温度传感器ds18b20毕业论文

毕业设计 (论文 ) 题 目： 基于 51 单片机的 DS18B20 温度 传感器的应用 院 （系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 机电一体化工程 学生姓名： 梁源光 学 号： 030111301171 指导教师： 宋长发 职 称： 副教授 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2014 年 05 月 10 日 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 1 摘 要 温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。温控系统通过传感器检测温度将温度数据输入到处理器处理，可以在数码管或 LCD 等显示出来。然后由控制器可以控制加热或者制冷，从而达到控温的目的。 本毕业设计就是利用 STC89C52 单片机和 DS18B20 温度传感器对目标温度进行检测， 使用了单位数码管对检测到温度的显示，通过串口和上位机进行通信，利用 VB 软件显示温度数据，从而对各空间温度进行远程实时监控，使用 LED 灯闪烁进行模拟加热和制冷。本文对各部分的硬件原理图进行了分析，还对各功能程序进行概述。通过 51单片机控制 DS18B20 检测温度，具有硬件电路简单，编程容易，测温准确，稳定等优点。而且可以多点检测（本毕设只是单点测温），几个传感器连接也很简单。 关键词： 单片机； 温控；传感器 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 2 Abstract Temperature measurement and control of human daily life, industrial production, weather forecast, material storage and so on all play a very important role. On many occasions, timely and accurate to obtain the temperature of the target is very important, in recent years, the temperature measurement and control field is developing rapidly, and with the development of digital technology, the corresponding temperature measurement and control chip mounted on the stage of history, can be widely used in industry, agriculture and so on various areas. Temperature control system through the temperature sensor to detect temperature data input to processing, can be in the digital tube or LED display, etc. And then by the controller to control the heating or cooling, so as to achieve the purpose of temperature control. This graduation design is the use of STC89C52 MCU and DS18B20 temperature sensor to test the room temperature, for testing temperature using digital tube display, through a serial port and PC communication, using VB software display temperature data, thus to remote real-time monitoring of the room temperature, use LED lights to simulate the heating and cooling. By 51 single chip microcomputer control temperature DS18B20 detection, it has a simple hardware circuit, programming easily, temperature measurement accuracy, stability, etc. And can be more testing (this project is only a single point temperature measurement), several sensor connection is also very simple. Keywords: MCU； temperature control； sensor 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 3 目 录 引言 .1 1 绪论 . 2 1.1 单片微机的发展 .2 1.2 温度检测的意义及发展形势 .2 1.3 温控系统设计的核心 .2 2 单片机的简述 .3 2.1 单片机的特点及引脚介绍 .3 2.2 单片机的电平特性 .5 2.3 C51 复位电路 .6 2.4 时钟电路 .6 3 温控系统 的硬件设计 .7 3.1 温度检测模块 .7 3.1.1 温度传感器的概述 .7 3.1.2 DS18B20 的工作原理及工作时序图 .9 3.2 显示模块 .12 3.3 温超报警模块 .14 3.4 串口通信模块 .15 4 软件设计 .17 4.1 系统整体设计 .17 4.2 温度获取并转换 .19 4.3 温度控制 .20 5 单片机与上位机通信 .21 总 结 .23 谢 辞 .24 参考文献 .25 附录 1电路原理图 .26 附录 2 完整 C程序代码 .28 附录 3 模块调试代码 .34 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 34 页 引言 上世纪 90 年代以来，单片机就进入了一个高速发展的阶段，大部分半导体厂商都注重新型单片机的研制、生 产和推广。单片机已经深入到我们生活的每一个细节，由于单片机的微型电子产品到处都是，尤其是 ARM的广泛应用，使我们的生活变得更丰富多彩。随着电子技术的发展，现在温度控制系统的功能越来越强大，也越来越稳定可靠，而且精度也越来越高，各种环境对温控系统的要求也越来越高。温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、电力电子等 ,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在工业企业中 ,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大 ,滞后现象严重 ,存在很多不确定的因素 ,难以建立精确的数学模型 ,从而导致控制系统性能不佳 ,甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的 PID 控制方式 ,但 PID 控制对象的模型难以建立 ,并且当扰动因素不明确时 ,参数调整不便仍是普遍存在的问题。 而采用数字温度传感器 DS18B20，因其内部集成了 A/D 转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器 DS18B20 只用一 个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于 DS18B20 芯片的小型化，更加可以通过单条数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器 DS18B20 做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。还能串接多个数字温度传感器 DS18B20 进行多点的温度检测。温度自动控制系统主要是由温度采集、显示、扬声器报警、加热制冷模块和上位机显示模块组成。本毕设就是讲述以上模块的温控系统的应用。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 36 页 1 绪论 1.1 单片微机的发展 单片微型计算机简称单片机， 是典型的嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit）常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由 运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成 ，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机它最早是被用在工业控制领域。 由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有 CPU 的 专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 Intel 的 8080 是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 Intel 的 8051，此后在 8051 上发展出了 MCS-51 系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管 2000 年以后 ARM 已经发展出了 32位的主频超过 300M 的高端单片机，直到现在基于 8051 的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理 器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多的处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 1.2 温度检测的意义及发展形势 温度是一个非常重要的物理量，因为它会影响很多物理及化学变化的过程，例如，燃烧，发酵，烘烤，煅烧，结晶，浓度，空气流动，以及蒸馏等等。因此对温度的检测以及控制的意义越来越大。在工业生产的过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产得以顺利的进行，产品的质量才能够充分的保证。使用自动温控系统可以对生产的温度进行自动控制 ，保证生产自动化、智能化且能够顺利，安全的进行，从而提高企业的生产效率。 温控采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价格、可靠性，都无法满足广大用户对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统慢慢走上了芯片化道路。本毕设将叙述 STC89C52和传感器芯片 DS18B20 设计的温度控制系统。 1.3 温控系统设计的核心 设计工业现场的温度控制系统。采用 DS18B20 温度传感器，采集现场温度，通过数码管显示，具有报警，开启加热 /制冷，和加大加热 /制冷， 以及通过串口线和上位机通信的功能。性能稳定，成本低廉，可连续工作，精度高，可靠性强等优点。温度控制系统，具体的要求如下： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 36 页 （ 1） 在当前三个数码管上显示当前采集到的目标温度（ 0099.9 ） （ 2） 当目标温度低于 26时，蜂鸣器开始报警，并且 DBJ 发光二极管闪烁（模拟开启制热设备）；当目标温度继续降低，并低于 24时，蜂鸣器的报警声频率加快，同时 DBJ和 DJD 一起闪烁（模拟加大制热设备制热功率）。 （ 3） 当目标温度高于 28时，蜂鸣器开始报警，同时 GBJ 闪烁（模拟开始制冷设备），当目标温度继续升高，并高于 30时，蜂鸣器加快 报警声频率，同时 GBJ 和 GJD 一起闪烁（模拟制冷设备加大制冷功率）。 （ 4） 用串口将采集到的温度数据实时的发送到上位机，在上位机软件上实时的显示当前的温度值。 下面温控系统的组成请看图 1-1 数据显示 DS18B20 输入 高 /低温度报警 电源 变频器 变频器 制冷 制热 图 1-1 温控系统组成图 2 单片机的简述 2.1 单片机的特点及引脚简介 单片机的特点： 1.采用 哈佛体系结构 2.采用面向控制的指令系统 3.引脚功能服用 4.片内 RAM 作寄存器 PC 机 MAX232 CPU STC89C52 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 36 页 5.类型齐全 6.功能通用 7.具有三高优势 (集成度高、可靠性高、性价比高 )。 1多功能 单片机利用当今先进的半导体器件制造技术，尽可能多地把各种计算机部件、存储器和各种类型的输入 /输出端口都集成在一块芯片内。因此，一个单片机所能实现的功能是很多的。 2高性能 由于单片机的制造技术和系统结构的完善，单片机的运行速度和执行效率大大提高。集成度的提高，不但使各种各样的输入和输出接口可以集成在单片机内，而且使存储器的寻址范围也大大扩大，因此，单片机的性能比同类微型计算机的性能有明显的优势。 3体积小 正因为单片机的集成度高，使所有硬件集中在一块半导体芯片上，所以，单片机体积较之于同类微处理器小得多。因此，系统中控制部分的体积也随之大大缩小，单片机将成为微电子嵌入式系 统中的理想部件。 4低功耗 目前，许多单片机都能在低电压、低功耗下工作，有的单片机可在 2.2V，甚至能在 0.9V 下工作，并且，电流也低到微安级。 5产品设计周期短 用单片机进行产品设计，由于它的功能强，体积小，使硬件设计简化；又因各种仿真器的问世，使用户的编程和调试变的非常方便，大大减少了用户系统的软件设计和调试的时间。本毕设所用单片机位 STC89C52 其引脚，如图 2-1 如左图， STC89C52 有 40 个引脚，这种封装形式叫做 DIP40 封装。 VCC, GND-单片机电源脚。 VCC 是电源输入引脚， GND 是接地信号引脚。 XTAL1， XTAL2 外接时钟引脚。 XTAL1 为片内震荡电路输入端， XTAL2 为片内震荡电路输出端。 8051 的时钟方式有两种，一种是片内时钟震荡方式，需要在这两个引脚外接石英晶体和震荡电容，震荡电容的值一般取 10P30P；另外一种是外部时钟方式，即将 XTAL1 接地，外部时钟信 图 2-1 STC89C52 引脚图 号从 XTAL2 脚接入。 P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T9P 3. 0/ R X D10P 3. 1/ T X D11P 3. 2/ I N T 012P 3. 3/ I N T 113P 3. 4/ T 014P 3. 5/ T 115P 3. 6/ W R16P 3. 7/ R D17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E N29A L E / P R O G30E A /V pp31P 0. 7/ A D 732P 0. 6A D 633P 0. 5/ A D 534P 0. 4/ A D 435P 0. 3/ A D 336P 0. 2/ A D 237P 0. 1/ A D 138P 0. 0/ A D 039V c c40U1S T C 89C 52桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 36 页 RST 复位引脚，需要输入连续两个机器周期以上的高电平才有效。用来完 成单片机的复位初始化操作，复位后程序计数器 PC=0000H，即复位后程序从头开始执行。 PSEN -全称是程序存储器允许输出控制端。（由于如今单片机程序存储器有足够的内部 ROM，此处略讲） ALE/PROG -在单片机扩展外部 RAM 时， ALE 用于控制把 P0 口的输出低 8 位送地址锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。 EA /Vpp-接高电平时，单片机读取内部程序存储器。当扩展有外部 ROM 时，读完内部 ROM 后自动读取外部 ROM。接低电平时，单片机直接读取外部（ ROM）。8031 没有单片机没有内部 ROM 所以接低电平。本文使用 89C52 所以接高电平。 I/O 口引脚 P0， P1， P2， P3。 P0 双向 8 位三态 I/O 口，每个口可独立控制。 P1 准双向 8 位 I/O 口，每个口可独立控制，内 带上拉电阻（若想了解全面可查相关资料），这种口输出没有高阻态，输入不能锁存，故不是真正的双向 I/O 口。 P2 口与 P1 口相似。 P3 准双向 8 位 I/O 口，每个口可独立控制，内带上拉电阻。此口第一功能当做普通 I/O 口。第二功能定义如下： P3.0： RXD 串行口输入 P3.1： TXD 串行口输出 P3.2： INT0 外部中断 0 输入 P3.3： INT1外部中断 1 输入 P3.4： T0 定时器 0外部输入 P3.5： T1 定时器 1 外部输入 P3.6： WR 外部写控制 P3.7： RD 外部读控制 2.2 单片机的电平特性 单片机是数字集成芯片，所以其工作是由数字电平控制方式。数字电路只有两种电平，高（ 1）和低（ 0）。常用逻辑电平有 TTL,CMOS,LVTTL,ECL,PECL 等等很多，我们用的最多的是 TTL 和 CMOS。 5V TTL 和 5V CMOS 是通用的逻辑电平。 TTL 电平信号用的最多，这是因为，数据表示通常采用二进制， +5V 等价于逻辑 1, 0V 等价于逻辑0.这被称为 TTL（晶体管 -晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部之间通信的标准技术。 TTL 型通信大多数情况下 是采用并行数据传输方式。 CMOS 电平 VCC 可达 12V， CMOS 电路输出高电平约为 0.9VCC，而输出低电平约为 0.1VCC 。 CMOS 电路中不使用的输入端不能悬空，否则会造成逻辑混乱。另外 CMOS集成电路电源电压可以在较大的范围内变化，因而对电源的要求不像 TTL 那么严格。TTL 和 CMOS 的逻辑电平关系如下： VOH-逻辑电平 1 的输出电压 VOL-逻辑电平 0 的输出电压 VIH-逻辑电平 1 的输入电压 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 36 页 VIL-逻辑电平 0 的输入电压 TTL 临界值： VOHmin=2.4V, VOLmax=0.4V。 VIHmin=2.0V, VILmax=0.8V TTL 电平范围 05V。 CMOS 电平临界值： （ 1） VOHmin=4.99V, VOLmax=0.01V。 （ 2） VIHmin=3.5V, VILmax=1.5V TTL 和 CMOS 逻辑电平的转换： CMOS 电平能驱动 TTL 电平，但 TTL 电平不能驱动 CMOS 电平，需加上拉电阻。 2.3 C51 复位电路 单片机复位电路由主要有两种： （ 1） 上电复位 RC 上电复位电路，在单片机上电后，对复位电路的电容充电。如图 2-2 所示。在上电 瞬间， RST 端的电位与 Vcc 相同，随着充电电流的减少， RST 的电位逐渐下降。只要保证 RST 为高电平的时间大于 2 个机器周期，就能正常复位。电路中的电容和电阻取值可根据晶振的频率而定，我们使用 11.0592MHZ，所以应该使用 10uF 电容和 8.2K电阻（本毕设使用 10K）。 RCV C CC 5 1R S TG N D R1CV C CC 5 1R S TG N DR2S1 图 2-2 RC 上电复位电路 图 2-3 按键复位电路 （ 2） 按键复位 按键复位又称手动复位，按键电平复位相当于 RST 端通过电阻与电源接通实现的。该电路除具有上电复位功能外，如果要在程 序运行中复位，只需要按下如图 2-3 的那个键，此时电源被 R1， R2 分压，在 RST 端产生一个复位的高电平，从而达到复位作用。 2.4 时钟电路 8051 的时钟有两种方式，一种是片内时钟震荡方式，另外一种是外部时钟方式。 （ 1） 内部时钟方式 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 36 页 MCS-51 单片机芯片内部有一个 高增益反相放大器 ，其输入端为 XTAL1，输出端为 XTAL2。在 XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶振和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的内部时钟电路。如图 2-4 图 2-4 内部时钟电路 图 2-5 HMOS 型单片机外部时钟电路 (2)外部时钟方式 对于 HMOS 型单片机（ 8051），可用来输入外部脉冲信号 ,XTAL1 接地， XTAL2 接外部时钟， 由于 XTAL2 的逻辑电平与 TTL 电平不兼容 ，所以应接一个上拉电阻。如图2-5。对于 CHMOS 单片机（ 80C51），外部时钟要由 XTAL1 引入，而 XTAL2 引脚应悬空。 3 温控系统的硬件 设计 3.1 温度检测模块 3.1.1 温度传感器的概述 温度传感器是各种传感器中最常用的一种，早期使用的是模拟温度传感器，比如热敏电阻，随着温度的变化，它的阻值也发生了 类似线性的变化 ，通过处理器采集电阻两端的阻值，再通过某个公式就可计算出当前的温度。随着科技的进步，现代的温度传感器已经走向数字化。 DALLAS 半导体公司推出的数字化温度传感器 DS18B20 采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个 I/O 口，无须任何的外部元件，直接将环境温度转化为数字信号，以 数字码 的方式串行输出。 DS18B20 是 DALLAS 公司推出的第一片支持“一总线”接口的的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。 （ 1） DS18B20 的特性： 适应电压范围宽，电压范围在 3.05.5V，在 寄生电源方式 下可以由数据线供电。 独特的单线接口方式，它与处理器连接时仅需要一个 I/O 口就可以和微处理器双向通信。 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一 单总线上 ，实现组网多点测温。 Y11 2 MC12 0 p FC22 0 p FX T A L 2X T A L 18 0 C 5 11 2AV C C外部输入信号 X T A L 2X T A L 1T T L 门8 0 5 1桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 36 页 负压特性。电源极性接反时不会因为发热而烧坏，但是不能正常工作。 测量范围在 -55 +125，在 -10 +85时精度 为 0.5。 在使用中不需要任何外围的元件，全部传感元件和转换电路都集成在一个 三极管的集成电路内 。 测量结果直接输出数字信号，通过单总线串行传送给微处理器，同时可传送CRC 校验码，具有很强的抗干扰纠错能力。 可编程分辨率为 9-12 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。 （ 2） 引脚简介 DS18B20 有两种封装形式，一种是三脚直插型，是使用最普遍的一种封装。和八脚 SOSI 贴片式封装。如下图 3-1所示 图 3-1 DS18B20 的两种封装 GND-电源负极 DQ-信号输入输出 VDD -电源正极 NC-空引脚 （ 3） DS18B20 与单片机硬件连接图 前文提到 DS18B20 具有单总线，单片机与外设之间进行串行传输的串行总线主要有 I2C， SPI 和 SCI 总线。其中 I2C 总线以同步串行二线方式进行通信（一条时钟线一条数据线）， SPI 总线则以同步串行三线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线），而 SCI 总线是以异步方式进行通信（一条数据输入线，一条数据输出线）。这些总线需 要两条或者两条以上的的信号线。但是 DS18B20 采用的单总线技术与桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 36 页 上述的总线不同，它采用了单条信号线，既可传输时钟，又可传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线使用与单主机系统，可以控制一个或多个从机设备。 图 3-2 DS18B20 与微处理器典型连接电路 主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换至通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系 统操作；当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操作。本毕设单片机只是与一个 DS18B20 通信，如果要控制多个DS18B20 进行温度采集，只要将所有 DS18B20 的 I/O 口全部接到一起就可以了。具体操作时，通过读取每个 DS18B20 内部芯片的序列号来识别。 3.1.2 DS18B20 的工作原理和工作时序图 单片机要读出 DS18B20 的温度数据，首先要知道控制 DS18B20 的指令。 33H-读 ROM，读 DS18B20 温度传感器 ROM 中的编码（ 64 位地址） 55H-匹配 ROM。发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS18B20 并使之做出响应，为下一步对该 DS18B20 的读 /写作准备。 F0H-搜索 ROM。用于确定挂接在同一总线上 DS18B20 的个数，识别 64 位ROM 地址，为操作各器件做好准备。 CCH-跳过 ROM。忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 发温度转换命令，使用与一个从机工作。 ECH-告警搜索命令。执行后只有温度超过设定值上限或下限的，芯片才做出响应。 ROM 的作用是使每个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一条总线上挂接多个 DS18B20 的 目的。当主机需要对众多在线 DS18B20 中的某一个进行操作时，主机应先逐个与 DS18B20 挂接，读出其序列号；然后再将所有的 DS18B20 挂接到总线上，单片机发出匹配 ROM 命令，紧接着主机提供的 64 位序列号之后的操作就是针对该DS18B20。 如果主机只对一个 DS18B20 进行操作，就不需要读取 ROM 编码和匹配，直接跳过ROM 命令，就可以进行温度转换和读取。其操作如下 44H-温度转换。启动 DS18B20 进行温度转换，结果存入 9 字节的 RAM 中。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 36 页 BEH-读暂存器。读内部 RAM 中 9 字节的温度数据。 4EH-写暂存器。发出向内部 RAM 的第 2,3 字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节数据。其他指令在这里就不做详细介绍。 DS18B20 在出厂时默认配置为 12 位 ，其中最高位为符号位，即温度值共 11 位，单片机在读数据时，一次会读两字节共 16 位， 读完后将低 11 位的二进制数转化为十进制数后再乘以 0.0625 便为所测的实际温度值。 另外，还需要判断温度的正负。前 5 个字符为符号位，这 5 位同时变化，我们只需要判断 11 位就可以了。 前 5 位为 1 时，读取的温度为负值，且测到的数值需要取反加 1 再乘以 0.0625 才得到实际温度值。 前 5 位为 0时，读取温度位为正值，只需要将数值乘 0.0625 即可。 下面是 DS18B20 的工作时序简介 (1)初始化时序图 图 3-3 初始化时序图 先将数据线置高电平 1。 延时（时间要求不是很严格，但 最好尽可能短 ）。 数据线拉倒低电平 0。 延时 800s(时间可以在 480s960s 中选 ) 数据线拉高到电平 1。 延时等待。如果初始化成功则在 1560s 内产生一个由 DS18B20 返回的低电平0。这个可以确定它的 存在。 如果 CPU 读到数据线上的低电平后，还要进行延时，时间从发出高电平算起不少于 480s。 将数据线再次拉到低电平后结束。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 36 页 （ 2） DS18B20 的写和读数据 写时序图： 图 3-4 DS18B20 读时序图 数据线先置低电平 0。 延时确定的时间为 15s。 按从低位到高位的顺序发送数据 延时时间为 45s。 数据线拉倒高电平 1。 重复前面五步，直到发送完整一个字节。 最后将数据线拉高到 1。 读时序图： 图 3-5 读时序图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 36 页 图 3-6 控制器读 1 的详细时序 图 3-7 芯片资料推荐的控制器读 1时序 结合上面 3-5,3-6， 3-7 图，我们可以知道 将数据线拉高到 1。 延时 2s。 将数据线拉低到 0. 延时 5s。（时间大于 1s） 将数据线拉高到 1. 延时 4s。 读数据线的状态得到下一个状态位，并进行数据处理。 延时 30s。 重复以上所有步骤，直到读取完一个字节。 3.2 显示模块 3.2.1 数码管简介 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 36 页 为了显示方便和节省成本，温度的显示我们采用共阴单位数码管显示。首 先简单说明共阴数码管的内部结构。如图 3-8 图 3-8 共阴数码管内部结构 对于共阴数码管来说，其 8 个发光二极管的阴极在数码管内部是连接在一起的，而它们的阳极是独立的，通常在设计电路时一般把阴极接地。当我们要显示某个数时，按照共阴数码管编码表，对单片机相应的 I/O 口赋值就可以显示相应的数字。例如我们要显示 8，那就是除了 dp，其他七个发光二极管都亮。假如数码管和单片机的连接 P0口。则 P0=0x7f，数码管的各引脚排列可以通过万用表测得。 图 3-9 单位共阴数码管引脚 一般的单位数码管有 10 个引脚，就共阴单位数码管来说，中间两个对称的引脚是相通的，既它们的共阴极。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 36 页 图 3-10 单片机与数码管连接图 如图 3-10 数码管的输入端连接单片机的 P0 口，同时在 P0 口加上拉电阻。数码管的 WX1， WX2,WX3 是它们的位选端，每个数码管对应一个位选端，它们分别与 U3锁存器的数据输出端的低三位相连， U3 的数据输入端也连接到单片机的 P0口。两个锁存器的锁存端分别与单片机的 P2.6 和 P2.7 相连。因为用单片机可以控制锁存器的锁存端，进而控制锁存器的数据输出，这种分时控制的方法可以很方便的控制任意的数码管显示任意数字。当我们要用第一个数码管显示一个数字时，第二，第三个的位选就要关闭。即将数据从单片机的 I/O 口直接送到 U3 锁存器的锁存端一个高电平，然后将数据从单片机的 P0 口直接送出到锁存器 U3 的数据输出端，然后关闭 U3 的锁存端。因为数码管为共阴极，所以位选通时为低电平，位选关闭时为高电平，即只有 WX1 端对应数据为 0，其他都为 1。 3.2.2 74HC573 锁存器的结构及原理 74HC573 锁存器 是一种数字芯片。其引脚图如下： OE 是三态允许输出端，通常叫做输出使能端。D0-D8 为数据输入端， Q0-Q8 为数据输出端； LE 为锁存允许端。 表 3-1 74HC573 的真值表 INPUTS OUTPUT P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I N T 012P 3 .3 /I N T 113P 3 .4 /T 014P 3 .5 /T 115P 3 .6 /W R16P 3 .7 /R D17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 .021P 2 .122P 2 .223P 2 .324P 2 .425P 2 .526P 2 .627P 2 .728P S E N29A L E / P R O G30E A / V p p31P 0 .7 /A D 732P 0 .6 A D 633P 0 .5 /A D 534P 0 .4 /A D 435P 0 .3 /A D 336P 0 .2 /A D 237P 0 .1 /A D 138P 0 .0 /A D 039V c c40U1S T C 8 9 C 5 2X2X1V C C V C CD0D1D2D3D4D5D6D7E1D02D13D24D35D46D57D68D797Q126Q135Q144Q153Q162Q171Q180Q19L11G N D10V c c20U27 4 H C 5 7 3E1D02D13D24D35D46D57D68D797Q126Q135Q144Q153Q162Q171Q180Q19L11G N D10V c c20U37 4 H C 5 7 3V C CV C CD0D1D2D3D4D5D6D7W E L AW E 1W E 2W E 3D0D1D2D3D4D5D6D7D U L AabcdefghW E L AD U L AFMR X DT X D123456789P11 0 Kg1f2r3a4b5dp6c7v8d9e10abcdefg1g1f2r3a4b5dp6c7v8d9e10abcdefg2g1f2r3a4b5dp6c7v8d9e10abcdefg3e e ed d dc c ch h hb b ba a aW E 1 W E 2 W E 3f ffg g gV C CR S TC A S DC A S D桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 36 页 OE LE D Q L H H H L H L L L L X Q0 H X X Z 图 3-11 74HC573 引脚图 由真值表可以看出，当 OE 为高电平时，无论 LE 与为何电平状态，其输出都是高阻态（ Z）。这种情况下芯片是处于不可控状态的，因此，我们将 OE 接低电平（ L），即接地。当 OE 为低电平时，再结合 LE 端的输入状态，当 LE 端为高电平（ H）时 ， Q 端的状态和 D 端的一样。当 LE 为低电平时，无论 D 端的电平是什么， Q 端都保持上一次的数据状态。 3.3 温超报警模块 温度警报本毕设采用蜂鸣器进行报警，其电路如下图 3-12 图 3-12 蜂鸣器报警连接图 图中 PNP 三极管是采用了 S8550，它是一种普通的硅三极管，但是可以满足蜂鸣器大电流的要求。可以采用 SS8550，声音会更大些。 3.4 串口通信模块 （ 1）通信有并行和串行两种方式。在单片机系统以及现代单片机测控系统中，信息的交换多采用 串行通信方式。 相对于并行通信，串行通信的速度比较慢，这种方式所用的传输线少（例如二根），因而在通信时可降低成本，比较经济。另外，它还可以借助于现存的电话网进行数据传送，因此串行通信适合于远距离且传送速度要求不很高的通信。 串行通信有三种传输制式，这就是单工（ Simplex）方式、半双工（ Half-Duplex） 和全双工（ Full-Duplex）方式。 单工。单工是指数据传输仅能沿一个方向，不能反向传输。 Q1P N PFMV C CR51KFMC 5 1桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 36 页 半双工。半双工是指数据可以沿两个方向， 但需要分时进行。 全双工。全双工是指数据可以同时进行双向传输。 异步通信方式 ：串行异步通信方式是以字符为单位进行传输的，异步通信所采用的数据格式是以一组可变 位数 的数组成的。第一位称起始位，它的宽度为 1bit，低电平；接着传送一个数据 5 8bit，以高电平为 1，低电平 为 0；也可有一位奇偶校验位；后是停止位，宽度可以是 1bit、 1.5bit 或 2bit，在两个数据位之间可有空闲位。 图 3-13 异步通信的数据格式 同步通信协议 ：在同步通信时所使用的数据格式根据控制规程常分为：面向字符及面向比特两种。同步通信方式在每个数据前后不加起 始位和停止位，而是将数据顺序连接起来，以一个数据块为传输单位， 每个数据块附加一个或二个同步字符，最后以校验字符结束。串行通信的传送速率：在串行通信中常用波特率（ Band Rate）来表示数据传送的速率。所谓传输率就是指每秒传输多少位，即波特率。国际上规定了一个标准波特率系列，标准波特率也是最常用的波特率。标准波特率系列 为 :110、 300、 600、 1200、 1800、2400、 4800、 9600 和 19200。 图 3-14 同步通信传输格式 （ 2） 串口连接原理图以及发送接 收原理 我们使用 MAX232 把 TTL 电平从 0V 和 5V 转换到 3V 到 5V 或 -3V 到 -15V 之间。MAX232 包含两路接收器和驱动器的 IC 芯片，它的内部有一个电源电压变换器，可以把输入的 +5V 电源电压变换成 RS232 输出电平所需的 +10V 电压。如图 3-15 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 36 页 如左图，按照芯片手册我们可以知道 C3、 C5、 C6、 C7 应取 0.1F/16V的电解电容，经过实验和总结前人经验，我们可以选用 0.1F 的非极性的瓷片电容代替电解电容。在布线时，这四个电容要尽量靠近 MAX232 芯片，以提高抗干扰能力。 MAX232 的 11 和12 引 脚分别连接单片机的 P3.1 和P3.0，这两个发送和接收端口，MAX232 也可以使用 9 和 10 引脚作为一对发送和接收端口， 但是要注意组引脚要对应 。 TTL 电平从单片机的TXD 发出，经过 MAX232 转换 RS232 图 3-15 串口连接部分图 平后从 MAX232 的 14 引脚 T1OUT 发出， 再连接到串口座的第 3 引脚，再经过随机配送的交叉串口线后，连接到 PC 机的串口座的第 2 脚 RXD，这时候计算机就可以接收到数据了。 PC 机发送数据时从计算机的串口座的第 3 引脚 TXD 端发出的数据，再逆向流向单片机的 RXD 端即 P3.0 口接收数据。 4 软件设计 4.1 系统整体设计 （ 1）如图 4-1，主程序流程图 主程序首先进行串口初始化，以及锁存器锁存端置低电平。然后 DS18B20 开始检测温度，见得到的温度数据通过单总线传输到 51 单片 机，进行温度处理，通过 I/O 即P0 口输出到数码管进行显示。如果温度超过设定范围蜂鸣器将报警，同时加大制冷制热的设备将会工作。温度数据通过串口发送到上位机，实现了实时监控。 主程序 main（） 初始化串口以及锁存器控制端置低电平 温度检测 162738495J1 D B 9C 1 +1V+2C 1 -3C 2 -5C 2 +4V-6T 2 O U T7R 2 I N8R 2 O U T9T 2 IN10T 1 IN11R 1 O U T12R 1 I N13T 1 O U T14G N D15V c c16U4M A X 2 3 2T X DR X DC3 1 0 4V C CC41 0 4C51 0 4 / 0 . 1 u FC61 0 4C71 0 4桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 18 页 共 36 页 图 4-1 主程序流程图 （ 2）主程序的 C 代码如下 ： void main()/主函数 uchar buff4,i； kz1=0； kz2=0； init_com()； while(1) tempchange()；/温度转换函数 for(i=10；i0；i-) dis_temp(get_temp()；/获取温度并显示 deal(temp)； /进行温度处理 sprintf(buff,%f,f_temp)；/将浮点型温度格式化为字符型 获取温度并显示 温度显示 串口发送数据 温度显示 温度处理 温超报警 开启制冷 /制热 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 19 页 共 36 页 for(i=10；i0；i-) dis_temp(get_temp()；/温度显示 comm(buff)； /串口发送数据 for(i=10；i0；i-) dis_temp(get_temp()； 4.2 温度获取并转换 （ 1） 温度获取与转换子程序流程图，如图 4-2 温度获取与转换子程序 ， C 源程序如下： void tempchange(void)/DS18B20 开始获取温度并转换 dsreset()； delay(1)； tempwritebyte(0xcc)；/跳过读 ROM 指令 tempwritebyte(0x44)；/写温度装换指 令 uint get_temp()/读取寄存器中存储的温度数据 uchar a,b； 图 4-2 温度获取与转换子程序流程图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 20 页 共 36 页 dsreset()； delay(1)； tempwritebyte(0xcc)； tempwritebyte(0xbe)； a=tempread()；/读低 8 位 b=tempread()；/读高 8 位 temp=b； temp=8；/两个字节组合为一个字 temp=temp|a； f_temp=temp*0.0625；/温度在寄存器中为 12 位，分辨率为 0.0625 temp=f_temp*10+0.5；/乘以 10 表示小数点后面只取 1 位，加 0.5 是四舍五入 f_temp=f_temp+0.05； return temp； 4.3 温度控制 我们将检测到的温度数据对其进行 A/D 转换并显示，这并不是我们主要的目的，我们的目的是控温。当空间温度在 26 -28 范围时，并不需要对被检测空间进行热量的交换。当被检测空间温度在 24 T26 时，系统将模拟开启制热设备，即 DBJ 亮，当空间温度持续降低到 24 以下时，系统模拟加大制热设备功率。如果被检测空间温度在28 T30 范围时，系统将模拟开启制冷设备，即 GBJ 亮，空间温度持续上升超过 30时，系统会自动加大制冷功率。其程 序流程图，如下图 4-3 T24 24 T26 28 T30 DBJ、 DJD 亮，蜂鸣器急鸣 DBJ 亮，蜂鸣器慢鸣 GBJ 亮，蜂鸣器慢响 GBJ、 GDJ 亮，蜂鸣器急响 低温报警 温度控制 高温报警 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 21 页 共 36 页 图 4-3 温度控制流程图 其 C 程序代码如下： void deal(uint t)/温度控制函数 uchar i； if(twarn_l2)&(t=warn_l1)/大于 24度小于 26度 warn(40,0x01)；/第一个亮，蜂鸣器发出“滴”声 else if(t=warn_l2) warn(10,0x03)； else if(t=warn_h1)/第一第二个灯亮。蜂鸣器发出“滴”声 warn(40,0x04)； else if(t=warn_h2) warn(10,0x0c)； else /在 26度和 28 度之间时只是调用显示函数延时 i=40； while(i-) dis_temp(get_temp()； 指示灯、蜂鸣器不工作 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 22 页 共 36 页 5 单片机与上位机通信 单片机与上位机通信的时候需要借助串口传输和接收信号，在我们做 PCB 板时候需要对串口进行调试，以确保其能正常通信。本毕设仅是采用 VB6.0 调用 MSComm 控件接收、处理和显示温度数据。在新建工程添加完 MSComm 控件和 TextBox 控件后，双击 【 TextBox】 控件在 Private Sub From_load()函数中增加如下代码： MSComm1.Settings = 9600,N,8,1 波特率 9600bit/s,无校验， 8 位数据， 1 位停止位 MSComm1.CommPort = 3 设定串口， 3 为 com3（视具体情况而定，我的是使用 com3） MSComm1.InBufferSize = 8 设置返回接受缓冲区的大小，以字符为单位 MSComm1.OutBufferSize = 2 If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = False 关串口 MSComm1.RThreshold = 4 设置并返回产生 oncomm 事件的字符数，以字符为单位 Rthreshold 为 1，接收 缓冲区收到每一个字符都会产生 MSComm 控件产生 OnComm 事件 MSComm1.SThreshold = 1 MSComm1.InputMode = comInputModeText 以文本方式接收 If MSComm1.PortOpen = False Then MSComm1.PortOpen = True MSComm1.InBufferCount = 0 清空接收缓存区 Me.Caption = 温度 编辑完以上代码双击窗体内 MSComm 控件，在 Private Sub MSComm1_OnComm()函数中添加如下接收数据的代码： Dim rec As String Select Case MSComm1.CommEvent Case comEvReceive rec = MSComm1.Input Text1.Text = rec MSComm1.InBufferCount = 0 清空缓存区 End Select 编辑完代码后，按 F5 键，运行程序。 在文本框中显示如下图 5-1 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 23 页 共 36 页 图 5-1 VB 显示温度数据效果图 结论 本次毕设是以 51 单片机为基础，采用 DS18B20 温度传感 器检测温度，数码管显示温度以及通过串口与上位机通信用 VB 显示温度数据。经过努力，我终于完成了本次课题设计，在此期间，遇到了不少困难，但是通过动手查阅资料和努力思考最终还是将问题解决了，从而培养了我爱思考，爱动手的好习惯。本次课题的研究让我对单片机有更深的认识，学到了很多细节上应该注意的问题。对系统程序流程有了更深入的了解。同时提高了我的编程能力。但是我经验尚浅，设计中难免会有不足的地方，谨盼老师给予指点。我会不断的去实践，在迈向社会之前，我们要谦虚踏实敢于实践，从中探究真理，不断学习。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 24 页 共 36 页 谢 辞 本毕业设计得以顺利完成我要谢谢很多人的帮助。感谢我的指导老师宋老师的悉心指导。是他那严谨求实的教学作风、诲人不倦的耐心精神才使我的毕业设计顺利完成，不积跬步无以至千里，所以我要更虚心的向老师学习，充实自我。为今后顺利的开展工作打下良好的基础，特别是对认识问题、分析问题、解决问题的能力有了大大的提高，自己收获却是很大。我有幸得到老师和学长的每一个阶段的帮助和耐心指导，在此谨向所有老师特别是我的指导老师宋老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 25 页 共 36 页 参考文献 1 刘刚 . Protel DXP 2004 SP2 原理图与 PCB 设计 (第 2 版 )M. 北京： 电子工业出版社 , 2011, 1. 2 李秀霞 . Protel DXP2004 电路设计与仿真教程 (第 2 版 )M. 北京： 北京航空航天大学出版社 , 2010, 8. 3 王冬 . Protel DXP 2004应用 100例 M. 北京 ： 电子 工业出版社 , 2011, 1. 4 Liu Dan, Wang Yufeng. Digital Speed Measurement System in the Rubber Production Domain J. Sensor World. 2003, (4): 2831. 5 李学海 . PIC 单片机实用教程 -基础篇 (第 2 版 ) M. 北京： 北京航空航天大学出版社 , 2007, 2. 6 李学海 . PIC 单片机实用教程：提高篇 (第 2 版 )M. 北京： 北京航空航天大学出版社 , 2007, 2. 7 丁跃军 . PIC 单片机基础教程 M. 北京： 北京航空航天大学出版社 , 2005, 7. 8 何桥 . 单 片机原理及应用 M. 北京： 中国铁道出版社 , 2006, 7. 9 李荣正 . PIC 单片机初级教程 M. 北京： 北京航空航天大学出版社 , 2006, 3. 10 李中华 . 8 位单片机 C 语言编程：基于 PIC16M. 北京：人民邮电出版社 , 2006, 8. 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 26 页 共 36 页 附 录 附录 1 电路总原理图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 27 页 共 36 页 附录 2 完整 C 程序代码： P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I N T 012P 3 .3 /I N T 113P 3 .4 /T 014P 3 .5 /T 115P 3 .6 /W R16P 3 .7 /R D17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 .021P 2 .122P 2 .223P 2 .324P 2 .425P 2 .526P 2 .627P 2 .728P S E N29A L E / P R O G30E A / V p p31P 0 .7 /A D 732P 0 .6 A D 633P 0 .5 /A D 534P 0 .4 /A D 435P 0 .3 /A D 336P 0 .2 /A D 237P 0 .1 /A D 138P 0 .0 /A D 039V c c40U1S T C 8 9 C 5 2X2X1Y11 1 .0 5 9 2 MC12 0 p FC22 0 p FS1R C 11KR C 21 0 K+C J 11 0 u FV C CR S TV C C V C CD0D1D2D3D4D5D6D7G N D1I /O2V c c3T1D S 1 8 B 2 0E1D02D13D24D35D46D57D68D797Q126Q135Q144Q153Q162Q171Q180Q19L11G N D10V c c20U27 4 H C 5 7 3E1D02D13D24D35D46D57D68D797Q126Q135Q144Q153Q162Q171Q180Q19L11G N D10V c c20U37 4 H C 5 7 3V C CV C CD0D1D2D3D4D5D6D7W E L AW E 1W E 2W E 3D0D1D2D3D4D5D6D7D U L AabcdefghW E L AD U L AQ1P N PFMV C CR51KFMFMX1X2162738495J1 D B 9C 1 +1V+2C 1 -3C 2 -5C 2 +4V-6T 2 O U T7R 2 I N8R 2 O U T9T 2 IN10T 1 IN11R 1 O U T12R 1 I N13T 1 O U T14G N D15V c c16U4M A X 2 3 2R X DT X DT X DR X DC31 0 4V C CC41 0 4C51 0 4 / 0 . 1 u FC61 0 4C71 0 4123456789P11 0 K12345P21 0 Kg1f2r3a4b5dp6c7v8d9e10abcdefg1g1f2r3a4b5dp6c7v8d9e10abcdefg2g1f2r3a4b5dp6c7v8d9e10abcdefg3e e ed d dc c ch h hb b ba a aW E 1 W E 2 W E 3f ffg g gD B 1D B 2D B 3D B 4V C CR C 31 0 K+C T 14 7 u FD B 7V C C-4D13D22+1U S B 1U S BR11K253146S W 1V C CR S TC A S DC A S DV C C桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 28 页 共 36 页 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit DQ=P22； sbit kz1=P26； sbit kz2=P27； sbit beep=P23； uint temp；/定义整型的温度数据 float f_temp；/定义浮点型温度数据 uint warn_l1=260；/定义温度下限值 是温度乘 10 以后的结果 uint warn_l2=240；/定义温度下限值 uint warn_h1=280； uint warn_h2=300； sbit DBJ=P10； sbit DJD=P11； sbit GBJ=P12； sbit GJD=P13； unsigned char code table= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,/带小数点的共阴数码管编码 0-9 0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef；/不带小数点的。 void delay(uint z) uint x,y； for (x=z；x0；x-) for(y=110；y0；y-)； void dsreset(void)/DS1820 复位，初始化函数 uint i； DQ=0； i=103； while(i0)i-； 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 29 页 共 36 页 DQ=1； i=4； while(i0)i-； bit tempreadbit(void)/读一位数据函数 uint i； bit dat； DQ=0； i+；/起延时作用 DQ=1； i+； i+； dat=DQ； i=8； while(i0)i-； return(dat)； uchar tempread(void)/读一个字节数据 uchar i,j,dat； dat=0； for(i=1；i=8；i+) j=t