多路温度采集系统设计

摘要：本次设计介绍了基于单片机AT89C51控制DS18B20的智能温度显示，给出了该显示仪的硬件电路及详细说明，重点介绍了DS18B20与单片机的接口设计以及数字温度计的软件的主程序、DS18B20读写程序和显示程序，并给出了基于PROTEUS软件的电路仿真图。该仪表具有简单、稳定、实用、精度高等优点。关键字：单片机、DS18B20、温度、精度高、实用。1.前言32.设计总体方案42.1设计内容42.2设计要求53器件的选择53.1 单片机AT89C5153.2 温度传感器DS18B2063.3 1602LCD显示屏84.模块设计94.1晶振电路与复位电路94.2温度采集电路104.3显示电路114.4 报警系统125.总结13附录1：电路图14附录2：源代码151.前言随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的。单片机在测控领域中具有十分广泛的应用，它既可以测量电信号，又可以测量温度湿度等非电信号。由单片机构成的温度检测、温度控制系统可广泛应用于很多领域。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域。温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。目前的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、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。2.设计总体方案2.1设计内容根据系统的设计要求，当温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经AT89C51处理，将把温度在显示电路上显示。当开机后，显示屏和计时器进行初始化设置。同时，本系统能够设置报警温度，在到达报警时间后能够通过LED发光二极管以及发音器提示报警。利用AT89C51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度。系统框图如下图：AT89C51温度控制报警电路温度传感器显示设备图1.1 系统框图选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。选用数字温度传感器DS18B20，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路，省却了采样保持电路、运放、数模转换电路以及进行长距离传输时的串并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。当LCD液晶显示器接收到来自AT89C51单片机传送来的温度信息后，分别显示了当前的温度。2.2设计要求设计的主要功能和指标如下：（1）提示开机，当按下开机键后，响起开机声。（2）利用温度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度。（3）测量范围为-55110，精度为0.5。（4）用液晶进行实际温度值显示。（5）当达到报警温度后，能够自动发出报警声。3器件的选择 3.1 单片机AT89C51AT89C51作为温度测试系统设计的核心器件。该器件是INTEL公司生产的MCS5l系列单片机中的基础产品，采用了可靠的CMOS工艺制造技术。具有高性能的8位单片机，属于标准的MCS-51的CMOS产品。片内含8Kbytes的可贩毒擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件兼容标准的MCS-51指令系统。片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征。其具有如下性质：（1）与MCS-51 产品指令系统完全兼容（2）4K字节可重擦写Flash闪烁存储器。（3）寿命：1000写/擦循环。（4）数据保留时间：10年。（5）全静态工作：0Hz-24Hz。（6）三级程序存储器锁定。（7）128*8位内部RAM。（8）32可编程I/O线。（9）两个16位定时器/计数器。（10）8个中断源。（11）可编程串行通道。（12）低功耗的闲置和掉电模式。（13）片内振荡器和时钟电路。AT89C51单片机提供以下标准功能：4k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。3.2 温度传感器DS18B20DS18B20是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字式温度传感器，它在转换速度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较之前产品有了很大的改进，给用户带来了更方便、更令人满意的效果。DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55+125 摄氏度，可编程为9位12位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。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内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DQ为数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源；GND为地信号；VDD为可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻.DS18B20 的性能特点如下：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 存储器与控制逻辑高速缓存温度传感器8位CRC发生器配置寄存器高温触发器低温触发器64位ROM和单线接口图3.1 DS18B20内部结构框图DS18B20在使用中不需要任何外围元件，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。其具有9条特点：（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。（2）温范围55125，在-10+85时精度为0.5。（3）零待机功耗。（4）可编程的分辨率为912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。（5）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。（6）用户可定义报警设置。（7）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。（8）结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。DS18B20作为新型的一线器件，能够方便的和中心处理器进行连接，并具有很大的扩展空间。温度范围较广，使得整体的测温范围能大幅度的上升，零待机消耗更是起到了节能的作用。利用用户能自定义报警设置这一特点，能够在实现报警功能上得到很大的便利，同时极强的抗干扰性能使得温度的检测更加准确，作为温度计最基本的要求，准确必须满足。这些好处使得DS18B20最终被选择。3.3 1602LCD显示屏由于设计中要求显示测试温度，因此显示屏首先要能够一次性容纳这些字符。工作电压不能太高，与单片机的连接方式需要简单，显示准确。本设计中采用的是1602型LCD液晶屏能够很好的满足这些要求。此液晶属于工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要23伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码LED显示器显示的界面有了质的提高。在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。1602拥有很多出色的优点：(1) 显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。(2) 数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很方便。(3) 功率消耗小，相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动IC上，因而耗电量比其他器件要小很多。4.模块设计4.1晶振电路与复位电路晶振电路和复位电路与单片机连接构成最小系统电路，如何选取合适的引脚，选取何种连接方式都至关重要。因此需要了解AT89C51的引脚特点。图4.1 AT89C51单片机引脚图在晶振电路中，主要用到了XTAL1和XTAL2两个引脚。（1）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。（2）XTAL2：来自反向振荡器的输出。在晶振电路中，AT89C51具有两种晶振方式，一种是片内时钟振荡方式，但需要在引脚外接石英晶体和振荡电容，振荡电容的值一般取10-30pf。另一种是外部时钟方式，即将XTAL1接外部时钟，XTAL2脚悬空。本设计的晶振电路如图4.2所示。图4.2 晶振电路单片机的晶振频率采用11.0592MHZ，外加两个30pF电容。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，外接石英晶体和振荡电容，构成了片内时钟振荡方式。而振荡周期指的就是单片机外接石英晶体振荡器的周期。当时钟起振后，产生一定的频率的时钟信号，单片机的CPU在时钟信号的控制下能一步一步完成自己的工作，同时与整个系统相关的周期还有振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期。电容C1和C2主要用于校正波形，振荡器的作用主要是产生时钟振荡。而整个电路的作用则是为了产生自激振荡。对于复位电路，AT89C51有两种复位方式，分别是上点复位和按键复位。本设计采用的是按键复位，即利用一个复位电容和按键的组合使得复位变得更加直接和简单。引脚RST作用是复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。在按下按键后，系统自动复位，十分方便。在复位电路中添加按键主要是为了能够使得复位更加方便，电容主要是在复位后进行充电，而上拉电阻起到限流的作用，保护了电路。图4.3复位电路4.2温度采集电路温度控制电路主要运用到了DS18B20和AT89C51。如何使两者连接实现功能是温度控制电路的主要设计目的。图4.4 DS18B20管脚图在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。内部寄生电源I/O口线要接5K左右的上拉电阻。这里采用的是第一种连接方法,如图4.5所示: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，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。图4.5 温度采集电路传感器数据采集电路主要指DS18B20温度传感器与单片机的接口电路。DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式考虑到实际应用中寄生电源供电方式适应能力差且易损坏，此处采用电源供电方式，I/O口接单片机的P2.4口。4.3显示电路液晶显示器是一种将液晶显示器件,连接器件,集成电路,PCB线路板,背光源,结构器件装配在一起的组件。在显示电路中，VSS接地，VDD接5V正电源，VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，为了获得最佳对比度，VEE接地。RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。RS和R/W选用不同的高低电平，将影响寄存器的选择。4.1寄存器选择控制表RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据由于液晶显示器的功能是显示各字符，所以RS置高电平，R/W接地。8位双向数据线D0-D7与双向I/O口相连。图4.6 液晶显示电路图4.4 报警系统利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。当所测温度超过获高于所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出。而两个发光二极管直接和单片机的P3.6和P3.7相接，当温度大于100度时D1发亮，蜂鸣器报警，反之黄灯D2发亮。至于报警电路，连接方式如4.7所示。图4.7报警电路5.总结 通过这学期对智能化仪表这门课程的学习，让我对智能仪表的概念以及发展现状有了一个较为全面的掌握，随着微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革，即以微型计算机为主体，代替传统仪表的常规线路，成为新一代具有某种智能的灵巧仪表。这类仪表的设计重点，已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板，或微机功能部件、接口电路和输入/输出通道的设计,以及应用软件的开发。传统模拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的, 而在以单片机或嵌入式系统为主体的仪表中,则由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件, 来完成众多的数据处理和控制任务。而在本次课程设计中，本人就采用了这种已经相当普及的方法设计了一个基于单片机和温度传感器的多路温度采集系统，并通过了软件仿真，最后得出了设计结果的可行性，设计过程中，首先，要对DS18B20做一个详细的了解，作为设计中一个重要的元件，要知道它的一般流程：初始化ROM操作指令存储器操作指令数据传输。然后必须掌握它的每个端口的作用，并用单片机通过高低电平来控制它的工作过程，不一样的模块它的工作时序是不同，这里要通过软件正确的编写出读写时序，才能确保在测量温度的环节中不出问题。一个完整的系统同样也需要一个人机界面才能便于使用者读出数据，所以这里用到了lcd1602液晶屏，这个液晶屏的优点在于自带字库，且易于控制显示位置，基本上达到了设计的要求。同时，在做整个课程论文的过程中，也遇到了诸多问题：第一， 不能灵活自如的运用C51语言。第二， 对某些硬件的功能不太熟悉。第三， 缺乏一定的理论基础。 但是，通过张海涛老师和同学们的帮助，最终还是取得了一个令人满意的结果，再次对帮助过我的老师和同学们表示感谢，我也会在以后的学习工作中，逐步弥补自己的不足。附录1：电路图附录2：源代码#include#includelcd1602.h#includeds18b20.h#includeds18b20_2.h#includeds18b20_3.h#includeds18b20_4.h#define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define TIMER0_COUNT 0xEE11sbit SPK=P35;sbit LED1=P36;sbit LED2=P37;bit flag; uint wendu; uint wendu1; uint wendu2; uint wendu3;uchar count,timer0_tick,count=0;static void timer0_initialize(void) EA=0; timer0_tick=0; TR0=0; TMOD=0X01; TL0=(TIMER0_COUNT & 0X00FF); TH0=(TIMER0_COUNT 8); PT1=1; ET0=1; TR0=1; EA=1; void display_temp() uchar A1,A2; uchar A3,A4; uchar A5,A6; uchar A7,A8; tmpchange(); wendu=tmp(); A1=wendu/10; A2=wendu%10; gotoxy(1,1); display_data(A1); display_string(.); write_date(int_to_charA2); tmpchange2(); wen