溫度檢測系統(tǒng)

1、機電專業(yè)課程設計中國E礦業(yè)大學2011 機幾電專本孫 長 青2012 年三6月學生姓名李曉曉溫度檢測系統(tǒng)學 院年級專業(yè) 指導教師 完成日期、八 、刖言溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業(yè)生產和自動控制中最常見的工藝 參數(shù)之一，生產過程中常常需要對溫度進行檢測和監(jiān)控。 在傳統(tǒng)的溫度測控系統(tǒng) 設計中，往往采用模擬技術進行設計，這樣就不可避免地遇到諸如傳感器外圍電 路復雜及抗干擾能力差等問題；而其中任何一環(huán)節(jié)處理不當，就會造成整個系統(tǒng) 性能的下降。采用數(shù)字溫度傳感器與單片機組成的溫度檢測系統(tǒng)進行溫度檢測、 數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)存儲，體積減小，精度提高，抗干擾能力強，并可組網(wǎng)進行多點 協(xié)測，還可以實現(xiàn)實時

2、控制等技術，在現(xiàn)代工業(yè)生產中應用越來越廣泛。本設計就采用以51單片機為核心，和單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20模 擬出一溫度控制系統(tǒng)，當溫度沒有超過預設溫度時數(shù)碼管顯示當前溫度，此本系統(tǒng)就是一個溫度計。當溫度超過預設溫度時電路中的發(fā)光二極管就會閃爍報警， 當溫度降下時就停止閃爍，此時本系統(tǒng)就是一個溫度監(jiān)控器。以DS18B20為代表的新型單總線數(shù)字式溫度傳感器集溫度測量和A/D轉換于一體，直接輸出數(shù)字量，與單片機接口電路結構簡單，廣泛使用于距離遠、節(jié)點分布多的場合，具有 較強的推廣應用價值。目錄刖 言 11總體設計方案 31.1設計的目的及意義 31.2總體設計思路 31.3總體設計方案設

3、計 32系統(tǒng)的硬件結構設計 42.1器件的選擇 42.2電路設計及功能 82.3單片機的內部資源 92.4芯片DS18B2C器件介紹 103系統(tǒng)的軟件設計 133.1設計的流程圖 133.2系統(tǒng)部分程序的設計和分析 14結論 16附錄I程序設計 17附錄U 參考文獻 21附錄川結束語 22附錄W實物照片 231總體方案設計1.1設計目的及意義（1）在學習了三年的課程后，為了加深對理論知識的理解， 學習理論知識在 實際中的運用，培養(yǎng)動手能力和解決實際問題的經(jīng)驗。（2）通過實驗提高對單片機的認識，通過實驗提高焊接、布局、電路檢查能 力。（3）通過實驗提高軟件調試能力。（4） 進一步熟悉和掌握單片機

4、的結構及工作原理，通過課程設計，掌握以單 片機核心的電路設計的基本方法和技術。（5）通過實際程序設計和調試，逐步掌握模塊化程序設計方法和調試技術。（6）熟悉水箱溫度控制的工作原理，選擇合適的元件，繪制系統(tǒng)電路原理 圖，運用單片機原理及其應用，進行軟硬件系統(tǒng)的設計和調試，加深對單片機的 了解和運用，進而提高自己的應用知識能力、設計能力和調試能力。 1.2總體設計思路本設計以單片機為基礎，溫度監(jiān)控系統(tǒng)大致上可以分為以下幾個步驟：系統(tǒng)分析過程（1）根據(jù)系統(tǒng)的目標，明確所采用溫度監(jiān)控系統(tǒng)的目的和任務。（2）確定系統(tǒng)所在的工作環(huán)境。（3）根據(jù)系統(tǒng)的工作要求，確定系統(tǒng)的基本功能和方案。1.2.2 系統(tǒng)設計

5、內容（1 ）構思設計溫度監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程。（2）對要求設計的系統(tǒng)進行功能需求分析，考慮多種設計方案，比較各方 案的特點，并確定合理可行的方案，并設計相應的功能結構。（3）根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，選擇合適型號的芯片及元器件。（4）設計以單片機為核心的控制程序。（5）電路板及其結構的設計。（6）進行系統(tǒng)的調試，完成最終的設計。1.3總體設計方案設計系統(tǒng)框圖本設計為無線電控制電路，系統(tǒng)框圖如下所示:圖1-1系統(tǒng)框圖復位電路報警電路溫度傳感器顯示電路晶振電路系統(tǒng)功能此設計以單片機為核心的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其功能是：平常狀態(tài)下可以做溫 度計使用。當溫度超過預設溫度時二極管會閃爍報警， 當溫度降下時二極管則停

6、止閃爍。2系統(tǒng)的硬件結構設計2.1器件的選擇在本設計系統(tǒng)中用到的主要器件有單片機核心控制器、溫度傳感器、數(shù)碼管 顯示器。選擇合適的器件完成設計任務，目前各半導體公司、電氣商都向市場上 推出了形形色色的器件，如何選擇合適的器件使系統(tǒng)最大的簡單化，功能優(yōu)異化， 可靠性強，成本低廉，成為了器件選擇的重中之重。一般來說，選擇器件要考慮 一下幾個方面：（1）芯片的封裝形式。如DIP （雙列直插）封裝及表面貼附等。（2） 器件的基本性能參數(shù)。如單片機執(zhí)行速度、程序儲存器容量、I/O 口 引腳數(shù)量等。（3）芯片的功耗。如單片機選擇能滿足低功耗的要求。（4）供貨渠道是否暢通，價格是否低廉。STC89C516R

7、D+系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051單片機，12時鐘/機器周期和6 時鐘/機器周期可任意選擇，最新的D版本內部集成MAX810專用復位電路，根 據(jù)本系統(tǒng)的實際情況，選擇STC89C516RD+片機。溫度傳感器選擇DS18B20顯 示選擇共陰極數(shù)碼管。2.1.1 單片機（STC89C516RD+的引腳功能圖圖 2-1 STC98C16RD+I腳圖1P1 0VCC40AP1.1 P1.2PO.O/ADD PO.mDl4P1.3 P1 4P0.2/AD2 PD 3/AD36_P1 6P1 6PO 4/AD4P0.5/AD58P1 7PO

8、.S/ADSRSTA/PDP0.7/AD7P30/RXDEAP3.1JTXDALE131415Ji產P3.2ZINT0PSENP3.3ZINTTP2.WA15P3.4AT0P2.6/ 陽 4P35EP2.9A13162D-P3.&WRP2.4/A12P3.7/RDP2.3fA11XTAL2P2.2/A10XTAL1VSSP21A9P20/A8各引腳及功能說明（1）電源引腳：Vcc : 40腳 正電源腳，工作電壓為 5V。GND 20腳接地端。（2）單片機I/O 口：P0 口： P0 口為一個8位漏極開路雙向I/O 口。P0 口能用于外部程序數(shù)據(jù) 存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位

9、。在FLASH編程時，P0 口作為原碼 輸入口，當FALSH進行校驗時，P0 口輸出原碼，此時P0 口外部必須被拉高。P1 口 ： P1 口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O 口。P1 口管腳寫入 1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流。 在FALSH編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O 口。當P2 口被寫入“ 1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。P2 口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。P2 口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信

10、號和控制信號。P3 口： P3 口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O 口。當P3 口寫入“1” 后，它們被內部上拉為高電平并用作輸入。P3 口除作I/O 口使用外，還有特殊功能如圖所示：表P3 口的特殊功能P3引腳兼用功能P3.0串行通訊輸入(RXDP3.1串行通訊輸出(TXDP3.2外部中斷0 ( INTO)P3.3外部中斷1( INT1)P3.4定時器0輸入(TO)P3.5定時器1輸入(T1)P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通WRP3.7外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通RD(3) RST復位:當振蕩器復位器件時，要保持RS腳兩個機器周期的高電平時間。復位可分 為上電復位和手動復位兩種，如圖所示：圖2-2C

11、1IJi89C51F1R1taxVcc手動電平復位電路復位電路晶振電路:XTAL1 :反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。晶振電路如圖所示：圖2-3晶振電路C1(5) ALE/PROG :當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASHY程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期 輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖 或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE 脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8E地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行

12、MOV， MOV指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行 狀態(tài)ALE禁止，置位無效。(6) /PSEN :外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周 期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN言號將不出 現(xiàn)。(7) /EA/VPP :當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(0000H-FFFFH，不管是 否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET當/EA端保持 高電平時，此間內部程序存儲器。2.1.3 單片機最小系統(tǒng)如圖所示:.T-.C12uuF .cppp >cr crH：FR

13、9 ?°uFU1>XTAL1CRYSTRST29kLXTAL210k<TEXT>PSEN ALEEA1<JuPO.OZADOPO.1ZAD1P0.2XA02P0.3ZAD3P0.4/AD4PO.5ZAD5P0.6ZAD5PO.7ZAD7P2.0ZASP2.1XASP22/A10P2.3/A11P2.4/A12F2.5/A13P2.&/A14P2.7/A15212425262728圖2-4單片機最小系統(tǒng)2.2電路設計及功能本設計大體可分為三個部分，即溫度采集，數(shù)碼顯示，報警電路。溫度采集 部分利用DS18B2進行溫度采集，感知溫度，后數(shù)碼顯示出溫度，若溫

14、度超過了 預設溫度報警電路則啟亮發(fā)光二極管，閃爍。整體電路圖如下所示：訕叔i PEL 訓 DI K2iD2 盹測M PEL 朋 DA 啊髀M FOJ&ftre PD.7JWD7 F出 Al 畐 I 羽 & VA?35 1T 豆12U129-cTBCTs4"Pli£ P1IJPSEN ALEXTWL2. AT»C5J -=TECT=-i-iE T=- -*cHEXT=-P2HWBP2-1« R22MXI P2311 P2.MM2 P2Sffi,1J P2J6MU PS.TIS223.1/TXOF32/1NTD 閃加TFP3.4/TB P3J

15、5XT1 Pg匝 P3.7/RD1DL1l2nl£15一ti-IT一-1S1» - " -sT-ET*-ABCDEFG DP圖2-5溫度監(jiān)控系統(tǒng)電路圖2.3單片機的內部資源51單片機給用戶提供了豐富的內部資源， 如定時/計數(shù)器，串行口等，而沒 有中斷就無法用到單片機提供的資源。再者，中斷可以提高單片機的工作效率， 由于本設計中用到了中斷程序，所以我們先介紹一下中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)：在8位單片機中，51單片機是中斷功能較強的一種，它提供了 5個中斷請求 源和兩個中斷優(yōu)先級控制。在計算機運行過程中要處理很多問題， 既有主機內部也有外部的，既有預定 的也有外設的，面對復雜

16、多變的情況，CP要從容的完成各種任務，必須有中斷功能。中斷系統(tǒng)解決了計算機與外圍設備交換信息時， 慢速工作的外圍設備與快 速工作的CPU之間的矛盾，設置了中斷就可以提高CPU勺工作效率，具有實時處理 功能，使CPI能很快做出反應解決現(xiàn)場的各種參數(shù)和狀態(tài)的變化，還具有故障處 理功能，處理工作時故障的中斷服務程序，此外還有實現(xiàn)分時操作、程序調試、 多機連接等方面。運行過程如下：現(xiàn)行程序繼續(xù)執(zhí)行中斷斷點中斷服務程序圖2-6中斷控制過程不同的單片機的中斷源是不同的，在此系統(tǒng)中的單片機有五個中斷源，具 有兩個中斷優(yōu)先級，可以實現(xiàn)二級中斷服務程序嵌套。每個中斷源可以編程為高 優(yōu)先級或低優(yōu)先級中斷，允許或禁

17、止 CP請求中斷。與中斷系統(tǒng)有關的特殊功能 寄存器有中斷允許寄存器IE、中斷優(yōu)先寄存器IP、中斷源寄存器（TCONSCO） 從中斷響應過程可以看出在執(zhí)行一種中斷服務程序時，另一個同級中斷不能 被響應，必須在執(zhí)行RET指令后，在執(zhí)行一條其他條令，CP才能響應。利用這 一特點，可以實現(xiàn)單步操作。其實現(xiàn)過程如下：設置中斷 P3.2為電平觸發(fā)方式， 高優(yōu)先級中斷，CP外部中斷0開中斷，即應執(zhí)行以下指令：CLR IT0, SETB EA, SEB EX0 .在中斷服務程序結尾增加以下指令：K0:jnbP3.2,K0； P3.2變高前原地等待K1： jbP3.2,K1； P3.2變低前原地等待RETI;中

18、斷返回若P3.2為低電平就進入外中斷0的中斷服務。由于上述幾條指令的存在，程 序將在JNBB原地等待，當P3.2端出現(xiàn)一個正脈沖，程序就往下進行，在執(zhí)行RET1 和返回后的一條其他指令后，又立即進入外部中斷P3.2服務程序，以等待P3.2端出現(xiàn)下一個脈沖，這樣P3.2端沒出現(xiàn)一次正脈沖就執(zhí)行一條新的指令實現(xiàn)了單 步操作。GATE定時/計數(shù)器門控制位，用于設定定時/計數(shù)器的啟動是否受外部中斷請求 信號的控制。GATB 1時，T0和T1的啟動分別受芯片引腳/INT0(P3.2)和 /INT1(P3.3)的控制。GAT旨0時，定時/計數(shù)器的啟動與引腳/INT0、/INT1無關。51單片機定時/計數(shù)器

19、工作模式：51單片機的定時/計數(shù)器有4種工作模式，由TMO寄存器的MQ M1 兩位確定。 這些在前邊已經(jīng)提到過了，而本次設計采用的是工作模式 1所以在此具體介紹這 一種，至于其他幾種，由于本次設計用的定時器中斷是 T1所以不能選用模式3， 而模式2的技術值太小，所以一般也不是經(jīng)常運用，模式 0的計數(shù)比模式1復雜， 技術值也不如它大，所以選用模式1是最好的方案。將TMO的M1 M(位分別設為0、1,定時/計數(shù)器工作模式1下。此時定時/計 數(shù)器是一個16位定時/計數(shù)器，TLX組成定時/計數(shù)器低8位，THXfl成定時/計數(shù)器16的高8位，TLX溢出后向THXS位，最大計數(shù)值位2 = 65536。2.

20、4芯片DS18B2器件介紹DS1820數(shù)字溫度計提供9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送 入DS1820或從DS1820送出，因此從中央處理器到DSI820僅需連接一條線(和地)。 讀、寫和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。因為每一個DSI820有唯一的系列號(silicon serial numbe)，因此多個DSI820可以存在于同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度靈敏器件。 此 特性的應用范圍包括HVA環(huán)境控制，建筑物、設備或機械內的溫度檢測，以及過 程監(jiān)視和控制中的溫度檢測。管腳圖如下：DALLASDSIXH卻TO巴押軒虞視閉h円nn

21、NC|1TVmi3岳II|451muiMk 11NCNCNCSJFill圖2-7 DS18B20管腳圖2.4.1 DS18B20的主要性能特點(1) 只需一個端口即可實現(xiàn)通信。(2) 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.0V5.5V。(3) 實際應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。(4) 測溫范圍：-55 C+125C，在-10 C+85C時精度為土 0.5 C。(5) 可編程的分辨率為 912位，對應的分辨溫度為 0.5 C、0.25 C、 0.125 C和 0.0625 °C。(6) 負壓特性：電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工 作。(7) 內部有溫度上、下限告警

22、設置。非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL。可通過軟件寫入用戶報警上下限值。(8) 每個芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址，零功耗等待。2.4.2 DS18B20 的結構DS18B20的引腳排列采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝。I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線)，屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后常態(tài)下呈高電平 UD是可供選用的外部+5V電源端，不用時需接地。GND為地，NC為空腳。DS18B2的內部結構框圖:位 mm-rtttt旣血tr吃器 TL111圖2-8 DS18B20內部結構圖243 DS18B20的工作時序(1) DS18B2的復位時序fi |1H1I圖2-9 DS18B20復位時序

23、圖(2) DS18B2的讀時序對于DS18B20的讀時序分為讀 0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18B20的讀時序是從主機把單總線拉低之后，在15s之內就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個讀時序過程， 至少需要60卩s才能完成。<iNOI ffcacac r 1/料in W1圖2-10 DS18B20讀時序圖(3) DS18B20勺寫時序對于DS18B20的寫時序仍然分為寫 0時序和寫1時序兩個過程。對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉 低至少60卩s,保證DS18B20能夠在15卩s45卩s之間能夠正

24、確地采樣10總 線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在 15卩s之內就得 釋放單總線。圖2-11 DS18B20寫時序圖3系統(tǒng)的軟件結構設計3.1設計的流程圖開皓是T結束3.2系統(tǒng)部分程序設計及分析321復位子程序(1) 主機將信號線置為低電平，時間為 480-960uS。(2) 主機將信號線置為高電平，時間為15-60uS。(3) DS18B20發(fā)出60-240uS的低電平作為應答信號，主機收到此信號才操作。 復位子程序如下所示：char fuwei(void)un sig ned char i;s=0;for(i=255;i>0;i-);s=1;for(i=200;i

25、>0;i-);讀子程序(1) 主機將信號線從高電平拉至低電平1uS以上，再升為高電平，產生讀起始信號。(2) 從主機將信號線從高電平拉至低電平15-60uS的時間內，DS18B20將數(shù)據(jù)放到信號線上，完成1個讀周期。(3) 在開始另一個讀周期前，必須有1uS以上的高電平恢復期。 讀子程序如下所示：un sig ned char duchu(void)un sig ned char i,j,t=0,w=1;for(i=0;i<8;i+)t=t>>1;s=0;_nop_();_nop_();s=1;for(j=10;j>0;j-);if(s=1)t=t|0x80;el

26、set=t|0x00;for(j=100;j>0;j-);return(t);323寫子程序(1)主機將信號線從高電平拉至低電平，產生寫起始信號。 從信號線的下降沿開始，在15-60uS的時間內，DS18B20對信號線檢測, 如高則寫1,低則寫0,完成1個寫周期。(3)在開始另一個寫周期前，必須有1uS以上的高電平恢復期。寫子程序如下所示：un sig ned char xieru (un sig ned char o)char i,j;for(i=0;i<8;i+)if(o&0x01)=0)s=0;for(j=35;j>0;j-);s=1;elses=0;for(j

27、=2;j>0;j-);s=1;for(j=33;j>0;j-);o=o>>1;324其他程序本設計中除了上述三個子程序外， 還涉及到顯示程序，數(shù)據(jù)處理程序，中斷 程序和延時程序等，由于篇幅原因不作具體介紹，詳見附錄I。結論通過這次畢業(yè)設計，提升了我的自學能力，通過不斷的查閱資料，通過老師 的不斷講解，來解決其中遇到的困難，比如如何解決 DS18B2控制問題，如何解 決報警問題等。本文所討論的設計采用了宏晶科技的 STC89C516RD+片機作為系統(tǒng)的中央 控制單元，DS18B20乍為溫度采集器，并結合軟件編程，實現(xiàn)溫度傳感電路與單 片機的結合。該系統(tǒng)具有更高速、更靈敏、

28、更簡捷地獲取被分析、檢測、控制對象的溫度 信息的能力，同時具有良好的抗干擾及環(huán)境適應能力（測溫范圍-55 C +125 C）。因其體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備 數(shù)字測溫和控制領域，且系統(tǒng)結構較為簡單，可大規(guī)模的采用，成本低廉。附錄I程序設計#i nclude"reg51.h"#include"intrins.h"/匯編語句的C語言調用接口un sig ned char g=O,a=O,b=O,c=O,d=O,e=O,t;Un sig ned charm=0xfa,0x82,0xd9,0xcb,0xa3,0x6b,0x7b,0xc

29、2,0xfb,0xeb;sbit s=P1A1;/DS18B20的與單片機連接的I/O 口sbit z=P1A6;/發(fā)光二極管char fuwei(void)un sig ned char i;s=0;for(i=255;i>0;i-);s=1;for(i=200;i>0;i-);/復位程序un sig ned char xieru (un sig ned char o) /寫入18B20子程序char i,j;for(i=0;i<8;i+)if(o&0x01)=0)s=0;for(j=35;j>0;j-);s=1;elses=0;for(j=2;j>0;

30、j-);s=1;for(j=33;j>0;j-);o=o>>1;un sig ned char duchu(void)/un sig ned char i,j,t=0,w=1;for(i=0;i<8;i+)t=t>>1;s=0;_nop_(); _nop_();s=1;for(j=10;j>0;j-);if(s=1) t=t|0x80;else t=t|0x00;for(j=100;j>0;j-);return(t);void display(void)/un sig ned char i, j;for(i=0;i<10;i+)P2=0x0

31、0; P0=0x04;P2=ma;讀出18B20子程序顯示程序for(j=0;j<160;j+);P2=0x00; P0=0x02;P2=mb|0x04;for(j=0;j<160;j+);P2=0x00; P0=0x01;P2=mc;for(j=0;j<160;j+);P2=0x00; P0=0x08;P2=md;for(j=0;j<160;j+);P2=0x00;if(a>=2) z=z;else z=1;數(shù)值轉換子程序void smzh(void)/un sig ned int k,w;un sig ned int n =0,0;fuwei();xieru(0xcc);xieru(0xbe);n0=duchu();n1=duchu();k=n 0>>4;t=n 1<<4;t=t&0x70;t=t|k;a=t%100/10;b=t%10;w=n0&0x0f;w=w*1000/16;c=w/100;d=w%100/10;mai n()/z=1;TM0D=0x01;EA=1;ET0=1;TH0=(65535-4000)/256;TL0=(65535-4000)%256;while(1)fuwei();xieru(0xcc);xieru(0x44);TR0=1;while