毕业设计（论文）-多点温度巡回检测系统的设计.doc

摘要 传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，这种热敏传感器的工作原理是其 电阻值随温度的变化而发生显著的变化。由于热敏电阻的可靠性差，测量准确率低， 而且必须经过专门的接口电路转换为数字信号后才能送给单片机进行处理，在高精度 要求的温度检测应用中，热敏电阻已经被精度高，准确性好的各种集成温度采集设备 所代替。 随着科学技术的发展，微型化，集成化，数字化正成为传感器发展的重要方向。数 字化温度传感器 DSB18B20 就是工业上普及的传感器之一。它采用单总线协议，与微机 接口只用一个 I/O 口，这种一线总线的数字传输方式，提高了系统的抗干扰性。 本文介绍了一种多点巡回温度检测系统的实现，以 AT89C52 单片机为处理器， DS18B20 为温度传感器，开发出的一款实时温度检测与显示装置，与传统的设备相比较， 这种系统占体积小，测温迅速，抗干部扰能力强，准确率高，有一定的工程实用性。 关键词：关键词：温度传感器;单总线;DS18B20 Abstract Most of the conventional temperature sensing is thermistor, the working principle of this thermal sensor is that its resistance changes with temperature Significantly. Poor reliability of the thermistor gives its measurement low accuracy , only when go through a special interface circuit into a digital signal processing that can it be sent to the microcont-roller. The required temperature in the high-precision test applications, the thermal resistance has been high precision, integrated temperature measurement accuracy of a good variety of equipment replaced. With the development of science and technology, miniaturization, integration is be- coming an important direction in the development of digital sensors. Digital temperature se- nsor DSB18B20 sensor is one of the popular industry. It uses a single bus protocol and the computer interface with a single I / O ports, line bus is a kind of digital transmission which improves the systems interference. This paper presents a multi-point temperature measurement system realized by make AT89C52 microcontroller as the processor, DS18B20 as the temperature sensor, developed a real-time temperature sensing and display devices. Compared with the traditional equipment, it accounts for small volume, tests temperature rapid, anti-interference ability of cadres, high accuracy, a certain practicability. Key words: Temperature Sensor；Single Bus；DS18B20 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 目录 第一章第一章 绪论绪论 .1 1 1.1 课题背景 .1 1.2 课题研究意义.1 1.3 本课题的任务.2 1.4 系统整体目标.2 第二章第二章 系统总体设计系统总体设计 .3 3 第三章第三章 硬件设计硬件设计 .8 8 3.1 温度传感器 .8 3.1.1 温度传感器选用细则 .8 3.1.2 温度传感器 DS18B20.9 3.2 单片机系统设计.16 3.2.1 复位电路.17 3.2.2 时钟电路.18 3.2.3 I/O 口.19 3.3 显示电路设计.20 3.4 矩阵键盘电路设计 .21 3.4.1 键盘的分类.21 3.5 报警电路设计 .21 第四章第四章 软件开发软件开发 .2323 4.1 软件开发工具简介.23 4.2 软件实现 .23 4.3 软件流程图.23 4.4 DS18B20 操作流程.24 4.4.1 软件实现.25 4.4.2 操作时序.26 4.4.3 DSl8B20 编程注意事项.30 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 4.5 显示程序设计.30 4.6 键盘程序.30 4.7 报警程序设计.35 第五章第五章 结论结论 .3737 致谢致谢 .3838 参考文献参考文献 .3939 附录附录( (一）系统电路图一）系统电路图 .4040 附录附录( (二）程序源代码二）程序源代码 .4141 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 课题背景 自古以来，温度都与人们的生活息息相关。在生产实践如冶金、钢铁、石化、水 泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎 80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。 由于温度对于工业如此重要，对温度测量的元件-温度传感器应运而生，并且 随着科学技术的进步，传感器的数字化，微型化，集成化程度越来越高，同时由于工 业生产环境的复杂，使得抗干扰性也越来越突出。 传感器的发展主要经历了三个阶段:模拟集成温度传感器，模拟集成温度控制器， 智能温度传感器。 进入 21 世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安 全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。 目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。对于单点温测仪表，主要采用 传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量 范围大，而得到了普遍的应用。此种产品测温范围大都在-200800之间，分辨率 12 位，最小分辨温度在 0.0010.01 之间。自带 LED 显示模块，显示 4 位到 16 位不等。 有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用 户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然 实现了多路温度的测控，但价格昂贵。 针对目前市场的现状，本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的 单片机多路测温系统。 1.2 课题研究意义 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 2 在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地 遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其 中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学技术的飞速发 展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器 发展的一个重要方向。美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，具有独 特的单总线接口，仅需要占用一个通用I/0端口即可完成与微处理器的通信；在- 10+85 温度范围内具有05 精度；用户可编程设定912位的分辨率。以上 特性使得DS18B20非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。 1.3 本课题的任务 本课题主要是实现对温度进行多点同时测量并准确显示。整个系统由单片机控制， 要能够接收传感器的数据并显示出来，可以从键盘输入命令，来设定温度的最高和最 低值，当温度不在此范围内时，声光报警模块启动 1.4 系统整体目标 利用单片机设计一个能够进行多点温度进行同时测量的系统。该系统能够同时对 多个点的温度进行测量和进行显示，并且能够对异常情况进行报警。 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 3 第 2 章系统总体设计系统总体设计 系统以 AT89C52 单片机为核心，以四个 DS18B20 测得四个点的温度送入单片机处 理后，通过 LED 数码管动态显示，通过改变定时器时间，可以调节轮流显示的频率,通 过矩阵键盘，可以设定参考温度，DS18B20 测得的温度和参考值比较，如果大于最高温 度值或者低于最低温度值，系统的声光报警模块启动。 图图 2 2 .1.1 系统结构框图系统结构框图 AT89C52 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机片内含 8K byTES 的 可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 256 byTES 。的随机存取数据存储器，器件 采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准 MCS-51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器（CPU ）和 FLASH 由存储单元，功能强大 AT89C52 单片适用于许多较为复杂控制应用场合。 1）AT89C52 引脚图如下如示： 多个 D S 1 8 B 2 0 AT89C52 键盘识别电路 数 码 显 示 报 警 电 路 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 4 图图 2.22.2 AT89C52AT89C52 管脚图管脚图 2）主要性能参数： 与 Mcs-51 产品指令和引脚完全兼容。 8 字节可重擦写 FLASH 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作：0HZ-24MHZ 三级加密程序存储器 256X8 字节内部 RAM 32 个可编程 I/0 口线 3 个 16 位定时计数器 8 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 3）功能特性： AT89C52 提供以下标准功能：8 字节 FLASH 闪速存储器，256 字竹内部 RAM , 32 个 I/O 口线，3 个 16 位定时计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口， 片内振荡器及时钟电路。同时，AT89c52 可降至 OHz 的静态逻辑操作，并支持两种软件 可选的节电上作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时计数器串行 通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止 其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 4）功能引脚说明： 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 5 Vcc:电源电压 GND:地 P0：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 1/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输 出口用时每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“1”时， 可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数 据总线复用，在访问期间激活内部 上拉电阻。 在 FLASH 由编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字 节，校 验时，要求外接上拉电阻。 P1 口：PI 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，Pl 的输出缓冲级可驱动（吸 收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉 到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻某个引脚被外 部信号拉低时会输出一个电流 IIL。 与 AT89C51 不同之处是，Pl.0 和 P1.1 还可分别作为定时/计数器 2 的外部计数输 入（Pl.0/T2 ）和输入（P1.1/T2EX) 。 FLASH 编程和程序校验期间，Pl 接收低 8 位地址。 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或 输出电流）4 个 TTL 逻辑电路。对端口 P2 写“l，通过内部的上拉电阻把端口拉到高 电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被 外部信号拉低时会输出一个电流（llt ）。 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOvxDPTR 指令）时，P2 送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器、如执行 MOVXRI 指令）时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。 FLASH 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱 动(吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电 阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL) . P3 口除了作为一般的 I/0 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： 端口引脚 第二功能 P3.0 RXD（串行输入口 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 6 P3.1 TXD（串行输出口 P3.2 INTO（外中断 0 P3.3 INTO（外中断 l) P3.4 TO （定时计数器 0 ) P3.5 Tl （定时计数器 l ) P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通） 此外，P3 口还接收一些用于 FLASH 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 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。 EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器(地址为 0000H-FFFFH ) , EA 端必须保持低电平(接地）需注怠的是：如果加密位 LBI 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 。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL1：振荡器反相放大器的输出端。 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 7 特殊功能寄存器： 在 AT89C52 片内存储器中，80H-FFH 共 128 个单元为特殊功能寄存器（SFE ) , SFR 的地址空间映象如表 2 所示。并非所有的地址都被定义，从 80H-FFH 共 128 个字 节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的， 读出的数位将不确定，而写入的数据也将丢失。 不应将数据1写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功 能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。 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 。 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 8 第第 3 3 章章硬件设计硬件设计 3.1 温度传感器 3.1.1 温度传感器选用细则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及 测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的题。当传感器确 定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很 大程度上取决于传感器的选用是否合理。 根测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多 方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可 供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条 件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为 接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产 还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度 高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是， 传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影 响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的串 扰信号 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不 失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 9 器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械 系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵 敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。 在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上， 任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低 时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带 来极大的方便。 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期 稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具 有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其 使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施， 减小环境的影响。 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个 重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测 量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传 感器中选择比较便宜和简单的传感器。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值 精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足 要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传 感器。自制传感器的性能应满足使用要求。 3.1.2 温度传感器DS18B20 DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。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。与传统的热敏电阻相比， 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 10 它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数 字值读数方式。其可以分别9375ms和750ms内完成9位和12位的数字量，最大分辨率 为00625 ， 而且从DS18B20读出或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口) 读写。 3.1.2.1 DS18B20的性能特性 单线数字化智能集成温度的传感器，其特点是： DSI8B20可将被测温度直接转换成计算机能识别的数字信号输出，温度值不需 要经电桥电路先获取电压模拟量，再经信号放大和AD转换成数字信号，解决了传统 温度传感器存在的因参数不一致性，在更换传感器时会因放大器零漂而必须对电路进 行重新调试的问题，使用方便。 DS18B20能提供9到12位温度读数，精度高，且其信息传输只需1根信号线，与 计算机接口十分简便，读写及温度变换的功率来自于数据线而不需额外的电源。 每一个DS18B20都有一个惟一的序列号，这就允许多个DS18B20连接到同一总线 上尤其适合于多点温度检测系统。 负压特性：当电源极性接反时，DS18B20虽然不能正常工作，但不会因发热而 烧毁 正是由于具有以上特点，DS18B20在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方 面与传统各种温度传感器相比，有无可比拟的优越性，因而广泛应用于过程控制、环 境控制、建筑物、机器设备中的温度检测。其外形和管脚如下图： 图图3.13.1 DS18B20DS18B20外部形状及管脚图外部形状及管脚图 3.1.2.2 DS18B20与单片机的典型接口设计 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 11 DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。 Dsl8B20与单片机的硬件连接有两种方法：一是Vcc接外部电源，GND接地，I/0与单片 机的I/0线相连；二是用寄生电源供电，此时,UDD和GND接地，I/0接单片机I/0。 无论是哪种供电方式，I/0口线都要接47k Q左右的上拉电阻。图4给出了DSl8B20与 微处理器的典型连接。 DS18B20寄生电源供电方式： 如下面图3.2(a)所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量： 在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗 电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 独特的寄生电源方式有三个好处： 进行远距离测温时，无需本地电源 可以在没有常规电源的条件下读取ROM 电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温 要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的 能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同 一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法 转换温度或温度误差极大。 因此，该电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系 统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量 也降低，会使温度误差变大。 DS18B20寄生电源强上拉供电方式： 改进的寄生电源供电方式如下面图 3.2(b)所示，为了使 DS18B20 在动态转换周期 中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到 E2 存储器操作时，用 MOSFET 把 I/O 线直接拉到 VCC 就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到 E2 存储器或启动温度 转换的指令后，必须在最多 10S 内把 I/O 线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可 以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根 I/O 口线进行强上拉切换。 DS18B20 的外部电源供电方式： 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 12 如下面图3.2(c)所示，在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入， 其VDD端用355V电源供电，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题， 可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测 温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温 度，读取的温度总是85。 （c c）DS18B20DS18B20外部电源供电方式外部电源供电方式 （a a）DS18B20DS18B20寄生电源供电方式寄生电源供电方式 (b)(b) DS18B20DS18B20温度转换期间的强上拉供电（寄生电源方式）温度转换期间的强上拉供电（寄生电源方式） 图图3.23.2 DS18B20DS18B20与微处理器的典型连接图与微处理器的典型连接图 3.1.2.3 DS18B20 的内部结构： 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 13 图3.3 为DS18B20 的内部框图，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。64位光刻ROM 的排列是：开始8位是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自 身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。光刻R0M 的作用是使每一个 DS18B20都各不相同，这可实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。暂存存储器包含 了8个连续字节，前2个字节是测得的温度信息，第1个字节的内容是温度的低8位，第2 个字节是温度的高8位。第3个和第4个字节是TH、TL的易失性拷贝，第5个字节是结构 寄存器的易失性拷贝，这3个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第6、7、8个字 节用于内部计算。第9个字节是冗余检验字节。 图图3.33.3 DS18B20DS18B20的内部结构的内部结构 3.1.2.4 DS18B20 测温原理： DS1820测温原理如下图所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小， 用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 14 图图 3.43.4 DS18B20DS18B20 测温原理测温原理 高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉 冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度 系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的 值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉 冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，DS1 8B20测量温度原理停止温度 寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 在正常测温情况下，DS18B20 的测温分辨力为0.5，可采用下述方法获得高分 辨率的温度测量结果：首先用DS18B20 提供的读暂存器指令(BEH)读出以0.5为分辨 率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位(LSB)，得到所测实际温度的整 数部分TZ，然后再用BEH 指令取计数器1 的计数剩余值CS 和每度计数值CD。考虑到 DS18B20测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度TS 可用 下式计算：TS=(TZ0.25) (CDCS)/CD 3.1.2.5 DS18B20 告警信号 DS18B20 完成温度转换后，就把测得的温度值与TH、TL 作比较。若TTH 或 TTL，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此， 可用多只DS18B20 同时测量温度并进行告警搜索。一旦某测温点越限，主机利用告警 搜索命令即可识别正在告警的器件，并读出其序号，而不必考虑非告警器件。 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 15 3.1.2.6 CRC的产生 在64 位ROM 的最高有效字节中存有循环冗余校验码(CRC)。主机根据ROM 的前56 位来计算CRC 值，并和存入DS18B20 中的CRC 值作比较，以判断主机收到的ROM 数据 是否正确。CRC 的函数表达式为：CRC=X X X 1。此外，DS18B20 尚需依上式 854 为暂存器中的数据来产生一个8位CRC 送给主机，以确保暂存器数据传送无误。 在本课题中采用四个数字式温度传感器DS18B20与单片机89C52连接如下图 DQ2 -20.0 DQ 2 VCC 3 GND 1 U5 DS18B20 DQ1 18.0 DQ 2 VCC 3 GND 1 U? DS18B20 图图3.53.5 DS18B20DS18B20多点温度测量连接电路图多点温度测量连接电路图 3.1.2.7 DS1820DS1820 使用中注意事项使用中注意事项 DS18B20 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但 在实际应用中也应注意以下几方面的问题： 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 16 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS18B20 与微处理器间采 用串行数据传送，因此，在对 DS18B20 进行读写编程时，必须严格的保证读写时序， 否则将无法读取测温结果。 在 DS18B20 的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS18B20 数量问题，容易使人 误认为可以挂任意多个 DS18B20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂 DS18B20 超 过 8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时 要加以注意。 连接 DS18B20 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输 长度超过 50m 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆 时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常 通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。 因此，在用 DS18B20 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配 问题。 在 DS18B20 测温程序设计中，向 DS18B20 发出温度转换命令后，程序总要等待 DS18B20 的返回信号，一旦某个 DS18B20 接触不好或断线，当程序读该 DS18B20 时，将 没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 DS18B20 硬件连接和软件设计时也要 给予一定的重视。 3.2单片机系统设计 在当今新科学技术飞速发展的年代里，单片机的应用已越来越受到人们的重视， 它被广泛的应用于家电、医疗、智能仪表、工业自动化等各个领域。单片机全称单片 微型计算机，是将计算机的基本部分微型化，使之集成在一块芯片上的微机。目前市 场上较为流行的单片机有 Intel 公司和 Philip 公司的 8051 系列单片机Motorola 公 司的 M 6800 系列单片机。Intel 公司的 MCS96 系列单片机以及 Microchip 公司的 PIC 系列单片机。片内含有 CPU、ROM、RAM、并行 I/O 口、串行 I/O 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 17 口、定时/计数器、A/D、D/A、中断控制、系统时钟及系统总线等。本课题是利用 Intel 的 89c51 控制整个系统。89c51 单片机包含下列几个部件：1 个 8 位 CPU、1 个片 内震荡器及时钟电路、4KB ROM 程序存储器、128B RAM 数据存储器、可寻址 64KB 外部 数据存储器和 64KB 外部程序存储器的控制电路、32 条可编程的 I/O 线、2 个 16 位的 定时/计数器、1 个可编程全双工串行接口、5 个中断源、2 个优先级嵌套中断结构。 本课题运用 AT 公司的 8052 进行系统控制，运用到了复位电路，时钟电路，串口，I/O 口。 3.2.1复位电路 无论哪种单片机，都会涉及到复位电路。如果复位电路不可靠，在工作中就有可 能出现“死机”，“程序走飞”等现象。所以，一个单片机复位电路的好坏，直接影 响到整个系统工作的可靠性。复位操作完成单片机片内电路的初始化，使单片机从一 种确定的状态开始运行。当89c52单片机的复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，单片 机就完成了复位操作，如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执 行程序，因此要求单片机复位后能脱离复位状态。复位操作通常有上电和开关复位。 上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。开关复位要求在电源接通的条件下， 在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。常用的上电复位 且开关复位电路如图3.6所示，上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。 当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上 电且开关复位的操作。单片机的复位操作使单片机进入初始化过程，其中包括是程序 计数器PC=0000H，P0-P3=FFH，SP=07H，其他寄存器处于零，程序从0000H地址单元开 始执行，单片机复位后不改变片内RAM区中的内容。 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 18 图图3.63.6 复位电路复位电路 3.2.2时钟电路 89c52单片机的时钟信号通常用内部振荡和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAX2外 接晶体振荡器，就够成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器， 当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ 或24MHZ。内部振荡器方式如下。如图3.7，电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振 的作用，电容值一般为5-30PF。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定。外部振荡方 式是把已有的时钟信号引入单片机内，这种方式适于用于用来使单片机的时钟与外部 信号保持一致。 图图3.73.7 时钟电路时钟电路 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 19 3.2.3 I/O口 计算机对外设进行数据操作时，外设的数据是不能直接连到CPU的数据线上的，必 须经过接口。这是由于CPU的数据线是外设或存储器和CPU进行数据传输的唯一公共通 道，为了使数据线的使用对象不产生使用总线的冲突，以及协调快速的CPU和慢速的外 设，CPU和外设之间必须有接口电路，接口起着缓冲、锁存数据、地址译码、信息格式 转换、传递状态、发布命令等功能，I/O接口有并行接口、串行接口、定时/计数器、 A/D、D/A等，根据外设的不同情况的应用要求，选择不同的接口。单片机的I0 口一 般是双向的 既可以做输入 也可以做输出。以5 1系列为例，其P0、P 1、P2、P3 均为双向口，且可位操作。 89c52单片机内部有P0、P1、P2、P3四个8位双向I/O口，外设可直接连接于这几个 接口上，而无须另加接口芯片。P0-P3的每个端口可以按字节输入或输出，也可以按位 进行输入或输出，共32根口线，用作控制十分方便。P0口为三态双向口，能带8个TTL 电路。P1、P2、P3口为准双向口，负载能力为4个TTL电路，如果外设需要的驱动电流 大，可加接驱动器。 P0口具有双重功能：可以作为输入/输出用，外接输入/输出设备；在有外接存储 器和I/O接口时常作为低8位地址/数据总线，即低8位地址与数据线分时使用P0口。此 时低8位地址由ALE信号的下跳沿使它锁存到外部地址锁存器中，尔后，P0口出现数据 信息。 P1口具有单一接口功能，P1口每一位都能作为可编程的输入或输出口线。 P2口具有双重功能：作为输入口或输出口使用，外接输入/输出设备；在有外接存 储器I/O接口时，作为系统的地址总线。输出高位地址，与P0口低8位地址一起组成16 位地址总线。 P3 口为双重功能口：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备；作为第二功能 使用 3.3 显示电路设计 20112011 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）届湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 20 K0 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 P32 P33 P34 P35 100nF 图图 3.83.8 显示电路设计显示电路设计 K0-