基于DS18B20和AT89C51单片机的温度检测的系统设计

基于 温控制系统设计 本科生毕业设计（论文） 基于 温控制系统设计 计： 毕业设计（ 论文 ） 50 页 表 格 ： 6 个 插 图 ： 31 幅 基于 温控制系统设计 科 毕 业 设 计（论文） 基于 温控制系统设计 院（系）： 机电工程 系 专 业： 机械设计制造及自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： （教授） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 基于 温控制系统设计 基于 温控制系统设计 机械设计制造及自动化专业： 摘 要 ：本 文 系统地介绍了基于 多点温度测量 控制 系统的组成、设计方案、电路原理、程序设计以及系统仿真过程。 点温度测量系统是以 能温度传感 器 控制对象，用 晶显示，运用汇编语言实现系统的各种功能。 设计完成了读 及分屏显示电路。借助 计与仿真工具 单片机编程软件 件的交互仿真 ， 并 结合液晶显示器 1602C、 片机开发板进行了电路焊接和调试，实现了课题设计目的。 本课题所设计的多点温度控制系统可 实现对远程环境的温度测量与监控 ， 适用于电力工业、煤矿、火灾、高层建筑等场所，还可以用于环境恶劣的工业控制现场。 关键词 ： 数字温度传感器 单片机 ； he of of as as ad by of OM of of DA CM 602CCM of of It is 于 温控制系统设计 IV t be of 于 温控制系统设计 I 目 录 1 绪论 . 1 题来源和研究目的 . 1 度传感器国内外现状及水平 . 1 题设计任务 . 2 2 系统硬件设计 . 2 . 2 片机的典型电路： . 3 . 3 . 3 . 6 . 7 . 7 . 7 602. 8 . 9 盘电路设计 . 9 列式键盘与单片机接口电路 . 9 2 键盘的制作 . 10 . 12 统在 原理图的设计 . 12 . 12 理图绘制 . 13 3 系统软件设计 . 14 . 14 程序设计 . 14 程序设计 . 16 程序的设计 . 18 度的精度设计 . 20 4 系统仿真与调试 . 21 件编程与调试简介 . 21 统软、硬件交互仿真 . 21 序编译 . 21 基于 温控制系统设计 程序加载 . 21 统仿真 . 21 发板 . 22 焊接 电路板图 . 23 物的连线及调试 . 24 5 结束语 . 25 参考文献 . 25 附录 . 26 致谢 . 43 基于 温控制系统设计 1 1 绪论 题来源 和研究目的 温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一，同时他也是一种最基本的环境参数。人民的生活与环境度息息相关，物理、化学、冶金、机械制造、大型仓储室、实验室、农场塑料大棚甚至人们的居室里经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对温度进行控制。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行。炼油过程中，原油必须在不同的温度和 压力条件下进行分流才能得到汽油、柴油、煤油等产品；没有合适的温度环境。可见研究温度的测量具有重要的理论意义和推广价值。 随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日益突出，成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。本设计就是为了满足人们在生活中对温度测量系统方面的需求。 21世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经 进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于生产的各个领域。对于本次设计，其目的在于： (1) 本课题综合了现代测控、电子信息、计算机技术专业领域方方面面的知识，具有综合性、科学性、代表性，可全面检验和促进学生的理论素养和工作能力。 (2) 本课题的研究可以使学生更好地掌握基于单片机应用系统的分析与设计方法，培养创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，提高电子产品研发素质、增强针对实际应用进行控制系统设计制作的能力。 (3) 掌握 一个 显示屏和 一个 温度传感器的原理、性能、使用特 点和方法，利用 单片机 对系统进行编程。 度传感器 国内外现状及水平 传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感被广泛用于工业生产究和生活领域，数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了一下三个阶段：传统的分离式温度传感器（含敏感元件） 、 模拟集成温度传感器 /控制器 和 数字温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，同时具有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。 数字式温湿度传感器：就是能把温度物理量和湿度物理量，通过温、湿度敏 感元件基于 温控制系统设计 2 和相应电路转换成方便计算机、 能仪表等数据采集设备直接读取得数字量的传感器 。 数字式传感器的接口形式有 据格式接口； 据格式接口 、一总线数据格式接口 、 据格式接口 、 P 数据格式接口 等 。 在信息化程度越来越高的今天，担当信息处理与交换重任的机房是整个信息网络工程的数据传输中心、数据处理中心和数据交换中心。为保证机房设备正常运行及工作人员有一个良好的工作环境，对机房温湿度的监测是必不可少的，合理正常的温湿度环境是机房设备正常运行的重要保障 。 温湿度监测除用于机房监测外，还可以广泛应用于如生物制药、无菌室、洁净厂房、电信银行、图书馆、档案馆、文物馆、智能楼宇等各行各业需要温湿监测的场所和领域。 随着我国经济的高速发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，发展以温度传感器为载体的温度测量技术具有重大意义。 题 设计任务 本设计要求系统测量的温度的点数为 4个，测量精度 量范围为 25 80。采用液晶显示温度值，显示格式为：温度的整数部分，小数部分， 温度符号， 最后一位温度的报警判断 ，显示数据不断刷新。 本设计的难点 主要是 软件方面， 其中 软件开发的难点在于 列号读出和液晶温度符号的显示以及温度的精度显示如何实现 ，如果 正确，将无法 正确的匹配和 读出的温度值 ；温度符号的显示需要对 行读写。温度显示的精度的实现需要编程人员对程序熟悉。 2 系统硬件设计 统硬件组成 本设计 使用单片机作为控制核心，采用多个温度传感器对 多 点温度进行检测， 以液晶显示屏 显示 检测温度 ，通过 2 2 矩阵键盘模块对 检测 温度进行选择显示。 系统总体控制框图如图 1所示： 温 度 传 感 器单片机2 2 键 盘显 示 屏温 度 传 感 器温 度 传 感 器温 度 传 感 器图 1 系统总体控制框图 基于 温控制系统设计 3 单片机选用市场上常见的 美国 为控制元件，温度传感器选用 它的输入输山采用数字量，以单总线技术，接 收单片机发送的命令，根据 部的协议进行相应的处理，将转换的温度以 串口发送给单片机。主机按照通信协议用一个 I 0口模拟 时序，发送命令 (初始化命令、令、 令 )给 换完成之后读取温度值，在 内部 进行相应的数值处理，用液晶显示屏 示各点的温度，液晶显示该传感器的制作人姓名、路数、实际温度值及报警显示，从而实现了对各点温度的实时监控。 片机的 典型电路： （ 1）时钟电路：如图 2连接即可构成自激振荡电路，振荡频率取决于适应 晶体 的振荡频率，范围可取 12容可取 5 30 图 2 单片机时钟电路 （ 2）复位电路 上电复位电路： 接电瞬间产生一个 微分脉冲，其宽度若大于 2个机器周期， 51型单片机将复位。 选用 22容、 1阻。 如图 3所示： 图 3 单片机复位电路 度传感器和单片机接口技术 介 度传感器是美 国 导体公司继 后最新推出的只用改进型智能温度传感器。与 传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据要求通过简单的编程实现 9 的数字直读方式。可以分别存 750完成 9基于 温控制系统设计 4 位和 12 位 的数字量，并且从 出的信息或写入 信息仅需要一根口线 (单 线接口 )读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以 向所挂接 无需额外电源。因而使用 靠性更高。 他在测温精度，转换时时间，传输距离，分辨率等方面较 了很大的改进， 给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 用 3 脚 装或 8脚 装，其内部结构框图如 4 所示： 图 4 内部结构主要有四部分组成： 64 位光刻 度传感器、非挥发的温度报警触发器 L、配置寄存器。 所示： 图 5 地 数据 I/O 基于 温控制系统设计 5 电源 空脚 64 位激光 始 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 56 位的 验码，这 也是多个 以采 用 一线进行通信的原因。 64位激光 所示： 表 1 64 位激光 8 位 48位 序列号 8位 产品系列编码 度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 一个非易失性的可 电擦除 者用于存储 。数据先写入 校验后再传给 配置寄存器为高速暂存器中 的第 5个字节，他的内容用与确定温度值 的数字转换分辨率，作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度 的数值。 低 5 位一直都是1， 测试模式位，用于设置 工作模式还是在 测试模式。 如表 2 所示。 在，用户不要去改动， 0决定温 度转换精度位数 。 表 2 字节各位的定义 1 1 1 1 1 由表 3可见， 设 定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此， 在实际应用中要在分辨率和转换 时间权衡考虑。高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他 8个字节组成，其分配如表 4所示。其中温度信息 (第 l， 2字节 )， ，4节，第 6 8字节，表现为全逻辑 1；第 9字节读出的是前 面所有的 8字节的 用来保证通信正确。 表 3 数据分辨率和转换时间 0 分辨率 温度最大转换时间/ 0 9 1 10 0 11 1 12 始启动转换 ，如表 4所示。 转换完成后的温度值就 以 16位带符号扩展到二进制补码形式储存在高速暂存存储器的第 l， 2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前面，高位在后，数据格式以 式表示。对应的温度计算：当符号位 S=0 时，直接将二进制位转 换为十进制；当 S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。 基于 温控制系统设计 6 表 4 码制转换 温度低位 温度高位 L 配置 保留 保留 保留 8位 度值与贮存 这些寄存器 仅仅是 8 位，所以 位在比较时被忽略。 最高有较位直接 对应于果温度测量的结果高于 L，那么 器件内告警标志将置位。每次温度测量更新此标志。只要告警标志置位， 对告警搜索命令做出响应。这允许并联连接许多 时进行温度测量。 如果某处温度超过极限，那么可以识别出正在告警的器件并立即将其读出而不必读 出 非告警的器件。 部分温度转换如表 5所示 : 表 5 部分温度 转换 值 温度 输入 （ 2进制） 输出（ 16进制） +125 0000 0111 1101 0000 0785 0000 0101 0101 0000 0550H + 0000 0001 1001 0001 0191H + 0000 0000 1010 0010 00 0000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1111 0101 1110 55 1110 1110 0110 1111 体参数及工作方式 参数特性： （ 1） 独特的单线接口只需 （ 2） 多点综合测温能力使分布式温度检测应用得以简化 （ 3） 不需要外部元件 （ 4） 可用数据线供电 （ 5） 需备份电源 （ 6） 测量范围从 至 +125 增量值为 0 5 （ 7） 以 9位数字值方式读出温度 （ 8） 在 1秒 (典型值 )内把温度变换为数字 （ 9） 用户可定义的非易失性的温度告警设置 （ 10） 告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件温度告警情况 基于 温控制系统设计 7 （ 11） 应用范围包括恒温控制工业系统消费类产品温度计或任何热敏系统 极限参数： （ 1） 任何引脚相对于地的电压 2） 运用温度 至 +125 （ 3） 贮存温度 125 （ 4） 焊接温度 260 /单片机接口电路 如图 6所示，为单片机与 个接地，一个接电源，一个数字输入输出引脚接单片机的 电源与数字输入输出脚间需要接一个 图 6 温精度高、连接方便、占用 I O 口线少等 优点，但在实际应用中也应注意以下问题： （ 1） 在实际片使用中发现，应使电源电压保持在 5果电压过低，会使 所测得到温度与实际温度出现偏高现象，使 温度输出定格在 85 （ 2） 连接 总线电缆是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度 超过 50取的测温数据发生错误，当采用双绞线带屏蔽电缆为总线电缆时， 正常通讯距离可达 采用每米胶合次数更多 的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可以进一步加长。这种情况主要由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，存进行长距离测量时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题 。 晶显示器和单片机接口技术 示器简介 显示字母、数字、符号等点阵式 前常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2行等的模块。 显示字符时， 由于 带字符Q 机 于 温控制系统设计 8 发生器的控制器，可以让控制器工作在文本方式，根据在 立光标，在此送上该字符对应的代码 即可 。 602基本参数及引脚功能 1602控制器大部分为 背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如图 7所示。 图 7 容量 :162 个字符 芯片工作电压 :作电流 :模块最佳工作电压 :符尺寸 :H)引脚功能说明 ： 16024脚（无背光）或 16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表 6所示： 表 6引脚接口说明表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 源地 9 据 2 源正极 10 据 3 晶显示偏压 11 据 4 据 /命令选择 12 据 5 R/W 读 /写选择 13 据 6 E 使能信号 14 据 7 据 15 光源正极 8 据 16 光源负极 基于 温控制系统设计 9 第 1脚： 第 2脚： 第 3脚： 正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生 “ 鬼影 ” ，使用时可以通过一个 10 第 4脚： ，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5脚： R/电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 ，当 ，当 。 第 6脚： 晶模块执行命令。 第 7 14脚： 8位双向数据线。 第 15脚：背光源正极。 第 16脚：背光源负极。 单片机接口电路 系统 显示 电路由单片机 符 液晶显示器 k 8的排组构成。单片机实现对 0 据线之间分别接 8个上拉电阻，以确保电路能够正常显示。1口作为 S、 端； 别接电源和地。系统显示 电路组成如图 8所示。 X T A L 218X T A L 119A L E A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 R X T X I N T 012P 3 I N T 113P 3 T 014P 3 R . 6 / W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 C 5 1 D 1L M 0 1 6 R P 11 系统硬件电路组成 盘电路设计 列式键盘与单片机接口电路 根据本设计需要，本系统采用 2 2键盘实现对温度值和功能键的设定。 基于 温控制系统设计 10 行列式键盘与单片机接口电路如图 9所示， 单片机 的 ， 列线，接单片机的 。初始化时键盘列线为高电平，行线为低电平。列线上需接 10 图 9 2 2键盘结构 2 2 键盘的制作 首先在 图 10所示，并指定键盘的左上角为坐标圆点，用软件中的坐标跟踪功能检测出面板按键的边长为 300别为：（ 00 ）（ 00）（ 00）（ 700）。 图 10 2 2键盘面板 在 项，制作步骤如下图 11所示 : (a) (b) 基于 温控制系统设计 11 (c) (d) (e) (f) (g) (h) 图 11 矩阵键盘制作步骤 基于 温控制系统设计 12 度传感器序列号电路设计 每个 使用 件设计如图 12所示： 在 片 光二极管亮，与其相连的接口为低电平，发光二极管灭，与其相连的接口为高电平，在程序中把 序列号读出后以 8 位为单位存放在单片机的 放 8个存储单元，依次把每个单元送到 可读出 图 12 读 序列号原理图 统在 原理图的设计 介 英国 司研发的 计软件，是一个基于整的嵌入式系统软、硬件设计仿真下台。 拟电路、数模混合电路的仿真，还可进行多种 盖了 51、 正实现了在计算机上从原理设计、电路分析、系统仿真、测试到 现了从概念到产品 的全过程。 工作界而是一种标准的 面 ，如图 13 所示。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。 基于 温控制系统设计 13 图 13 作界面 理图绘制 (1)新建文件：打开 弹出的下拉菜单中选择 弹出的图幅选择对话框中选 4。 (2)元器件选取：按设 计 要求，在对象选择窗口中点 P，弹 出 话框，在 填写要选择的元器件，然后在右边对话框中选中要选的元器件，则元器件列存对象选择的窗口中。 本设计所需选用的元器件如下： 片机 形液晶 阻、上拉电阻 振 2矩阵键盘 度传感器 钮 容 (3)按设计连接原理图 ， 如图 14所示 基于 温控制系统设计 14 图 14 统仿真原理图 3 系统软件设计 序列号程序设计 读 序列号的主程序设计流程图如图 15 所示，程序中主要对 初始化子程序，然后读出 4位序列号存入到 40H 47后将 400 口，显示出 40H 中的二进制数，记录下来，然后分别把 41内容送入 个 序列号分别为： (1)28H 30H 7H 02H 00H 00H 19H (2)28H 04H 7H 02H 00H 00H 63)28H 75H 7H 02H 00H 00H 34)28H 95H 7H 02H 00H 00H 5程序设计 系统主流程图如图 16 所示，主要完成 始化、 内容显示、对 读写和对 个 匹配、温度值 警判断子程序。 基于 温控制系统设计 15 宏 指 令置 高 使 能读 出 64位 40 化清 使 能调 至 当 前把 40 令处 理 B C D 码温 度 值 转 换 B C D 码D S 1 8 B 2 0 初 始 化设 置 温 度 报 警 值D S 1 8 B 2 0 初 始 化设 置 D S 1 8 B 2 0显 示 屏 初 始 化 并 写C G R O H - 2 F H 单 元 清 零F L A G 1 = 1 ?发 出 温 度 转 换 命 令取 第 2 个D S 1 8 B 2 0 温 度跳 过 R O 4 个D S 1 8 B 2 0 温 度显 示 “ 错 误 ” 字 符取 第 3 个D S 1 8 B 2 0 温 度按 3 键显 示 “ 错 误 ” 字 符匹 配 D S 1 8 B 2 0 的 序列 号按 4 键按 1 键 按 2 键取 第 1 个D S 1 8 B 2 0 温 度显 示 转 换 温 度 报 警 值F L A G 1 = 1 ?图 15 读 图 16 主程序流程图 在主程序流程图中，判断累加器中的数据为 1 时，把第一个 中的字符显示在第一行，否则把第二个 中的字符显示在 第二行。显示完 内容后，向 把该字符显示在 基于 温控制系统设计 16 程序设计 子程序设计 7所示。先将数据总线置高电平“ 1”，延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一些），数据线拉倒低电平“ 0”，延时 428 微秒，数据线拉高到高电平“ 1”，延时等待，如果初始化成功则在 15到 60毫秒时间之内产生一个由 0”。据该状态可以来确定他的存在， 但是不能无限 的 进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制，若 到了数据线上的低电平“ 0”后，还要做延时，其延时的时间最少要 480微秒，最后将数据线再次拉高到高电平“ 1”后结束。 读操作如图 18 所示。将数据线拉高“ 1”，之后再将数据线 拉低 ，延时18 微秒，将数据线拉高“ 1”，同时端口应为输入状态， 读数据线的状态得到一个状态位，并进行数据处理，延时 100微秒，按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位），分别把读出的数据存放在两个单元中，最后返回。 D A T A _ L I N E 置 1D A T A _ L I N E 置 0延 时 4 2 8 微 秒D A T A _ L I N E 置 1延 时 ， 等 待D S 1 8 B 2 0 响 应D A T A _ L I N E = 0初 始 化 成 功 初 始 化 不 成 功返 回 D A T A _ L I N 2清 C T A _ L I N E 置 1D A T A _ L I N E 置 0D A T A _ L I N E 置 1延 时 1 8 微 秒送 D A T A _ L I N 1 0 0 微 秒A 带 C 右 移 一 位J = 8J = 0I = 0返 回7 图 18 基于 温控制系统设计 17 I=8延 时 7微 秒右 移 一 位 100微 秒I=0返 回 化跳 过 R O 1 化匹 配 第 一 个D S 1 8 B 2 0把 温 度 值 仿 真指 定 地 址转 换 温 度初 始 化匹 配 第 四 个D S 1 8 B 2 0把 温 度 值 仿 真指 定 地 址初 始 化匹 配 第 三 个D S 1 8 B 2 0把 温 度 值 仿 真指 定 地 址初 始 化匹 配 第 二 个D S 1 8 B 2 0把 温 度 值 仿 真指 定 地 址图 19 图 20 写操作如图 19 所示。数据线先置低电平“ 0”延时 7 微秒，按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位），延时时间为 62微秒。重复上述的操作直到所有的字节全部发送完为止，延时 100微秒，最后将数据线拉高。 0所示。先对 始化，然后跳过所有的 所有的 时 1s，初 始化 后发出匹配命令，写入64 位的 列号，总线上只有与此序列号相同的 会作出反应，选中次后对该 行读操作，把温度值存放在指定的两个地址中，接下来写入第二个、第三个、第四个 其温度值