基于单片机的温度控制检测系统设计.doc

实训题目： DS18B20实现温度监控系统 学生姓名：XXX学 号：XXX专 业：XXX班 级：XXX 指导教师：XXXII摘要随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研、各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。本文主要介绍了一个基于AT89C5单片机的测温系统，详细描述了利用温度传感器DS18B20开发温度监控系统的过程，重点对传感器在单片机上的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，特别是数字温度传感DS18B20的数据采集过程。对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现实现温度采集和显示，并可根据需要设定上下限报警温度，它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点。关键词： 单片机AT89C51；DS18B20温度传感器；PC机串口助手显示。目 录摘要1第一章 设计任务及要求31.1 设计任务31.2 设计要求3第二章 课程设计方案及器材选用32.1设计总体方案32.2器材选用分析42.2.1 DS18B20温度传感器42.2.2 AT89C51单片机介绍112.3 软件流程图122.3.1 主程序122.3.2读出温度子程序122.3.3 温度转换命令子程序132.3.4 计算温度子程序13第三章 调试性能及分析14总结15参考文献15附录1 源程序16第一章 设计任务及要求1.1 设计任务 以AT89C51单片机为核心器件，组成一个数字温度计，采用数字温度传感器DS18B20为检测器件，进行单点温度检测，检测精度为0.1摄氏度。温度显示采用PC机串口助手显示。 1.2 设计要求设计一个基于单片机的DS18B20数字温度计。课程设计要求：1、利用DS18B20实现温度的实时采集。2、利用单片机串口将温度数据以1分钟一次的间隔发送给上位机（PC机）。3、利用上位机（即串口助手发送数据）向单片机发送数据，对温度上限进行设定。4、当温度达到上限时，启动蜂鸣器报警。第二章 课程设计方案及器材选用2.1设计总体方案本数字温度计设计采用智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55C至+125C，最大分辨率可达0.0625C。DS18B20可以直接读出被测量的温度值，而采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。采用AT89C51单片机作为控制核心对温度传感器DS18B20控制，读取温度信号并进行计算处理，并送到PC机串口助手显示。 按照系统设计功能的要求，确定系统由4个模块组成：主控制器、测温模块、报警模块和显示模块。数字温度计总体电路结构框图如图2.1所示。 主 控 制 器PC机串口助手显示温 度 传 感 器单片机复位时钟、振荡蜂鸣器报警图2.1总体设计方框图2.2器材选用分析2.2.1 DS18B20温度传感器1. DS18B20的特点本设计的测温系统采用芯片DS18B20，DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它的体积更小，适用电压更宽，更经济。实现方法简介DS18B20采用外接电源方式工作，一线测温一线与STC89C51连接，测出的数据放在寄存器中，将数据经过BCD码转换后送到LED显示。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，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。DS18B20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；零待机功耗；温度以9或12位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作； 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。DS18B20的管脚排列如图3.5所示。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。不同的器件地址序列号不同。C64 位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器Vdd图3.5 DS18B20的内部结构图3.6 DS18B20的引脚分布图64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3.6所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3.7所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。图3.7 DS18B20的字节定义DS18B20高速暂存器共9个存存单元，如表3-1所示：表3-1 DS18B20的引脚分布图序号寄存器名称作 用序号寄存器名称0温度低字节以16位补码形式存放4、5保留字节1、21温度高字节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8CRC以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个高低两个8位的RAM中，二进制中的前面5位是符号位表3-2所示。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才能得到实际温度表3-2。表3-2 DS18B20的字节存放表高8位SSSSSSSS低8位232221202-12-22-32-4由图3.7可以看到，DSl8B20的内部存储器是由8个单元组成，其中第0、1个存放测量温度值，第2、3分别存放报警温度的上下限值，第4单元为配置单元，5、6、7单元在DSl8B20这里没有被用到。对于第4个寄存器，用户可以设置温度转换精度，系统默认12bit转换精度，相当于十进制的00625，其转换时间大约为750us。图3.7 内部存储器结构图表3-3 温度精度配置R1R0转换精度（16进制）转换精度（十进制）转换时间009bit0.593.75ms0110bit0.25187.5ms1011bit0.125375ms1112bit0.0625750ms由表3-3可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表3-4是一部分温度值对应的二进制温度数据。表3-4 温度精度配置温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90HDS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若TTH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报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报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理是这这样的,器件中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；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲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所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。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计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。 另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。 由于DS18B20采用的“一线总线”结构，所以数据的传输与命令的通讯只要通过微处理器的一根双向Io口就可以实现。DSl8B20约定在每次通信前必须对其复位，具体的复位时序如图3.8 图3.8 复位时序图 图3.8，tRSTL为主机发出的低电平信号，本文中有AT89S52提供，tRSTL的最小时延为480us,然后释放总线，检查DSl8B20的返回信号，看其是否已准备接受其他操作，其中tPDHIGH时间最小为15us，过60us为DS18B20没有准备好，主机应继续复位，直到检测到返回信号变为低电平为止。表3-5 DS18B20的ROM操作指令操作指令33H55HCCHF0HECH含义读ROM匹配ROM跳过ROM搜索ROM报警搜索ROM表3-6 DS18B20的存储器操作指令操作指令4EHBEH48H44HD8HB4H含义写读内部复制温度转换重新调出读电源主机一旦检测到DS18B20的存在，根据DS18B2的工作协议，就应对ROM进行操作，接着对存储器操作，最后进行数据处理。在DS18B20中规定了5条对ROM的操作命令。见表3-5。主机在发送完ROM操作指令之后，就可以对DS18B20内部的存储器进行操作，同样DS18B20规定了6条操作指令。见表3-6。 DS18B20的读、写时序图见图3.9。图3.9 DS18B20的读写时序图2.DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S52单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单图3.10 DS18B20的复位时序图3.11 DS18B20的读时序图3.12 DS18B20的写时序总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程图3.11和图3.12。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。DS18B20的写时序，对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程，对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单线。2.2.2 AT89C51单片机介绍1. AT89C51的主要性能AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示 。2.3 软件流程图系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换子程序、计算温度子程序、显示等等。 2.3.1 主程序主要功能是完成DS18B20的初始化工作，并进行读温度，将温度转化成为压缩BCD码 并在显示器上显示传感器所测得的实际温度。2.3.2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字节，在读出时需要进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图3.12所示。返回DS18B20复位跳过ROM命令读取温度命令读取操作CRC检验9字节完？CRC检验正确？移入温度寄存器NYNY图3.12 读出温度子程序2.3.3 温度转换命令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位分辩率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。流程图如图3.13发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令返回图3.13 温度转换流程图2.3.4 计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图3.14所示YN开始温度零下？温度取值补码置“”标志计算小数位温度计算整数位温度置“+”标志返回图3.14 计算温度子程序第三章 调试性能及分析 系统的性能调试以主程序为主。硬件调试比较简单，直接给试验箱电，软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验，然后分别进行主程序、从程序的编写和调试，由于DS18B20与单片机采用串行数据传送，因此对DS18B20进行编程时必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测量结果。由于DS18B20精度较高，所以误差指标可以限制在0.1C以内，另外，-55C至+125C的测温范围使得该温度计完全适用于一般的应用场合。总结本次的实训共一周时间，经过这次的课程设计，我们不仅加深了对相关软硬件的了解和使用，还学到了许多课本上没有涉及知识，同时对本学期学习的单片机课程进行了一次全面的复习和巩固，收益很大。我们知道，课程设计一般强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。通过本次课设，能够使我们熟练掌握单片机控制电路的设计、程序编写和系统调试，从而全面地提高我们对单片机的软件、硬件等方面的理解，进而增强我们在实践环节的动手操作能力。譬如，我们可以根据实验指导书的要求，完成DS18B20电路的硬件设计、电路器件的选择、单片机软件的运行、以及整体系统调试，并写出完善的设计报告。在进行课设之前，要求我们具备数字电路、模拟电路、电路基础、微机原理、电力电子、电机学和单片机等相关课程的知识，并具备一些基本的实践操作水平，为以后的就业打好一定的基础。总的来说，这次的课程设计自己还是很满意的，感觉收获了不少东西，相信此次学到的知识在以后的生活和学习中对我会有很大的帮助！参考文献1 张五一，张道光.微机原理与接口技术.郑州：河南科学技术出版社，20062 倪晓军.单片机原理与接口技术教程.北京：清华大学出版社，20098 张友德，涂时亮. 单片微型机原理、应用与实验M. 复旦大学出版社.附录1 源程序第一部分 串口显示和报警程序#include#includetemp.hsbit buzz=P10;uint temph,tt,n;void delay1(uint m)uint i,j;for(i=m;i0;i-)for(j=123;j0;j-); void song(int x)int y=x;buzz=0;for(;y0;y-);buzz=1;for(;y0;y-);void Display(int temp) unsigned char i, datas = 0, 0, 0, 0, 0; /定义数组 float tp; tp=temp;/因为数据处理有小数点所以将温度赋给一个浮点型变量tt=tp*0.0625;temp=tp*0.0625*100+0.5; datas0 = temp / 10000; datas1 = temp % 10000 / 1000; datas2 = temp % 1000 / 100; datas4 = temp % 100 / 10; datas5 = temp % 10;SBUF=+;while(!TI); TI=0;for(i=0;i0;n-)if(tttemph) song(10);第二部分DS18B20c初始化，读字节，写字节，读取温度程序#includetemp.h/* 函 数 名 : Delay1ms* 函数功能 : 延时函数* 输 入 : 无* 输 出 : 无*/void Delay1ms(uint y)uint x;for( ; y0; y-)for(x=110; x0; x-);/* 函 数 名 : Ds18b20Init* 函数功能 : 初始化* 输 入 : 无* 输 出 : 初始化成功返回1，失败返回0*/uchar Ds18b20Init()uchar i;DSPORT = 0; /将总线拉低480us960usi = 70;while(i-); /延时642usDSPORT = 1;/然后拉高总线，如果DS18B20做出反应会将在15us60us后总线拉低i = 0;while(DSPORT)/等待DS18B20拉低总线i+;if(i5)/等待5MSreturn 0;/初始化失败Delay1ms(1);return 1;/初始化成功/* 函 数 名 : Ds18b20WriteByte* 函数功能 : 向18B20写入一个字节* 输 入 : com* 输 出 : 无*/void Ds18b20WriteByte(uchar dat)uint i, j;for(j=0; j= 1;/* 函 数 名 : Ds18b20ReadByte* 函数功能 : 读取一个字节* 输 入 : com* 输 出 : 无*/uchar Ds18b20ReadByte()uchar byte, bi;uint i, j;for(j=8; j0; j-)DSPORT = 0;/先将总线拉低1usi+;DSPORT = 1;/然后释放总线i+;i+;/延时6us等待数据稳定bi = DSPORT; /读取数据，从最低位开始读取/*将byte左移一位，然后与上右移7位后的bi，注意移动之后移掉那位补0。*/byte = (byte 1) | (bi 7); i = 4;/读取完之后等待48us再接着读取下一个数while(i-);return byte;/* 函 数 名 : Ds18b20ChangTemp* 函数功能 : 让18b20开始转换温度* 输 入 : com* 输 出 : 无*/void Ds18b20ChangTemp()Ds18b20Init();Delay1ms(1);Ds18b20WriteByte(0xcc);/跳过ROM操作命令 Ds18b20WriteByte(0x44); /温度转换命令/* 函 数 名 : Ds18b20ReadTempCom* 函数功能 : 发送读取温度命令* 输 入 : com* 输 出 : 无*/void Ds18b20ReadTempCom()Ds18b20Init();Delay1ms(1);Ds18b20WriteByte(0xcc); /跳过ROM操作命令Ds18b20WriteByte(0xbe); /发送读取温度命令/* 函 数 名 : Ds18b20ReadTemp* 函数功能 : 读取温度* 输 入 : com* 输 出 : 无*/int Ds18b20ReadTemp()int temp = 0;uchar tmh, tml;Ds18b20ChangTemp(); /先写入转换命令Ds18b20ReadTempCom();/然后等待转换完后发送读取温度命令tml = Ds18b20ReadByte();/读取温度值共16位，先读低字节tmh = Ds18b20ReadByte();/再读高字节temp = tmh;temp = 8;temp |= tml;return temp;第三部分temp.h头文件程序#ifndef _TEMP_H_#define _TEMP_H_#include/-重定义关键词-/#ifndef uchar#define uchar unsigned char#endif#ifndef uint #define uint unsigned int#endif/-定义使用的IO口-/sbit DSPORT=P33;/-声明全局函数-/void Delay1ms(uint );uchar Ds18b20Init();void Ds18b20WriteByte(uchar com);uchar Ds18b20ReadByte();void Ds18b20ChangTemp();void Ds18b20ReadTempCom();int Ds18b20ReadTemp();#endif目 录第一章 总 论1第一节 项目名称及承办单位1第二节 研究工作的依据与范围2第三节 简要研究结论3第四节 主要经济技术指标5第二章 项目提出的背景及必要性7第一节 项目提出的背景7第二节 项目建设的必要性13第三章 市场预测与需求分析19第一节 车用生物燃气市场发展分析19第二节 有机肥市场分析23第四章 建设规模与产品方案29第一节 建设规模29第二节 产品方案29第五章 厂址选择与建设条件31第一节 厂址方案31第二节 建设条件32第六章 工艺技术方案40第一节 项目组成40第二节 生产技术方案40第三节 生产设备53第七章 原辅材料供应56第一节 原辅材料供应56第二节 公用设施58第八章 工程建设方案59第一节 总图运输59第二节 建筑结构工程62第三节 公用工程70第九章 环境保护、劳动安全卫生75第一节 环境保护75第二节 劳动安全卫生77第十章 节能与消防84第一节 节 能84第二节 消 防89第十一章 企业组织与劳动定员92第一节 企业组织92第二节 劳动定员92第三节 人员培训93第十二章 项目实施进度计划94第十三章 建设项目招标方案95第十四章 投资估算与资金筹措97第一节 投资估算97第二节 资金筹措98第十五章 财 务 评 价100第十六章 社会影响分析105第一节 社会效益分析105第二节 社会风险分析10622