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1915 基于 DS18B20 多点 温度 检测 系统

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黄河科技学院毕业设计 说明书 第 I 页基于 DS18B20 的多点温度监测系统设计摘 要近年来，人们对环境温度的要求越来越高，尤其是医学、电子电力、食品发酵等领域对温度的要求尤其严格，通常需要同时测量多个位置的温度。为了满足这个要求，我们综合运用传感器检测技术、单片机技术、显示和报警技术设计了一个多点温度监测系统。该系统通过温度监测模块对环境温度进行实时监控并将数据交给单片机，由处理显示模块对数据进行分析计算，显示温度信息并在温度超过阈值时报警。温度传感器主要用于测量温度，它的性能好坏直接影响整个系统的性能，本多点温度监测系统中的温度传感器选用 DS18B20。本设计以单片机 AT89S52 为控制核心，构建了一个多点温度的实时监测系统，该系统可以精确的测量被测环境的实时温度，并可根据不同的温度要求，预置报警温度的上下阀值，同时，设计了不同的报警现象，旨在更加明了的区分不同的报警位置以及超限温度是高于上限还是低于下限。关键词：温度监测，硬件设计，单片机黄河科技学院毕业设计 说明书 第 II 页DS18B20 Based Multi-Point Temperature Detection SystemAuthor:Song WeifengTutor:Cai ChaofengAbstractIn recent years, the temperature of the environment have become increasingly demanding, especially in medical, power electronics, in areas such as food fermentation temperature requirements are especially strict, often require multiple locations simultaneously measuring the temperature. In order to satisfy this demand, we integrated the use of sensor technology and microcontroller technology and display, alarm technology to design a multi-point temperature monitoring system. The system temperature monitoring module for real-time monitoring of environmental temperature and data to the microcontroller, the display module by the processing of the data analysis and calculation, display information and the temperature exceeds the temperature threshold alarm. Temperature sensors for measuring temperature, its performance directly affects the performance of the whole system, the multi-point temperature monitoring system for temperature sensor use DS18B20. The design for the control of AT89S52 microcontroller core, build a real-time multi-point temperature monitoring system that can accurately measure the temperature of the measured real-time environment, and according to the different temperature requirements, the preset temperature of the upper and lower alarm threshold Meanwhile, the phenomenon of different alarm designed to better understand the distinction between the different locations and gauge the temperature alarm limit or below the lower limit is above.Key words : Temperature detect, Hardware design, Microcontroller黄河科技学院毕业设计 说明书 第 III 页目 录1 绪论.11.1 课题研究背景 .11.2 课题研究的目的和意义 .11.3 论文主要工作 .21.4 本论文的结构框架 .32 系统总体方案设计.42.1 系统设计要求 .42.2 系统总体设计方案 .42.3 具体方案的比较与论证 .52.3.1 温度传感器的论证.52.3.2 处理控制模块的论证.122.3.3 显示模块的论证.192.3.4 电源模块的论证.233 硬件电路与软件编程的设计.273.1 硬件电路设计 .273.1.1 单片机复位电路的设计.273.1.2 DS18B20 与单片机的接口电路.273.1.3 键盘的接口电路.283.1.4 1602 液晶显示器的接口电路.293.1.5 报警电路.303.2 软件编程设计 .303.2.1 编程语言的选择.303.2.2 系统软件开发环境.313.2.3 软件设计流程图及部分子程序概述.314 电路调试.354.1 A、B 两点温度均未超限.35黄河科技学院毕业设计 说明书 第 IV 页4.2 A、 B 中只有一点温度超限.354.3 A、B 两点温度均超限.35结 束 语.37致 谢.39参 考 文 献.40附录.41附录 A.41附录 B.42附录 C.43黄河科技学院毕业设计 说明书 第 1 页1 绪论 随着社会的发展，人们对环境温度的要求也越来越高，尤其是在医学、电子电力、航天航空、食品发酵等领域中对温度的要求尤其严格，通常要求能同时测量多个位置的温度，鉴于此，设计出一个能够精确、稳定、实时测量出环境中温度，并能够在环境温度超出预置的上下限温度的情况下可以自动报警的实用型多点温度监测系统显得尤为重要。1.1 课题研究背景 人们对温度的测量有着非常久远而丰富的历史，例如，水银温度计，热敏电阻测温，热电偶等等。而 2000 年以后，随着数字传感器（DS18B20）的推出，开始出现了数字式测温系统，其主要特点： 1、精确度高，传感器内部温度转换。 2、单总线连接所有测温点，结构简单，不需要采集器。 3、使用寿命更长。 本多点温度监测系统是以AT89S52单片机为核心控制芯片，以DS18B20为温度传感器件，以1602液晶显示器为显示模块，配合简单明了的报警电路，完成整个多点测温系统的设计。DS18B20采集环境温度数据，并完成数据的转换，单片机读取该温度数据，并可分别设置各点温度的上下限，通过1602液晶显示器显示各点当前温度及对应点的上下限，当温度值超出允许范围时，报警电路开始工作，从而远程实现对整个温度系统的管理和控制。这种多点温度监测系统具有成本低廉、温度感应精度高、系统稳定、易于管理等优点。1.2 课题研究的目的和意义 在这里，作为一个受母校培育四年的学子，怀着对母校感恩的心情，我谨用自己四年所学的专业知识，设计了一个基于 DS18B20 的多点温度监测系统，以给图书馆藏书提供一个可行性的方案。 在日常生活和工业控制领域，多点温度监测就是一个经常遇见的问题。例如，图书馆的藏书室，煤矿的采矿区，粮库等等。对于图书馆来说，它的藏书室的温度必须黄河科技学院毕业设计 说明书 第 2 页控制在一个合理的范围，一旦藏书室温度过高或者过低，它的直接后果就是资料损毁。在大型的粮库里，储粮室内的温度是一个对储粮质量影响重大的数据，温度过高或过低都会直接殃及储藏室内的粮食，而且我们通常需要同时监控储粮室内多个位置的温度。 煤矿更是一个对温度要求十分严格的地方，一线员工的生命安全都系于矿井内的温度上，一旦温度超标，管理人员未及时发现，将造成不堪想象的惨重后果，近年来，关于煤矿爆炸等相关事故数量有一定减少，但也时有发生。 除此之外还有许多特定场所对温度有着严格的要求。因此加强藏书室、粮库、矿井等各种场所温度的监测工作显得尤为重要。我们通常需要同时监控被测环境内多个位置的温度，以前的方法是，我们采用多个温度计，分别置于被测环境内的不同位置，每隔一段时间，我们去把各个温度计的数据读取过来，通过分析数据，对被测环境内温度不合标准的位置进行检查、通风、降温、粮食转移或者及时疏散人群，以降低不必要的损失。这种方法效率低，且随机性大，反应不够及时。而该基于 DS18B20 的多点温度监测系统，能同时监测多个位置的温度，并将各点温度汇总显示在显示器上，当某个位置的温度超出标准范围时，报警电路会清晰明了的通知管理者，同时，可根据不同的报警现象区分究竟是哪个位置温度超限，以及环境温度是高于上限还是低于下限，这样，管理者可在第一时间做出有效的反应，采取快速合理的措施。1.3 论文主要工作 论文的主要任务就是研究并设计一个基于 DS18B20 的多点温度监测系统，实现图书馆储藏室环境的主要指标数据信息的实时采集，比较，传送和报警，并可根据北方一年四季温度的差异合理设置测温系统上下限的温度值以改变报警温度点，从而达到图书室工作者能够在第一时间察觉到图书室内温度的变化的要求，以便做出相应的反应，从而避免书籍的折旧和被环境腐蚀程度，以利于书籍资料的高质量保存。论文主要工作有以下几点： 1、搜集与 DS18B20 相关的数据参数及性能资料，并与其他温度传感器做出比较，了解 DS18B20 作为温度传感器件的优势。 2、查阅相关文献资料，熟悉单片机应用技术，掌握单片机设计的思路，并思考相黄河科技学院毕业设计 说明书 第 3 页关辅助电路（显示电路、报警电路、变压电路）的设计，熟悉常用的编程软件； 3、画出硬件电路系统框图； 4、编写程序，并在计算机上进行编译调试； 5、对研究、设计工作进行总结整理，完成毕业论文。1.4 本论文的结构框架 为了方便读者尽快了解本文的内容，一个清晰明了的论文结构框架显得分外重要，现简明列出本论文的结构框架。 第一章、总体介绍了数字温度测量系统较之传统的模拟温度测量系统的优点所在，并详细论述了该基于 DS18B20 的多点温度监测系统在人们日常生活及工业生产等各个领域的广泛应用。 第二章、系统的介绍了总体方案的设计，包括控制模块、测温模块、显示模块、报警模块方案论证及选型。 第三章、给出了各个部分具体的硬件电路设计，并对此一一做出讲解。同时，在本章也给出了软件编程的流程图，旨在让读者更加清晰明了的阅读软件程序部分。 第四章、对电路进行调试，并给出了关键现象的实物图片。总结，对本设计的整个过程作了系统的总结，描述了从为期三个月的毕业设计中学到新的知识、对所学内容的系统化梳理以及对毕业设计的总体分析概述。黄河科技学院毕业设计 说明书 第 4 页2 系统总体方案设计 本基于 DS18B20 的多点温度监测系统综合运用传感器检测技术、单片机技术和显示、报警来设计。该系统能够监测被测环境温度的变化波动情况，并对检测数据进行比较、显示，对于超过规定限度的温度给予报警警示。2.1 系统设计要求 本系统采用直接式温度检测系统。它以常用的 5V 直流电为电源，通过分布于被测环境的温度传感器来直接测量室内的温度，并经过传输线传送到中央处理单元单片机上面，由单片机进行数据的处理和分析，通过液晶显示器显示出来。传感器置于被测环境内，为了美观和排除干扰，它们的体积不能过大；另外由于在被测环境内必须实时不间断的长时间工作，故而系统要有很大的稳定性，且出于环保的考虑，所有器件能耗要低。综合起来，该检测系统的主要检测要求如下： 1、体积小，功耗低，尤其是传感器模块； 2、系统的抗干扰效果要好； 3、温度传感范围：-55到 125； 4、精度要求：温度0.5； 5、报警方式:三极管驱动的蜂鸣音报警和三极管驱动的不同颜色的二极管闪烁报警； 6、显示方式：十六位的液晶显示； 7、当温度超出预置上下阀值时，单片机能感知到异常，并报警提示； 8、系统的稳定性要好，可靠性要高，同时成本尽量降低。2.2 系统总体设计方案 DS18B20传感器（温度检测模块）单片机AT89S5显示模块报警模块键盘模块黄河科技学院毕业设计 说明书 第 5 页图 2.1 系统方案的总体框图按照系统功能和技术要求，系统方案的总体框图如上图 2.1 所示。 系统由分布于被测环境内的传感器温度检测模块、单片机、显示模块、报警模块和键盘模块组成。通过温度监测模块实时对环境进行监控并将数据交给单片机，由显示模块对温度数据信息进行显示，并对超标的温度予以鸣笛、闪烁报警。温度监测模块采用温度传感器 DS18B20，处理控制部分采用 AT89S52 单片机，显示模块采用液晶显示器，报警模块采用蜂鸣器和发光二极管组成的报警器。2.3 具体方案的比较与论证 由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应本课题的研究。由鉴于此，在方案的具体实施中，我把论证的重点放在温度检测模块上，以便于整个系统的设计。2.3.1 温度传感器的论证 温度传感器的基本原理就是利用感测元件检测到外界环境中温度的变化通过对比或者元件自身发生的物理的或者化学变化将变化值与温度变化对应起来，并将所得的数据传送出去。 方案一：热电偶测温 热电偶是利用热电效应原理制成温差电偶（thermocouple，即热电偶）来测量温度。选用适当的金属作热电偶材料，就可轻易测量到从180到2000的温度。现在，通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计，甚至可以测量高达2800的温度。 热电偶的两种不同金属线焊接在一起后形成两个结点，因此在不同的温度里就形成了热结点结电压与冷结点（参考结点）结电压，而热结点结电压与冷结点（参考结点）结电压之差即为环路电压 VOUT，因此 VOUT 是温差的函数。比例因数 对应于黄河科技学院毕业设计 说明书 第 6 页电压差与温差之比，称为 Seebeck 系数。根据 Seebeck 系数按照一定的计算方法就可1求出当前所处环境的温度。 方案二：热敏电阻测温 热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC） 。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。 方案三：数字型传感器测温 采用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 数字式温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同的是，使用集成芯片，采用单总线技术，能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本，搭建电路和焊接电路时更快，调试也更方便简单化，这也就缩短了开发的周期。下面简单介绍 DS18B20 的测温原理及应用。1、性能概述 DS18B20 数字温度计是 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，使用非常方便，我只需要一根通信线，就可以挂很多这样的数字温度计，这样大大降低了对单片机的通讯口线的开销。2、产品特点 （1） 、只要求一个端口即可实现通信； （2） 、在 DS18B20 中的每个器件上都有独一无二的序列号； （3） 、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温； （4） 、测量温度范围在55到125之间； （5） 、数字温度计的分辨率用户可以从 9 位到 12 位选择； （6） 、内部有温度上、下限告警设置； （7） 、报警搜索命令识别并标志超过程序设定温度（温度报警条件）的器件； （8） 、负电压特性，电源极性接反时，不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 7 页3、DS18B20 的引脚介绍 DS18B20 采用 3 脚 PR-35 封装或 8 脚 SOIC 封装，其引脚功能描述见表 2.1，其封装形式如图 2.2 所示。图 2.2 DS18B20 封装形式表表 2.1 DS18B20 的各引脚功能的各引脚功能序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/出引脚。开漏单总线接口引脚。在寄生电源下，可以提供电源。3VDD可选择的 VDD 引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。4、温度传感器的内部结构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，高速暂存器。64 位光刻 ROM 是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列号，而且该地址序列号与每一个 DS18B20 温度传感器是一一对应的，相当于是他们的名字，不同的器件地址序列号不同。DS18B20 温度传感器的内部结构图如图 2.3 所示。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 EERAM, 后者存放高温度和低温度触发器TH、TL 和结构寄存器。数据先写入 RAM，经校验后再传给 EERAM。黄河科技学院毕业设计 说明书 第 8 页从 DS18B20 读取出的二进制必须先转换为十进制，才能便于对温度进行补偿。因为 DS18B20 的精度从 912 位是可选的，为了提高精度可选用 12 位。在 12 位精度时，温度寄存器里的值是以 0.0625 为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以64 位 ROM 和单总线接口存储器与控制逻辑高速缓存电源检测温度传感器高温触发器低温触发器配置寄存器8 位 CRC 发生器内部 VDDVD1VD2VDDI/OGNDC图 2.3 内部结构图DS18B20 高速暂存器共 9 个存储单元，如表 2.2 所示： 表表 2.2 DS18B20 存储单元存储单元序号寄存器名称作 用序号寄存器名称作 用0温度低字节4、5保留字节 1、21温度高字节以 16 位补码形式存放6计数器余值2TH/用户字节 1存放温度上限7计数器/3HL/用户字节 2存放温度下限8CRC0.0625，就是实际的十进制温度值。通过观察可以发现一个十进制和二进制值之间有很明显的关系，就是把二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一个字节，这个字节的二进制值化为十进制值后，就是温度的百、十、个位值，而剩下的低字节的低半字节化成十进制值后，就是温度的小数部分。小数部分因数是半个字节，所以二进制值范围是 0F，转换成十进制小数值就是 0.0625 的倍数（015 倍）。实际应2黄河科技学院毕业设计 说明书 第 9 页用不必要求有这么高的精度，本系统中，精确到 0.5，就能达到我们使用所需的精度。DS18B20 分辨率的定义规定如表 2.3 所示。由表 2.3 可见，DS18B20 温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，温度数据转换所需要的时间就越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。表表 2.3 DS18B20 分辨率的定义规定分辨率的定义规定R1R0分辨率/位温度最大值转换时间/ms00993.750110187.5101137511127505、 温度传感器的测温原理DS18B20 的测温原理如图 2-4 所示。预置低温度系统振荡器高温度系统振荡器斜率累加器减法计数器 1减到 0减法计数器 2比较计数器预置温度寄存器减到 0增加停止图 2-4 传感器的测温原理低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1，为计数器提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，很敏感的振荡器，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入，为计数器 2 提供一个频率随温度变化的计数脉冲。图中还隐含着计数门，当计数门打黄河科技学院毕业设计 说明书 第 10 页开时，DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器 2 计数到 0 时，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。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。6、 DS18B20 的时序 DS18B20 单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。DS1820 需要严格的协议以确保数据的完整性。协议包括几种单线信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写 0、写 1、读 0 和读 1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。和 DS1820 间的任何通讯都需要以初始化序列开始，初始化序3列见图 2.5。一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明 DS1820 已经准备好发送和接收数据（适当的 ROM 命令和存储器操作命令）。DS18B20 的一线工作协议流程是：初始化ROM 操作指令存储器操作指令数据传输。其工作时序包括初始化时序、读时序和写时序，如图 2.5 所示。（1） DS18B20 的复位时序（复位和存在脉冲）如图 2.5 所示。图 2.5 DS18B20 复位时序图（2）DS18B20 的读时序黄河科技学院毕业设计 说明书 第 11 页 对于 DS18B20 的读时序分为读“1”和读“0”两个过程。对于 DS18B20 的读时隙是从单片机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放单总线，以让 DS18B20 将数据传输到单总线上，DS18B20 完成这一读时序过程，至少需要 60uS 才能完成。时序图如图2.6 所示。图 2.6 DS18B20 读时序图（3）DS18B20 的写时序 对于 DS18B20 的写时序依然分为写“1”和写“0”两个过程。对于 DS18B20 写“1”和写“0”的要求不同。当要写“0“时序时，总线至少要被拉低60uS，保证 DS18B20 能在 1545uS 之间正确的采集总线上的”0“电平。当要写“1”时序时，单总线被拉低之后，15uS 之内就得释放单总线。时序图如图 2-7 所示。图 2.7 DS18B20 写时序图 目前常用的微机与外设之间进行的数据通信的串行总线主要有 IC 总线，SPI 总线黄河科技学院毕业设计 说明书 第 12 页等。其中 IC 总线以同步串行 2 线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线） ，SPI 总线则以同步串行 3 线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线） 。而单总线（1-wire bus） ，采用单根信号线，既可传输数据，而且数据传输是双向的，CPU 只需一根端口线就能与诸多单总线器件通信，可节省大量的引线和逻辑电路。因而，这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，软件设计简单，便于总线扩展和维护。同时，基于单总线技术能较好地解决传统识别器普遍存在的携带不便，易损坏，易受腐蚀，易受电磁干扰等不足，因此，单总线具有广阔的应用前景，是值得关注的一个发展领域。 单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换，控制都由这根线完成。主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线。单总线通常要求外接一个约为 4.7K 的上拉电阻，这样，当总线闲置时其状态为高电平。 在前两种设计方案中，采用的是传统的检测方法，所获取的数据都是模拟量，要想获得单片机的支持，还必须单独设计一套模数转换电路，所得成本升高却不利于数据获取；而数字型传感器 DS18B20 结构简单，体积小，而且所测温度范围也符合要求，测量精度高。综上所述，温度采集模块选择 DS18B20。2.3.2 处理控制模块的论证 根据目前构成的各种温度监测装置，并结合本设计任务要求，能基本实现设计的方案大概有如下几种。 方案一、采用凌阳单片机 SPCE061A 为核心构建本系统 SPCE061A 型单片机是凌阳科技公司近年推出的一款 16 位微处理器，内部带有8 路 ADC 和 2 路的 DAC,32 个 IO 口，内置 32KB 闪存和 2K 字的静态存储器。本系4统采用的 61 板（SPCE061A EMU BOARD 的简称） ，是以凌阳 16 位单片机 SPCE061A为核心的精简开发仿真实验板，61 板除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路（含 MIC 输入部分和 DAC 音频输出部分） 、复位电路等，完成语音播报型数字温度计设计，仅在 61 板系统基础上增加数字式温度传感器作温度测量，增加相应的显示电路就可以实现该功能。方案二、采用 AT89S52 单片机为核心构建本系统不在单片机的发展和应用历史中，AT89S52 单片机已经得到科技界和工业界广大黄河科技学院毕业设计 说明书 第 13 页用户最广泛的认可。由于此系列单片机都采用 INTEL 公司的 8051 的核心技术，而且各大公司也根据不同需求推出了多个品种的系列机，这些单片机产品还采用了多种创新技术，产品的性能和可靠性都有了极大的改进和提高。使用 AT89S52 单片机的智能仪。表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。要实现本设计，需要增加时钟及复位电路、温度测量电路，数码显示电5路，语音处理电路，报警电路和键盘设置电路等，就可以实现所要求的功能。 比较上述两种方案，用凌阳 61 板构建基于 DS18B20 的多点温度监测系统，需要添加的硬件虽然少一些，运行也可能快一些，但是由于凌阳单片机应用时间还不是太久，本人也仅是在课余接触凌阳单片机，对其应用方案还不是很熟悉，从各方面均有一些困难。 所以本设计采用第二种方案。以 AT89S52 单片机为主体的设计，一者在课程的学习中，我对其有一定的了解，使用起来不会有陌生感，同时也是对书本知识的一次梳理，巩固自己所学，方便自己拓展；二者在系统总体设计中已经要求系统要达到质优价廉的目的，这种单片机具有成本低，搭建系统容易，性能稳定的优点，很符合设计的初衷。下面对 AT89S52 单片机做简单介绍。1、主要性能 （1）与 MCS-51 单片机产品兼容； （2）8K 字节在系统可编程 Flash 存储器； （3）全静态操作：0Hz-33MHz； （4）32 个可编程 I/O 口线； （5）三个 16 位定时器/计数器； （6）六个中断源； （7）全双工 UART 串行通道； （8）低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒； （9）看门狗定时器； （10）双数据指针。2、引脚说明 AT89S52 共有 40 根引脚，其中 1 根电源引脚，1 根地引脚，1 根复位引脚，2 根黄河科技学院毕业设计 说明书 第 14 页晶振引脚，3 根控制引脚和 32 根 I/O 口线，这些引脚有些是功能复用的，下面详细介绍各引脚的功能。下图为 AT89S52 不同封装形式的引脚图。6 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。 图 2.8a AT89S52 的贴片式封装黄河科技学院毕业设计 说明书 第 15 页图 2.8b AT89S52 的直插式封装 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。 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）。引脚号第二功能： P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出； P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制； P1.5 MOSI（在系统编程用）； P1.6 MISO（在系统编程用）； P1.7 SCK（在系统编程用）。 P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 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。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，此时可以作为黄河科技学院毕业设计 说明书 第 16 页输入 口使用。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。端口引脚第二功能： P3.0 RXD（串行输入口）； P3.1 TXD（串行输出口)； P3.2 INTO（外中断 0）； P3.3 INT1（外中断 1）； P3.4 TO（定时/计数器 0）； P3.5 T1（定时/计数器 1）； 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 编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。 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。 PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器，EA 端必须保持低电平（接地）。如 EA 端为高电平，CPU 则执行内部程序存储器的指令。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3、特殊功能寄存器 特殊功能寄存器（SFR） ，并不是所有的地址都被定义了。片上没有定义的地址是不能用的。读这些地址，一般将得到一个随机数据；写入的数据将会无效。 定时器 2 寄存器：寄存器 T2CON 和 T2MOD 包含定时器 2 的控制位和状态位，寄存器对 RCAP2H 和 RCAP2L 是定时器 2 的捕捉/自动重载寄存器。 中断寄存器：各中断允许位在 IE 寄存器中，六个中断源的两个优先级也可在 IE中设置。4、存储器结构 MCS-51 器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都黄河科技学院毕业设计 说明书 第 17 页可以 64K 寻址。 程序存储器：如果 EA 引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。 对于 AT89S52，如果 EA 接 VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。 数据存储器：AT89S52 有 256 字节片内数据存储器。高 128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高 128 字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。5、看门狗定时器WDT 是一种需要软件控制的复位方式。WDT 由 13 位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。WDT 在默认情况下无法工作；为了激活 WDT，用户必须往 WDTRST 寄存器（地址：0A6H）中依次写入 01EH 和0E1H。当 WDT 激活后，晶振工作，WDT 在每个机器周期都会增加。WDT 计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或 WDT 溢出复位），没有办法停止 WDT 工作。当 WDT 溢出，它将驱动 RSR 引脚一个高电平输出，给 RST 引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续 96 个晶振周期（TOSC），其中 TOSC=1/FOSC。表表 2.4 定时器定时器/计数器计数器 2 控制寄存器功能控制寄存器功能符号功能TF2定时器 2 溢出标志位。必须软件清“0”。RCLK=1 或 TCLK=1 时，TF2 不 用置位。EXF2定时器 2 外部标志位。EXEN2=1 时，T2EX 上的负跳变而出现捕捉或重载时，EXF2 会被硬件置位。定时器 2 打开，EXF2=1 时，将引导 CPU 执行定时器 2 中断程序。EXF2 必须如见清“0”。在向下/向上技术模式（DCEN=1）下 EXF2 不能引起中断。RLCLK串行口接收数据时钟标志位。若 RCLK=1，串行口将使用定时器 2 溢出脉冲 作为串行口工作模式 1 和 3 的串口接收时钟；RCLK0，将使用定时器 1 计数 溢出作为串口接收时钟。TCLK串行口发送数据时钟标志位。若 TCLK=1，串行口将使用定时器 2 溢出脉冲黄河科技学院毕业设计 说明书 第 18 页作 为串行口工作模式 1 和 3 的串口发送时钟；TCLK0，将使用定时器 1计数溢出作为串口发送时钟。EXEN2定时器 2 外部允许标志位。当 EXEN2=1 时，如果定时器 2 没有用作串行时钟，T2EX（P1.1）的负跳变见引起定时器 2 捕捉和重载。若 EXEN20，定时器2 将视 T2EX 端的信号无效TR2开始/停止控制定时器 2。TR2=1，定时器 2 开始工作C/T2定时器 2 定时/计数选择标志位。C/T2 0，定时； C/T2 1，外部事件计数（下降沿触发）CP/RL2捕捉/重载选择标志位。当 EXEN2=1 时， CP/RL21，T2EX 出现负脉冲，会引起捕捉操作；当定时器 2 溢出或 EXEN2=1 时 T2EX 出现负跳变，都会出现自动重载操作。CP/RL20 将引起 T2EX 的负脉冲。当 RCKL=1 或TCKL1 时，此标志位无效，定时器 2 溢出时，强制做自动重载操作。 掉电和空闲方式下的 WDT 在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这 WDT 也停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给 WDT 喂狗，就如同通常 AT89S52 复位一样。在进入待机模式前，特殊寄存器 AUXR 的 WDIDLE 位用来决定 WDT 是否继续计数。默认状态下，在待机模式下，WDIDLE0，WDT 继续计数。为了防止 WDT 在待机模式下复位 AT89S52，用户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模式。6、中断源 AT89S52 有 6 个中断源：两个外部中断（INT0 和 INT1），三个定时中断（定时器 0、1、2）和一个串行中断。这些中断如表 5 所示每个中断源都可以通过置位或清7除特殊寄存器 IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE 还包括一个中断允许总控制位 EA，它能一次禁止所有中断。表表 2.5 寄存器寄存器 IE 相关中断允许控制位相关中断允许控制位符号位地址功能黄河科技学院毕业设计 说明书 第 19 页定时器 2 可以被寄存器 T2CON 中的 TF2 和 EXF2 的或逻辑触发。程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清 0。实际上，中断服务程序必须判定是否是 TF2 或EXF2 激活中断，标志位也必须由软件清 0。 定时器 0 和定时器 1 标志位 TF0 和 TF1 在计数溢出的那个周期的 S5P2 被置位。它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器 2 的标志位 TF2 在计数溢出的那个周期的 S2P2 被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。中断允许控制位1，允许中断。中断允许控制位0，禁止中断。2.3.3 显示模块的论证 在日常生活中，我们对显示器并不陌生。显示模块已作为很多电子产品的通过器件，在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED 数码管、液晶显示器。方案一、数码管显示 数码管是最为常用的显示器件，有七段数码管和八段数码管之分，数码管显示具EAIE.7中断总允许控制位。EA=0，中断总禁止；EA=1，各中断由各自的控制位设定IE.6预留ET2IE.5定时器 2 中断允许控制位ESIE.4串行口中断允许控制位ET1IE.3定时器 1 中断允许控制位EX1IE.2外部中断 1 允许控制位ET0IE.1定时器 0 中断允许控制位EX0IE.0外部中断 0 允许控制位黄河科技学院毕业设计 说明书 第 20 页有使用简单，价格便宜，功耗小等优点，已被广泛的应用于人们的日常生活中。随着科学技术的飞速发展，多个的数码管被集成在一起的数码管块越来越流行，这使得数码管的使用更为方便。方案二、液晶显示器 随着人们对显示效果的要求的不断提升，液晶显示器已经得到了更为广泛的应用。液晶显示器是一种被动式的显示器，液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，达到白底黑字或黑底白字的目的。液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低的优点。 考虑到本设计中需要同时显示 A、B 两点的实时温度外，还需要分别显示他们的上下阀值，每个温度值都需要至少 4 个字符，这样就需要 24 个数码管，数量较多，焊接不便，而液晶显示器就没有这样的问题，它可以同时显示两行，每行 16 个字符，足以满足本设计的需求，因此，我采用 1602 液晶显示器作为本设计的显示模块。下面简单介绍 1602 液晶显示器。1、液晶显示器的分类 液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。82、液晶显示原理 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA 移动通信工具等众多领域。（1） 线段的显示 点阵图形式液晶由 MN 个显示单元组成，假设 LCD 显示屏有 64 行，每行有 128列，每 8 列对应 1 字节的 8 位，即每行由 16 字节，共 168=128 个字节组成，屏上6416 个显示单元与显示 RAM 区 1024 字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由 RAM 区的 000H00FH 的 16 字节的内黄河科技学院毕业设计 说明书 第 21 页容决定，当（000H）=FFH 时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为 8 个点；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H 时，则在屏幕的顶部显示一条由 8 段亮线和 8 条暗线组成的虚线。这就是 LCD显示的基本原理。（2）字符的显示 用 LCD 显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 68 或 88 点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。（3）汉字的显示 汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占 32B，分左右两半，各占 16B，左边为 1、3、5右边为 2、4、6根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示 RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加 1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到 32B 显示完就可以 LCD 上得到一个完整汉字。3、1602 字符型 LCD 简介 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前常用 16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的91602 字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般 1602 字符型液晶显示器实物如图 2.9所示。图图 2.9a 1602 液晶显示器正面图液晶显示器正面图 图图 2.9b 1602 液晶显示器背面图液晶显示器背面图 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 22 页 1602LCD 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图 2.10 所示。图 2.10 1602LCD 尺寸图（1） 1602LCD 主要技术参数： 显示容量：162 个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流：2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸：2.954.35(WH)mm（2） 引脚功能说明1602 LCD 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 2.6 所示。（3） 1602 LCD 的指令说明及时序 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如表 2.7 所示：10 1602 液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1 为高电平、0 为低电平）表表 2.6 1602 LCD 各引脚更能各引脚更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数据黄河科技学院毕业设计 说明书 第 23 页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背光源负极表表 2.7 1602 LCD 指令说明表指令说明表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到 CGRAM 或DDRAM）10要写的数据内容11从 CGRAM 或 DDRAM 读数11读出的数据内容 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置。 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开关控制 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。黄河科技学院毕业设计 说明书 第 24 页 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F：低电平时显示 5x7 的点阵字符，高电平时显示 5x10 的点阵字符。 指令 7：字符发生器 RAM 地址设置。 指令 8：DDRAM 地址设置。 指令 9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10：写数据。 指令 11：读数据。2.3.4 电源模块的论证 由于日常生活的电源电压为 220 伏，并且电压波动范围大，干扰大，系统的工作电压为 5V，必须进行电平转换。 方案一、搭建全桥整流滤波变压电路 在模拟电子技术中，已有相关原理的说明。电源电路一般是由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。大致过程如图 2.11 所示。11T 工频交流脉动直流 直流整流滤波稳压负载图 2.11 电源电路设计原理基于此原理，电源电路如图 2.12 所示。黄河科技学院毕业设计 说明书 第 25 页图 2.12 电源电路的设计 方案二、采用电源模块 电源模块的应用十分广泛，尤其是在煤矿的防爆系统设备中更为常见，它具有体积小，集成度高，使用简单，安全系数高等优点。与搭建的全桥整流变压电路相比，它具有内部集成自适应电路可以将较大范围内的交流电转化成较为标准的低压直流电、抗干扰能力强、使用简单方便等优点。在本设计中我采用 YAS-2.5-5-WS 电源模块来对 220V 的交流电进行 5V 的直流变换，该模块内部带有自适应电路，能将 86265V 的交流电转换成标准的 5V 直流电，使用方便、可靠。下面简单介绍该电源模。图 2.13 为 YAS2.5-5-WS 的实物及外形12尺寸图。 图 2.13a YAS2.5-5-WS 的实物图 图 2.13b YAS2.5-5-WS 的尺寸图1、输入特性 YAS-2.5-5-WS 的输入特性如表 2.8 所示。黄河科技学院毕业设计 说明书 第 26 页表表 2.8 YAS2.5-5-WS 输入特性输入特性输入特性最小值最大值供电电压输入电压(V)85(100Vdc)265(375Vdc)220V输入频率(Hz)45652、输出特性 YAS-2.5-5-WS 的输出特性表 2.9 所示。表表 2.9 YAS2.5-5-WS 输出特性输出特性输出特性数据参数输出电压精度1%源效应0.2%负载效应0.5%波纹与噪声150mVp-p温度系数0.1%/输出电压5.05V输出电流0.5A3、综合特性YAS2.5-5-WS 电源模块还有以下典型特性：（1） 2.5 瓦功率输出（2.5 Watts of Output Power）； （2） 宽电压输入（Wide Input Range）；（3） 高隔离电压（2500Vac Isolation）；（4） 单路输出（Single Output）；（5） 单列直插封装（SIP Package）。YAS-2.5-5-WS 的综合特性表 2.10 所示表表 2.10 YAS2.5-5-WS 输入特性输入特性综合特性技术参数效率60%黄河科技学院毕业设计 说明书 第 27 页3 硬件电路与软件编程的设计 隔离电压1500Vac-2500Vac/1min/5mA开关频率60kHz工作壳温-10-70存储温度-40-105相对湿度10%-90%短路保护短路自恢复黄河科技学院毕业设计 说明书 第 28 页3.1 硬件电路设计 本系统的要求是负责温度的实时显示与超限报警，由单片机读出并处理 DS18B20的测量温度，当其温度值超出预置的上下阀值时，能实时报警，报警电路要求其可根据报警现象的不同区分报警位置，并能据报警现象此判断环境温度是高于上限还是低于下限。3.1.1 单片机复位电路的设计 复位电路通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。这里着重介绍按键复位方式。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位方式是通过 RST 端经电阻与电源 VCC 接通而实现的。按键脉冲复位则是利用 RC 微分电路产生的正脉冲来实现的。13 在本设计中单片机的复位电路如下图所示，上电后，按键按下时，由于电容两端的电压不能突变，故 RST 端将维持一段时间的高电平，然后通过 R3 将其电压慢慢拉低，该过程虽然时间很短，但已足以为 RST 提供大于 2 个机器周期的高电平，因此，完全可以达到让单片机复位的效果。 单片机复位电路接口图如图 3.1 所示。 图 3.1 单片机复位电路图3.1.2 DS18B20 与单片机的接口电路 DS18B20 采用单总线协议，这大大减少了其对单片机 I/O 口线的占用数量，只需要一根 I/O 口线就可以随意的串入多个 DS18B20 温度传感器，当与单片机需要读DS18B20 的数据内容时，单片机会发送一个 64K 的 ROM 内容到总线上，该内容即为每一个 DS18B20 唯一的序列号， （关于该序列号，前面 2.3.1 章节有过详细的介绍，这黄河科技学院毕业设计 说明书 第 29 页里不再敷述。 ）用此方法即可确定单片机在呼叫哪个 DS18B20 温度传感器，同理当DS18B20 温度传感器向单片机发送数据时，它也会将自己的序列号通过总线传送给单片机，从而告诉单片机自己是哪个温度传感器。 DS18B20 是一种三极管形式封装的温度传感器，只有三个引脚，在使用时，其电源引脚和数据通信引脚之间需要接一个 4.7K 左右的上拉电阻。本设计中，我采用 P2.3作为 DS18B20 与单片机进行数据通信的端口。事实上，32 根 I/O 口线都可以作为数14据通信口线，但考虑到整体布局的美观，这里选用 P2.3 口进行数据通信。 DS18B20 与单片机的接口电路如图 3.2 所示。图 3.2 DS18B20 与单片机的接口电路3.1.3 键盘的接口电路 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。按键开关利用了机械触电的合、断作用。按键的合并与否，反映在行线电压上就是呈现高电平或低电平，单片机通过对行线电平高低状态的检测，便可以确认按键按下与否。 考虑到本设计所用按键数量很少，且单片机的数据通信口线较多，我采用独立式的键盘接口，所谓独立式的键盘接口即为各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。键盘与单片机的接口电路如图 3.3 所示。黄河科技学院毕业设计 说明书 第 30 页图 3.3 键盘与单片机的接口电路3.1.4 1602 液晶显示器的接口电路 液晶显示器是一种被动式的显示器，液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，达到白底黑字或黑底白字的目的。液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点。 本设计中，1602 液晶显示器的 D0d7 数据通讯线与单片机的 P0.0P0.7 端口相连，通过这 8 根口线它们可以进行双向通信。1602 液晶显示器的三个控制端与单片机的P2.5P2.7 口线相连，通过软件控制 P2.5P2.7 端口的电平，从而控制液晶显示器。151602 液晶显示器还有两个背光控制的引脚，根据不同的接法，可以控制液晶显示器背光的亮暗。1602 液晶显示器用+5V 电压供电，这与本设计中其他模块对供电电源的要求相一致。 液晶显示器与单片机的接口电路如图 3.4 所示。图 3.4 液晶显示器与单片机的接口电路黄河科技学院毕业设计 说明书 第 31 页3.1.5 报警电路 本设计采用峰鸣器和发光二极管闪烁报警电路。峰鸣器报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过 AT89S52 的 1 根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声，这种设计可以很好的降低成本，而且经过实际测量，效果也很好。在图 2 中，给出了典型报警电路设计，P2.0 接晶体管基极输入端。当 P2.0 输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V 电压而鸣叫；当 P2.0 输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。对于发光二极管的闪烁报警电路则完全类似于蜂鸣器的报警电路，这里不再复述。 本设计中的报警电路与单片机的 P2.0、P2.1 端口相连，蜂鸣器与二极管报警分开，当环境温度高于上限时，二极管快闪，低于下限时，二极管慢闪，若为 A 点超限，则蜂鸣器鸣叫，若 B 点超限，则蜂鸣器不鸣叫，这样根据不同的报警现象可以区分出不同的报警位置以及环境温度是高于上限或者低于下限。报警模块与单片机的接口电路如图 3.5 所示。图 3.5 报警模块与单片机的接口电路3.2 软件编程设计3.2.1 编程语言的选择 本设计中采用的处理器是 AT89S51 单片机，由此可采用面向 MCS-51 的程序设计语言，包括 ASM51 汇编语言和 C51 高级语言，这两种语言各有特点。汇编语言更接近机器语言，常用来编制与系统硬件相关的程序，如访问 I/O 端口、中断处理程序、实时控制程序、实时通信程序等；而数学运算程序则适合用 C51 高级语言编写，因为黄河科技学院毕业设计 说明书 第 32 页用高级语言编写运算程序可提高编程效率和应用程序的可靠性。 考虑到汇编语言的以下特点，在智能测控装置的基本功能软件开发中，全部程序均采用 ASM51 汇编语言编写，汇编语言的优点表现在以下几个方面。 1、汇编语言是最基本的程序设计语言。迄今为止，汇编语言仍然是计算机系统底层软件（例如汇编程序、PC 机的 BIOS 等）设计的基本语言； 2、 能充分利用机器的硬件功能与结构特点。汇编语言与机器语言密切相关，因此能透彻地反映计算机硬件的功能与特点。程序员可充分利用机器硬件系统的许多特性（如寄存器、标志位以及一些特殊指令等） 。 3、用汇编语言编写的程序比起用高级语言编写程序具有更高的系统性能。汇编语言程序具有执行速度快和节省存储空间的特点，它可以精确地描述算法，把计算过程和控制过程刻画得更具体； 4、实时性能好。用汇编语言编制的程序可以对各种接口芯片及 I/O 端口直接进行控制，实时性能好。对于一些应用领域（例如工业监控系统等）汇编语言是不可缺16少的，一般高级语言不适合这种应用，因为一般高级语言不能充分地利用计算机硬件所提供的诸如中断等方面的功能。 3.2.2 系统软件开发环境 与以往的 80C51 单片机不同，AT89S52 具有在线调试和下载功能，它由支持AT89S52 的开发工具包 Keil uVersion3.0 开发系统来提供。也就是说，在用户系统保留AT89S52 的情况下，通过开发系统与 AT89S52 的串行接口通信，直接对用户系统进行调试，并在调试完成后将调试好的程序下载到 AT89S52 中。Keil uVersion3.0 开发系统提供四项功能：编译、下载、调试和模拟，分别由 Keil uVersion3.0 提供的编译器、在线串行下载器、调试器和模拟器来实现。 对于该开发系统的使用，与 89C51 伟福开发系统有很大的类似之处，包括编译，下载，单步执行等，但也有细微的差别之处，使用该开发系统时，需要详细阅读其使用手册。3.2.3 软件设计流程图及部分子程序概述 该基于 DS18B20 的多点温度监测系统的软件设计较为复杂，有很多个子程序的调用，包括读 DS18B20 子程序、写 DS18B20 子程序、按键判断子程序、报警判断子程黄河科技学院毕业设计 说明书 第 33 页序、液晶显示子程序很温度转换子程序等。为了更加清晰明了软件程序源代码的结构，也为了能更加容易的读懂该程序，现给出部分程序的流程图。整体流程图如图 3.6 所示。主 程 序写 DS18B20 子程序按键判断子程序报警判断子程序液晶显示子程序读 DS18B20 子程序温度转换子程序图 3.6 程序整体流程图1、读出温度子程序 读出温度子程序的主要功能是读出 RAM 中的 9 个字节，在读出之前需要 CRC 校验，校验有错时不能进行温度数据的读写。其程序流程图如图 3.7 所示。黄河科技学院毕业设计 说明书 第 34 页图 3.7 读温度子程序流程图2、温度转换子程序 温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用 12 位的分辨率时转换时间约为 750ms，因此在本系统设计中采用 1s 显示程序延时法等待转换的完成。温度转换的子程序流程图如图 3.8 所示。开始温度零下？温度值取补码置“-”标志计算小数位温度 BCD 值计算整数位温度 BCD 值结束置“+”标志YN图 3.8 温度转换子程序流程图3、显示数据刷新子程序 显示数据刷新子程序主要是对显示数据缓冲器中的数据进行刷新操作，当最高位为 0 时把符号显示位移入下一位。4、关于数据计算的说明从 DS18B20 读取的数据必须转换为十进制才能用于数码管的显示。因为本温度传感器转换精度是 912 位可选的，为提高精度采取 12 位。在采取 12 位的转换精度时，温度寄存器里的值是以 0.0625为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以0.0625 即为十进制的温度值。而 DS18B20 的二进制与十进制之间的转换有个很特殊的关系，就是把二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一个字节，这个字节转换为十进制就是温度的百、十、个位值，而剩下的低字节的低半字节转换为十进制值后就是温度值得小数部分。小数因为是低半字节，因此二进制取值范围为 0F，黄河科技学院毕业设计 说明书 第 35 页转换为十进制的值就是 0.0625 的倍数（015 倍） 。这样需要四位的数码管来显示小数部分，而在实际应用中是不需要这么高的精度，采用 1 位数码管来显示小数，可以精确到 0.1。在本系统硬件设计中，DS1DS4 分别显示的是温度值的百位、十位、个位和小数部分。图 3.9 显示数据刷新子程序温度数据移入显示寄存器十位数 0?百位数 0?十位数显示符号百位不显示结束百位数显示数据（不显示符号）YYNN黄河科技学院毕业设计 说明书 第 36 页4 电路调试4.1 A、B 两点温度均未超限 为系统电路上电后，电源模块会将 86V265V 交流电变换成 5V 直流电为系统供电。此时，从液晶显示器上可以读出 A、B 两点的环境温度，利用键盘电路调整 A、B 两点的上下阀值，使环境温度介于上下限之间，观察系统电路的现象。 在调试初期，会出现了不正常的现象，即环境温度位于上下限之间，但系统电路鸣叫报警，这不符合预想的效果。之所以发生这种现象的原因是在设置上下限温度时，误将下限温度值设置的高于上限温度值，导致系统不能正常工作。经过调整，证实该系统电路在此种模式下能达到预想的效果。即红绿发光二极管不闪，蜂鸣器不鸣叫。4.2 A、B 中只有一点温度超限 上电后，从液晶显示器上读出 A、B 两点的环境温度，根据该环境温度调整 A、B两点的上下阀值，使 A 点的温度高于其上限温度，B 点温度介于其上下限之间，观察系统电路的现象。经调试发现，该系统电路在此种模式下能达到预期的效果，即红色发光二极管快闪，绿色发光二极管不亮，蜂鸣器鸣叫。 此时调整 A 点的上下限，使 A 点的温度值低于其下限温度，观察系统电路的现象。经调试，则该系统电路在此种模式下能达到预期的效果，即红色发光二极管慢闪，绿色发光二极管不亮，蜂鸣器鸣叫。 同上述操作步骤，经调试后系统电路能达到预期的效果。4.3 A、B 两点温度均超限 上电后，从液晶显示器上读出 A、B 两点的环境温度，根据该环境温度调整 A、B两点的上下阀值，使 A 点的温度高于其上限温度，B 点温度高于其上限温度，观察系统电路的现象。调试后该系统电路在此种模式下能达到预期的效果，即红色发光二极管快闪，绿色发光二极管快闪，蜂鸣器鸣叫。 此时调整 A 点的上下限，使 A 点的温度值低于其下限温度，同时改变 B 点的温度，使其温度低于 B 点的下限温度，观察系统电路的现象。调试后该系统电路在此种模式黄河科技学院毕业设计 说明书 第 37 页下能达到预期的效果，即红色发光二极管慢闪，绿色发光二极管慢闪，蜂鸣器鸣叫。之后我继续验证了另外两种情况，即 A 点超出上限温度，B 点低于下限温度和 A点低于下限温度，B 点高于上限温度，经调试发现，该系统电路在这两种模式下能达到预期的效果。即前者红发光二极管快闪，绿色发光二极管慢闪，蜂鸣器鸣叫；后者红色发光二极管慢闪，绿色发光二极管快闪，蜂鸣器鸣叫。黄河科技学院毕业设计 说明书 第 38 页结 束 语 在毕业设计期间，我查阅了大量的资料，参考国家对档案馆和图书馆内的环境要求指导意见设计了这套检测系统。下面是我对这一段时间的总结概括，同时也是包含我的心得体会。 本文以图书馆藏书室、粮库储粮室以及煤矿矿井的室内温度为研究对象，分析了室内环境的温度对图书保管、粮食储藏以及矿工生命安全的重要意义，并介绍了本设计的基本原理，对所选用的芯片及相关模块进行了介绍，同时对系统的软硬件进行了研究设计。 本文工作大致可以分为以下两个阶段： 1、元器件选型及总体方案确定阶段：通过查阅大量的中、英文文献，了解了室内的温度检测系统的发展状况、发展趋势以及当前的主流技术方案。同时，对系统需要用到的几种主要元器件，包括：传感器、单片机、1602液晶显示器、电源模块及报警器，进行了调查研究，并在充分了解各种元器件性能的基础上，确定了系统总体方案。 2、系统硬软件设计阶段：在硬件设计方面，详细了解了系统主要芯片的功能，在此基础上设计了电路原理图，并对电路设计时遇到的几个问题进行了初步的探讨；在软件设计方面，复习了MCS-51系列单片机特性、指令结构以及编译工具的使用方法。在编写软件程序时，定义了系统的总体设计思路，对各个子模块进行了分析研究，采用自顶向下的程序设计思想，由大到小，化难为易。通过整个设计过程，本人初步了解了产品研发的基本思路与过程，强化了理论知识，锻炼了实际动手能力，从而使自身综合素质得到了提高。硬件方面，对芯片功能、PCB的抗干扰设计都有了更深的认识；软件方面，培养了良好的编程习惯，加强了C语言和汇编的编程能力。所有这些都为本人以后的学习、工作打下了坚实的基础。 我国是一个有着悠久文明的国家，如何保存流传下来的图书也一直是档案管理人员关注的问题。现在的图书馆不断向着智能化、自动化发展，已经有不少单位为档案室和藏书馆设计了全面的环境检测系统，为图书储藏提供更加适宜的环境。但是随着社会的发展，在可见的未来，在图书保存这一块仍然是研究的热点。黄河科技学院毕业设计 说明书 第 39 页 大到国家，小到家庭，粮食的存储随处可见，而温度对粮食的存储质量有着决定性的影响，传统的多点放置多个温度计的测量监控系统已经明显的暴露了它的不足和不便之处，随着社会的发展，科技的进步，数字式的多点测温监控系统已经成为人们研究的热点之一。 人们始终没有停止对宇宙索取能源的行动，虽然人们早已认识到能源枯竭的严重现状，并投入大量的人力财力开发新能源，但对煤、天然气的开采目前仍然无法停止，而在开采能源的时候，对温度的监控显得万分重要，多年来，众多科学人士致力于该领域的研究，并做出了一定成果，但需要改进的地方仍然很多，仍需人们继续研究完善。 多点温度监测系统不仅仅用在以上所述的这些方面，在人们的日常生活中也被广泛的应用。例如，恒温鱼缸，温控室内种植，疫苗培养箱等等，都需实时监测被测环境的多点温度。 当然，限于时间和个人能力问题，本系统的设计还有许多需要改进的方面，具体表现在： 1、可以考虑加入无线传输模块，同时将小屏的 1602 液晶显示器换成电脑显示器，这样管理员坐在办公室里也可以实时而精确的监控到各个位置的温度。从而大大减缓工作人员的工作强度。 2、作为美观的需要，同时也是更深层的需要，将传感器合理分布于图书馆藏书室或粮库的储粮室的各个地方，形成矩阵分列，实时监控环境变化； 3、可以向智能化发展，一旦超过预设的环境值，芯片控制这些辅助设备工作，在室内维持一个相对稳定的环境； 4、由于时间、场地和能力的等一些条件的制约，只进行了初步的理论预设，还没有进行具体的实验验证，因此系统的稳定性和可靠性还需进一步的考证。黄河科技学院毕业设计 说明书 第 40 页致 谢 大学四年，人生经历与知识都受益良多，我满怀感激。 首先感谢黄河科技学院工学院提供给我这次难得的学习机会，因此在大学的学习过程中，无论是基础课、专业课，还是课程实践，我都尽全力而为，收获甚多。通过近 4 年的学习，我的专业知识水平无论在理论上，还是在实际研究能力上，都进了一大步。我将永远记住我的母校。 其次，感谢导师蔡超峰老师给予我们的悉心指导和照顾，他严谨的科学研究态度与治学精神仍将是我今后学习的方向。在本毕业设计过程中蔡老师从生活上、资料收集上给予了我们大力支持，给我们提供了一个优越的实验环境；更是从选题、到修改、直至设计上都不断的给予我关键性的点拨，使我在论文写作的迷茫中豁然开朗。感谢蔡老师在开题与论文修改过程中提出的中肯建议，拓展了本文的思路，加强了论文的逻辑性，亦令我受益匪浅。这些都是本论文得以完成的基础。 在此，十分感谢和我同组的同学，在整个设计的过程中，我们一起探讨硬件和软件设计中遇到的各种问题，想出解决方案。在软件设计过程中，他提出了许多非常好的见解，非常努力地工作，为系统设计做出巨大贡献。虽然系统还不是非常完美，但是如果没有他的辛勤而卓越的工作，我们的设计几乎无法达到现在的水平。在毕业设计结束之际，我在此对黄河科技学院工学院，对蔡超峰老师以及所有为我们的毕业设计提供帮助的老师们致以崇高的敬意和真心的感谢！ 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 41 页参 考 文 献1韩雪,蒋国平,马幼军.数字式温度传感器 DS18B20 在温室环境监测中的应用. 2002.9.2 .3韩志军等.单片机应用系统设计入门向导与设计实例.北京：机械工业出版社,2005.4雷思孝等.单片机原理及实用技术凌阳 16 位单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社,2004.5Motorola, Inc.,