【正文】 ： 信息采集、信息傳輸和信息處理中，傳感器 技術(shù)（信息采集）位 于信息技術(shù)的前沿，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在國 內(nèi)外 各領(lǐng)域已經(jīng) 受到了 廣泛 的引用 ，而 能夠獨立工作的溫度檢測和 監(jiān)控 系統(tǒng) 也早已應用于諸多領(lǐng)域。 人 們 的生活環(huán)境 與 溫度 密不可分 ， 在 日常生活 中 溫度是 最常用到的一個物理量 ， 對 它 進行準確的測量 和 實 時 的 檢測是必須的 。 傳統(tǒng)的溫度檢測以熱電阻 和熱電偶 為 測 溫元件 ，不僅 需要 復雜麻煩 的 信號處理電路 ，制作價格昂貴，而且 可靠性差，準確度低，誤差 較大 。相比 之下 ， 本 設(shè)計 利用單片機 AT89C51 和溫度傳感器 DSl8B20 構(gòu)成的智能 數(shù)字 溫度計就可以直接 進行溫度 測量 ，并實時顯示 溫度的數(shù)字值， 不僅 方便 可靠 ，直觀準確 ，而且 測溫范圍廣 ， 適用范圍寬。選用單片機 AT89C51 作為主控器， DSl8B20 作為測溫傳感器 ，借助 6位共 陰極 LED 數(shù)碼管串口傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度 的實時傳輸與 顯示。 20 世紀 90 年代中期 誕生 的數(shù)字溫度傳感器是計 算機 、 微電子 與 自動測試技術(shù)的結(jié)晶， 它 能輸出 信號全數(shù)字化。 科技 的 進步 使人們對傳感器的 需求日漸增高 ，如今 的溫度傳感器在單片機的基礎(chǔ)上 正朝著 數(shù)字式智能化、總線 式 標準化 、 虛擬式 網(wǎng)絡化 、安全式 功能 化 等高 技術(shù) 的方向迅速發(fā)展。 本文 說明了 智能溫度傳感器 DS18B20 的結(jié)構(gòu)特征 、測溫原理與工作過程 ，并詳細介紹 了 AT89C51單片機 與 DS18B20 傳感器 結(jié)合 構(gòu)成的 檢測系統(tǒng) 的工作原理 ，不僅 讀數(shù)方便 、 結(jié)構(gòu)簡單， 而且 測溫準確 、 抗干擾 性 強， 適合于在艱難 環(huán)境下現(xiàn)場測 溫。 該論文主要介紹了利用 51 單片機來實現(xiàn)溫度的檢 測、控制與顯示，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和溫度檢測兩個部分，既有硬件設(shè)計，也有軟件設(shè)計，并對各模塊的功能做了應有的分析，其實現(xiàn)的功能如下： ● 以 MCS51 系列單片機為核心器件， 實現(xiàn)了 數(shù)字式溫度計 的設(shè)計 ● 利用溫度傳感器 DS18B20 進行單點溫度檢測 ● 測量范圍為 0℃～ 100℃， 檢測精度誤差在 ℃以內(nèi) ● 用 6位共陰極 LED 數(shù)碼管 進行實際溫度值顯示 ● 具有溫度上下限報警功能 6 第 1 章 設(shè)計簡介 設(shè)計背景 課題概述和意義 隨著各行各業(yè)的不斷發(fā)展與壯 大，單片機 的應用幾乎無處不在 ， 而 數(shù)字溫度計 更是被人們緊追不舍 。 由于 超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展 ，更由于高科技的不斷創(chuàng)新與改造， 單片微型計算機 在這種社會背景下應運而生了。 體積小、功能強、集成度高、價格便宜是它最大的 特點， 正是由于這些特點， 所以 在工農(nóng)業(yè)控制、電子器 件 、 各種 裝置 設(shè)備中都有它的影子。因為它的加入，許多 產(chǎn)品 走向了 小型化 和 智能化， 不僅改善了產(chǎn)品的質(zhì)量，優(yōu)化了產(chǎn)品的功能，而且 降低了 制作 成本，簡化了 電路 設(shè)計。 在我們的周圍，溫度總是如影隨形的陪伴著我們，無論何時何地，我們總可以感受到溫度的氣息。 溫度 是 各行各業(yè) 最常 見 到的一個物理量 ， 有時候人們總希望溫度不要存在，因為它的改變會造成很大的影響。譬如：在高溫環(huán)境中，會有很多物質(zhì)無法保存，這樣不僅會造成人們生活上的困擾，也會給許多產(chǎn)業(yè)帶來意料之外的損害。盡管如此，溫度還是人們生活中不可或缺的一部分，在我們的人生中扮演著無法取代的角色。因此， 在很多 時候， 對溫度 進行準確的測量 與顯示，進而來完成對它的控制是很有必要的 。 生活中，我們有 冷、熱、溫、涼、燙等詞 ，這些都是用來描述 物 質(zhì) 的冷熱程度 的 。但 這些詞只是 粗糙 的形容了物質(zhì)，而 為了 更加 準確地描述物 質(zhì) 的冷熱程度， 人們又 引入了 溫度這一 物理量 。 大多時候， 我們都 是使用溫度計 來 直接 測量、 讀取溫度 ，若使 用傳統(tǒng)的熱電偶 或 熱電阻 作為 測溫元件 來 測量溫度 ，不但 需要 復雜麻煩的硬件支持， 而且 軟件調(diào)試 困難 ，制作成本高 。若采用 單片機 AT89S51 與 溫度傳感器 DS18B20 結(jié)合實現(xiàn)溫度檢測系統(tǒng) 就可以直接測量 、讀取 溫度 ， 不僅 簡單 方便 ， 測溫準確，而且 抗干擾能力強，適合于 在困難 環(huán)境 中 進行現(xiàn)場溫度測量，應用前景 非常廣泛 。 因此， 開發(fā) 研究 更加簡潔 方便 、高效 可靠 的 智能型 數(shù)字溫度 計 成為一個很有意義的課題 。 本文主要介紹 了 51 單片機在采集 、檢測 環(huán)境溫度中的應用。 利 用智能溫 度傳感器 DS18B20 檢測環(huán)境溫度 ， 單片機 AT89C51 控制、 執(zhí)行程序 ，并 對溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析 與 處理，轉(zhuǎn)換成環(huán)境對應的 實際 溫度值，通過 I/O 口輸出到 LED 數(shù)碼 管 顯示 出來。系統(tǒng)中還設(shè)有 報警電路 ， 用來監(jiān)控某一設(shè)備 ， 通過 對設(shè)定的最高 、 最低 溫度的控制來完成 報警 功能的設(shè)計， 當設(shè)備的溫度超過所設(shè)溫度時，系統(tǒng)會報警 提醒，以 便 人們 能 及時的 進行處理， 避免因 溫度變化而造成不必要的損失。 溫度計的介紹 7 溫度是生活 與生產(chǎn) 領(lǐng)域 中 最常 接觸 到的物理量 之一 ， 很多 時候我們 都需要對其進行準確的 溫度 檢測 。 隨著 各行各業(yè)的飛速 發(fā)展和 人們 的 需 求 ，測溫技術(shù)也不斷地改 善 和提高 ， 測溫范圍 也 逐漸推廣 。 由于需求的不同 ， 人們 又制造出了各種不同樣式和功能的測溫儀器 ， 接下來就對幾種常見的 溫度計 做個簡單的介紹 。 電阻溫度計： 有 金屬電阻和半導體電阻溫度計 之分 ， 它們 都是 利用 電阻值隨溫度的變化 而變化 這一特性 制作 的。電阻溫度計的測 溫 范圍 在 260℃ ~600℃ 之間 ， 操作簡單 方便 、直觀 可靠， 已 廣泛應用 于各行各業(yè) 。 氣體溫度計： 常 用氫氣或氦氣作 為 測溫 原料， 由于 這些原料 的液化 度 很低，接近于絕對零度， 所以由此制成的 氣體溫度計 具有廣泛的 測溫范 圍 。除此之外，它 還具有很高 的 精確度，多用于精密測量 場合 。 壓力式溫度計 ： 利用封 閉測溫系統(tǒng)內(nèi) ， 蒸發(fā)液體的飽和蒸氣 所產(chǎn)生的體積、壓力與 溫度 的 變 化關(guān)系而進行溫度 檢 測的 便是 壓力式溫度計 。 它 主要 由毛細管 、溫包和指示表三部分組成 ，具有 體積小 、 反應快、 結(jié)構(gòu)簡單、 靈敏度高、讀數(shù) 方便 等 優(yōu)點，同時也存在 測溫范圍 受 限，熱損 厲害等缺點 。 指針式溫度計：指針式溫度計形如儀表盤， 又 稱寒暑表， 采 用金屬的熱脹冷縮原理。它是 用 鉚在一起 的 銅片和鐵片 組成的 雙金屬片作為感溫元 件 的 ， 通常 被用來測 量 室溫 ，也 用來控制指針。， 水銀溫度計： 常用的 膨脹式溫度計 便是由 水銀 制作而成的 溫度計， 由于 水銀的凝固點 為 ℃，沸點 為 ℃， 所以 只能作為就地監(jiān)督的儀表 ， 通常 用來 檢 測 0~500℃范圍 內(nèi) 的溫度。用它來 監(jiān)控 溫度，不僅直觀 可靠 ，而且還可以 有效的 避免 因 外部遠傳溫度計 所帶來 的誤差。 單片機 的發(fā)展狀況 單片機 是發(fā)展最快，應用最廣的一款芯片，是 微型計算機的一個重要分支 ，既 能夠 直接處理 控制 電信號， 又能夠 間接 操控 溫度、濕度、壓力等非電信號。 正是 由于 這種特性 ， 因而 在生活與 工業(yè) 生產(chǎn) 領(lǐng)域被廣泛 使 用。 由于單片機的接口 電路 是數(shù)字信號， 若 使用 單片機 來 控制處理 溫度、濕度、壓力等非電信號， 就 必須 借助相 應的傳感器 來外加 A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換 電路 ， 然后將信號 傳 送 給單片機進行 溫度 數(shù)據(jù) 的 處理和顯示。在 許多 測溫領(lǐng)域，溫度傳感器 通常被用來 將溫度信息轉(zhuǎn)換 成對應的 電流或電壓 信號， 進而完成 溫度的采集和 數(shù)據(jù)處理顯示。 單片機的 種類很多 ,按應用 可 分為通用型和專用型。專用型是 專為 某 些 特定的 產(chǎn)品而設(shè)計的 ,如洗衣機。通用型有總線型 、 非總線型 、 8 位和 16 位之分 。 溫度傳感器 的發(fā)展 傳感器是 能感 應 外界信息 ， 并將這些信息按一定 的 規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的裝 8 置 ，簡而言之， 傳感器是 一種能 將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置 ，通常 由信號感受器和信號轉(zhuǎn)換器組成。 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，傳感器技術(shù) 在國內(nèi)外都有廣泛的 的應用。其中， 應用最為廣泛的要數(shù) 溫度傳感器 了 。 溫度傳感器是開發(fā)最早，應用最廣的一類傳感器。 1821 年 ， 德國物理學家賽貝發(fā)明 了能 把 溫度 轉(zhuǎn)變 成電信號的傳感器， 即 后來的熱電偶傳感器。 50年 后，德國西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。 后來又 相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、聲學溫度傳感器 、 PN 結(jié)溫度傳感器和紅外 傳感器 等 。 傳感器在我國 的發(fā)展相對較晚，在信息采集、信息傳輸和信息處理中，傳感器 技術(shù)位于最前端 ，尤其是溫度傳感器技術(shù) 。 溫度傳感器 是 測量溫度的關(guān)鍵， 現(xiàn)在應用最廣的便是 智能集成溫度傳感器。 選題的目的和意義 選題的目的 選用單片機 AT89C51 作為主控器， DSl8B20 作為測溫傳感器 ， 結(jié)合 AT89C51與 DSl8B20 便可以設(shè)計成一個 智能 數(shù)字 溫度計 。它既 可以直接 對環(huán)境進行溫度測量 ，并實時顯示 數(shù)值， 又可以對溫度進行預設(shè)，設(shè)計一個溫度報警電路，方便人們維護。本設(shè)計 能夠測量 的溫 度范圍為 55~128℃，并且小于 0℃ 、 大于100℃時報警，用 6 位共陰極 LCD 數(shù)碼管 顯示。通過 畢業(yè)課題的 設(shè)計 ，我了解了單片機的發(fā)展 與 應用， 熟悉了 數(shù)字溫度計的工作原理 ，也 鞏固 了大學 所學的知識 ，并為大學生涯畫上了圓滿的句號 。 選題的意義 伴隨著科技 的發(fā)展 和社會的進步 ，人們的生活 正在朝著 數(shù)字化 的方向發(fā)展 ，而 多功能的 智能 數(shù)字溫度計給我們帶來 了 很大的 便利。用 美國 MAXIM/DALLAS 半導體公司的支持“一線總線”接口的 單總線 溫度傳感器 DS18B20 為 感溫器件 ， 既簡化了數(shù)字溫度計的設(shè)計， 又 降低了 成本； 用 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機 為 主控器 來 設(shè)計的 智能數(shù)字溫度計不僅 簡單 方便 、 直觀 準確 ，還 具有一定 的 控制 報警功能。 隨著 電子 信息技術(shù)的 快 速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步 完善， 人們 對各種信息參數(shù)的要求都有了幾何級的增長 。 在三大信息 ： 信息采集、信息傳輸和信息處理中，傳感器 技術(shù)（信息采集）位 于信息技術(shù)的前沿，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在國 內(nèi)外 各領(lǐng)域已經(jīng) 受到了 廣泛 的引用 ，而 能夠獨立工作的溫度檢測和 監(jiān)控 系統(tǒng) 也早已 應用于諸多領(lǐng)域。 人 們 的生活環(huán)境 與 溫度 密不可分 ， 在 日常生活 中 溫度是最常用到的一個物理量 ， 對 它 進行準 確的測量 和 實時 的 檢測是必須的 。 因此，開發(fā) 研究 更加簡潔 方便 、高效 可靠 的 智能型 數(shù)字溫度 計 成為一個很有意義的課題 。 9 第 2 章 系統(tǒng)概述 設(shè)計方案的選擇 設(shè)計溫度檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵在于兩 個 部分：溫度傳感器和主控單元的選 取 。 傳感器部分 1. 方案一 采用 低溫熱偶 作為溫度檢測部分的測溫元件，熱電偶的結(jié)構(gòu)很簡單，僅 由 兩個 異金屬導線焊接在一起 就能構(gòu) 成，由單一導體 產(chǎn)生 的溫差電勢 和 兩種金屬 造成的接觸電勢 便組成了電偶的 熱電勢。 利 用帶有 A/D 通道的單片機 來進行溫度的 數(shù)據(jù)采集，將隨溫 度變化的電壓或電流 信號 采集過來， 通過 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機 來執(zhí)行程序、處理數(shù)據(jù) ， 然后用 顯示電路就可以 對 被測 的 溫度 進行實時的顯示。熱電偶 有著測溫 范圍寬 、 體積小 的特點 ，但也存在著輸出電壓小、漂移較高 、 易受 外界 噪聲 的 影響 等 缺點 ，而 且這種 方案 需要 另加 A/D 轉(zhuǎn)換電路， 給設(shè)計帶來了困難。 采用熱電偶來設(shè)計測溫 系統(tǒng) 不僅 包括 了 對 ADC0809（ A/D 轉(zhuǎn)換器） 的數(shù)據(jù)采集 和 溫度 檢 測，還 含 有 51 芯片的執(zhí)行和處理，并且還有 復位電路，晶振電路，顯示電路、 報警電路 和 啟動電路等。系統(tǒng)框圖如圖 21所示。 圖 21 熱電偶測溫系統(tǒng)框圖 2. 方案 二 傳統(tǒng)的溫度傳感器 多 以熱敏電阻作為 測溫元件， 一根線上只能掛一個傳感器，不 利于進行 多點 的 測量 ， 一定程度上 加大了 軟件實現(xiàn)的難度 。由于 熱敏電阻的可靠性差，準確率低， 測溫范圍小，故 不適用 于 檢測 1℃的信號 。 用 傳統(tǒng)的 溫度傳感器輸出 的信號 是模擬信號， 要用 A/D 轉(zhuǎn)換 電路才能 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 ， 這樣便加大了 測溫裝置的復雜