毕业论文 毕业设计】基于单片机的智能水温控制系统设计.doc

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1、2012届毕业设计（论文）论文题目：基于单片机的智能水温控制系统设计 系 别： 机电系专 业： 应用电子技术班 级： 09应电32学生姓名： 卞小东学 号： 0901083222指导老师： 曹 双 兰 提交时间： 2012年1月摘 要本设计以AT89C52单片机为核心，采用了温度传感器DS18B20,74HC245, LED显示器对温度进行控制。该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制实现水温控制的全过程。本设计实现了水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向通道模块（即温度采样模块）、后向控制模块、系统

2、主模块等三大模块组成。本系统的特点在于采用PC机及普通键盘实现了多机通信。该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制。因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统。关键词：AT89C52单片机；温度传感器；74HC245；LED显示器目录摘 要- 1 -第一章 绪 论- 4 - 4 -第二

3、章 系统方案设计- 5 - 5 -2.2 模块方案论证- 6 -2.2.1 控制方案论证- 6 -2.2.2 系统组成论证- 7 -2.2.3 单片机系统选择- 7 -2.2.4 温度控制方案论证- 7 -2.2.5 LED显示电路论证- 8 -第三章 总体设计- 9 -3.1 总体设计系统图- 9 -3.2 AT89C52单片机- 9 -3.4 74HC245- 12 -3.5 DS18B20温度传感器- 13 -第四章 硬件电路设计- 17 -4.1 主机控制部分- 17 -电路的整体排布- 17 -4.3 复位电路设计- 17 -4.4 系统电源电路- 18 -时钟电路的设计- 18 -

4、 19 -4.7 温度控制系统- 20 - 20 - 报警电路设计- 20 -第五章 仿真调试结果- 22 -5.1 Keil uVision 2软件简介- 22 -5.2Keil 调试- 22 -5.3 proteus 仿真- 23 -第六章 设计总结- 25 -6.1 设计过程总结- 25 -6.2 设计功能拓展- 25 -参考文献- 26 -致 谢- 27 -附录：程序清单- 28 - 第一章 绪 论单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型

5、化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。 在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 该水温控制系统是一个典型的检测、控制型

6、应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程，并且，控制分为手动和声控两种途径。因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统。本设计的任务与要求为一升水由1kw的电炉加热，要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。主要性能指标a.控制精度：温

7、度控制的静态误差3。b.用十进制数码显示实际水温。c.温度设定范围：00-90，最小区分度为1。d.能打印实测水温值。扩展功能a.具有通信能力，可接受其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数据设备。b.采用适当的控制方法实现当设定温度与环境温度突变时，减小系统的调节时间和超调量。c. 温度控制的静态误差1。第二章 系统方案设计（1）、方案一：此方案是采用传统的模拟控制方法（方案框图如图2-1-1），选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。器特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。系统受环境的影

8、响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。温度预置信号放大单片机LCD显示控制开关数据采集图2-1-1模拟控制框图（2）方案二：采用单片机89c52为核心。采用了温度传感器DS18B20采集温度变化信号，数字采样芯片DS18B20将数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的

9、全过程。以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统。比较两种方案，方案二明显的改善了方案一的不足及缺点，并具有控制简单控制温度精度高的特点。因此本设计电路采用方案二。2.2 模块方案论证本电路以单片机为基础核心，系统由前向通道模块、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。现将各部分主要元件及电路做以下的论证： 控制方案论证由于水温控制系统的控

10、制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点。水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一般来说可以采用以下几种控制方案：（1）输出开关量控制对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易硬气反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产

11、生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。（2）比例控制（P控制）比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程终了存在余差。因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。（3）比例积分控制（PI控制）由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大比例度可以使

12、稳定性提高，但又使过渡时间加长。因此，PI控制适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工程上使用最多、应用最广的一种控制方法。（4）比例积分加微分控制（PID控制）比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。因此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。结合本例题设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。但从以上对控制方法的分析来看，

13、PID控制方法最适合本例采用。另一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本系统可以采用输出输入的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。 系统组成论证就控制器本身而言，控制电路可以采用急经典控制理论和常规模拟控制系统实现水温的自动团结。但随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展，以现代控制理论和计算机为基础，采用数字控制、显示、遥控技术，配额后执行器与控制阀构成的计算机控制系统，在过程控制过程中得到越来越广泛的应用。由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，

14、它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑道路中往往是难以实现或无法实现的。所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统（DDC）。 单片机系统选择AT89C52单片机是最常用的单片机，是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器。AT89C52与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多MCS-51系列产

15、品没有的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。AT89C52可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于8K，四个I/O口全部提供给拥护。系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。 温度控制方案论证方案一：用热敏电阻：通过电阻的变化来获得电压的变化，起价格虽然便宜但是精度不是很高。对于一个精度要求高的系统不宜采用方案二：用DS18B20：遥控输入一个需要控制的温度，把数据传送到AT89C52，AT89C52通过数据比较，PID分析，T0，T1产生PWM波来控制电炉是否继续加热还是停止加热。通过DS18B20温度传感器采集温度，由

16、于DS18B20是数字温度传感器，直接诶输出数字信号。经比较，我们选择方案二（1）传感器的选取目前市场上温度传感器繁多就此我们提出了以下两重选取方案：方案一：选用铂电阻温度传感器，此类温度传感器在各方面特性都比较优秀，但其成本较高。方案二：采用热敏电阻，选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。方案三：选用美国达拉斯公司生产的数字温度传感器DS18B20，此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点。其测量范围在-50-+150，满刻度范围误差为，当电源电压在510V之间，稳定度为1时，误差只有，其各方面特性都满足此系统的设计要求。比较以上三种方案，方案

17、三具有明显的优点，因此此次设计选用方案三。（2）CPU模块的选择方案一：采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。方案二：本方案的CPU模块采用2051芯片，其内部有2KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。方案三：采用89C52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器。而且具有三个定时器，正好满足系统多机通信时所用。比较以上三种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案三。 LED显示电路论证控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。方

18、案一：采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED的显示信号，并对LED显示控制。用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。方案二：采用单片机AT89C52组成控制和扫描系统，这种方案既能很好的控制及显示又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。方案一虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计的成本和电路整体的性能，我们采用方案二。 第三章 总体设计3.1 总体设计系统图本设计以AT89C52单片机为核心，采用了温度传感器DS18B20，可控硅BT138-

19、600E及PID算法对温度进行控制。该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。本设计实现了水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向通道模块（即温度采样模块）、后向控制模块、系统主模块及LCD1602显示摸块等四大模块组成。本系统的特点在于采用PC机及遥控实现了多机通信。系统框图如图3-1温 度传感器功率放大电路开关控制电路LCD显示电路遥控控制系统89C52控制系统图3-1 系统框图3.2 AT89C52单片机AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMO

20、S 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。（1）其主要工作特性是：片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；片内数据存储器内含256字节的RAM；具有32根可编程I/O口线；具有3个可编程

21、定时器；中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；具有一个数据指针DPTR；低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；具有可编程的3级程序锁定位；AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；AT89C52最高工作频率为24MHz。 单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。（2）功能特性描述 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造

22、，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决发案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据

23、存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。概述：AT89C52P为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用

24、工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/VP（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为

25、N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于

26、定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。E

27、A/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0 和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2 的控制和状态位位于T2CON（参见表3）T2MOD（参见表4），寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是

28、定时器2 在16 位捕获方式或16 位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。（3）数据存储器：AT89C52 有256 个字节的内部RAM，80H-FFH 高128 个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128 字节RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2 口）地址单元。MOV 0A0H，#data 间接寻址指

29、令访问高128 字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0 的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H，而不是P2 口（0A0H）。MOV R0，#data 堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128 位数据RAM 亦可作为堆栈区使用。（4）时钟振荡器：AT89C52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容

30、容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF10F。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图10 右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。（5）空闲节电模式：在空闲工作模式状态， CPU 自身处于睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这

31、种方式由软件产生。此时，同时将片内RAM 和所有特殊功能寄存器的内容冻结。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。由硬件复位终止空闲状态只需两个机器周期有效复位信号，在此状态下，片内硬件禁止访问内部RAM，但可以访问端口引脚，当用复位终止空闲方式时，为避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口。3.4 74HC24574HC245是总线驱动器，典型的TTL型三态缓冲门电路。 由于单片机等CPU的数据地址控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。引脚图和实物图如3-4所示图3-4 74HC245引脚图和实物图A0-A7：出入；

32、B0-B7：输出第19脚OE，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用第1脚DIR，为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。3.5 DS18B20温度传感器DS18B20是DALLAS公司的1-Wire(单总线)数字温度计芯片，温度测量范围从-55至+125。DS18B20使用方便，单片机和DS18B20仅需连接一条数据线，在寄生供电方式下可以不接电源线，DS18B20工作所需的电源可以从数据线获得。与传统的温度测量方式不同，DS18B20的温

33、度转换结果可直接从数据线读出，在-10至+85测量精度可达。鉴于以上优点DS18B20自问世以来就广泛的应用于恒温控制系统，消费类产品，电子温度计以及数字环境监测系统。DS18B20是DALLAS公司生产的1-Wire数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式，如图3-5-1所示，DQ为数字信号输入输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端，在寄生电源方式时VDD接地；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，分辨率可达0.0625，温度测量结果以16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可从数据口线“窃取”；多个DS18B20可以并联到同一数据线上

34、，CPU只需一根端口线就能与多个S18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。图3-5-1 DS18B20外观图图 3-5-2 DS18B20内部结构图DS18B20内部结构如图3-5-2所示，主要由五部分组成：电源控制单元，若VDD接地DS18B20工作在寄生供电方式；1-Wire接口单元，包括1-Wire接口电路和64位序列号，这64位序列号是生产的时候光刻在DS18B20的ROM中，并且唯一不重复，在有多个DS18B20共用同一条数据线的系统中CPU就是通过这个64位的序列号来选择需要访问的芯片；暂存器单元

35、，几乎DS18B20所有的操作都和暂存器有关，包括测量到的温度值，用于报警的温度上限、下限以及温度测量的精度等，后面会对暂存器做详细的说明；EEPROM单元，包括温度转换精度配置字、报警温度上限和报警温度下限；温度传感器单元，温度测量完成后会把结果存到暂存器。如图3-5-3所示，DS18B20存储空间由EEPROM和暂存器两部分构EEPROM大小为3个字节，分别存放报警温度上限、报警温度下限以及配置字这3个参数。在不需要温度超限报警的应用中，EEPROM的报警温度上限、下限这两个字节可以根据需要自定义使用。图3-5-3 DS18B20暂存器结构暂存器的Byte0和Byte1两字节用于存放温度测

36、量结果，Byte0存放低8位，Byte1存放高8位，上电后缺省值为0x0550（85），这2个字节只能进行读操作。暂存器的Byte2、Byte3、Byte4与EEPROM的三个字节一一对应，每次上电后DS18B20会自动从EEPROM中读出这3个参数，并写入暂存器的Byte2、Byte3、Byte4，因此没必要每次上电后都对DS18B20进行配置操作。Byte5、Byte6、Byte7未用。Byte8作为CRC校验寄存器，可以用于查验总线读写正确与否。DS18B20的命令序列及操作时序典型的单总线命令序列如下：第一步：初始化；第二步：ROM命令；第三步：功能命令。每次访问单总线器件，必须严格遵

37、守这个命令序列，如果出现序列混乱，则单总线器件不会响应主机。但是，这个准则对于搜索ROM命令和报警搜索命令列外，在执行两者中任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，必须返回至第一步。(1) 初始化基于单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程中由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。复位和应答脉冲详见单总线时序部分。(2) ROM命令ROM命令与各个从机设备的唯一64位ROM代码相关，在多从机系统中可指定操作某个从机设备，可以检测和识别单总线上从机设备的数量和类型。在有多个从机设备的系统中64位ROM代码非常重要。搜索RO

38、M0XF0该命令可以找出总线上所有从机设备，获得所有从设备的64位ROM代码。单总线的搜索命令时序非常复杂，限于篇幅读者可以查阅相关资料。读ROM0X33如果总线上只有一个从机设备，主机可以通过指令读出从机的64位ROM代码，而无须执行搜索ROM命令；如果在多从机系统中使用该指令，总线上会出现数据冲突。匹配ROM0X55匹配ROM命令跟随64位ROM代码，从而允许主机访问多从机系统中某个指定的从机设备。仅当从机完全匹配64位ROM代码时，才会响应主机随后发出的功能命令；其它设备将处于等待复位脉冲状态。忽略ROM0XCC主机能够使用该指令同时访问总线上所有从机设备，无须发出任何ROM代码信息。例

39、如总线挂机多个DS18B20时，该指令后跟随温度转换命令就可以让所有的DS18B20开始转换温度，这样大大节省了主机时间，需要注意该指令后如果跟随其他功能命令，总线上会发生数据冲突。如果总线上只有一个从设备时，该指令使用不受限制。报警搜索0XEC仅有少数1-wire支持该指令，报警搜索命令类似搜索ROM命令，只有设置了报警标志的从器件才会响应该报警搜索命令。(3)功能命令主机发出ROM指令以访问某个指定DS18B20，接着就可以发送DS18B20支持的某功能命令。这些命令允许主机写入或读出DS18B20暂存器、启动温度转换以及判断从机的供电方式，DS18B20的功能命令如下。转换温度0X44发

40、送完ROM命令后，DS18B20接收到主机发出的该命令就开始温度转换，转换需要的时间和设置有关。读暂存器0XBE该指令用于读全部暂存器内容，包括CRC字节，该命令发送完成后，DS18B20将传输包含温度转换结果的9个字节到主机。写暂存器0X4E主机写入该命令后，紧接着写入温度上限、温度下限和配置字这3个字节给DS18B20。复制暂存器0X48该命令将DS18B20暂存器中的温度上限、温度下限和配置字复制到EEPROM中。回读EEPROM0XB8将温度上限、温度下限和配置字从EEPROM读出至暂存器中，通常上电后执行该命令。(1)初始化时序主机通过拉低1-wire总线至少480us,以产生复位脉

41、冲。接着，主机释放总线，等待从机返回应答脉冲。当总线被释放后，上拉电阻会把1-wire总线拉高。从机检测到总线的上升沿后，延时15-60us，接着通过拉低总线60-240us，以产生应答脉冲。主机检测到总线拉低，初始化完成。(2)读/写时隙写隙时1-wire总线的写时隙至少需要60us，两次独立的写时隙之间至少需要1us的恢复时间。写1时主机通过拉低总线开始一个写时隙，总线拉低后主机必须在15us内释放总线，由上拉电阻将总线拉至高电平；写0时主机拉低总线，并保持60us。从机在写时隙开始后15-60us期间采样总线电平状态。采样为高电平则1被写入器件；如果为低电平则0被写入器件。读时隙1-wi

42、re器件仅在主机发出读时隙时才向主机传输数据，所以在主机发出读数据命令后必须马上产生读时隙。所有的读时隙至少需要60us，且两次独立的读时隙之间至少需要1us的恢复时间。主机拉低总线至少1us后释放总线，读时隙开始。从机在检测到读时隙开始后才向总线发送0和1，若发送1，从机置总线为高电平，保持15us；若发送0，则拉低总线，保持15us。主机在读时隙开始后应在15us内采样总线状态。第四章 硬件电路设计4.1 主机控制部分此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机AT89C52。单片机AT89C52内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存

43、储器这样大大的减少了系统硬件部分。电路的整体排布此电路实现了仿真水温控制整体排布方式如图4-2所示4-2 仿真整体排布4.3 复位电路设计为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上位电路。一般单片机正常工作所需要的供电电压为+5V，由于单片机电路是时序数字电路，他需要稳定的时钟信号，因此在电源电路上电时，只有当VCC在特定的工作电压范围内以及晶体震荡器稳定工作时，复位电路才被撤除，单片机开始正常工作。目前为止，单片机复位电路主要有4种类型：(1)微分型复位电路；(2)积分型复位电路；(3) 比较器型复位电路；(4)看门狗型复位电路。复位电路工作原理如

44、图4-3所示。图4-3 复位电路4.4 系统电源电路此部分电路为系统正常工作提供适当电压，电路图如图4-4所示：图4-4 系统电源电路时钟电路的设计内部时钟，是用芯片内部震荡电路，精度不高，温飘也较大，不需要外部振荡电路。外部时钟，分RC震荡石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，稳定性好，根据使用场合选择，适合的时钟方式。AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是反向放大器的输入端和输出端，由于这个放大器与作为反馈原件的片外晶体或搪瓷谐振器一起构成了一个自激震荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。利用芯片内部的振荡电路，在XT

45、AL1和XTAL2两端跨接晶体（或陶瓷）震荡器和两个电容就构成了一个稳定的自激振荡器。晶体震荡频率可以在1.2MHz-12MHz之间选择。电容值无严格要求，但其取值对振荡频率的输出的稳定性、大小、震荡电路起振速度稍有影响，C1、C2可在20pF-100pF之间取值。一般当外界晶体时，电容选为30pf。本设计采用内部时钟电路，电路图如图4-5所示图4-5 时钟电路系统的信号采集电路主要由数字温度传感器（DS18B20）组成。电路图如图4-6图4-6温度采样电路原理图4.7 温度控制系统此部分电路主要由单片机74HC245和十位个位开关组成。温度控制部分电路图如图4-7。图4-7温度控制电路在设计

46、显示电路时，我们使用单片机AT89C52做为电路控制的核心，利用此P0口能够方便的实现系统的控制和显示功能。显示测量温度电路和报警温度电路如图4-8。 图4-8显示部分电路图4-8中单片机TA89C52的P0口接LCD显示器引脚，这样易于对LCD显示器的译码，使能显示设计者所需的各数值、小数点、符号等等。4.9 报警电路设计在报警电路中由光耦合器和发光二极管组成，达到此温度后二极管发熄灭预示报警，报警电路图如图4-9报警电路4-9第五章 仿真调试结果5.1 Keil uVision 2软件简介Keil C51是美国K eil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大