温度警报器的设计.doc

1、 目 录摘要41 引言41.1课题背景41.2研究内容和意义62 芯片介绍62.1 DS18B20概述62.1.1 DS18B20封装形式及引脚功能72.1.2 DS18B20内部结构72.1.3 DS18B20供电方式92.1.4 DS18B20的测温原理102.1.5 DS18B20的ROM命令122.2 AT89C52概述132.2.1单片机AT89C52介绍132.2.2功能特性概述133 系统硬件设计143.1 单片机最小系统的设计143.2 温度采集电路的设计154 总结16致谢17参考文献18附录A 总电路图19附录B 原器件清单19附录C 温度报警器部分程序20 引言1.1课题

2、背景温度是工业对象中主要的被控参数之一，如冶金、机械、食品、化工各类工业生产中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的温度处理要求严格控制。随着科学技术的发展，要求温度测量的范围向深度和广度发展，以满足工业生产和科学技术的要求。基于AT89C51单片机提高了系统的可移植性、扩展性，利于现代测控、自动化、电气技术等专业实训要求。以单片机为核心设计的温度报警器，具有安全可靠、操作简单方便、智能控制等优点。温度对于工业生产如此重要，由此推进了温度传感器的发展。温度传感器主要经过了三个发展阶段1：（1）模拟集成温度传感器。该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传

3、感器。此种传感器具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等特点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等；（2）模拟集成温度控制器。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别；1.2研

4、究内容和意义本温度报警器以AT89C51单片机为控制核心,由一数字温度传感器DS18B20测量被控温度，结合7段LED以及驱动LED的74LS245组合而成。当被测量值超出预设范围则发出警报，且精度高，适用于大多数工业生产以及教育教学领域。温度是一种最基本的环境参数，它是与人类的生活、工作关系最密切的物理量，也是各门学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测量的物理量。从工业炉温、环境气温到人体温度；从空间、海洋到家用电器，各个技术领域都离不开测温和控温。因此，研究温度的测量和控制方法具有重要的意义。AT89C52单片机数字温度传感器双限报警系统译码显示电路设计原理2 芯片介绍2.1 DS18B

5、20概述DS18B20是Dallas公司继DS1820后推出的一种改进型智能数字温度传感器，与传统的热敏电阻相比，只需一根线就能直接读出被测温度值，并可根据实际需求来编程实现912位数字值的读数方式3。2.1.1 DS18B20封装形式及引脚功能 图2.1 DS18B20封装形式和引脚功能如图2.1所示，DS18B20的外形如一只三极管，引脚名称及作用如下：GND:接地端。DQ：数据输入/输出脚，与TTL电平兼容。VDD：可接电源，也可接地。因为每只DS18B20都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采用数据总线供电方式时VDD接地，可以节省一根传输线，但完成数据测量的时

6、间较长；采用外部供电方式则VDD接+5V，多用一根导线，但测量速度较快。2.1.2 DS18B20内部结构64位ROM和单线接口存储和控制逻辑 高速缓存器温度传感器高温触发器TH低温触发器TL匹配寄存器8位CRC发生器电源检 测CDQVDD内部电源VDD图2.2 DS18B20内部结构图2.2中出示了DS18B20 的主要内部部件，下面对DS18B20内部部分进行简单的描述4:(1)64位ROM。64位ROM是由厂家使用激光刻录的一个64位二进制ROM代码，是该芯片的标识号，如表2.1所示：表2.1 64位ROM标识8位循环冗余检验48位序列号8位分类编号（10H）MSB LSBMSB LSB

7、MSB LSB 第1个8位表示产品分类编号，DS18B20的分类号为10H；接着为48位序列号。它是一个大于281*1012的十进制编码，作为该芯片的唯一标示代码；最后8位为前56位的CRC循环冗余校验码，由于每个芯片的64位ROM代码不同，因此在单总线上能够并接多个DS18B20进行多点温度实习检验。（2）温度传感器。温度传感器是DS18B20的核心部分，该功能部件可完成对温度的测量通过软件编程可将-55125范围内的温度值按9位、10位、11位、12位的分辨率进行量化，以上的分辨率都包括一个符号位，因此对应的温度量化值分别为0.5、0.25、0.125、0.0625，即最高分辨率为0.06

8、25。芯片出厂时默认为12位的转换精度。当接收到温度转换命令（44H）后，开始转换，转换完成后的温度以16位带符号扩展的的二进制补码形式表示，存储在高速缓存器RAM的第0，1字节中，二进制数的前5位是符号位。如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测得的数值乘上0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测得的数值需要取反加1再乘上0.0625即可得到实际温度。（3）高速缓存器。DS18B20内部的高速缓存器包括一个高速暂存器RAM和一个非易失性可电擦除的EEPROM。非易失性可点擦除EEPROM用来存放高温触发器TH、低温触发器TL和配置寄存器中的信息。（4）配置寄存器。配置寄

9、存器的内容用于确定温度值的数字转换率。DS18B20工作是按此寄存器的分辨率将温度转换为相应精度的数值，它是高速缓存器的第5个字节，该字节定义如表2.2所示：表2.2 匹配寄存器TMR0R111111TM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；其余5位均固定为1。DS18B20分辨率的设置如表2.3所示：表2.3 DS18B20分辨率的设置R1R0分辨率最大转换时间 /ms009位93.750110位187.51011位3751112位750DS18B20依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下

10、，必须先建立ROM 操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面5个ROM 操作命令之一：1）读ROM；2）匹配ROM；3）搜索ROM；4）跳过ROM；5）报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM 部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM 操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6 条存储器和控制操作指令中的任一条。一条控制操作命令指示DS18B20完成一次温度测量。测量结果放在DS18B20的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报

11、警触发器TH 和TL 各由一个EEPROM字节构成。如果没有对DS18B20使用报警搜索命令，这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH 和TL 进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。2.1.3 DS18B20供电方式DS18B20可以采用外部电源供电和寄生电源供电两种模式。外部电源供电模式是将DS18B20的GND直接接地，DQ与但单总线相连作为信号线，VDD与外部电源正极相连。如图2.3所示：单片机DS18B20外部+5V电源VDDDQ4.7KVCC其它单线器件图2.3 DS18B20外部供电方式图中DS18

12、B20的DQ端口通过接入一个4.7K的上拉电阻到VCC，从而实现外部电源供电方式。寄生电源供电模式如图2.4所示：从图中可知，DS18B20的GND和VDD均直接接地，DQ与单总线相连，单片机其中一个I/O口与DS18B20的DQ端相连。VCC单片机DS18B20GND4.7K图2.4 DS18B20寄生电源供电方式+5V2.1.4 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图2.5所示, 其主要由斜率累加器、温度系数振荡器、减法计数器、温度存储器等功能部件组成。图2.5 DS18B20的测温原理DS1820 是这样测温5的：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周

13、期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55）的值增加，表明所测温度大于-55。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨率。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。DS18B20内部对此计算的

14、结果可提供0.5的分辨率。温度以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出，表2.4 给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。DS18B20测温范围-55+125，以0.5递增。表2.4 温度数据关系温度数据输出（二进制）数据输出（十六进制）+12500000000 1111101000FA+2500000000 001100100032+0.500000000 000000010001000000000 000000000000-0.511111111 11111111FFFF-2511111111 11001110FFCE-5511111111 10010010FF9

15、2S18B20遵循单总线协议，每次测温时都必须有4个过程6： 初始化； 传送ROM 操作命令； 传送ROM操作命令； 数据交换；2.1.5 DS18B20的ROM命令read ROM（读ROM）.命令代码为33H，允许主设备读出DS18B20的64位二进制ROM代码。该命令只适用于总线上存在单个DS18B20.Match ROM（匹配ROM）。命令代码为55H，若总线上有多个从设备时，适用该命令可选中某一指定的DS18B20，即只有和64位二进制ROM代码完全匹配的DS18B20才能响应其操作。Skip ROM(跳过ROM)。命令代码为CCH，在启动所有DS18B20转换之前或系统只有一个DS

16、18B20时，该命令将允许主设备不提供64位二进制ROM代码就适用存储器操作命令。Search ROM(搜索ROM)。命令代码为F0H,当系统初次启动时，主设备可能不知纵向上有多少个从设备或者它们的ROM代码，适用该命令可确定系统中的从设备个数及其RON代码。Alarm ROM（报警搜索ROM）。命令代码为ECH，该命令用于鉴别和定位系统中超出程序设定的报警温度值。Write scratchpad(写暂存器)。命令代码为4EH，允许主设备向DS18B20的暂存器写入两个字节的数据，其中第一个字节写入TH中，第二个字节写入TL中。可以在任何时刻发出复位命令终止数据的写入。Read scratch

17、pad(读暂存器)。命令代码为BEH，允许主设备读取暂存器中的内容。从第一个字节开始直到读完第九个字节CRC读完。也可以在任何时刻发出复位命令中止数据的读取操作。Copy scratchpad(复制暂存器)。命令代码为48H，将温度报警触发器TH和TL中的字节复制到非易失性EEPROM。若主机在该命令之后又发出读操作，而DS18B20又忙于将暂存器中的内容复制到EEPROM时，DS18B20就会输出一个“0”,若复制结束，则DS18B20输出一个“1”。Convert T(温度转换)。命令代码为44H，启动一次温度转换，若主机在该命令之后又发出其它操作，而DS18B20又忙于温度转换，DS18

18、B20就会输出一个“0”，若转换结束，则DS18B20输出一个“1”。Recall E2(拷回暂存器)。命令代码为B8H。将温度报警触发器TH和TL中的字节从EEPROM中拷回到暂存器中。该操作是在DS18B20上电时自动执行，若执行该命令后又发出读操作，DS18B20会输出温度转换忙标识：0为忙，1完成。Read power supply(读电源使用模式)。命令代码为B4H。主设备将该命令发给DS18B20后发出读操作，DS18B20会返回它的电源使用模式：0为寄生电源，1为外部电源。2.2 AT89C52概述2.2.1单片机AT89C52介绍AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单

19、片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。2.2.2 主要功能特性1、兼容MCS51指令系统 2、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM； 3、32个双向I/O口； 4、256x8bit内部RAM； 5、3个16位可编程定时/计数器中断； 6、时钟频率0-24MHz； 7、2个串行中断，可编程UART串行通道； 8、2个外部中断源，

20、共8个中断源； 9、2个读写中断口线，3级加密位； 10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。3 系统硬件设计3.1 单片机最小系统的设计单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。本次课程设计中选用AT89C52式单片机，其最小系统主要由电复位、振荡电路组成。单片机的最小系统如图3所示。单片机的复位电路原理是在单片机的复位引脚R

21、ST上电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个时钟周期以上时复位有效。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成，上电复位是在复位引脚上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND；按键复位是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。AT89C51单片机使用12MHZ的晶振最为振荡源，由于单片机内部有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容一般在15pF至50pF之间。外部晶振结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率。图3 单片机最小系统3.2 温度采集电路的设计温度采集电路部分，采用数字温

22、度传感器DS18B20进行温度采集。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3个引脚；温度侧量范围为-55+125，测量精度为0.5；被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；CPU只需用一个端口线就可以与DS18B20通信。温度采集电路如图4所示。图4 温度采集电路3.3 LED显示报警电路的设计LED数码管与单片机的P0口相连，单片机将采集到的温度值转化为与数码管对应的数据，通过P0口输出显示。即信号通过译码管的端口a、b、c、d、e、f、g 、dp 端来控制每段译码管的亮灭与否，同时通过端口1、2、3、4 四个端口来控制四个译码管。在本次设计中，用集成芯片74

23、HC245驱动数码管。同时当采集到的温度值超过所设置的范围时，单片机会输出一信号，通过三极管放大后驱动蜂鸣器发出报警信号。LED数码管报警电路4 总结本设计是以温度采集及控制过程设计为总目标，以89C52单片机最小应用系统为总控制中心，辅助设计有温度采样电路、A/D转换接口、加热电路、LED数码管动态串行显示器等。本设计的重点、难点是：（1） 要掌握温度传感器的原理、结构、应用等；（2） 考虑从非电量信号到电量信号的电路实现原理以及与单片机的接口；（3） 熟悉MCS-51编程的技术，实现单片机对温度的调节控制；（4） 整体电路的仿真调试。本次设计优点：采用的单片机AT89C51 性价比高；热敏

24、电阻温度传感器转化温度的方法非常简洁且精度高、测试范围较广。由于时间及精力所限，对温度控制系统做了整体设计，具体实现了其中的温度报警部分设计，即温度控制系统的采集、显示及报警模块。实物图如下：致谢在论文完成之际，我首先要想车晓岩老师表示最真挚的谢意。车老师时常督促我抓紧时间做毕业设计，并经常讨论，给我提出好的建议。车老师不仅工作认真，她严谨的治学态度令我受益匪浅，相信在我以后的生活学习带来深远的影响。在此衷心的向车老师表达我的感激之心。我还要特别感谢各位同学给予了我无私的帮助，他们帮我解决了很多设计中遇到的难题，并帮我测试程序。由于本人学识有限，加之时间仓促，文中不免有错误和待改进之处，真诚欢

25、迎各位师长、同学提出宝贵意见。参考文献:1钟晓伟，宋哲存，基于单片机的实验是温湿度控制系统设计 A 林业机械与木工设备2叶景，基于单片机的温度控制系统的设计 经验与交流，20083杨光友.单片机微型计算机原理及接口技术M.北京：中国水利水电出版社，20024李丹妮，单片机温度控制系统设计J九江学院报20055ATMLE Corporation,8-Bit Microcontroller AT89C51 DATE SHEET.0265F-A-12/976胡寿松，自动控制原理M北京：科学出版社，20077刘笃仁，韩保君，传感器原理及应用技术 西安电子科技大学出版社，20088梅丽凤，王艳秋，汪毓铎

26、，张军，单片机原理及接口技术 清华大学出版社20069深圳市计算机行业协会，2005年全国单片机与嵌入式系统学术交流会，北京航空航天大学出版社，200510张义和，陈敌北，例说8051M北京：人民邮电出版社，200611 张开生，郭国法，MCS-51单片机温度控制系统的设计J微型计算机信息，200512Dallas Semiconductor,Programmable Resolution 1-WIRE Digital Thermometer DS18B20 DATE SHEET.附录A：总电路图附录B：原器件清单序号编号名称型号数量1R1 电阻4.7K12R2电阻100K13R3电阻5K14RP1排阻5K15C1、C2电容33P26C3电容100u17S1按键开关18X1晶振12M19Q1三极管PNP110LS1蜂鸣器111U151单片机AT89C52112U2温度传感器DS18B20113U3集成芯片74HC245114U44位7段数码管共阳1 .17