基于智能温度监测系统设计(共29页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上重庆三峡学院毕业设计（论文）题目 基于智能的温度检测系统 院 系 应用技术学院 专 业 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 年 级 XXXXXXX 学生姓名 XXXXXX 学生学号 XXXXXXXXXXXX 指导教师 XXXXXX 职称 XXXX 完成毕业设计（论文）时间 2011 年 12 月 目 录专心-专注-专业基于智能的温度监测系统张 敏重庆三峡学院应用技术学院电子信息工程（应用技术方向）专业2008级 重庆万州 摘 要 通过对温度监测系统的研究，设计了以AT89C51型单片机作为主控制器件，采用DS18B20数字温度传感器为测温元件，LM016L为温

2、度显示器的智能温度监测系统。设计内容两部分，即硬件设计和软件设计，本设计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等效果。关键词 AT89C51 DS18B20 LM016L液晶显示第一章 绪 论第1.1节 课题背景单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有三十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域，对各个行业的技术改造和产品更新换

3、代起着重要的推动作用。单片机有两种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器。目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。本设计讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。第1.2节 课题来源众所周知，环境温度一直是生物能否较适宜生存的一个重要因素，而人们

4、对环境温度的感知也从单纯的身体感官的感受发展到用各种温度计来对环境温度进行准确的测量。但是受限于技术等原因，温度计通常都有体积较大，精度不高等各种缺陷。而数字温度测量芯片的出现则解决了这些问题，其中的一款芯片DS18B20是DALLAS公司生产的1-Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此，用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线上可以挂载很多这样的数字温度芯片，十分方便。温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板(ON-B0ARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。现在，新一代的DS18

5、B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小，这就为用最低的成本制作出用途更广，精度更高的便携带的数字温度计提供了可能。温度传感器的发展经历了三个发展阶段： 1. 传统的分立式温度传感器；2. 模拟集成温度

6、传感器；3. 智能集成温度传感器；第1.3节 选题的意义温度的测量是科研与生产中最常见的一类测量技术，有效第对温度进行测量可以提高生产效率，提高产品质量，节能，减轻工人劳动强度，使实际系统的工作品质得到极大的改善。智能温度测量系统因性价比高，研制周期短而得到广泛应用，采用微处理器构成的智能温度检测系统比使用分离元器件或集成电路器件构成的温度测量系统功能更强大、结构更灵活、性能更可靠、运行更稳定，已成为温度测量系统的首选。第1.4节 课题内容及要求本次设计的主要思路是利用51系列单片机，数字温度传感器DS18B20和LM016L液晶显示，构成实现温度检测与显示的单片机控制系统，即数字温度计。通过

7、对单片机编写相应的程序，达到能够实时检测周围温度的目的。通过对本课题的设计能够熟悉数字温度计的工作原理及过程，了解各功能器件(单片机、DS18B20、LCD)的基本原理与应用，掌握各部分电路的硬件连线与程序编写，最终完成对数字温度计的总体设计。其具体的要求如下：1、根据设计要求，选用AT89C51单片机为核心器件；2、温度检测器件采用DS18B20数字式温度传感器，利用单总线式连接方式与单片机的串行接口P0.0引脚相连；3、显示电路采用LM016L液晶显示温度值，此类液晶模块不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形符号以及少量自定义符号，人机界面友好，使用操作也更加灵活、方便，使其日益成为各

8、种仪器仪表等设备的首选。第二章 总体设计方案第2.1节 数字温度计设计方案论证2.1.1方案一由于本设计实现的是测温电路，首先我们可以使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应，将其随被测温度变化的电压或电流值采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，通过显示电路就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。因此，我们引出第二种方案。2.1.2方案二我们可以采用技术成熟、操作简单、精确度高的温度传感器，在此，可以选用数字温度传感器DS18B20，根据它的特点和测温原理，很容易就能直接读取被测温度值并进行转换，这样就可以满足设计要求。从以上两种方案，很容

9、易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故在本设计中采用了方案二。通过方案二设计的温度计总体电路图如附录(仿真图)所示，控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用DS18B20，用LM016L的显示功能实现温度显示。第2.2节 总设计框图本设计主要介绍了用单片机和数字温度传感器DS18B20相结合的方法来实现温度的采集，以单片机AT89C51芯片为核心，温度传感器DS18B20和LM016L液晶显示，构成了一个多功能单片机数字温度计。该装置适用于人民的日常生活和工、农业生产的温度测量，实现对温度的监测。其主要研究内容包括两方面，一是对系统硬件部分的设计，包括温度采集电路和显示

10、电路；二是对系统软件部分的设计，应用C语言实现温度的采集与显示。通过利用数字温度传感器DS18B20进行设计，能够满足实时检测温度的要求，同时通过LM016L的显示功能，可以实现不间断的温度显示。其总体设计框图如图2-1所示：2-1设计总框图第三章 系统的硬件设计第3.1节AT89C51的简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可编程的Flash只读程序存储器，兼容标准8051指令系统及引脚，并集成了 Flash 程序存储器，既可在线编程(ISP)，也可用传统方法进行编程，因此，低价位AT89C51单片机可应用于许多高性价比的场合，可

11、灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。3.1.1AT89C51的主要特性如下：.与MCS-51单片机产品兼容； .4K字节可编程闪烁存储器； .寿命：1000写/擦循环； .数据保留时间：10年； .全静态工作：0Hz-24Hz； .三级程序存储器锁定；.128*8位内部RAM； .32根可编程I/O线； .两个16位定时器/计数器； .5个中断源； .可编程串行通道； .低功耗的闲置和掉电模式； .片内振荡器和时钟电路3.1.2

12、芯片AT89C51的引脚排列如图3-1 所示。图 3-1 AT89C51单片机引脚图3.1.3 AT89C51引脚功能介绍单片机芯片AT89C51为40引脚双列直插式封装。其各个引脚功能介绍如下：(1) VCC：供电电压；(2) GND：接地；(3) P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚写”1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高。(4) P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向

13、I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入”1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。(5) P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写”1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址”1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部

14、八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。(6) P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入”1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。其具体功能如表3.1所示。表3.1 P3口的特殊功能端口定义符号表示功能描述P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2INT0外部中断

15、0P3.3INT1外部中断1P3.4T0定时器0外部输入P3.5T1定时器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通(7) RST：复位输入端。当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。(8) ALE / PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上

16、置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。(9) PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。(10) EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。(11) XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。(12) XTAL2：来

17、自反向振荡器的输出。第3.2节 晶振电路的设计单片机晶振电路的设计如图3-2所示。XTAL1（X1）为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。按照理论上AT89C51使用的是12MHz的晶振，但实测使用11.0592MHz。所以设计者通常用的是11.0592MHz。图3-2 单片机晶振电路第3.3节 温度采集电路的设计由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。3.3.1 DS18B20的简介DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B

18、20是一种新型的”一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持”一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55+125 摄氏度，可编程为912 位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量

19、的引线和逻辑电路。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。DS18B20 的性能特点如下：.独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条总线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；.DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；.DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内； .适应电压范围宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电； .测温范围-55125，在-10+85时精度为0.5；.零待机功耗；.

20、可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；.在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；.用户可定义报警设置；.报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件；.测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；.负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；以上特点使DS18B20非常适用与多点、远距离温度检测系统。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位

21、光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图3-3所示。其中，DQ为数据输入/输出引脚，也可用作开漏单总线接口引脚，当被用在寄生电源工作方式下，可以向器件提供电源；GND为地信号；VDD为可选择的电源引脚，当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。其电路图3-4所示。 图3-3 外部封装形式 图3-4 传感器电路图3.3.2 DS18B20内部结构图3-5为DS1820的内部结构框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式RAM)，用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发

22、器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC)发生器等七部分。DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装。其中，64 bit闪速ROM的结构如下3.2表所示：表3.2 64 bit闪速ROM的结构8bit 校验CRC48bit 序列号8bit 工厂代码(10H)MSB LSBMSB LSBMSB LSB开始的8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48 位，最后8位是前面56 位的CRC 检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。图3-5 DS18B20内部结构框图温度传感器DS18B20的内部存储

23、器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如表3.3所示。表3.3 高速暂存RAM结构图中间结果暂存RAM字节温度值低位字节0温度值高位字节1TH/用户使用字节12TL/用户使用字节23配置字节4保留字节5保留字节6保留字节7CRC字节8非易失性电可擦除RAMTH/用户使用字节1TL/用户使用字节2配置字节其中，前2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。

24、暂存存储器的第5个字节是配置寄存器，可以通过相应的写命令进行配置，其内容如下表3.4：表3.4 配置寄存器0R1R0111111MSB LSB其中R0和R1是温度值分辨率位，可按表3.5进行配置。表3.5 温度值分辨率配置表R1R0分辨率最大转换时间(ms)009位93.75ms(tconv/8)0110位183.50ms(tconv /4)1011位375ms(tconv /2)1112位750ms(tconv)当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低

25、位在前、高位在后，数据格式以0.0625/LSB形式表示。温度值格式如下表3.6：表3.6 温度值低232221202-12-22-32-4高SSSSS262524MSB LSB这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。格式中，S表示位。对应的温度计算：当符号位S=0时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，表示测得的温度植为负值，先将补

26、码变换为原码，再计算十进制值。例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625/LSB形式表示。表3.7是部分温度值对应的二进制温度表示数据。表3.7 部分温度的二进制数表示温度数字输出（二进制）数字输出（16进制）+125 07D0H+85 0550H+25.0625 0191H+10.125 00A2H+0.5 0008H0 0000H-0.5 FFF8H-10.125 FFE5H-

27、25.0625 FF6FH-55 FC90HDS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较，若TTH或T 0(480us+) - 1 2、响应：DS18B20检测到该上升沿后，延时1560us，通过拉低总线60240us来产生应答脉冲。DQ: 1(1560us) - 0(60240us)3、接收响应：主机接收到从机的应答脉冲后，说明有单线器件在线。至此，初始化完成。4.3.2 ROM操作命令当主机检测到应答脉冲，便可发起ROM操作命令。共有5类ROM操作命令，如表4.1：表4.1 ROM操作命令指令类型命令字节功能说明Read Rom读ROM33H读取激光R

28、OM中的64位，只能用于总线上单个DS18B20器件情况，多挂时会发生数据冲突；Match Rom匹配ROM55H此命令后跟64位ROM序列号，寻址多挂总线上的对应DS18B20，只有序列号完全匹配的DS18B20才能响应后面的内存操作命令，其他不匹配的将等待复位脉冲，可用于单挂或多挂两种情况；Skip Rom跳过ROMCCH可无须提供64位ROM序列号即可运行内存操作命令，只能用于单挂；Search Rom搜索ROMF0H通过一个排除法过程，识别出总线上所有器件的ROM序列号；AlarmSearch报警搜索ECH命令流程与Search Rom相同，但DS18B20只有最近的一次温度测量时满足

29、了报警触发条件的，才会响应此命令。4.3.3内存操作命令在成功执行ROM操作命令后，才可使用内存操作命令。共有6种内存操作命令，如表4.2：表4.2 内存操作命令指令类型命令字节功能说明Write Scratchpad写暂存器4EH写暂存器中地址2地址4的3个字节(TH,TL和配置寄存器)在发起复位脉冲之前，3个字节都必须要写；Read Scratchpad读暂存器BEH读取暂存器内容，从字节0一直到字节8，共9个字节，主机随时发起复位脉冲，停止此操作，通常我们只需读前5个字节；Copy Scratchpad复制暂存器48H将暂存器中的内容复制进EERAM，以便将温度告警触发字节存入非易失内存

30、，如果此命令后主机产生读时隙，那么只要器件还在进行复制都会输出0，复制完成后输出1；Convert T温度转换44H开始温度转换操作，若在此命令后主机产生时隙，那么只要器件还在进行温度转换就会输出0，转换完成后输出1；Recall E2重调E2暂存器B8H将存储在EERAM中的温度告警触发值和配置寄存器值重新拷贝到暂存器中，此操作在DS18B20加电时自动产生；ReadPower Supply读供电方式B4H主机发起此命令后每个读数时隙内，DS18B20会发信号通知它的供电方式：0寄生电源，1外部供电。4.3.4 数据处理DS18B20要求有严格的时序来保证数据的完整性。在单线DQ上存在复位脉

31、冲、应答、写”0”、写”1”读”0”和读”1”几种型号类型，其中除了应答脉冲以外，均有主机产生。1、DS18B20的复位时序如图4-1：图4-1 DS18B20的复位时序数据位的读和写则是通过使用读、写是时序实现的。首先来看写时序，时序图如图4-2所示。当主机将数据线从高电平拉至低电平时产生写时序。有两种类型的写时序：写”1”和写”0”。所有写时序必须在60us以上(即有高拉低后持续60us以上)，各个写时序之间必须保证最短1us的恢复时间。DS18B20在DQ线变低后的15us至60us的窗口时间内对DQ线进行采样，如果为高电平就写为”1”，如果为低电平就写为”0”。对于主机产生写”1”时隙的情况，数据线必须先被拉低，然后释放，在写时序开始后的1