课程设计（论文）-温度检测与报警的设计.doc

课程设计-温度检测与报警的设计姓 名： 专业班级：电子信息工程073班学 号： 指导老师： 摘要 随着电子技术发展，特别是随着大规模的集成电路的产生，给人们的是生活带来了根本性质变化。微型计算机的出现使现代的科学研究得到质的飞跃，而单片机技术的出现则是给现代工业控制以及日常生活带来了极大的方便，正是电子技术的发展推动了工业生产及人们的日常生活水平。 DS18B20是美国DALLAS公司的“单总线”数字温度传感器，它具有结构简单、体积小、功耗低、无须外接元件、用户可自行设定预警上下限温度等特点。本设计结合单片机最小系统版，通过DS18B20温度传感器，将其获得的温度值在LCD液晶显示屏上显示，并可通过按键预设温度值，当达到预设温度值时，蜂鸣器报警，并且电机会带动电风扇转动进行散热。关键词：数字温度传感器 单片机最小系统 LCD显示器 报警系统 散热系统Abstract Along with the electronic technology development, specially along with the large-scale integrated circuit production, was the life has brought the basic nature change for the people. Was precisely the electronic technology development impelled the industrial production and peoples daily life level. DALLAS DS18B20 U.S. companys single-bus digital temperature sensor, it has a simple structure, small size, low power consumption, no external components, the user can set the minimum and maximum warning temperature and so on. The single chip design with minimum system version, by DS18B20 temperature sensor, to obtain the temperature value displayed on the LCD screen in the LCD, and through key preset temperature value, when it reaches the preset temperature value, the buzzer alarm, and Turn the motor driven fan for cooling.Keywords: Digital temperature sensor Minimum system microcontroller LCD Monitor Alarm System Cooling System第一章 概述1.1引言: 电子技术的飞速发展，给人类的生活带来了根本的的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代。利用微机的强大功能。人们可以完成各种各样的控制。然而，微机造价高，对于大多数的工业控制来说，也并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就运用而生了。单片机其实就是一个简化的微机，将微机的CPU，存储器，I/O接口。定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机了，它主要用来完成各种控制功能。相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单 的控制场合以降低成本。另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可在工业现场复杂的环境下运行。单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制，数据采集，智能化仪表，家用电器等方面得到极为广泛的应用。现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。温度控制采用具有扩展性速度快特点的51单片机进行设计，通过DS18B20温度传感器，将其获得的温度值在LCD液晶显示屏上显示，并可通过按键预设温度值，当达到预设温度值时，蜂鸣器报警，并且电机会带动电风扇转动进行散热。1.2 51系列芯片概述：51单片机有40个引脚电源引脚VCC（第40引脚）：接电源+5VGND （第20引脚）：接电源负极，即接地。外接晶振引脚XTAL1（第19脚）：片内反相放大器输入端XTAL2（第18脚）：片内反相放大器输出端输入输出引脚P0.0P0.7（第3932脚）：P0口的8个引脚。P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口，每位驱动8个LSTTL负载。在访问外部存储器或进行I/O口扩展时，它分时作为低8位地址总线和双向数据总线。P1.0P1.7（第1-8脚）：P1口的8个引脚。P1口是一个8位的准双向I/O口，每一位可直接驱动4个LSTTL负载。P2.0-P2.7（第2128脚）：P2口的8个引脚。P2口也是一个8位双向I/O口，每一位可直接驱动4个LSTTL负载，在访问外部存储器时它作为高8位地址总线。P3.0P3.7（第10-17脚）：P3口8个引脚。P3口除作为普通8位准双向I/O口外，还具有第二功能。P3.0 ：RXD（串行输入口，串行通信时，信号由此输入单片机）。 P3.1： TXD（串行输出口，串行通信时，单片机由此把信号输出）。P3.2：/INT0（外部中断0输入口）。P3.3：/INT1（外部中断1输入口）P3.4：T0（定时器0外部输入口）P3.5：T1（定时器1外部输入口）P3.6；/WR（片外数据存储器写选通输出口）P3.7：/RD（片外数据存储器读选通输出口）控制引脚/PROG（第30引脚）：地址锁存有效信号输出端。/EA（第31脚）：外部程序存储器选用端。/PSEN（第29脚）：程序存储允许输出端。/RST（第9脚）：复位信号输入端。存储器结构分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。片内外统一编址64K字节的ROM，128（或256）字节的片内的RAM和64K字节的片外RAM。P2.0-P2.7（第2128脚）：P2口的8个引脚。P2口也是一个8位双向I/0口，每一位可直接驱动4个LSTTL负载，在访问外部存储器时它作为高8位地址总线。P3.0P3.7（第10-17脚）：P3口8个引脚。P3口除作为普通8位准双向I/O口外，还具有第二功能。P0.0P0.7（第3932脚）：P0口的8个引脚。P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口，每位驱动8个LSTTL负载。在访问外部存储器或进行I/O口扩展时，它分时作为低8位地址总线和双向数据总线。1.3试验使用主要芯片简介:DS18B20的简介：DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。DS 18B20的内部存储器共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM 只读存储器，用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是19H） ，后面48 位是芯片唯一的序列号，最后 8位是以上 56的位的 CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20 共 64 位 ROM。RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共9 个字节 RAM，每个字节为 8 位。第1、2 个字节是温度转换后的数据值信息，第 3、4 个字节是用户 EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第 5 个字节则是用户第 3 个 EEPROM的镜像。第 6、7、8 个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第 9 个字节为前 8个字节的 CRC码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据， DS18B20共3位EEPROM，并在 RAM 都存在镜像，以方便用户操作。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行，操作协议为：初始化DS18B20发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据AT89S51简介：AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,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8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合可灵活应用于各种控制领域。与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器1000次擦写周期4.05.5V的工作电压范围全静态工作模式：0Hz33MHz三级程序加密锁1288字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统看门狗（WDT）及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）AT89S51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO 口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16 位定时计数器，一个5 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，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。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。 第二章 设计方案的具体实现2.1课题任务与要求： 通过DS18B20将温度进行处理送数LCD液晶显示屏显示，并可对预设定的温度值通过蜂鸣器报警。预设定的温度可通过按键设定。按键2和按键3通过减计数或加计数实现对温度值的设定。按键1可查看预设的温度值，按键4用于切换温度显示和温度设定。2.2分模块设计原理：2.2.1温度测量模块方案设计方案一：采用PT100作为测温电路的温度传感器。PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温的，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。但使用起来比较复杂。方案二：采用DS18B20作为测温电路的温度传感器。DS18B20的数字温度输出通过 “ 一线 ” 总线（ 1-Wire是一种独特的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线复合在一起，仅使用一条口线；每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线）这种独特的方式，可以使多个 DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。通过比较，DS18B20直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择方案二。DS18B20的特点如下：a、一线制器件独特的接口，使分布式温度检测得以简化。b、每片DS18B20都有唯一的产品号（64位）。c、温度测量范围为55C125C。d、可达12位的数字值，分辨率为0.0625C。e、用户可定义的，非易失性的温度告警设置。DS18B20可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但由此带来的缺点是完成温度测量的时间较长；而采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。本设计采用一总线2路温度测量使用外部供电，如下图所示。2.2.2显示模块的设计LCD显示器的原文是Liquid Crystal Display，取每字的第一个字母组成，中文多称液晶平面显示器或液晶显示器。其工作原理就是利用液晶的物理特性：通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。LCD的好处有：与CRT显示器相比，LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等。本实验采用LCD液晶显示器如图：模块电路设计图 ：2.2.3报警模块的设计：蜂鸣器报警模块：由于单片机的引脚输出电流较小，无法驱动蜂鸣器报警，因此需要增加一个放大电路放大电流驱动蜂鸣器报警，设计中采用了简单的三极管放大电路：LED警示灯报警模块：LED警示灯模块采用三种不同颜色的灯进行提示：红灯：温度超过预设的最高温度时红灯闪烁黄灯：温度低于预设的最低温度时黄灯闪烁绿灯：温度在预设最低与最高温度之间是绿灯亮2.2.4散热模块的设计：由于单片机的引脚输出电流较小，无法驱电磁继电器，因此需要增加一个放大电路放大电流使继电器能正常工作，设计中采用了简单的三极管放大电路：当温度高于设定的最高温度时就会使继电器开关打下，电动机工作带动电扇进行散热，但温度低于最高温度时，继电器开关上去，电动机开路，电机停止。2.2.5单片机外围电路模块：单片机时钟电路模块：电路中的电容为典型的30pF左右，为了保证更好的稳定的工作，X1为12MHZ晶体振荡。复位电路模块：复位的作用就是初始化单片机，仅需要给单片机RST引脚加上大于两个机器周期的高电平期。一般复位电路的设计有两种复位方式：电自动复位和按钮复位，本实验采用更加灵活的按钮复位电路。2.3设计流程：第三章系统总体设计方案3.1设计的基本原理：在单片机最小系统的基础上，通过编写程序，使DS18B20将温度转换为数字信号，然后送到单片机的I/O端口上，单片机通过一定的时序控制得到数据后，进行简单的处理送LCD显示，并对按键的功能编写程序，通过按键预设定的温度值使蜂鸣器在达到预设定值后报警。温度测量采用最新的单线数字温度传感器DS18B20，DS18B20是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，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。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的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的DS18B20供电，而无需额外电源。因而，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。降温控制系统采用低压直流电风扇。当温度高于设定最高限温度时，启动风扇降温，当温度降到指定最高限温度以下后，风扇自动停止运转。温控系统的温度显示和温度的设定直接采用综合实训板上的显示和键盘。当环境温度低于设定的最低限温度值时，也采用综合实训板上的蜂鸣器进行报警。用0#、1#键作为温度最高限、最低限的设定功能键；2#、3#键作为温度值设定的增加和减小功能键。0#键：作为最高限温度的设定功能键。按一次进入最高限温度设定状态，选择最高限温度值后，再按一次确认设定完成。1#键：作为最低限温度的设定功能键。按一次进入最低限温度设定状态，选择最低限温度值后，再按一次确认设定完成。2#键：-1功能键，每按一次将温度值减1，范围为199。3#键：+1功能键，每按一次将温度值加1，范围为991。3.2设计的基本流程：3.3设计的分模块实现概述：3.4设计采用的电路图第四章软件设计4.1程序模块：温控系统采用模块化程序结构，可以分成以下程序模块：系统初始化程序：首先完成变量的设定、中断入口的设定、堆栈、输入输出口及外部部件的初始化工作。主程序MAIN：完成键盘扫描、温度值采集及转换、温度值的显示。当温度值高于设定最高限时，驱动风扇工作；当温度值低于设定最低限时，驱动蜂鸣器报警。键盘扫描程序KEYSCAN：完成键盘的扫描并根据确定的键值执行相应的功能，主要完成最高温度、最低温度的设定。温度采集程序GET_TEMPER：完成DS18B20的初始化并发出温度转换命令，经过指定时间后读取转换的温度值。根据DS18B20的通信协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求CPU将数据线下拉500s，然后释放。DS18B20收到信号后等待1660s左右，后发出60240s的存在低脉冲，CPU收到此信号表示复位成功。温度转换程序TEMPER_COV：根据精度要求对采集到的温度值进行处理并转换成便于显示的BCD码值。显示子程序DISPLAY：显示实时温度及设定温度值。DS18B20初始化子程序INIT_1820：DS18B20在工作之前必须按照指定的要求完成初始化工作，否则无法正常工作。DS18B20读写子程序WRITE_1820、READ_1820、READ_1820T完成对18B20的读写功能，其中，READ_1820从DS18B20中读出一个字节的数据，READ_1820T从DS18B20中读出两个字节的温度数据。延时程序DELAY、DELAY1满足18B20要求的延时间隔及程序中的延时功能。4.2程序流程图：主程序流程图DS18B20初始化程序流程图DS18B20写入子程序DS18B20读取子程序第5章 仿真及调试5.1调试流程1)输入源程序输入源程序时，应以西文方式输入字母和符号，且中文注释前要加分号。2)对源程序进行汇编和纠错根据自动汇编提供的错误信息逐条纠正错误，直至汇编信息提示“错误(0)”、“汇编结束”。3)确定调试方案在调试程序前一定要认真分析源程序，明确各功能程序运行的预期结果。然后结合源程序应达到的结果，确定出如何通过某些关键参数和实验现象检验程序运行结果正确与否。例如：程序运行过程中路径的变化、累加器A内容的变化、其他特殊寄存器内容的变化等。并针对具体的分析和观察对象选择较合适的调试方法。如单步运行、跟踪运行、连续运行、快速运行至光标处、设置断点等调试方法。4)调试程序(1)调试主程序。主程序运行后，在无任何按键输入时观察有无显示，时钟是否工作，其时、分、秒显示的变化过程是否正确。若运行结果不正确，首先应根据程序运行的实际现象分析判断哪些因素可引起相关故障，再通过调试方法逐一认证和排除。例如：若定时/计数器的初始化出错，则时钟将不能工作；若显示程序出错，则将不能正确显示时钟单元内容；若定时/计数器中断服务子程序出错，则其显示数据的变化规律将不正常。(2)调试子程序。在调试主程序时，必然要调用相关的功能子程序。因此，首先应明确子程序的具体功能，通过对子程序的分析，确定子程序的入口、出口参数及相关标识位的状态，然后在满足入口条件的状态下，设法检查从主程序进入子程序，再由子程序返回到主程序的运行过程。可采用跟踪运行或运行至光标处的方法，检查从主程序进入子程序内部的运行过程，再通过单步运行等方法检查子程序内部的运行情况和返回主程序的过程。通过反复调试，发现并排除软件与硬件存在的各类问题，以满足系统设计的预期目的。5)脱机运行将调试已通过的程序写入单片机内部(或外部)程序存储器中，再将写好程序的单片机(或存储器)插入已设计好的单片机用户板上，把仿真系统与用户板脱离开来，最后将所设计的单片机应用系统独立通电运行。在进行温度测试的时候，我们事先设定超过设定温度，就应报警，测试结果如下，全额完成试题要求，测量误差不超过0.5。测量次数设定温度实际温度测量为温度报警反应1252019.8不响铃2302524.9不响铃3456060.2响铃第六章设计体会与总结(1)该实训项目主要是以DS18B20为例，训练单片机应用系统与外围应用系统或部件组合的综合设计、分析与调试方法。学会分析和掌握专用芯片或器件的功能、控制方法和编程技巧，能根据专用芯片或部件的技术资料、读写时序要求设计硬件接口及软件编程，完成单片机应用系统的整个开发过程。(2)实训项目中的难点是理解和掌握DS18B20的专用特性和功能，能根据厂商提供的技术资料，编制出相应的初始化程序、读写程序。(3)程序仍采用模块化结构，键盘、显示、延时子程序可以采用原有子程序，本程序是在原有的子程序基础上进行简化而成的。(4)运行状态采用标志化管理可使程序结构更加简化。在上述程序中，对各按键的操作过程和状态都采用标识位来描述，对于不应具有连动功能的按键采用标志位限制，只有在键盘扫描程序确定没有任何按键按下时才清除按键标志。这样既可以起到按键防抖动的作用，同时还可防止由于误操作或按键习惯问题导致的按键被多次执行的情况。(5)调试程序时，重点分析和调试DS18B20的初始化及读写程序，严格按照技术资料提供的时序要求，检查时序的前后次序和延时时间，要结合能反映故障存在与否的参数变化、运行路径变化、显示内容变化等选择合适的观测点和观测对象，再运用适当的调试方法，快速地检验调试结果，由此分析和判断出故障点。(6)为了能在实训室对温度测量进行测试，可分别设定温度的最高位和最低位分别为36和32(当时的室温)。由于人体的体温一般高于36，用手指接触测温点，会导致高温报警，从而启动风扇降温，拿开手之后，测温点的温度会逐步下降。如果此时的室温低于设定的最低温度，系统会启动蜂鸣器报警。调试程序时，如果显示的温度值与实际不符或没有显示，可以首先检查DS18B20的初始化过程是否成功，然后在读取温度值的操作完成后检查所读到的值是否正常，确信没有问题的情况下，检查数据转换和显示程序是否存在问题。【谢 辞】指导老师王艳庆老师治学严谨，学识渊博，品德高尚，平易近人，在我课程设计期间不仅传授了设计的思路与方法，还传授了我们严谨务实的治学态度。这些都将使我终生受益。无论是在平时上课阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、设计和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。借此机会向导师表示衷心的感谢！同时也非常感谢学院这些年的栽培！【参考文献】1 唐俊翟主编 单片机原理与应用 冶金工业出版社 2003-9-1第一版2 付家才主编 单片机控制工程实践技术 化学工业出版社 2004-5-1第三版 3 陈丽芳主编 单片机原理与控制技术 东南大学出版社 2003-7-1第二版4 侯继红主编 ProtelSE实用技术教程中国电力出版社2004-9-1第一版5 沈庆阳主编 8051单片机实践与应用 清华大学出版社 2004-3-5第二版6 朱定华主编 微机原理与借口技术 清华大学出版社 2004-6-4第一版7. 温冬婵主编 汇编语言程序设计 清华大学出版社 2004-6-2第一版8. 楼然苗 李光飞.单片机课程设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.7附录附录一：实验程序#include#define uchar unsigned charsbit DQ=P37;sbit SD=P14;sbit key0=P32;sbit key1=P33;sbit key2=P34;sbit key3=P35;unsigned char xu;unsigned char a;uchar data temp_data2=0x00,0x00;uchar data display5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;uchar data displ5=0x05,0x03,0x00,0x00,0x00;unsigned char code ditab16 =0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04, 0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09 ;/共阴数码管uchar code table11 =0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;/ 0,1,2,3,4,5 ，6,7,8,9,百位或当最高位十位为0时不显示void delay_18b20(unsigned int i)while(i-);/初始化函数Init_DS18B20(void)unsigned char x=0;DQ = 1; /DQ复位delay_18b20(8); /稍做延时DQ = 0; /单片机将DQ拉低delay_18b20(80); /精确延时 大于 480usDQ = 1; /拉高总线delay_18b20(14);x=DQ; /稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败delay_18b20(20);*18B20读一字节函数*ReadOneChar(void)unsigned char i = 0 ;unsigned char dat = 0 ;for (i = 8 ; i 0 ; i-) DQ = 0 ; / 给脉冲信号 dat = 1 ; DQ = 1 ; / 给脉冲信号 if(DQ) dat |= 0x80 ; delay_18b20(4) ; return (dat) ;*18B20写命令函数*WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i = 0 ; for (i = 8 ; i 0 ; i-) DQ = 0 ; DQ = dat&0x01 ; delay_1