单片机控制温度.doc

目录绪 论2第1章 系统方案设计41.1 方案设计41.2 方案论证5第2章 系统设计62.1工作原理62.2 单元电路设计72.2.1 DS18B20与单片机接口电路设计72.2.2显示电路设计183.2.3报警电路的设计193.2.4加热控制电路的设计19第三章 系统软件设计203.1 软件设计总体思路及主程序流程图203.2测温模块流程图213.3显示模块流程图233.4加热报警模块流程图23总结24绪 论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翻天覆地的变化。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一个主流，广泛地深入到研究和应用工程的各个领域。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。温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量至关重要。其测量控制一般使用各式各样形态的温度传感器。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显突出，已成为自动检测、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。分布式温度传感器在电力工业、煤矿、森林、火灾、高层建筑、航空、航天飞行器等有着重要的应用前景，引起研究人员的广泛关注。近年来，已经有不少分布式温度传感器的报道，包括基于光纤非线性效应的拉曼温度传感器等，但由于其昂贵的成本而无法得到广泛的应用。本设计使用了美国 Dallas 半导体公司的新一代数字式温度传感器DS18B20,它具有独特的单总线接口方式 ,即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器 ,从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单 ,克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点。工作时由控制信号进行具体测量点识别,这使得布线工作大大简化,可以方便地构成多传感器测量网络。此外与传统的热敏电阻传感器相比,DS18B20具有更高的测量精度。所以，相对于传统温度传感器而言,DS18B20数字温度传感器具有更高的经济性、灵活性、抗干扰性和精确度,在科学研究和生产实际中得到了广泛的应用。随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机来代替人工测量,这样既省时又省力。本设计是心AT89S52为单片机作为控制核心，提出了一种基于DS18B20的单总线多点温度测控系统，多个温度传感节点通过单总线与单片机相联形成分布式系统。单片机通过实时监控温度的变化，通过LCD1602字符型液晶显示各节点温度的数值，当温度值超出所设定的值时，报警器开始报警，从而远程实现对整个温度系统的管理和控制。这种分布式温度测量系统具有成本低廉、传感精度高、系统稳定、易于管理等优点。第1章 系统方案设计1.1 方案设计方案一：该案由单片机、模拟温度传感器AD590、运算放大器、AD转换器、LCD显示电路、集成功率放大器、报警器组成。本方案采用模拟温度传感器AD590作为测温元件，传感器将测量的温度变换转换成电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器交将信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，传给给单片机，单片机将温度值进行处理之后用LCD显示 ，当温度值超过设置值时，系统开始报警。如图1-1所示:加热器运算放大器 模拟温度传感器单片机LCD显示报警器AD转换集成功放图1-1方案一温度测量系统方案框图方案二：该方案使用了AT89S52单片机作为控制核心,以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，采用多个温度传感器对各点温度进行检测，温度低于下限温度值就报警。显示电路采用LCD1602模块，使用三极管为中心组成的报警电路。如图1-2所示加热器单片机LCD显示报警器集成功放温度传感器温度传感器图1-2 方案二温度测量系统方案框1.2 方案论证方案一采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器和AD转换器传送给处理器。它控制虽然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度进行测量和监控。由于采用了多个分立元件和模数转换器，容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。方案二采用智能温度传感器DS18B20，它直接输出数字量，精度高，电路简单，只需要模拟DS18B20的读写时序，根据DS18B20的协议读取转换的温度。此方案硬件电路非常简单，但程序设计复杂一些，但是在课外对DS18B20、字符型液晶显示的程序有所了解，而且曾经在网上看到过此类程序程序设计，并且我们已经使用开发工具KEIL用C语言对系统进行了程序设计，用仿真软件PROTEUS对系统进行了仿真，达到了预期的结果。由此可见，该方案完成具有可行性，体现了技术的先进性，经济上也没有任何问题。综上所述，本课题应当采用方案二对系统进行设计。第2章 系统设计2.1工作原理 基于单片机的单总线多点温度测控系统以AT89S52为中心器件，以KEIL为系统程序开发平台，用C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。系统主要由温度传感器电路、液晶显示电路、报警电路组成，电路原理图如附录一所示。DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，通过单总线，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度数值以串口形式发送给主机。主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用字符型液晶模块显示各点的温度。当某点温度超过设置值时，报警器开始报警，从而实现了对温度的实时监控。DS18B20虽然有测温简单的特点,但在实际应用中应注意一下几点: (1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿, 由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写. (2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820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。(4)在DS18 20测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一的重视。2.2 单元电路设计2.2.1 DS18B20与单片机接口电路设计(1)DS18B20与单片机的接口技术如图2-1所示：DS18B20与单片机的接口电路非常简单。DS18B20只有三个引脚，一个接地，一个接电源，一个数字输入输出引脚接单片机的I/O口，电源与数字输入输出脚间需要接一个4.7K的电阻。图2-1 DS18B20与单片机接口电路(2)AT89S52简介AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8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，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在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。主要特性： 与MCS-51单片机产品兼容； 8K字节在系统可编程Flash存储器； 1000次擦写周期； 全静态操作：0Hz-33MHz； 三级加密程序存储器； 32个可编程I/O口线； 三个16位定时器/计数器； 六个中断源； 全双共UART串行通道； 低功耗空闲和掉电模式； 掉电后中断可唤醒； 看门狗定时器； 双数据指针； 掉电标识符。管脚说明：AT89S52单片机40引脚分布如右图2-2所示。VCC：供电电压。 GND：接地。 图2-2 引脚分布P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。 此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P1口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表2-1所示：表2-1 P1口的第二功能端口引脚备选功能P1.0T2，时钟输出P1.1T2EXP1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表2-2所示：表2-2 P3口的第二功能端口引脚备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0（外部中断0）P3.3 INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）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闪存编程和程序校验的控制信号。(3)DS18B20的工作原理DS18B20数字温度传感器概述DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 DS18B20具有如下特点：u 独特的单线接口仅需一个端口引线进行双向通信，多个并联可以实现多点测温。u 可通过数据线供电，电源电压范围从35.5V。u 0待机功耗。u 用户可定义的非易失性温度报警设置。u 具有报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。u 测温范围为-55+125。 DS18B20的引脚排列见右图2-3，其引脚功能描述见表2-3。表2-3DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND 接地2DQ数据输入/输出引脚。对于单线操作：漏极开路3VDD图2-3引脚排列可选择的VDD引脚 DS18B20的内部结构DS18B20的内部框图如图2-4所示。64位ROM存储器件独一无二的序列号。暂存器包含两字节（0和1字节）的温度寄存器，用于存储温度传感器的数字输出。暂存器还提供一字节的上线警报触发（TH）和下线警报触发（TL）寄存器（2和3字节），和一字节的配置寄存器（4字节），使用者可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。暂存器的5、6和7字节器件内部保留使用。第八字节含有循环冗余码（CRC ）。使用寄生电源时，DS18B20不需额外的供电电源；当总线为高电平时，功率由单总线上的上拉电阻通过DQ引脚提供；高电平总线信号同时也向内部电容CPP充电，CPP在总线低电平时为器件供电。图2-4 DS18B20内部框图（4）DS18B20有4个主要的数据部件： 光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位 （28H）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（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用 是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。表2-4 DS18B20温度值格式 这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0， 这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际 温度。 例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FE6FH，-55的数字输出为FC90H。表2-5 DS18B20温度数据表温度/数据输出（二进制）数据输出（十六进制）+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90HDS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL和结构寄存器。 配置寄存器 该字节各位的意义如下：表2-6 配置寄存器结构0R1R011111低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用 户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表2-7所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）表2-7 温度分辨率设置表R1R0分辨率/bit温度最大转换时间/ms00993.750110187.510113751112750高速暂存存储器 高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表2-8所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在 高速暂存存储器的第0和第1个字节。 表2-8 DS18B20暂存寄存器分布寄存器内容字节地址温度值低位（LSByte）0温度值高位（MSByte）1高温限值（TH）2低温限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8(5) DS18B20工作过程l 初始化l ROM命令跟随着需要交换的数据；l 功能命令跟随着需要交换的数据。访问DS18B20必须严格遵守这一命令序列，如果丢失任何一步或序列混乱，DS18B20都不会响应主机（除了Search ROM 和Alarm Search这两个命令，在这两个命令后，主机都必须返回到第一步）。a初始化：DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。b. ROM命令：ROM命令通过每个器件64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件（如果有多个器件挂在总线上）与之进行通信。DS18B20的ROM如表3-4所示，每个ROM命令都是8 bit长。c. 功能命令：主机通过功能命令对DS18B20进行读/写Scratchpad存储器，或者启动温度转换。DS18B20的功能命令如表2-9所示。2-9 DS18B20的功能命令-指令协议功能读ROM33H读DS18B20中的编码(即64位地址)符合ROM55H发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20,使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作好准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20V 温度转换命令，适用于单个DS18B20工作报警搜索命令0ECH执行后，只有温度超过庙宇值上限或下限的片子才做出响应温度转换44H启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500ms(典型为200ms),结果丰入内部9字节RAM中读暂存器BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的第3、4字节写上、下温度数据命令，紧该温度命令之后，传达两字节的数据复制暂存器48H将RAM中第3、4字内容复制到E2PROM中重调E2PROM0B8H将E2PROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0”，外部供电时DS18B20发送“1” (6)DS18B20的信号方式DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。除了应答脉冲所有这些信号都由主机发出同步信号。总线上传输的所有数据和命令都是以字节的低位在前。a.初始化序列：复位脉冲和应答脉冲在初始化过程中，主机通过拉低单总线至少480s，以产生复位脉冲(TX)。然后主机释放总线并进入接收(RX)模式。当总线被释放后，5k的上拉电阻将单总线拉高。DS18B20检测到这个上升沿后，延时15s60s，通过拉低总线60s240s产生应答脉冲。初始化波形如图3-8所示。 图 图3-8 初始化脉冲b.读和写时序在写时序期间，主机向DS18B20写入指令；而在读时序期间，主机读入来自DS18B20的指令。在每一个时序，总线只能传输一位数据。读/写时序如图3-9所示。l 写时序存在两种写时序：“写1”和“写0”。主机在写1时序向DS18B20写入逻辑1，而在写0时序向DS18B20写入逻辑0。所有写时序至少需要60s，且在两次写时序之间至少需要1s的恢复时间。两种写时序均以主机拉低总线开始。产生写1时序：主机拉低总线后，必须在15s内释放总线，然后由上拉电阻将总线拉至高电平。产生写0时序：主机拉低总线后，必须在整个时序期间保持低电平（至少60s）。在写时序开始后的15s60s期间，DS18B20采样总线的状态。如果总线为高电平，则逻辑1被写入DS18B20；如果总线为低电平，则逻辑0被写入DS18B20。l 读时序图3-9 DS18B20读/写时序图DS18B20只能在主机发出读时序时才能向主机传送数据。所以主机在发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便DS18B20能够传送数据。所有读时序至少60s，且在两次独立的读时序之间至少需要1s的恢复时间。每次读时序由主机发起，拉低总线至少1s。在主机发起读时序之后，DS18B20开始在总线上传送1或0。若DS18B20发送1，则保持总线为高电平；若发送0，则拉低总线。当传送0时，DS18B20在该时序结束时释放总线，再由上拉电阻将总线拉回空闲高电平状态。DS18B20发出的数据在读时序下降沿起始后的15s内有效，因此主机必须在读时序开始后的15s内释放总线，并且采样总线状态。DS18B20 在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将DS18B20 信号线与单片机1 位I/O线相连，且单片机的1 位I/O 线可挂接多个DS18B20 ，就可实现单点或多点温度检测。2.2.2显示电路设计LCD与单片机的接口电路LCD与单片机的接口电路如图3-5所示：图2-5 LCD与单片机接口电路引脚功能说明LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-9所示:表3-9 LCD1602液晶显示模块引脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极3.2.3报警电路的设计本系统采用单片机与蜂鸣器相连来显示当前系统所处的状态来报警。如图图3.6所示，其中P1.0口与蜂鸣器相连，在P1.0与蜂鸣器中间接一个200欧姆的电阻起到防止电流过大，保护器件的作用。P1.0 图2-6 报警硬件连接图报警电路说明：当实际温度值低于温度下限值时，蜂鸣器报警并持续10S。表示当前温度值低于下限值，系统处于低温状态；相反，当实际温度值高于温度上限值时，蜂鸣器不报警，系统加热器停止加热。3.2.4加热控制电路的设计用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为电热棒，采用对加在电热棒两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的P1.1为低点平时，三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作，当单片机的P1.1为高电平时固态继电器关断，加热器不工作。控制电路图如下图2-7。图2-7 加热控制电路第三章 系统软件设计3.1 软件设计总体思路及主程序流程图本系统采用C语言编写，主程序主要由四部分构成,系统通电后首先初始化系统,依次完成温度采集、温度处理、数据显示、加热处理等四项功能。温度采集部分主要完成2个温度测试点的温度数据采集任务；温度处理部分主要是将采集到的温度数据与用户设定的各点上下限温度值进行比较处理，并判断是否超出设定的上下限值，如果超出则蜂鸣器报警；数据显示部分主要实现温度数据的显，显示方式根据设计要求支持对上限温度和实际温度比较的显示方式。系统软件主流程如图3-1所示： 开始系统初始化温度采集温度处理加热处理温度显示 图3-1 系统软件总流程图3.2测温模块流程图读温度初始化温度传感器进行温度转换读取温度调试显示子程序子程序返回图3-2 DSl8B20操作流程图3.3显示模块流程图开始初始化LCD1602写显示地址写显示字符子程序返回图3-3 LCD1602操作流程图3.4加热报警模块流程图 开始加热并报警10S停止加热子程序返回否是否需要加热温度是图3-4 加热报警操作流程图总结经过几个月的不断学习和努力，在陈老师的谆谆教导下,在其他老师及同学们的热心帮助与指导下，基于单片机的单总线多点温度测控系统的毕业设计即将结束，基本完成了老师所规定的各项工作任务。本次设计的基于DS18B20的多点温度测量系统是一种分布式的温度测量系统，它可以远程对温度实现测量和监控，广泛应用于电力工业、煤矿、森林、火灾、高层建筑等场合。系统采用单总线技术，按照DS18B20的通信协议，由主机向DS18B20发送命令，读取DS18B20转换的温度，从而实现对多个环境的温度的测量。当温度超过一定的值时，