【正文】 活與環(huán)境度息息相關(guān)，物理、化學(xué)、冶金、機(jī)械制造、大型倉(cāng)儲(chǔ)室、實(shí)驗(yàn)室、農(nóng)場(chǎng)塑料大棚甚至人們的居室里經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)際的要求對(duì)溫度進(jìn)行控制。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)；許多化學(xué)反應(yīng)的工藝過(guò)程必須在適當(dāng)?shù)臏囟认虏拍苷＿M(jìn)行。煉油過(guò)程中，原油必須在不同的溫度和 壓力條件下進(jìn)行分流才能得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品；沒(méi)有合適的溫度環(huán)境?？梢?jiàn)研究溫度的測(cè)量具有重要的理論意義和推廣價(jià)值。 隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，作為各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸相處理的功能器件，溫度傳感器的作用日益突出，成為自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)量測(cè)試中不可缺少的重要技術(shù)工具，其應(yīng)用已遍及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)就是為了滿足人們?cè)谏钪袑?duì)溫度測(cè)量系統(tǒng)方面的需求。 21 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科技的進(jìn)步帶動(dòng)了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，我們已經(jīng) 進(jìn)入了高速發(fā)展的信息時(shí)代，測(cè)量技術(shù)也成為當(dāng)今科技的主流之一，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于本次設(shè)計(jì)，其目的在于： (1) 本課題綜合了現(xiàn)代測(cè)控、電子信息、計(jì)算機(jī)技術(shù)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域方方面面的知識(shí)，具有綜合性、科學(xué)性、代表性，可全面檢驗(yàn)和促進(jìn)學(xué)生的理論素養(yǎng)和工作能力。 (2) 本課題的研究可以使學(xué)生更好地掌握基于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、協(xié)作精神和理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)，提高電子產(chǎn)品研發(fā)素質(zhì)、增強(qiáng)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作的能力。 (3) 掌握 一個(gè) 顯示屏和 一個(gè) 溫度傳感器的原理、性能、使用特 點(diǎn)和方法，利用 單片機(jī) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程。 溫度傳感器 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及水平 傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)究和生活領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了一下三個(gè)階段：傳統(tǒng)的分離式溫度傳感器（含敏感元件） 、 模擬集成溫度傳感器 /控制器 和 數(shù)字溫度傳感器。目前，國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，同時(shí)具有抑制串模干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。 數(shù)字式溫濕度傳感器：就是能把溫度物理量和濕度物理量，通過(guò)溫、濕度敏 感元件基于 AT89C51 的溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 和相應(yīng)電路轉(zhuǎn)換成方便計(jì)算機(jī)、 PLC、智能儀表等數(shù)據(jù)采集設(shè)備直接讀取得數(shù)字量的傳感器 。 數(shù)字式傳感器的接口形式有 RS232 數(shù)據(jù)格式接口； RS485 數(shù)據(jù)格式接口 、一總線數(shù)據(jù)格式接口 、 CAN 總線數(shù)據(jù)格式接口 、 ZIGBEE 數(shù)據(jù)格式接口 、 TCP/IP 數(shù)據(jù)格式接口 等 。 在信息化程度越來(lái)越高的今天，擔(dān)當(dāng)信息處理與交換重任的機(jī)房是整個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)工程的數(shù)據(jù)傳輸中心、數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)交換中心。為保證機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行及工作人員有一個(gè)良好的工作環(huán)境，對(duì)機(jī)房溫濕度的監(jiān)測(cè)是必不可少的，合理正常的溫濕度環(huán)境是機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行的重要保障 。 溫濕度監(jiān)測(cè)除用于機(jī)房監(jiān)測(cè)外，還可以廣泛應(yīng)用于如生物制藥、無(wú)菌室、潔凈廠房、電信銀行、圖書(shū)館、檔案館、文物館、智能樓宇等各行各業(yè)需要溫濕監(jiān)測(cè)的場(chǎng)所和領(lǐng)域。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)在科技和生產(chǎn)各領(lǐng)域都取得了飛速的發(fā)展和進(jìn)步，發(fā)展以溫度傳感器為載體的溫度測(cè)量技術(shù)具有重大意義。 課題 設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)測(cè)量的溫度的點(diǎn)數(shù)為 4個(gè)，測(cè)量精度 ℃測(cè)量范圍為 25℃～ 80℃。采用液晶顯示溫度值，顯示格式為：溫度的整數(shù)部分，小數(shù)部分， 溫度符號(hào)， 最后一位溫度的報(bào)警判斷 ，顯示數(shù)據(jù)不斷刷新。 本設(shè)計(jì)的難點(diǎn) 主要是 軟件方面， 其中 軟件開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于 DS18B20 的 序列號(hào)讀出和液晶溫度符號(hào)的顯示以及溫度的精度顯示如何實(shí)現(xiàn) ，如果 DS18B20的序列號(hào)讀出 不正確，將無(wú)法 正確的匹配和 讀出的溫度值 ；溫度符號(hào)的顯示需要對(duì) LM016L 的 CGROM 進(jìn)行讀寫(xiě)。溫度顯示的精度的實(shí)現(xiàn)需要編程人員對(duì)程序熟悉。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件組成 本設(shè)計(jì) 使用單片機(jī)作為控制核心，采用多個(gè)溫度傳感器對(duì) 多 點(diǎn)溫度進(jìn)行檢測(cè)， 以液晶顯示屏 顯示 檢測(cè)溫度 ，通過(guò) 2 2 矩陣鍵盤(pán)模塊對(duì) 檢測(cè) 溫度進(jìn)行選擇顯示。 系統(tǒng)總體控制框圖如圖 1所示： 溫 度 傳 感 器單片機(jī)2 2 鍵 盤(pán)顯 示 屏溫 度 傳 感 器溫 度 傳 感 器溫 度 傳 感 器 圖 1 系統(tǒng)總體控制框圖 基于 AT89C51 的溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 單片機(jī)選用市場(chǎng)上常見(jiàn)的 美國(guó) ATMEL 公司 的 AT89C51 作為控制元件，溫度傳感器選用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器， 它的輸入／輸山采用數(shù)字量，以單總線技術(shù)，接 收單片機(jī)發(fā)送的命令，根據(jù) DSl8B20 內(nèi)部的協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度以 串口發(fā)送給單片機(jī)。主機(jī)按照通信協(xié)議用一個(gè) I／ 0 口模擬 DSl8B20 的時(shí)序，發(fā)送命令 (初始化命令、ROM 命令、 RAM 命令 )給 DSl8B20，轉(zhuǎn)換完成之后讀取溫度值，在 內(nèi)部 進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理，用液晶顯示屏 LM016L 顯示各點(diǎn)的溫度，液晶顯示該傳感器的制作人姓名、路數(shù)、實(shí)際溫度值及報(bào)警顯示，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)各點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 單片機(jī)的 典型電路： （ 1）時(shí)鐘電路：如圖 2連接即可構(gòu)成自激振蕩電路，振蕩頻率取決于適應(yīng) 晶體 的振蕩頻率，范圍可取 ～ 12MHZ， C C2 主要起頻率微調(diào)和穩(wěn)定作用，電容可取 5～ 30pF。 圖 2 單片機(jī)時(shí)鐘電路 （ 2）復(fù)位電路 上電復(fù)位電路： RC 構(gòu)成微分電路，在接電瞬間產(chǎn)生一個(gè) 微分脈沖，其寬度若大于 2個(gè)機(jī)器周期， MCS— 51 型單片機(jī)將復(fù)位。 選用 22uF 電容、 1kΩ 電阻。 如圖 3所示： 圖 3 單片機(jī)復(fù)位電路 DS18B20 溫度傳感器和單片機(jī)接口技術(shù) DSl8B20 簡(jiǎn)介 DSl8B20 溫度傳感器是美 國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司繼 DSl820 之后最新推出的只用改進(jìn)型智能溫度傳感器。與 傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ l2 位的數(shù)字直讀方式。可以分別存 和 750ms 內(nèi)完成 9基于 AT89C51 的溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 位和 12 位 的數(shù)字量，并且從 DSl8B20 讀出的信息或?qū)懭?DSl8B20 的信息僅需要一根口線 (單 線接口 )讀寫(xiě)，溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以 向所掛接 DSl8B20供電，而無(wú)需額外電源。因而使用 DSl8B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。 他在測(cè)溫精度，轉(zhuǎn)換時(shí)時(shí)間，傳輸距離，分辨率等方面較 DSl820 有了很大的改進(jìn)， 給用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。 DSl8B20 采用 3 腳 PR35 封裝或 8腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如 4所示： 圖 4 DSl8B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的管腳排列如圖 5所示： 圖 5 DS18B20 的管腳 DS18B20 的引腳說(shuō)明如下： GND :地 DQ ：數(shù)據(jù) I/O 基于 AT89C51 的溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 VDD :電源 NC ：空腳 64 位激光 ROM 開(kāi)始 8 位是產(chǎn)品類(lèi)型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)共有 48位，最后 8 位是前 56 位的 CRC 校驗(yàn)碼，這 也是多個(gè) DSl8B20 可以采 用 一線進(jìn)行通信的原因。 64位激光 ROM 的機(jī)構(gòu)如表 1所示： 表 1 64 位激光 ROM 的結(jié)構(gòu) 8 位 CRC 編號(hào) 48 位 序列號(hào) 8 位 產(chǎn)品系列編碼 MSB LSB MSB LSB MSB LSB DSl8B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 RAM 和一個(gè)非易失性的可 電擦除 EEPRAM。后者用于存儲(chǔ) TH， TL 值。數(shù)據(jù)先寫(xiě)入 RAM，經(jīng)校驗(yàn)后再傳給 EEPRAM。而配置寄存器為高速暫存器中 的第 5個(gè)字節(jié)，他的內(nèi)容用與確定溫度值 的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，DSl8B20 工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度 的數(shù)值。 低 5 位一直都是1， TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置 DSl8B20 在工作模式還是在 測(cè)試模式。 如表 2所示。 在DSl8B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動(dòng)， Rl和 R0 決定溫 度轉(zhuǎn)換精度位數(shù) 。 表 2 字節(jié)各位的定義 TM R1 R0 1 1 1 1 1 由表 3 可見(jiàn)， 設(shè) 定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長(zhǎng)。因此， 在實(shí)際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換 時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存存儲(chǔ)器除了配置寄存器外，還有其他 8 個(gè)字節(jié)組成，其分配如表 4所示。其中溫度信息 (第 l， 2字節(jié) )， TH 和 TL 值第 3，4節(jié)，第 6～ 8 字節(jié)，表現(xiàn)為全邏輯 1；第 9字節(jié)讀出的是前 面所有的 8 字節(jié)的 CRC 碼，可用來(lái)保證通信正確。 表 3 數(shù)據(jù)分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間 R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間/ms 0 0 9 0 1 10 1 0 11 1 1 12 當(dāng) DSl8B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 ，如表 4 所示。 轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就 以 16 位帶符號(hào)擴(kuò)展到二進(jìn)制補(bǔ)碼形式儲(chǔ)存在高速暫存存儲(chǔ)器的第 l， 2 字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前面，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 ℃／ LSB 形式表示。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位 S=0 時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn) 換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1 時(shí)，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。 基于 AT89C51 的溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 表 4 碼制轉(zhuǎn)換 溫度低位 溫度高位 TH TL 配置 保留 保留 保留 8 位 CRC 在 DSl8B20 完成溫度變換之后，溫度值與貯存 TH 和 TL 內(nèi)的觸發(fā)值相比較因 為這些寄存器 僅僅是 8 位，所以 ℃ 位在比較時(shí)被忽略。 TH 或 TL 的最高有較位直接 對(duì)應(yīng)于l6位溫度奇存器的符號(hào)位。如果溫度測(cè)量的結(jié)果高于 TH 或低于 TL，那么 器件內(nèi)告警標(biāo)志將置位。每次溫度測(cè)量更新此標(biāo)志。只要告警標(biāo)志置位， DSl8B20 將對(duì)告警搜索命令做出響應(yīng)。這允許并聯(lián)連接許多 DSl8B20，同時(shí)進(jìn)行溫度測(cè)量。 如果某處溫度超過(guò)極限，那么可以識(shí)別出正在告警的器件并立即將其讀出而不必讀 出 非告警的器件。 部分溫度轉(zhuǎn)換如表 5所示 : 表 5 部分溫度 轉(zhuǎn)換 值 溫度 輸入 （ 2 進(jìn)制） 輸出（ 16 進(jìn)制） +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550H +℃ 0000 0001 1001 0001 0191H +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2H +℃ 0000 0000 0000 1000 0008H 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000H ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8H ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5EH ℃ 1111 1111 0101 1110 EE6FH 55℃ 1110 1110 0110 1111 FE90H DSl8B20 具體參數(shù)及工作方式 參數(shù)特性： （ 1） 獨(dú)特的單線接口只需 l 個(gè)接口引腳即可通信 （ 2） 多點(diǎn)綜合測(cè)溫能力使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)化 （ 3） 不需要外部元件 （ 4） 可用數(shù)據(jù)線供電 （ 5） 需備份電源 （ 6） 測(cè)量范圍從 55℃ 至 +125℃ 增量值為 0． 5℃ （ 7） 以 9 位數(shù)字值方式讀出溫度 （ 8） 在 1 秒 (典型值 )內(nèi)把溫度變換為數(shù)字 （ 9） 用戶可定義的非易失性的溫度告警設(shè)置 （ 10） 告警搜索命令識(shí)別和尋址溫度在編定的極限之外的器件溫度告警情況 基于 AT89C51 的溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 （ 11） 應(yīng)用范圍包括恒溫控制工業(yè)系統(tǒng)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品溫度計(jì)或任何熱敏系統(tǒng) 極限參數(shù)： （ 1） 任何引腳相對(duì)于地的電壓 至 + （ 2） 運(yùn)用溫度 55℃ 至 +125℃ （ 3） 貯存溫度 55。 C 至 +125℃ （ 4） 焊接溫度 260℃ /l0 秒 DS18B20 與單片機(jī)接口電路 如圖 6 所示，為單片機(jī)與 DS18B20 的接口電路。 DS18B20 只有三個(gè)引腳，一個(gè)接地，一個(gè)接電源，一個(gè)數(shù)字輸入輸出引腳接單片機(jī)的 口電源與數(shù)字輸入輸出腳間需要接一個(gè) 的電阻。 圖