基于單片機的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書課題名稱 基于單片機的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng) 指導(dǎo)教師 職 稱 講 師 指導(dǎo)教師 職 稱 工程師 專業(yè)名稱 班 級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 課題需要完成的任務(wù)：1、基于單片機設(shè)計一個溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，要求：1、溫度1828，相對濕度40%70%；2、用戶可以設(shè)置系統(tǒng)溫濕度報警值；3、檢測得到的數(shù)據(jù)可以通過顯示模塊顯示。2、可行性方案分析及方案論述。3、系統(tǒng)設(shè)計（各功能模塊設(shè)計和接口電路設(shè)計）。4、軟件設(shè)計及調(diào)試。5、電路原理圖的繪制。6、畢業(yè)論文撰寫。課題計劃：1.112.10 查資料，初步方案設(shè)計；2.112.20 確定最佳方案；2.214.7 設(shè)計電路，繪制電路，寫畢業(yè)論文。4.

2、84.15 修改、完善畢業(yè)論文，并做答辯準(zhǔn)備。計劃答辯時間：4.84.15 電子信息技術(shù)系 （部、分院） 2012 年 12 月 10 日abstractin recent years, with the computer penetration in the social field, the application of scm is to keep at the same time, traditional control testing update on crescent benefits. in real-time detection and automatic control s

3、ystem of single-chip applications, often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough knowledge, but also the specific hardware structure and the specific features of application software objects combine to make perfect. in this paper, both hardware and software for automati

4、c control of water temperature on the process, in the control of the main application of the process of at89c51, adc0809, led display, lm324 comparator, but mainly through the digital temperature sensor ds18b20 collecting ambient temperature to single-chip microcomputer as the core control component

5、s, and through four real-time digital display of a digital thermometer temperature. software using assembly language for programming, so that the implementation of directive speed, to save storage space. in order to facilitate the expansion and changes to the design of modular software structure, so

6、 that the logic of the relationship between program design more concise,hardware software co-operation under the control of it.and systematic process is: first of all, by setting the button, set the thermostat temperature at the time of operation, and digital display of the temperature. then, in the

7、 running temperature of the process of sampling analog into the a / d converter in the simulation - digital converter, and then converted digital control with digital display, the last single-chip microcomputer to control the heater used for heating or stop heating until the temperature in the provi

8、sions under the constant temperature heating.key words：single-chip microcomputer system ；sensor；data acquisition；adc；temperature調(diào)研報告溫濕度測量是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分,在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。因此,能夠確?？焖?、準(zhǔn)確地測量溫濕度的技術(shù)及其裝置普遍受到各國的重視。近年來,利用智能化數(shù)字式溫濕度傳感器以實現(xiàn)溫度信息的在線檢測已成為溫濕度測技術(shù)的一種發(fā)展趨勢。介紹的溫濕度檢測系統(tǒng),以智能化數(shù)字式溫濕度傳感器與pic 微處理器有機結(jié)合,

9、構(gòu)成了一種新型溫濕度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有性能可靠、測溫準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等特點,并兼具線路簡捷、使用靈活、抗干擾性好、可移植性強等優(yōu)點,可在工程實際中得到廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，將組成cpu的部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，這個具有cpu功能的大規(guī)模集成電路芯片就稱之為微處理器（mpu）。微處理器的出現(xiàn)，推動了微型計算機的發(fā)展，同時也引起了電子設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域的探到變革電子技術(shù)專業(yè)人員，使之可以把微處理器部件像其他集成電路一樣嵌入到電子系統(tǒng)中，使電子系統(tǒng)具有可編程序的智能化特點，開辟了計算機技術(shù)在電子技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的廣闊大地。  將微處理器、存儲器、i/o電路集成到一塊半導(dǎo)體芯片的

10、技術(shù)再次推動了這種嵌入式技術(shù)的發(fā)展，單片微型計算機是這種設(shè)計技術(shù)中的一個典型代表。單片機適用于測量和控制領(lǐng)域，它以芯片形式嵌人到電子產(chǎn)品或系統(tǒng)中起到“電腦”作用，受到電子專業(yè)技術(shù)人員的青睞。單片機以其體積小、可靠性高、功能的專門化為特點。沿著與適用微處理器不同的方向發(fā)展。它的出現(xiàn)和發(fā)展，標(biāo)志著單片嵌入技術(shù)已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計的一個重要發(fā)展方向。本課題主要為采用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與溫濕度檢測的制作。突出民用產(chǎn)品的低成本多動能的特點。按照選題要求應(yīng)實現(xiàn)溫濕度的測量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字鐘和測量部分的通過鍵盤進行控制。國內(nèi)外測溫濕技術(shù)及其發(fā)展趨勢在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要

11、對環(huán)境溫度與濕度進行測量及控制。準(zhǔn)確測量溫濕度對于生物制藥、食品加工、造紙等行業(yè)更是至關(guān)重要的。相比之下，測量濕度要比測量溫度更復(fù)雜，這是因為溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受大氣壓強和溫度的影響。目前，溫濕度測量領(lǐng)域的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品也層出不窮。主要表現(xiàn)在以下兩方面：（1）溫濕度傳感器正從分立元件向集成化、智能化、系統(tǒng)化的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代溫濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件；（2）在溫濕度測量系統(tǒng)中普遍采用線性化處理、自動溫度補償和自動校準(zhǔn)濕度等項新技術(shù)。目錄1 引言2 總體方案設(shè)計3 單元電路設(shè)計和論證4 軟件設(shè)計5軟硬件系統(tǒng)的調(diào)試6 附錄7參考文獻引 言單片機自問世以來，性能不斷提

12、高和完善，其資源又能滿足很多應(yīng)用場合的需要，加之單片機具有集成度高、功能強、速度快、體積小、功耗低、使用方便、價格低廉等特點，因此，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理、通信系統(tǒng)、高級計算器、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，并且正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機應(yīng)用系統(tǒng)。單片機的潛力越來越被人們所重視。特別是當(dāng)前用cmos工藝制成的各種單片機，由于功耗低，使用的溫度范圍大，抗干擾能力強，能滿足一些特殊要求的應(yīng)用場合，更加擴大了單片機的應(yīng)用范圍，也進一步促使單片機性能的發(fā)展。而現(xiàn)在的單片機在農(nóng)業(yè)上頁有了很多的應(yīng)用。溫度是日常生活、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護、化工、石油等領(lǐng)域最常用到的一個物理量。測量溫度的基

13、本方法是使用溫度計直接讀取溫度。最常見到得測量溫度的工具是各種各樣的溫度計，例如：水銀玻璃溫度計，酒精溫度計，熱電偶或熱電阻溫度計等。它們常常以刻度的形式表示溫度的高低，人們必須通過讀取刻度值的多少來測量溫度。利用單片機和溫度傳感器構(gòu)成的電子式智能溫度計就可以直接測量溫度，得到溫度的數(shù)字值，既簡單方便，有直觀準(zhǔn)確。1 溫度傳感器的簡介1.1 集成溫度傳感器的介紹在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個很重要而普遍的測量參數(shù)。溫度的測量及控制對保證產(chǎn)品的質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到非

14、 常重要的作用。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位，約占50%. 溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特 性都隨溫度的變化而變化，所以能做溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器隨溫度變化而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、熱電動勢、磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。溫度傳感器的發(fā)展很快，種類很多，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會不斷的涌現(xiàn)。在此我們用到的集成溫度傳感器。 1.2 溫度傳感器的發(fā)展歷史人們研究溫度測量的歷史已相當(dāng)久遠(yuǎn)，所使用的傳感器也種類很多。近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感

15、器(含敏感元件)；模擬集成溫度傳感器控制器；智能溫度傳感器(即數(shù)字溫度傳感器)。1.2.1 分立式溫度傳感器傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器，均屬于分立式溫度傳感器，傳感器本身就是一個完整的、獨立的感溫元件。此類傳感器通常要配溫度變送器，以獲得標(biāo)準(zhǔn)的模擬量(電壓或電流)輸出信號。使用時還需配上二次儀表，才能完成溫度測量及控制功能。其主要缺點是外圍電路比較復(fù)雜、測量精度較低、分辨率不高、需進行溫度校準(zhǔn)(例如非線性校準(zhǔn)、溫度補償、傳感器標(biāo)定等)，另外它們的體積較大、使用也不夠方便。因此，分立式溫度傳感器將逐漸被淘汰。 1.2.2 模擬集成溫度傳感器集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而

16、制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20 世紀(jì)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，它屬于最簡單的一種集成溫度傳感器。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(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進行非線性校難。外圍電路簡單，它是目前在國內(nèi)外應(yīng)用員為普遍的一種集成傳感器。典型產(chǎn)品有ad590、ad592、 tmp17、lml35 等。 1.2.3 模擬集成溫度控制器模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關(guān)、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有l(wèi)m56、 ad2

17、2105 和max6509。某些增強型集成溫度控制器(例如tc652653)中還包含了a/d 轉(zhuǎn)換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處，但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別。 1.2.4 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(jì)90 年代中期問世的。智能溫度傳感器是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)的結(jié)晶，它也是集成溫度傳感器領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一種新產(chǎn)品。目前，國際上許多著名的集成電路生產(chǎn)廠家己開發(fā)出上百種智能溫度傳感器產(chǎn)品。 智能溫度傳感器具有以下三個顯著特點：第一，能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各微控制器(m

18、cu)；第二，能以最簡方式構(gòu)成高性價比、多功能的智能化溫度測控系統(tǒng)；第三，它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。 智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、ad 轉(zhuǎn)換器、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)。 1.2.5 智能溫度控制器智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。智能溫度控制器適配備種微控制器，構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng)：它們還可以脫離微控制器單獨工作，自行構(gòu)成一個溫控儀，既可以工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，亦可選擇單次轉(zhuǎn)換模式。智能溫度傳感器控制器可廣泛用于溫度測控

19、系絞、計算機及家用電器中。 1.2.6 內(nèi)含溫度傳感器的專用集成電路值得重視的是，目前配置有溫度傳感器的新型專用集成電路也己問世了。例如，美國maxim 公司最新研制的maxl298 和maxl299 型5 通道12 位adc 芯片，片內(nèi)就集成了精密溫度傳感器，在40 到85范圍內(nèi)的測溫精度可達±l。maxl2981299 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部電路如圖11 所示。芯片中主要包括七部分；內(nèi)部溫度傳感器(用于測量本地溫度)， 遠(yuǎn)程測溫通道(外接2n3904 型npn 晶體管，利用其發(fā)射結(jié)來測量遠(yuǎn)程溫度)，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)(即模擬輸入轉(zhuǎn)換器)，12 位adc，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，時鐘電路和3 線串行接

20、口電路。該串行接口能與spi 總線、qspi 總線及microwire 服總線兼容。maxl298 和maxl299 具有兩種輸入方式：差分輸入或單端輸入。作差分輸入時可構(gòu)成3 通道溫控系統(tǒng)，單端輸入時能構(gòu)成5 通道溫控系統(tǒng)(不包括本地測溫通道)。當(dāng)芯片溫度或遠(yuǎn)程被測溫度超過最高允許溫度 時，經(jīng)過串行接口可輸出溫度越限報警信號，再通過相應(yīng)的控制電路起到過熱保護作用。其模擬輸入端既可接電壓信號，亦可接溫度傳感器。 圖1-1 max12981299 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部電路圖1.3 智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢進入21 世紀(jì)之后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬

21、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。 1.3.1 提高測溫精度和分辨率在20 世紀(jì)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，分辨率只能達到1。日前，國外己相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳感器，所用的是9 到12 位a/d 轉(zhuǎn)換器，分辨率一般可達0.5 到0.0625。特別是由美國dallas 半導(dǎo)體公司新研制的ds1624 型高分辨率智能溫度傳感器，采用13 位a/d 轉(zhuǎn)換器，能夠輸出13 位二進制數(shù)據(jù)，其分辨率高達0.03125，測溫精度為±0.2，為實現(xiàn)精密測量溫度創(chuàng)造了有利條件。為了提高多通道智能溫度傳

22、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(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時間分別僅為27 s、9 s。 1.3.2 不斷增加測試功能新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如，dsl629 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e prom 存儲器，可存儲用戶的短信息。dsl629 則在片內(nèi)集成了32 字節(jié)的靜態(tài)存儲器(ram)。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。 智

23、能溫度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(yīng)的寄存器來設(shè)定其a/d 轉(zhuǎn)換速率(典型產(chǎn)品為max6654)，分辨率及最大轉(zhuǎn)換時間(典型產(chǎn)品為dsl624)。智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。典型產(chǎn)品有dsl620、ds1623、tcn75、lm76、max6625。智能溫度控制器適配各種微控制器，構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng)：它們還可以脫離微控制器單獨工作，自行構(gòu)成一個溫控儀，既可以工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，亦可選擇單次轉(zhuǎn)換模式。 1.3.3

24、總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化與此同時，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。目前所采用的總線主要有單線(1wire)總線、i2 c 總線、smb s 和spi 總線。第一種屬于一線串行總線，第二、三種屬于二線串行總線，第四種則為三線串行總線。上述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，由于它們的總線接口符合標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化設(shè)計，使用戶操作起來更加簡便。 1.3.4 可靠性及安全性設(shè)計傳統(tǒng)的ad 轉(zhuǎn)換器大多采用積分式或逐次比較式轉(zhuǎn)換技術(shù)，其缺點是噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差，分辨率較低、成本較高，線性度也不夠理想。 為了提高傳感器的抗干擾能力，新型智能溫度傳感

25、器(例如tmp0304、lm74、lm83)。普遍采用了高性能的?式a/d 轉(zhuǎn)換器，它能以很高的采樣速率和很低的采樣分辨率將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再利用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，來提高有效分辨率。?式a/d 轉(zhuǎn)換器不僅能濾除量化噪聲，而且對外因元件的精度要求低；由于采用了數(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。 為了避免當(dāng)溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時出現(xiàn)誤動作現(xiàn)象，在ad74167417/7817、lm7576、max66256626 等智能溫度傳感器芯片內(nèi)部，都設(shè)置一個可編程的“故障排

26、隊(faultqueue)”計數(shù)器，專門用來設(shè)定允許被測溫度值超過溫度上、下限的次數(shù)。僅當(dāng)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=1 至4)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(fù)位而不會觸發(fā)中斷端。這就意味著假如設(shè)定n3 時，那么偶然受到一次或兩次喚聲干擾，都不會影響溫控系統(tǒng)的正常工作。 lm76 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( advance 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

27、用來監(jiān)控筆記本電腦和服務(wù)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(dāng)溫度超過cpu 的極限溫度時，嚴(yán)重超溫報警輸出端(t_crit_t 入)也能直接關(guān)斷主電源，并且該端還可以通過獨立的硬件關(guān)斷電源來切斷主電源，以防主電源控制失靈。上述三重安全件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

28、，一般可承受1000到4000v的靜電放電電壓。通常是將人體等效于由100pf電容和1.2k電阻串聯(lián)而成的電路模型，當(dāng)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承受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(yuǎn)程傳感器）的開路或短路故障。max6654還具有選擇“寄生阻抗抵消”（parasitic resistance cancellation，英文縮寫為prc）模式，能抵消遠(yuǎn)程傳感器引線

29、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(yuǎn)程傳感器引線可采用普通雙絞線或者帶屏蔽層的雙絞線。1.3.5 開發(fā)虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器（1）虛擬傳感器自20世紀(jì)90年代以來，一種全新模念的“虛擬儀器”正獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器（vi）是測量儀器、計算機和軟件這三者的有機結(jié)合。它將儀器硬件（例如數(shù)字采集系統(tǒng)、a/d、d/a裝喚器、數(shù)字i/o）、計算機資源（如微處理器、存儲器、顯示器）、軟件（如傳感器標(biāo)定、軟面板、圖形界面、數(shù)據(jù)處理、信息交換等）有機的結(jié)合起來，構(gòu)成軟硬結(jié)合、實虛共體的新一代電子測量儀器。與此同時，“虛擬傳感器”的概念也被人們所接受，這種傳感器是

30、基于計算機平臺并且完全通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件來建立傳感器模型、標(biāo)定參數(shù)及標(biāo)定模型，以實現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。美國bk公司最近已開發(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(biāo)定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時，傳感器通過數(shù)據(jù)采集接壘計算機，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。此外，專供開發(fā)虛擬傳感器產(chǎn)品的軟件工具也已經(jīng)面市了。這樣在以后的產(chǎn)品設(shè)計過程中對元件選擇可以均衡各種性能的要求來決定。（2）網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器是包含

31、數(shù)據(jù)傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器。這里講的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不限于傳感器總線，還應(yīng)包括現(xiàn)場總線、局域網(wǎng)和因特網(wǎng)。數(shù)字傳感器首先將被測溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在傳送給微控制器作數(shù)據(jù)處理，最后將測量結(jié)果傳輸給網(wǎng)絡(luò)，以便實現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間，傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享。一個分布式智能溫度傳感器系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)將每個傳感器節(jié)點、控制節(jié)點和中央控制器聯(lián)系起來的。其中傳感器節(jié)點用來實現(xiàn)溫度測量并將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點?？刂乒?jié)點則根據(jù)從網(wǎng)絡(luò)讀取的溫度數(shù)據(jù)來確定合適的控制方式。以滿足對溫度控制的需要。傳感器節(jié)點和控制節(jié)點不僅互相獨立，節(jié)點的數(shù)量可根據(jù)實際需要而定，而且能做到“即插

32、即用”（plugplay）,在更換傳感器節(jié)點時，也無需對傳感器進行標(biāo)定和校準(zhǔn)，這樣就極大的方便了用戶。 2 簡介單片機2.1 單片機at89c51的簡介隨著社會的發(fā)展，單片機以其體積小、可靠性高、使用方便等特點在社會生活中達到廣泛應(yīng)用。根據(jù)溫度控制的特點，本次設(shè)計采用at89c51單片機。以下對其進行詳細(xì)介紹。at89c51單片機是美國intel公司的8位高檔單片機系列。也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種單片機系列。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖如圖21所示。at89c51系列單片機主要有cpu、存儲器（包括ram和rom）、io接口電路及時鐘電路等部分組成。2.1.1 中央處理器cpu中央處理器cpu是單片機的

33、核心。是計算機的控制指揮中心。同一般微機的cpu類似。at89c51單片機內(nèi)部cpu包括控制器和運算器兩部分。如圖2-1at89c51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖。2.1.2 運算器at89c51運算器電路以算術(shù)邏輯單元alu為核心。有累加器acc、寄存器b、暫存器1、暫存器2、程序狀態(tài)寄存器psw和布爾處理機共同組成。它主要完成數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、邏輯運算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌＿\算結(jié)果的狀態(tài)由程序寄存器psw保存。2.1.3 算術(shù)邏輯單元alu與累加器acc、寄存器b算術(shù)邏輯單元alu不但能完成8位二進制的加、減、乘、除等算數(shù)運算。而且還能對8位變量進行邏輯“與”“或”“異或”循環(huán)位移等邏輯運

34、算。累加器acc(簡稱累加器a) 為一個8位寄存器，它是cpu中使用最頻繁的寄存器。專門存放操作數(shù)或運算結(jié)果。 圖2-1 at89c51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖2.1.4 程序狀態(tài)寄存器程序狀態(tài)寄存器psw是一個8位的狀態(tài)寄存器。用于存放標(biāo)志寄存器。用于存放指令執(zhí)行后的狀態(tài)，以供程序查詢和判別。psw各位的狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行的過程中自動設(shè)置的。但可以由用戶根據(jù)需要指令加以改變。狀態(tài)寄存器共有進位標(biāo)志位cy、輔助進位標(biāo)志位（或稱半進位）ac、用戶自定義標(biāo)志位f0、工作寄存器組選擇位rs1、rs0、溢出標(biāo)志位ov、奇偶標(biāo)志位p。2.1.5 控制器控制部件是單片機的神經(jīng)中樞。它包括程序計數(shù)器pc、指

35、令寄存器ir、指令譯碼器id、數(shù)據(jù)指針dptr、堆棧指針sp、緩沖器和定時器控制電路等。它先以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出cpu的時序?qū)χ噶钸M行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號。完成一系列定時控制的微操作。用來協(xié)調(diào)單片機各部分正常工作。2.2 at89c51單片機引腳功能at89c51系列單片機的封裝形式有兩種：一種是雙列直插方式封裝；另一種是方形封裝。at89c51單片機40個引腳及總線結(jié)構(gòu)圖如下所示。其cmos工藝制造的低地功耗芯片也有采用方形封裝的。但為44個引腳，其中4個引腳是不使用的。由于89c51單片機是高性能的單片機。同時受到引腳數(shù)目的限制，所以有部分引腳具有第二功能。如圖2-2單片機引腳圖。1

36、.主電源引腳主電源引腳兩根：vcc接+5v電源正端；vss接+5v電源地端。2.外接晶體引腳兩根xtal1:接外部石英體和微調(diào)電源的一端。xtal2:接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。其中，對用外部時鐘時，對于hmos單片機,xtal1腳接地，xtal2腳作為外部振蕩信號的輸入端。對chmos單片機xtal1腳作為外部振蕩信號的輸入端，xtal2腳空不接。圖2-2 單片機引腳圖3. 引腳功能io引腳共32根。po口：p0.0-p0.7統(tǒng)稱為po口是8位雙向i/o口線。p0口即可作為地址/數(shù)據(jù)總線使用，又可作為通用的i/o口線。在不接片外存儲器與不擴展i/o口時，可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出口。在接有片外

37、存儲器或擴展i/o時，p0口分時復(fù)用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 p1口：p1.0-p1.7統(tǒng)稱為p1口。是8位準(zhǔn)雙向i/o口線。p1口作為通用的i/o口使用。 p2口：p2.0-p2.7統(tǒng)稱為p2口。是8位準(zhǔn)雙向i/o口線。p2口即可作為通用的i/o口使用。也可作為片外存儲器的高8位地址線。與p0口組成16位片外存儲器單元地址。 p3口：p3.0-p3.7統(tǒng)稱為p3口。是8位準(zhǔn)雙向i/o口線。p3口除作為準(zhǔn)雙向口使用外。每個引腳還具有第二功能。p3口的每一個引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能，p3口的第二功能如下表所示：p3口的第二功能p3.0 rxd 串行口輸入p3.1 t

38、xd 串行口輸出p3.2 外部中斷0輸入p3.3 外部中斷1輸入p3.4 t0 定時/計數(shù)器0計數(shù)輸入p3.5 t1 定時/計數(shù)器1輸入p3.6 片外ram寫選通信號（輸出）p3.7 片外ram讀選通信號（輸出）4控制線控制線共四根。ale/prog 地址鎖存有效信號輸出率。psen 片外程序存儲器讀選通信號輸出端低電平有效。rst/vpd 復(fù)位信號備用電源輸入信號。ea/vpp 片外程序存儲器選用端。2.3 at89c51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)at89c51單片機的存儲器物理結(jié)構(gòu)上分為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片內(nèi)程序存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器和片外程序存儲器4個存儲空間。2.4 at89c51單片機的并行i

39、/o端口at89c51單片機有4個8位并行i/o端口（p0、p1、p2、p3）每個端口都各有8條i/o口線，每條i/o口線都獨立地用作輸入輸出，在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，p2口送出高8位地址，p0口分時送出低8位地址和8位數(shù)據(jù)。各端口的功能不同，結(jié)構(gòu)上也有差異，但是每個端口的8位結(jié)構(gòu)是完全相同的。如圖 2-3 i/o口位結(jié)構(gòu)圖所示。1.p0口。 p0口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用口，也可作為通用i/o接口。2.p1口。p1口為準(zhǔn)雙向口，它在結(jié)構(gòu)上與p0口的區(qū)別在與輸出驅(qū)動部分。其輸出驅(qū)動部分由場效應(yīng)管v1與內(nèi)部上拉電阻組成，當(dāng)某某位輸出高電平時，可以提供上拉電流負(fù)載，不必像p

40、0口上那樣需要外接上拉電阻。3.p2口。p2口也為準(zhǔn)雙向口。其具有通用i/o接口或高8位地址總線輸出兩種功能，所以其輸出驅(qū)動結(jié)構(gòu)比p1口輸出驅(qū)動結(jié)構(gòu)多了一個輸出模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)mux和反相器3. 4.p3口。p3口的輸出驅(qū)動由與非門3和v1組成，比p0、p1、p2口結(jié)構(gòu)多了一個緩沖器4.p3口除了可為通用準(zhǔn)雙向i/o接口外，每一根線還具有第二功能。 （a）p0口結(jié)構(gòu) （b）p1口結(jié)構(gòu)（c）p2口結(jié)構(gòu) （d）p3口結(jié)構(gòu)圖 2-3 i/o口位結(jié)構(gòu)圖2.5 at89c51單片機時鐘電路及時序1.時鐘電路at89c51單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一種是內(nèi)部方式，一種是外部方式。圖2-4、2-5所示

41、。2.時序at89c51單片機指令字節(jié)數(shù)和機器周期數(shù)可分為六類。即單字節(jié)單機器周期指令、單字節(jié)雙機器周期指令、單字節(jié)四機器周期指令，雙字節(jié)單機器指令、雙字節(jié)雙機器周期指令和三字節(jié)雙機器周期指令。 圖2-4 內(nèi)部方式時鐘電路 圖2-5 外部方式時鐘電路2.6 復(fù)位電路復(fù)位是通過某種方式，使單片機內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌踔禒顟B(tài)的操作，at89c51單片機在時鐘電路工作以后，在rst/vpd端持續(xù)給出兩個機器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作。復(fù)位分為上電復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。at89c51單片機復(fù)位狀態(tài)如下表所示 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) pc 0000h acc 00h b 00h ps

42、w 00h sp 07h dptr 0000h p0-p1 offh ip xxx00000b ie 0xx00000b tmod 00h tcon 00h tl0、tl1 00h th0、th1 00h scon 00h sbuf 不定 pcon 0xxx0000b2.7 at89c51單片機的指令系統(tǒng)控制計算機與操作的指令是一組二進制編碼，稱之為機器語言。計算機只能識別和執(zhí)行機器語言指令。at89c51單片機指令與指令系統(tǒng)共有111條指令，從功能上可分成數(shù)據(jù)傳輸類指令、算術(shù)運算指令、邏輯運算和移位指令、程序控制轉(zhuǎn)移類指令和位操作指令五大類。3 ds18b20溫度傳感器3.1 ds18b20

43、溫度傳感器的性能特點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度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)位的數(shù)字值讀數(shù)方式。ds18b20的性能特點如下：獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；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；無須外部器件；可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5；零待機功耗；溫度以或位數(shù)字；用戶可定義報警設(shè)置；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；3.2 ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及設(shè)置ds18b20采用腳pr35封裝

44、或腳soic封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。c64位rom和單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器th低溫觸發(fā)器tl配置寄存器8位crc發(fā)生器vdd i/o圖3-1 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)64位rom的結(jié)構(gòu)開始位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后位是前面56位的crc檢驗碼，這也是多個ds18b20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器和，可通過軟件寫入戶報警上下限。ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存和一個非易失性的可電擦除的eeram。高速暫存ram的結(jié)構(gòu)為字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。頭個字節(jié)包含測得的溫度信息，第和

45、第字節(jié)和的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第個字節(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。該字節(jié)各位的定義如圖3所示。低位一直為，是工作模式位，用于設(shè)置ds18b20在工作模式還是在測試模式，ds18b20出廠時該位被設(shè)置為，用戶要去改動，r1和0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。溫度 lsb溫度 msbth用戶字節(jié)1tl用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留crc圖3-2 ds18b20字節(jié)定義由表3-3可見，ds18b20溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，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

46、將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。高速暫存的第、字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯。第字節(jié)讀出前面所有字節(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位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第、字節(jié)。單片機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)符號位時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)符號位時，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。表3-1是一部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度數(shù)據(jù)。表3-1 ds18b20溫度轉(zhuǎn)

47、換時間表ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與ram中的th、t字節(jié)內(nèi)容作比較。若th或ttl，則將該器件內(nèi)的報警標(biāo)志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只ds18b20同時測量溫度并進行報警搜索。在64位rom的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（crc）。主機rom的前56位來計算crc值，并和存入ds18b20的crc值作比較，以判斷主機收到的rom數(shù)據(jù)是否正確。ds18b20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(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；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器的

48、脈沖輸入。器件中還有一個計數(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(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器、溫度寄存器中，計數(shù)器和溫度寄存器被預(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(dāng)減法計數(shù)器的預(yù)置值減到時，溫度寄存器的值將加，減法計數(shù)器的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器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)器計數(shù)到時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值

49、，只要計數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。表3-2 一部分溫度對應(yīng)值表溫度/二進制表示十六進制表示+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-10.1251111 1111 0101 1110ff5eh-25.062

50、51111 1110 0110 1111fe6fh-551111 1100 1001 0000fc90h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)。圖3-3 ds18b20與單片機的接口電路3.3 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，如圖3-3 所示單片機端口接單線總線，為

51、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。當(dāng)ds18b20處于寫存儲器操作和溫度a/d轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時vdd端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。3.4 本章小結(jié)本章主要講述的是ds18b20溫度傳感器的性能特點，內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及與單片機的接口電路。4 顯示及報警模塊器件選擇4.1 顯示模塊常用的led顯示器有l(wèi)ed狀態(tài)顯示器（俗稱發(fā)光二極管）led七段顯示器（俗稱數(shù)碼管和led十六段顯示器，發(fā)光二極管可顯示兩種狀態(tài)，用于系統(tǒng)顯示；數(shù)碼管用于數(shù)字顯示；led十六

52、段顯示器，用于字符顯示）1數(shù)碼管結(jié)構(gòu)數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構(gòu)成，通過不同組合可用來顯示數(shù)字0-9.字符a-f及小數(shù)點“.”。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)。2. 數(shù)碼管工作原理共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二級管的陽極（二極管正端）連接在一起。通常會共陽極接高電平1.一般接電源1.當(dāng)某個陰極接低電平時，則該數(shù)碼管導(dǎo)通并點亮。共陰極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負(fù)端）連接在一起。公共陰極接低電平（一般接地）當(dāng)某個陽極接高電平，則該數(shù)碼管并點亮。3. 靜態(tài)顯示接口靜態(tài)顯示是指數(shù)碼管顯示某一字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定導(dǎo)通或恒定截止。這種顯示方式的各位數(shù)碼管相互獨立，公共端恒定接地

53、（共陰極）獲接正電源（共陽極）每個數(shù)碼管的8個字段分別與一個8位i/o地址相連，i/o口只要有斷碼輸出，相應(yīng)字符即顯示出來并保持不變直動i/o口輸出新的端碼采用靜態(tài)顯示方式。較小的電流即可獲得較大的亮度。且占用cpu時間少編程簡單，顯示，便于檢測和控制，但其占用的口線多，硬件電路復(fù)雜、成本高，只適合于顯示位數(shù)較少的場合。4. 動態(tài)顯示接口動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管。這種逐位點亮顯示的方式稱為位掃描。通常各位數(shù)碼管的段選線相應(yīng)并聯(lián)在一起由8位的i/o口控制。各位的位選線（公共陰極或陽極）有另外的i/o口線控制。動態(tài)方式顯示時，各數(shù)碼管分時輪流選通，要使穩(wěn)定顯示，必須采用掃描方式，即在

54、某一時刻只選通一位數(shù)碼管。并送出相應(yīng)的端碼，在另一位數(shù)碼管并送出相應(yīng)的端碼。依此規(guī)律循環(huán)，即可使各位數(shù)碼管顯示將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同的時刻分別顯示，但由于人眼存在視覺暫留效應(yīng)，只要每位顯示間隔足夠短就可以給人以同時顯示的感覺。 4.2 溫度報警電路本設(shè)計采軟件處理報警，利用有源蜂鳴器進行報警輸出，采用直流供電。當(dāng)所測溫度超過獲低于所預(yù)設(shè)的溫度時，數(shù)據(jù)口相應(yīng)拉高電平，報警輸出。（也可采用發(fā)光二級管報警電路，如過需要報警，則只需將相應(yīng)位置1，當(dāng)參數(shù)判斷完畢后，再看報警模型單元alarm 的內(nèi)容是否與預(yù)設(shè)一樣，如不一樣，則發(fā)光報警）報警電路硬件連接見圖4-1。蜂鳴器用cs9013三極管驅(qū)動，蜂鳴器用5v的無源蜂鳴器，同時在三極管基極串接個限流電阻,數(shù)據(jù)端口接p17（由單片機的p17直接輸出驅(qū)動）。圖4-1 溫度報警5 智能溫度報警器的設(shè)計5.1 總體