溫度監(jiān)控裝置的設(shè)計

1、 前言本次課程設(shè)計做的是簡易溫度監(jiān)控裝置，本文主要是對溫度傳感器DS18B20與單片機AT89S52接口電路的設(shè)計及軟件設(shè)計的介紹。DS18B20是DALLAS公司的最新單線數(shù)字溫度傳感器，它的體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟，DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使我們可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念，它的測量溫度范圍為55125，在1085范圍內(nèi)，精度為±0.5，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。 此溫度監(jiān)控裝置可廣泛應(yīng)用于實際生活中，例如大棚蔬菜

2、種植時的溫度監(jiān)控，植物培養(yǎng)皿的溫度監(jiān)控等，為日常的生產(chǎn)生活提供了便利條件。但由于此裝置的報警以及冷風(fēng)機驅(qū)動電路都是由發(fā)光二極管模擬完成的，因此此裝置只是一個模擬實現(xiàn)功能的裝置，還有許多不足之處。目錄前言一 、方案選擇-3二 、DS18B20功能介紹-42、1 DS18B20特性、引腳分布及內(nèi)部結(jié)構(gòu)-42、2 DS18B20的測溫原理-62、3 DS18B20的存儲器及測得溫度值-82、4 DS18B20的單總線技術(shù)特性和工作時序-10三、硬件電路設(shè)計-133、1 溫度傳感器-133、2 AT89S52單片機-133、3 顯示電路-14四、軟件設(shè)計-144、1 DS18B20的初始化流程圖-15

3、4、2 讀DS18B20與寫DS18B20的程序流程圖-164、3程序代碼-17五、總結(jié)-22六.元器件清單-22七溫度監(jiān)控裝置原理圖-23八. 直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗報告-24一、方案選擇 方案一：采用熱電偶溫差電路測溫，通過A/D轉(zhuǎn)換，再采用51單片機進行控制，最后送數(shù)碼管顯示，利用發(fā)光二極管模擬報警與降溫電路。溫度檢測部分可以使用低溫?zé)崤?，熱電偶由兩個焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成，熱電偶產(chǎn)生的熱電偶由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。通過將參考結(jié)點保持在已知溫度并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點的溫度。數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有A/D通道的單片機，在將隨被測溫度變化的電流

4、或電壓采集過來，進行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來。熱電偶的優(yōu)點是工作溫度范圍非常寬，且體積小，但是它們也存在著輸出電壓小，容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點，并且設(shè)計中還需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。 方案二：采用采用AT89S52單片機和DS18B20溫度傳感器通信，控制溫度的采集過程和進行數(shù)據(jù)通信；編寫C51程序，完成單片機對溫度數(shù)據(jù)的采集過程以及與DS18B20數(shù)據(jù)傳輸過程的控制，用數(shù)碼管輸出顯示溫度，利用發(fā)光二極管模擬報警與降溫電路。 采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。便于單片機處理

5、及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線性較好。在0100時，最大線性偏差小于1.DS18B20的最大特點之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計DS18B20的最大特點之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由DS18B20與AT89S51構(gòu)成的溫度測量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號，采用51單片機編程控制，可以在控制與報警上更大的自由度。硬件電路也相對較熱電偶測溫電路簡單，省去了A/D轉(zhuǎn)換這一部分。二、DS18B20功能介紹2.1 DS18B20特性、引腳分布及內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20是一種數(shù)字式的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（On-Boar

6、d）專利技術(shù)。使其具有以下特性： 單線接口，只需一根口線與CPU連接。不需要外部元件，不需要備份電源，可用數(shù)據(jù)支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上。溫度測量范圍從-50125.通過編程可實現(xiàn)1/21/16的4級精度轉(zhuǎn)換。在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換9位和12位的數(shù)字量。用戶可以自設(shè)定非易失性的報警上下限值。報警搜索命令可以識別那片DS18B20溫度超限。芯片本身帶有命令集和存儲器。 DS18B20轉(zhuǎn)換精度912位進制數(shù)，可編程確定轉(zhuǎn)換的位數(shù)；測溫分辨率為9位精度為0.5，12位精度為0.062 5；轉(zhuǎn)換時間：9位精度為93.75 ms、10位精度為187.5

7、ms、12位精度為750 ms；內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。DS18B20采用TO-92封裝模式，其引腳功能描述見圖1。序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，開漏單總線接口引腳3VDD可選擇的VDD引腳。工作于寄生電源時，必須接地 （圖1， DS18B20引腳詳細功能介紹）DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，他主要包括溫度傳感器、64位激光ROM單線單口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等。 16位rom和一線端口溫度傳感器存儲和控制邏輯8位CRC生成器INTERNAL VDD

8、供電方式選擇(圖2， DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)) ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以被看做是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不同。64位ROM的排序是：前8位是產(chǎn)品家族碼，接著48位是DS18B20的序列號，最后8位是前面56位循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）.ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)在一根總線上掛接多個DS18B20的目的。2.2 DS18B20的測溫原理 DS18B20的測溫原理如圖3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

9、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)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫系數(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，減法器計數(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)。 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技術(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

10、器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫圖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到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理預(yù)置斜率累加器比較計數(shù)器1預(yù)置低溫度系數(shù)振蕩器T1=0T溫度寄存器加1計數(shù)器2高溫度嚇唬振蕩器 T2=0 停止（圖3，DS18B20的測溫原理圖） 2.3 DS18B20的存儲器及測得溫度值DS18B20內(nèi)部存儲器包括：9個連續(xù)字節(jié)的高速暫存RAM；存放高溫和低溫觸發(fā)器TH,TL；結(jié)構(gòu)寄存器的非易失性電擦除RAM，其中，RAM由溫度的低位字節(jié)，溫度的高位字節(jié)，TH使用字節(jié)，

11、TL使用字節(jié)，結(jié)構(gòu)寄存器使用字節(jié)，保留字節(jié)，CRC校驗字節(jié)組成。溫度的低位字節(jié)和溫度高位字節(jié)數(shù)據(jù)格式為：溫度低位字節(jié)（LSB）D3D2D1D0C3C2C1C0溫度高位字節(jié)（MSB）SSSSSD2D1D0當(dāng)S=0時，T>=0T=64D6+32D5+16D4+8D3+4D2+2D1+D0+1/2C3+1/4C2+1/8C1+1/16C0當(dāng)S=1時，T<0,值為補碼。例如：+125的數(shù)字輸出為07D0H,+25.0625的數(shù)字輸出為0191H，-25.062525.0625的數(shù)字輸出為FF6FH,-55的數(shù)字輸出為FC90H。結(jié)構(gòu)寄存器內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。結(jié)構(gòu)寄存器的數(shù)據(jù)

12、的數(shù)據(jù)格式和該字節(jié)各位的定義如下：TMR1R011111TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動；低5位一直都是1，R1和R0用來設(shè)置分辨率，如下表所列:R1R0分辨率/位最大轉(zhuǎn)換時間/ms00993.750110187.510113751112750高低溫報警觸發(fā)器TH和TL，配置寄存器均由一個字節(jié)的EEPROM組成。使用一個存儲器功能命令可對TH,TL或結(jié)構(gòu)寄存器寫入。高速暫存器是一個9字節(jié)的存儲器開始兩字節(jié)包含被測溫度的數(shù)字量信息；第3，4，5字節(jié)分別是TH,TL，配置存儲器的臨時副本，每一次上電復(fù)位時被刷新；

13、第6，7，8字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有8個字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。2.4 DS18B20的單總線技術(shù)特性和工作時序（1）總線技術(shù)特性單總線即只有1根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成。主機或從機通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線，而讓其他設(shè)備使用總線。所有的單總線器件都要遵循嚴(yán)格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性，基本的通信過程如下：主機通過拉低單總線至少。480s產(chǎn)生Tx復(fù)位脈沖；然后由主機釋放總線，并進入Rx接收模式。主機釋放總線時，會產(chǎn)生一由低電平跳變?yōu)楦唠娖降纳仙?；單總線器件檢測到該上升沿后，延時156

14、0s；單總線器件通過拉低總線60240 s產(chǎn)生應(yīng)答脈沖；主機接收到從機的應(yīng)答脈沖后，說明有單總線器件在線，然后主機就可以開始對從機進行ROM命令和功能命令操作。（2）工作時序 DS18B20的一線工作協(xié)議流程是：初始化ROM操作指令存儲器操作指令數(shù)據(jù)傳輸。其工作時序包括初始化時序，寫時序和時序，如圖數(shù)值輸出的單線溫度傳感器直接以傳感器直接以串行方式輸出測得的溫度數(shù)值，并且用該線獲取機的命令，其時序非常重要，它包括復(fù)位，寫時間片和讀時間片。初始化：主機將寫數(shù)據(jù)線拉低480960us后釋放，DS18B20等待1560us后，即可輸出一低電平持續(xù)60240us，主機收到應(yīng)答后即可對其進行其他操作，如

15、圖（4、a）所示。寫時間片:當(dāng)主機將數(shù)據(jù)線從高拉低時，形成寫時間片，有寫0和寫1兩種。時間片開始時DS18B20在1560us期間進行采樣。每個時間片必須有最小1us的恢復(fù)期（拉高），如圖（4、b）所示。讀時間片：當(dāng)主機從DS18B20讀數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生讀時間片。當(dāng)主機將數(shù)據(jù)線從高位到低時，讀時間片被初始化，并且此后的15us之內(nèi)，DS18B20將有效數(shù)據(jù)輸出至口線，主機必須在此時刻范圍內(nèi)進行采樣。每個讀時間片最小周期為60us，且必須有最小1us的恢復(fù)期（拉高），如圖（4、c）所示。主機發(fā)復(fù)位脈沖主機接收存在信號至少480us480<TX<960us 1560us DS18B20發(fā)生

16、在脈沖 VCC 等待 60us240usGND(4、a,初始化序列)60<TX”0”<120us 恢復(fù) 寫時間片VCC >1usI-WIREGND DS18B20采樣 >1us DS18B20采樣 MIN TYP MAX MIN TYP MAX15us15us30us15us15us30us(4、b,寫時序) 主機讀0時間片 >1us 主機讀“：”時間片VCCI-WIREGND 總線采樣 >1us 總線采樣15us 15us 30us 15us(4、c,讀時序)DS18B20的功能命令如下表所列功能描述 代碼啟動溫度轉(zhuǎn)換 44H讀取溫度寄存器（共可讀9個寄存

17、器） BEH讀DS18B20的序列號 33H將數(shù)據(jù)寫入暫存器的第，3字節(jié)中 4EH匹配ROM 55H搜索ROM F0H報警搜索 ECH跳過讀序列號的操作 CCH讀電源供電方式，0為寄生電源，1為外部電源 B4H三、硬件電路設(shè)計如見附錄圖所示，本次畢業(yè)設(shè)計采用DS18B20做溫度傳感器，其采用外接電源方式，VDD端即3腳用4.5V電源供電，DQ端即2腳接單片機P3.7腳，為溫度數(shù)據(jù)輸入端。單片機AT89S52的P0口接1K上拉電阻驅(qū)動四位一體共陰LED數(shù)碼管，其中P0.0P0.7做段選，接數(shù)碼管的ah引腳；P2.6P2.3做位選，接數(shù)碼管S4S1引腳。P2.1腳接模擬冷風(fēng)驅(qū)動的發(fā)光二極管，P2.

18、0腳接模擬報警的發(fā)光二極管。3.1 溫度傳感器 DS18B20是新型的智能型溫度傳感器，在其內(nèi)部可自行完成A/D轉(zhuǎn)換等程序。它具有獨特的一線接口特性，只需要一條口線通信，無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V 無需備用電源 測量溫度范圍為-55 ° C至+125 ，范圍內(nèi)精度為±0.5 ° C。具體用法如上DS18B20的介紹。3.2 AT89S52單片機AT89S52單片機是在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上，集成了包括有CPU、RAM、ROM、定時器和多種I/O接口電路，是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Fl

19、ash 存儲器，256 字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6 向量2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。部分引腳介紹：XTAL1: 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2: 振蕩器反相放大器的輸出端。VCC - 芯片電源，接+5V；VSS - 接地端；RST: 復(fù)位輸入。晶振工作時，RST 腳持續(xù)2 個機器周期高電平將使單片機復(fù)位。4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。3.3 顯示電路本次畢業(yè)設(shè)計的顯示電路采用

20、的是四位一體數(shù)碼管。首先數(shù)碼管有共陰極和共陽極之分，區(qū)別他們的方法是若公共端接地，其他端接電源，若各段測試能亮，說明是共陰的，反之共陽的；若公共端接電源，其他端分別接的，測得各端亮，則說明是共陽的，反之為共陰的。本次設(shè)計使用的是共陰數(shù)碼管。4位一體數(shù)碼管，其內(nèi)部段已連接好，引腳如圖所示（正面朝自己，小數(shù)點在下方）。a、b、c、d、e、f、g、dP為段引腳，1、2、3、4分別表示四個數(shù)碼管的位（如下圖所示）。 。 。 。 。 。 。                  

21、      1   a     f     2    3   b                        。 。 。 。 。 。              

22、0;         e   d   dp   c    g    4本次設(shè)計P0口連接的是數(shù)碼管的段，P2.6P2.3連接的是數(shù)碼管的位。四、軟件設(shè)計4.1 DS18B20的初始化流程圖 開始AT89S52初始化開始溫度比較溫度顯示溫度數(shù)據(jù)處理讀取溫度溫度轉(zhuǎn)換命令DS18B20存在？ N Y在溫度設(shè)定區(qū)間內(nèi)報警 在溫度設(shè)定區(qū)間外4.2 讀DS18B20與寫DS18B20的程序流程圖開始開始設(shè)循環(huán)次數(shù)為8設(shè)循環(huán)次數(shù)為8總線置0并延時總線

23、置0并延時讀一位數(shù)據(jù)讀一位數(shù)據(jù)延時延時總線置1并延時總線置1并延時8位讀完？8位讀完？返回返回（讀DS18B20流程圖） （寫DS18B20流程圖）4.3 源程序代碼#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P37;/ds18b20與單片機連接口sbit P21=P21;/p21口接發(fā)光二極管實現(xiàn)模擬驅(qū)動降溫sbit P20=P20;/p20口接發(fā)光二極管實現(xiàn)模擬報警sbit P23=P23;sbit P24=P24;sbit P25=P25;sbit P26=P26;u

24、char data disdata4=0x00,0x00,0x00,0x00;unsigned char shuma10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uint tvalue;/溫度值uchar tflag;/溫度正負標(biāo)志/*ds1820程序*/ void delay_18B20(unsigned int i)/延時1微秒 while(i-);void delay(int x) unsigned int c,d; for(c=0;c<x;c+) for(d=0;d<10;d+);/yimiao void ds18

25、20rst()/*ds1820復(fù)位*/ unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ復(fù)位 delay_18B20(4); /延時 DQ = 0; /DQ拉低 delay_18B20(100); /精確延時大于480us DQ = 1; /拉高 delay_18B20(40); uchar ds1820rd()/*讀數(shù)據(jù)*/ unsigned char i=0; unsigned char dat = 0; for (i=8;i>0;i-) DQ = 0; /給脈沖信號 dat>>=1; DQ = 1; /給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; dela

26、y_18B20(10); return(dat); void ds1820wr(uchar wdata)/*寫數(shù)據(jù)*/ unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata>>=1; read_temp()/*讀取溫度值并轉(zhuǎn)換*/ uchar a,b; ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);/*跳過讀序列號*/ ds1820wr(0x44);/*啟動溫度轉(zhuǎn)換*/ ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);

27、/*跳過讀序列號*/ ds1820wr(0xbe);/*讀取溫度*/ a=ds1820rd(); b=ds1820rd(); tvalue=b; tvalue<<=8; tvalue=tvalue|a; if(tvalue<0x0fff) tflag=0; else tvalue=tvalue+1; tflag=1; tvalue=tvalue*(0.625);/溫度值擴大10倍，精確到1位小數(shù)return(tvalue); void display()P23=0;P0=shumadisdata3;delay(50);P23=1;P24=0;P0=shumadisdata2+

28、0x80;delay(50);P24=1;P25=0;P0=shumadisdata1;delay(50);P25=1;P26=0;P0=shumadisdata0;delay(50);P26=1;/*/ void ds1820disp()/溫度值顯示 int temperature; disdata0=tvalue/1000;/百位數(shù) disdata1=tvalue%1000/100;/十位數(shù) disdata2=tvalue%100/10;/個位數(shù) disdata3=tvalue%10;/小數(shù)位 display(); temperature=disdata0*100+disdata1*10+

29、disdata2; if(temperature>20) P21=1;/20為驅(qū)動冷風(fēng)機降溫上限值 else P21=0; if(temperature>40) P20=1; /40為報警溫度值 else P20=0; /*主程序*/ void main() /初始化顯示 P21=0; P20=0; tvalue=0; while(1)read_temp();/讀取溫度 ds1820disp();/顯示 五、總結(jié) 單片機在現(xiàn)實生活中已經(jīng)越來越普遍，更多的東西也越來越偏向于智能化。本次畢業(yè)設(shè)計所做的實物是利用單片機完成溫度監(jiān)控裝置的一個模擬，主要是報警與冷風(fēng)機的驅(qū)動電路的模擬。此裝置

30、的優(yōu)點主要體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)簡單，直接用單片機控制其輸出與報警控制，易于實現(xiàn)，靈活性較大，可根據(jù)需要更改報警控制溫度值。 在本次畢業(yè)設(shè)計中也遇到了很多問題，例如：DS18B20的用法，四位一體數(shù)碼管的用法等，通過在圖書館，利用網(wǎng)絡(luò)查閱資料以及老師的指導(dǎo)，幫助我解決了這些問題，也使我更加的了解一個電子實物從定方案到設(shè)計再到制作實物以及最后實現(xiàn)功能的整個過程。相信這會是我的一次寶貴經(jīng)驗，并且一定會在我以后的工作中起到極大的作用。六、元器件清單元器件規(guī)格數(shù)量(個)電阻R11、R1210K2電阻R9、R10102排阻R1R81K1電容C2、C322pf2電解電容C122uf1晶振Y112M1開關(guān)發(fā)光二極管D1、D2RED2單片機AT89S521溫度傳感器DS18B201四位共陰數(shù)碼管1導(dǎo)線若干七溫度監(jiān)控裝置原理圖八.直流激勵時霍爾式傳感器位移特性實驗一. 實驗?zāi)康模毫私饣魻柺絺?/p>