù)p2口掃描，p1.1、p1.2控制加熱器和電風(fēng)扇的繼電器。如附錄2。5.1.2 各部分電路(1) 顯示電路顯示電路采用了7段共陰數(shù)碼管掃描電路，節(jié)約了單片機(jī)的輸出端口，便于程序的編寫。圖5.1 顯示電路圖(2) 單片機(jī)電路圖5.2 單片機(jī)電路引腳圖(3) ds18b20溫度傳感器電路圖5.3 溫度傳感器電路引腳圖(4) 繼電器電路圖中p1.1引腳控制加熱器繼電器。給.p1.1低電平，三極管導(dǎo)通，電磁鐵觸頭放下來開始工作. 圖5.4 繼電器電路圖(5)晶振控制電路圖5.5 晶振控制電路圖(6)復(fù)位電路圖5.6復(fù)位電路圖5.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計5.2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計整體思路一個應(yīng)用系統(tǒng)要完成各項功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時還必須得到相應(yīng)設(shè)計合理的軟件的支持，尤其是微機(jī)應(yīng)用高速發(fā)展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復(fù)雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時會變得很簡單，如數(shù)字濾波，信號處理等。因此充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源和軟件資源，采用與s51系列單片機(jī)相對應(yīng)的51匯編語言和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法進(jìn)行軟件編程。程序設(shè)計語言有三種：機(jī)器語言、匯編語言和高級語言。機(jī)器語言是機(jī)器唯一能“懂”的語言，用匯編語言或高級語言編寫的程序（稱為源程序）最終都必須翻譯成機(jī)器語言的程序（成為目標(biāo)程序），計算機(jī)才能“看懂”，然后逐一執(zhí)行。高級語言是面向問題和計算過程的語言，它可通過于各種不同的計算機(jī)，用戶編程時不必仔細(xì)了解所用的計算機(jī)的具體性能與指令系統(tǒng)，而且語句的功能強(qiáng)，常常一個語句已相當(dāng)于很多條計算機(jī)指令，于是用高級語言編制程序的速度比較快，也便于學(xué)習(xí)和交流，但是本系統(tǒng)卻選用了匯編語言。原因在于，本系統(tǒng)是編制程序工作量不大、規(guī)模較小的單片機(jī)微控制系統(tǒng)，使用匯編語言可以不用像高級語言那樣占用較多的存儲空間，適合于存儲容量較小的系統(tǒng)。同時，本系統(tǒng)對位處理要求很高，需要解決大量的邏輯控制問題。mcs51指令系統(tǒng)的指令長度較短，它在存儲空間和執(zhí)行時間方面具有較高的效率，編成的程序占用內(nèi)存單元少，執(zhí)行也非常的快捷，與本系統(tǒng)的應(yīng)用要求很適合。而且mcs51指令系統(tǒng)有豐富的位操作（或稱位處理）指令，可以形成一個相當(dāng)完整的位操作指令子集，這是mcs51指令系統(tǒng)主要的優(yōu)點之一。對于要求反應(yīng)靈敏與控制及時的工控、檢測等實時控制系統(tǒng)以及要求體積小、系統(tǒng)小的許多“電腦化”產(chǎn)品，可以充分體現(xiàn)出匯編語言簡明、整齊、執(zhí)行時間短和易于使用的特點。本裝置的軟件包括主程序、讀出溫度子程序、復(fù)位應(yīng)答子程序、寫入子程序、以及有關(guān)ds18b20的程序（初始化子程序、寫程序和讀程序）5.2.2 系統(tǒng)程序流圖系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，復(fù)位應(yīng)答子程序，寫入子程序等。1）主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀出并處理ds18b20的測量的當(dāng)前溫度值，溫度測量每1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見圖示。通過調(diào)用讀溫度子程序把存入內(nèi)存儲中的整數(shù)部分與小數(shù)部分分開存放在不同的兩個單元中，然后通過調(diào)用顯示子程序顯示出來圖5.7 主程序流程圖山東山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）ds18b20復(fù)位、應(yīng)答子程序跳過rom匹配命令寫入子程序溫度轉(zhuǎn)換命令寫入子程序顯示子程序(延時)ds18b20復(fù)位、應(yīng)答子程序跳過rom匹配命令寫入子程序讀溫度命令子程序終 止 圖5.8 讀出溫度子程序2）讀出溫度子程序 讀出溫度子程序的主要功能是讀出ram中的9字節(jié)，在讀出時需進(jìn)行crc校驗，校驗有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。 ds18b20的各個命令對時序的要求特別嚴(yán)格，所以必須按照所要求的時序才能達(dá)到預(yù)期的目的，同時，要注意讀進(jìn)來的是高位在后低位在前，共有12位數(shù)，小數(shù)4位，整數(shù)7位，還有一位符號位。3）復(fù)位、應(yīng)答子程序p1.0口清0開始延時537usp1.0口置1否50us是否有低電平是標(biāo)志位置1p1.0口置1有234us低電平標(biāo)志位置1終止圖5.9復(fù)位、應(yīng)答子程序4）寫入子程序開始進(jìn)位c清0終止r2是否為0p1.0置 0延時46us帶進(jìn)位右移延時12usp1.0清0圖5.10寫入子程序5)系統(tǒng)總的流程圖山東山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）開 始初始化ds18b20顯示當(dāng)前溫度判斷當(dāng)前溫度值超過設(shè)定溫度上限啟動風(fēng)扇降低溫度紅燈亮設(shè)定溫度上、下限啟動電熱爐升高溫度是否低于設(shè)定溫度下限是綠燈亮否圖5.11系統(tǒng)總的流程圖5.3 調(diào)試主程序的功能是：啟動ds18b20測量溫度，將測量值與給定值進(jìn)行比較，若測得溫度小于設(shè)定值，則進(jìn)入加熱階段，置p1.1為低電平，這期間繼續(xù)對溫度進(jìn)行監(jiān)測，直到溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，置p1.1為高電平斷開可控硅，關(guān)閉加熱器，等待下一次的啟動命令。當(dāng)測得溫度大于設(shè)定值，則進(jìn)入降溫階段，則置p1.2為低電平，這期間繼續(xù)對溫度進(jìn)行監(jiān)測，直到溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，置p1.2為高電平斷開，關(guān)閉風(fēng)扇，等待下一次的啟動命令。第一次接電調(diào)試，設(shè)置溫度上限為90攝氏度，溫度下限為20攝氏度。加熱后，溫度有時超過90攝氏度卻不報警，后經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)是進(jìn)位c沒有清0，于是在如下寫入程序中加入進(jìn)位c清零，便排除了這個異常。wr1:clr p1.0mov r3,#6djnz r3,$rrc amov p1.0,cmov r3,#23djnz r3,$setb p1.0nopdjnz r2,wr1ret; 讀ds18b2再經(jīng)實際接電調(diào)試，一切運行正常。加熱到90攝氏度時，紅燈亮起，自動斷電，而低于20攝氏度時，綠燈亮起，開始加熱。結(jié)論本設(shè)計使用的溫度控制器結(jié)構(gòu)簡單、測溫準(zhǔn)確，具有一定的實際應(yīng)用價值。該智能溫度控制器只是ds18b20在溫度控制領(lǐng)域的一個簡單實例，還有許多需要完善的地方，例如可以將測得的溫度通過單片機(jī)與通訊模塊相連接，以手機(jī)短消息的方式發(fā)送給用戶，使用戶能夠隨時對溫度進(jìn)行監(jiān)控。此外，還能廣泛地應(yīng)用于其他一些工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如建筑，倉儲等行業(yè)。本溫度控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種場合，像的溫度、育嬰房的溫度、水溫的控制。用戶可靈活選擇本設(shè)計的用途，有很強(qiáng)的實用價值。參考文獻(xiàn)1李朝青,單片機(jī)原理及接口技術(shù)(簡明修訂版)m. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，19982李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ)m. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，19943金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用j.電子技術(shù)與應(yīng)用，20004李 鋼.1-wire總線數(shù)字溫度傳感器ds18b20原理及應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù)j,20055steven f.barrett,daniel j.pack.embedded systemm.北京：電子工業(yè)出版社，20066. 陳躍東.ds18b20集成溫度傳感器原理與應(yīng)用j.安徽機(jī)電學(xué)院學(xué)報,20027. 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）m. 北京：高等教育出版社，1989致 謝大學(xué)三年的學(xué)習(xí)和生活就要隨著這篇論文的答辯而結(jié)束了。有許許多多的舍不得，也有許許多多的感謝要說。首先要衷心感謝的是我的指導(dǎo)教師周偉偉老師！在我學(xué)習(xí)期間不僅傳授了做學(xué)問的秘訣，還傳授了做人的準(zhǔn)則。這些都將使我終生受益。無論是在理論學(xué)習(xí)階段，還是在論文的選題、資料查詢、開題、研究和撰寫的每一個環(huán)節(jié)，無不得到導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和幫助。我愿借此機(jī)會向?qū)煴硎局孕牡母兄x！其次要感謝所有教育過我的老師！你們傳授給我的專業(yè)知識是我不斷成長的源泉，也是完成本論文的基礎(chǔ)。我還要向關(guān)心和支持我學(xué)習(xí)的朋友們表示真摯的謝意！感謝他們對我的關(guān)心、關(guān)注和支持！ 大學(xué)的生活讓我有了堅強(qiáng)的性格，冷靜的頭腦和永遠(yuǎn)樂觀的態(tài)度。最重要的是讓我有了責(zé)任感，對自己、對家人和對社會。我愿在未來的學(xué)習(xí)過程中，以更加豐厚的成果來答謝曾經(jīng)關(guān)心、幫助和支持過我的所有領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友。永遠(yuǎn)以一顆為人民服務(wù)的心來回報。附 錄附錄1電源線插接說明：所提供的電池盒，紅線為正，黑線為負(fù)。板子所留出來的電源插口用vcc（表示電源正）和gnd（表示電源負(fù)）標(biāo)明。若沒有標(biāo)明，我們會刻有記號，刻有+號處為電源正。附錄2主板電路圖附錄3程序代碼org 0000htemper_l equ 29htemper_h equ 28hflag1 equ 38h;是否檢測到ds18b20標(biāo)志位a_bit equ 20h ;數(shù)碼管個位數(shù)存放內(nèi)存位置b_bit equ 21h ;數(shù)碼管十位數(shù)存放內(nèi)存位置xs equ 30hmov a,#00hmov p2,amain:lcall get_temper;調(diào)用讀溫度子程序mov a,29hmov b,aclr crlc aclr crlc aclr crlc aclr crlc aswap amov 31h,amov a,bmov c,40h;將28h中的最低位移入crrc amov c,41hrrc amov c,42hrrc amov c,43hrrc amov 29h,alcall display;調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序ajmp main; 這是ds18b20復(fù)位初始化子程序init_1820:setb p1.0nopclr p1.0;主機(jī)發(fā)出延時537微秒的復(fù)位低脈沖mov r1,#3tsr1:mov r0,#107djnz r0,$djnz r1,tsr1setb p1.0;然后拉高數(shù)據(jù)線nopnopnopmov r0,#25htsr2:jnb p1.0,tsr3;等待ds18b20回應(yīng)djnz r0,tsr2ljmp tsr4 ; 延時tsr3:setb flag1 ; 置標(biāo)志位,表示ds1820存在ljmp tsr5tsr4:clr flag1 ; 清標(biāo)志位,表示ds1820不存在ljmp tsr7tsr5:mov r0,#117tsr6:djnz r0,tsr6 ; 時序要求延時一段時間tsr7:setb p1.0ret; 讀出轉(zhuǎn)換后的溫度值get_temp