單片機溫度測量設(shè)計設(shè)計

1、多路數(shù)字溫度測量系統(tǒng)設(shè)計1、 摘要基于單片機的多路數(shù)字溫度測量系統(tǒng)在實際中廣泛應用。本課題以AT89S51單片機系統(tǒng)為核心，設(shè)計了一種利用單片機來實現(xiàn)的實時溫度控制系統(tǒng),包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。系統(tǒng)采用AT89S51 單片機作為主芯片,DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為溫度采集器件,可以監(jiān)測八路環(huán)境溫度信號，對八路模擬信號進行循環(huán)采集，該系統(tǒng)測量范圍-55+125，顯示精度為±0.5，運用蜂鳴器作為報警器,通過串口實現(xiàn)單片機與PC 機的通信，利用鍵盤控制隨時查看指定通道溫度，運用MC14543驅(qū)動4位LED數(shù)碼管來實現(xiàn)溫度的實時讀取。系統(tǒng)能實時監(jiān)控環(huán)境溫度,并具有報警功能,若采集的平均

2、值超過設(shè)定范圍，則對應通道的指示燈閃爍10次后一直亮，指示燈閃爍時喇叭發(fā)聲，具有一定的實用性。1多點的溫度進行實時巡檢。由于其具有單總線的獨特優(yōu)點，本文結(jié)合實際使用經(jīng)驗，介紹了DS18B20數(shù)字溫度傳感器在單片機下的硬件連接及軟件編程，并給出了軟件流程圖。 關(guān)鍵詞：溫度傳感器DS18B20 AT89S51單片機 MC14543驅(qū)動器 LED數(shù)碼管顯示二 總體設(shè)計方案目錄一、 摘要 1二、總體方案設(shè)計 32.1、方案的闡述與特點 32.2、本方案系統(tǒng)框圖 32.3、該設(shè)計系統(tǒng)所具有如下特點 3三、系統(tǒng)硬件設(shè)計 43.1、單片機引腳功能圖的介紹 43.2、溫度傳感器DS18B20的連線圖 73.3

3、、顯示電路設(shè)計 73.4、鍵盤電路設(shè)計 83.5、電源電路設(shè)計 83.6、報警電路設(shè)計 93.7、晶振復位電路如下 10四、系統(tǒng)軟件設(shè)計 104.1、系統(tǒng)主程序流程圖 114.2、溫度測量子程序流圖 124.3、鍵盤程序流程圖 144.5、顯示子程序流程圖 14五、結(jié)論 145.1、課題總結(jié) 155.2、感悟 15六、參考文獻 16七、附錄 167.1系統(tǒng)程序 167.2系統(tǒng)總體電路圖 26 二、總體方案設(shè)計1、方案的闡述與特點:本設(shè)計方案以DS18B20為傳感器、AT89C51單片機為控制核心組成多點溫度測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器電路、獨立式鍵盤與MC14543驅(qū)動LED數(shù)碼顯示電路、八路報

4、警電路和串口通信電路組成。采用美國Dallas半導體公司推出的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。它具有獨特的單總線接口，僅需要占用一個通用I/O端口即可完成與微處理器的通信。LED采用MC14543驅(qū)動芯片來驅(qū)動。外部全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。本方案系統(tǒng)框圖為：單片機復位鍵盤設(shè)置溫度上下限時鐘振蕩DS18B20溫度傳感器8路報警MC14543驅(qū)動LED顯示AT89S51單片機圖2-1 多路數(shù)字溫度測量系統(tǒng)總體設(shè)計圖 該系統(tǒng)的核心是集成溫度傳感器DS18B20，其核心技術(shù)就是可以直接輸出數(shù)字信號。由于溫度傳感器DS18B20是單線

5、通信，所以軟件設(shè)計部分必須考慮它的時序問題，以便更好地讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)。2、該設(shè)計系統(tǒng)所具有如下特點： （1）獨特的單線接口，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無需變換其他電路，直接輸出被測溫度值1；（2）多點能力使分布式溫度檢測應用得以簡化；（3）不需要外部元件；（4）既可用數(shù)據(jù)線供電，也可采用外部電源供電；（5）不需備份電源；（6）測量范圍為-55125，固有測溫分辨率為0.5；（7）通過編程可實現(xiàn)912位的數(shù)字讀數(shù)方式；（8）用戶可定義非易失性的溫度告警設(shè)置；（9）警告搜索命令能識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件（溫度警告情況）；（10）應用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、

6、消費類產(chǎn)品、溫度計或任何熱敏系統(tǒng)。以上特性使得DS18B20非常適用于構(gòu)建高精度、多點溫度測量系統(tǒng)。根據(jù)DS18B20以上特點，此方案實現(xiàn)本課題較好。三、硬件設(shè)計本課題的整個系統(tǒng)是由單片機、顯示電路、鍵盤電路、驅(qū)動電路、報警電路、電源電路、復位電路、振蕩電路等構(gòu)成。1、單片機引腳功能圖的介紹： 圖3-1單片機引腳2表3-1 單片機引腳功能表2VCC：電源電壓輸入端。 GND：電源地。 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)/地址的低八位。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供

7、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。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。P3口：P3口是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。P3口除了作為普通I/O口，還有第二功能：P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.

8、2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（T0定時器的外部計數(shù)輸入） P3.5 T1（T1定時器的外部計數(shù)輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通）RST：復位輸入端，高電平有效。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：地址鎖存允許/編程脈沖信號端。PSEN：外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。EA/VPP：外部程序存儲器訪問允許。當/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

9、定為RESET；當/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：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端2、溫度傳感器DS18B20的連線圖：DS18B20的測溫原理1、6如圖1-2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)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門

10、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和溫度寄存器被預置在-55 所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到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)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復上述過程，直至溫度寄存器

11、值達到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。各種操作的時序圖與DS1820相同。 圖3-2 8路DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線圖3、83、顯示電路設(shè)計本課題采用MC14543驅(qū)動器來驅(qū)動四個LED數(shù)碼管來實現(xiàn)溫度的顯示，P0.0-PO.3引腳通過上拉電阻連接MC14543的A、B、C、D引腳。MC14543的a、b、c、d、e、f、分別接電阻限流來連接LED的相應8

12、位段碼線2。P0.4-P0.7分別接電阻限流后接三極管來作為各LED的位選線。DS1用來顯示當前顯示的一路，DS2、DS3、DS4、用來顯示該路的實時溫度，其具體連接如下圖.圖3-3 MC14543驅(qū)動器驅(qū)動LED顯示電路34、鍵盤電路設(shè)計其原理圖如圖3-4：本課題使用獨立式鍵盤行列掃描方式，在單片機的P1.0-P1.3口線上連接獨立式的鍵盤，單片機掃描鍵盤，如果有鍵按下，單片機會根據(jù)鍵碼執(zhí)行相應的程序，使整個系統(tǒng)的功能更加完善2、7。圖3-4獨立式鍵盤電路5、電源電路設(shè)計單片機工作電源為+5 V， 系統(tǒng)電路功耗很小，因此，采用CW7805三端穩(wěn)壓片即可滿足要求。具體電路如下圖所示：通過變壓器

13、將220V電壓降到7V,再通過整流電路將交流變成直流。經(jīng)三態(tài)穩(wěn)壓器輸出單片機所需+5V電源。圖3-5 電源電路36、報警電路設(shè)計 為了實現(xiàn)多點溫度檢測報警系統(tǒng)，本課題采用AT89C51單片機作為主控制器，采用掃描的方式對多點DS18B20溫度傳感器獲取對應該位置的溫度值，。串口可以立即發(fā)送到上位機，如溫度不在設(shè)定的范圍內(nèi)，經(jīng)處理后由P2.4-P2.1引腳接74LS138的G1、C、B、A，其它輸入引腳接地。通過74LS138譯碼器輸出8路報警信號。任意時刻只可能有一路輸出有效給出報警信號。報警硬件電路圖3如下所示:圖3-6 8路報警信號指示電路37、復位電路如下設(shè)計原理：復位是單片機的初始化操

14、作，只需給AT89S51的復位引腳RST加上2個機械周期的高電平就可使單片機復位。按鍵手動高電平復位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通來實現(xiàn)，具體電路如圖1-8所示，當時鐘頻率選用6MHz時，C的典型取值為10uF，R取值10K. 2圖3-7 復位電路8、晶振電路設(shè)計原理：AT89S51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出引腳為XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中的電容C1和C2的典型值通常選擇為30pF。AT89S51常選擇振蕩頻率6MHz和12MHz的石英晶振。2電路如下圖圖3-8 晶振電路四、軟件設(shè)計

15、1、軟件實現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)程序和流程圖，根據(jù)整個系統(tǒng)的要求，完成溫度的測量與控制必須經(jīng)過以下幾個步驟：單片機接受傳感器的溫度信號，并通過mc14543驅(qū)動顯示出來，單片機掃描鍵盤，接受控制信號，并將溫度顯示出來，若溫度不在范圍內(nèi)則發(fā)出報警。1)、系統(tǒng)主程序流程圖開始系統(tǒng)初始化測溫子程序顯示溫度 測溫鍵是否按下？Y清楚顯示子程序N清除鍵是否按下 Y N圖 4-1系統(tǒng)主程序流程圖流程圖說明:系統(tǒng)開始應現(xiàn)將其進行初始化操作，然后系統(tǒng)進入測溫程序，通過鍵盤檢測掃描是否按鍵被按下，如果按下則LED會顯示當前按下通道的溫度，然后檢測是否清除按鍵按下，若按下則清除顯示子程序。最后返回測溫子程序，對

16、8路測溫進行循環(huán)顯示。2）、溫度測量子程序流圖開始延時復位DS18B20復位DS18B20發(fā)出跳過ROM命令發(fā)出匹配ROM命令復位DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)一個DS18B20序號 N發(fā)報警搜索命令轉(zhuǎn)換完畢?N有溫度超限否讀溫度值NY指向下一個DS18B20存入存儲器第n個DS18B20處理完YY報警輸出 圖4-2 DS18B20溫度測量程序流圖溫度測量程序流程圖說明： 首先將其所有的DS18B20進行復位操作，按后跳過ROM命令，對溫度傳感器發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令，轉(zhuǎn)換完畢后將當前DS18B20進行復位操作，發(fā)出匹配的ROM命令，指向下一個DS18B20 ，程序?qū)ζ溥M行讀溫度值，將溫度值存入存

17、儲器。若處理完后指向下一個DS18B20，如果沒處理完先將其復位，發(fā)送報警搜索命令。判斷該路溫度是否有溫度超限否，超限則通過P2.4-P2.1驅(qū)動74LS138譯碼器，輸出該路報警信號。沒有超限則經(jīng)延時后，指向下一路溫度傳感器進行溫度循環(huán)監(jiān)視。3）、鍵盤程序流程圖根據(jù)本課題的系統(tǒng)要求，采用獨立式的鍵盤電路結(jié)構(gòu)，P1.0- P1.3接4條行線通過按鍵接地，各行線均通過上拉電阻接+5V電源，整個系統(tǒng)的功能可以利用4個按鍵將系統(tǒng)完善化、系統(tǒng)化，可以通過鍵盤隨時查看指定通道的溫度4、6。對于鍵盤各鍵的功能如下圖所示：等待鍵盤按下延時確定鍵手動模式溫度置125Key1按下？溫度值減1？Key1等于2？K

18、ey2按下？Key3按下？Key4按下？延時延時延時Key1按下？Key2按下？Key3按下？Key4按下？選擇通道A選擇通道B溫度值加1溫度大于125？溫度置-55溫度小于-55？啟動定時器切換到自動模式Key1等于8選擇通道H返回圖4-3 獨立式鍵盤功能4）、顯示子程序設(shè)計根據(jù)本課題的系統(tǒng)要求，8路通道輪流顯示，整個系統(tǒng)的功能可以利用4個按鍵進行操作，可以通過鍵盤隨時查看指定通道的溫度。開始時進行初始化復位操作，8路通道輪流顯示延時1秒，在有按鍵按下后執(zhí)行中斷程序，顯示指定的通道。然后返回主程序。開始初始化1-8路通道輪流顯示每次延時一秒是否有按鍵按下 N Y 按鍵中斷程序顯示指定查詢通道

19、圖 4-4 顯示子程序流程圖五、結(jié)論1、課題總結(jié)本課題主要是實現(xiàn)對溫度進行多點同時測量并準確顯示。整個系統(tǒng)由單片機控制，要能夠接受傳感器的數(shù)據(jù)并顯示出來，可以從鍵盤輸入命令，系統(tǒng)根據(jù)命令選擇對應的傳感器，并由驅(qū)動電路驅(qū)動溫度顯示，對異常情況進行報警。2、感悟 通過這次課程的設(shè)計，將課本的知識實際應用，擺脫考試的局限性，鍛煉自己獨立的解決問題的能力，獨立思考能力。本課題使我熟悉了單片機設(shè)計原則，對51系列單片機內(nèi)部構(gòu)造、以及MC14543驅(qū)動器、74LS138譯碼器的工作原理引腳功能與其它芯片的接口技術(shù)及其工作情況有了更進一步了解，雖然是很簡單的運用，但比為了考試而瞬時記憶的知識牢固多了，工作需

20、要獨立解決問題的的能力，還是希望多一些這樣的機會。同時感覺到自己的知識還有很多不足的地方，要在今后的學習中不斷完善自己。 六、參考文獻1方佩敏編著·智能化集成溫度傳感器原理與應用M·北京：電子工業(yè)出版社，20022張毅剛，彭喜元，彭宇編著.單片機原理及其應用M.北京:高等教育出版社，2010.53 張偉等.Protel 99SE 實用教程 M.北京：人民電郵出版社，2008;4周慈航著·單片機程序設(shè)計基礎(chǔ)M·北京：北京航空航天大學出版社，20035李道玲，李玲，朱艷編著·傳感器電路分析與設(shè)計M·武漢：武漢大學出版社，20036劉篤人，

21、韓保軍編著。傳感器及應用技術(shù)M·西安：西安電子科技大學出版社，20037陳小忠等，單片機接口技術(shù)實用子程序M·北京：人民郵電出版社，20058 李紅剛，方佳，王強，錢雙艷.基于At89C51的八路溫度巡回檢測系統(tǒng)設(shè)計J. 熱帶農(nóng)業(yè)工程，2010年第34卷第1期；七、附錄（1）系統(tǒng)程序工作內(nèi)存定義BITST DATA 20HTIMEISOK BIT BITST.1TEMPONEOK BIT BITST.2TEMPL DATA 26HTEMPH DATA 27HTEMPHC DATA 28HTEMPLC DATA 29H引腳定義TEMPDIN BIT P3.7 中斷向量區(qū) OR

22、G 000H LJMP START ORG 00BH LJMP T0IT 系統(tǒng)初始化4、7 ORG 100HSTART: MOV SP,#60HCLSMEM: MOV R0,#20H MOV R1,#60HCLSMEM1: MOV R0,#00H INC R0 DJNZ R1,CLSMEM1 MOV TMOD,#00100001B MOV TH0,#TIMEL MOV TL0,#TIMEH SJMP INITERROR: NOP LJMP START NOPINIT: NOP SETB ET0 SETB TR0 SETB EA MOV PSW,#00H CLR TEMPONEOK LJMP M

23、AIN定時器0中斷服務(wù)程序T0IT: PUSH PSW MOV PSW,#10H MOV TH0,#TIMEH MOV TL0,#TIMEL INC R7 CJNE R7,#32H，T0ITI MOV R7,#00H SETB TIMEISOKTOIT1: POP PSW RETI子程序區(qū)RESET DS18B20INITDS1820: SETB TEMPDIN NOP NOP CLR TEMPDIN MOV R6,#0A0H DJNZ R6,$ MOV R6,#0A0H DJNZ R6,$ SETB TEMPDIN MOV R6,#32H DJNZ R6,$ MOV R6,#3CHLOOP1

24、820: MOV C,TEMPDIN JC INITDS1820OUT DJNZ R6,LOOP1820 MOV R6,#064H DJNZ R6,$ SJMP INITDS1820 RETINITDS1820OUT: SETB TEMPDINRET主程序MAIN: LCALL DISP1 JNB TIME1SOK ,MAIN CLR TIME1SOKJNB TEMPONEOK ,MAIN2LCALL READTEMP1LCALL CONVTEMP LCALL DISPBCD LCALL DISP1MAIN2: LCALL READTEMP SETB TEMPONEOK LJMP MAIN讀D

25、S18B20的程序，從DS18B20中讀出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)READDS1820: MOV R7,#08H SETB TEMPDIN NOP NOPREADDS1820LOOP:CLR TEMPDINNOPNOPNOPSETB TEMPDINMOV R6,#07HDJNZ R6,$MOV C,TEMPDINMOV R6,#3CHDJNZ R6,$RRC ASETB TEMPDINDJNZ R7,READDS1820LOOPMOV R6,#3CHDJNZ R6,$RET寫DS18B20的程序，從DS18B20中寫一個字節(jié)的數(shù)據(jù)WRITEDS1820: MOV R7,#08H SETB TEMPDIN

26、NOPNOPWRITEDS1820LOP: CLR TEMPDINMOV R6,#07HDJNZ R6,$RRC AMOV TEMPDIN,CMOV R6,#34HDJNZ R6,$SETB TENPDINDJNZ R7,WRITEDS1820LOPRETREAD TEMPREADTEMP: LCALL INITEDS1820MOV A,#0CCHLCALL WRITEDS1820MOV R6,#34HDJNZ R6,$MOV A,#44HLCALL WRITEDS1820MOV R6,#34HDJNZ R6,$RETREADTEMP1: LCALL INITDS1820MOV A,#0CCH

27、LCALL WRITEDS1820MOV R6,#34HDJNZ R6,$MOV A,#0BEHLCALL WRITEDS1820MOV R6,#34HDJNZ R6,$MOV R5,#09HMOV R0,#TEMPHEADMOV B,#00HREADTEMP2: LCALL READDS1820MOV R0,AINC R0READTEMP21: LCALL CRC8CALDJNZ R5,READTEMP2MOV A,BJNZ READTEMPOUTMOV A,TEMPHEAD+0MOV TEMPL,AMOV A,TEMPHEAD+1MOV TEMPH,AREADTEMPOUT: RET處理溫

28、度BCD碼子程序CONVTEAMP: MOV A,TEMPHANL A,#80HJZ TEMPC1CLR CMOV A,TEMPLCPL AADD A,#01HMOV TEMPL,AMOV A,TEMPHCPL AADDC A,#00HMOV TEMPH,AMOV TEMPHC,#0BHSJMP TEMPCHTEMPC1: MOV TEMPHC,#0AHTEMPC11: MOV A,TEMPHCSWAP AMOV TEMPHC,AMOV A,TEMPLANL A,#0FHMOV DPTR,#TEMPDOTTABMOVC A,A+DPTRMOV TEMPLC,AMOV A,TEMPLANL A,#0F0HSWAP AMOV TEMPL,AMOV A,TEMPHANL A,#0FHSWAP AORL A,TEMPLLCALL HEX2BCD1MOV TEMPL,AANL A,#0F0HSWAP AORL A,TEMPHCMOV TEMPHC,AMOV A,TEMPLANL A,#0FHSWAP AORL A,TEMPLCMO