【正文】 ................................................................................................................... 35 致 謝 ........................................................................................................................... 36 IV 參考文獻 ........................................................................................................................ 37 附錄 1：整體硬件電路圖 ................................................................................................ 38 附錄 2： 主程序 .............................................................................................................. 39 1 引 言 溫度 是表示物體冷熱程度的物理量，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對溫度的測量及控制始終占據(jù)著重要位置。隨著計算機與信息技術(shù)的發(fā)展，計算機測量控制系統(tǒng)在越來越多的場合得到了廣泛的應用，它帶給人們的方便是不可否定的，其中數(shù)字溫度計、數(shù)字溫度報警器就是一個典型的例子，隨著人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活等提供更好、更方便的設施就需要從單片機技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制、智能化控制的方向發(fā)展。 溫度傳感器 DS18B20 具有獨特的單線接口，僅需要一個端口引腳進行通信，可實現(xiàn)多點組網(wǎng) 功能、待機零功耗、供電電壓范圍僅為~，而且具有讀數(shù)方便、測量范圍廣、測溫準確的特點，最主要的是用戶可以定義報警設置、報警搜索命令識別并標記超過程序限定溫度（溫度報警條件）。如在流感等傳染行疾病爆發(fā)季節(jié)，通過這樣的系統(tǒng)，只要檢測到溫度超過設定的正常人體溫就會發(fā)出報警，能有效的預防流感的擴散。 由單片機構(gòu)成的溫度檢測、溫度控制系統(tǒng)可廣泛應用在很多領(lǐng)域。本文討論基于數(shù)字傳感器 DS18B20 構(gòu)造的溫度報警系統(tǒng)，對 DS18B20測得的溫度數(shù)據(jù)進行譯碼顯示，當溫度超出之前設定的溫度范圍時蜂鳴器發(fā)出響聲報警 。相對于相似的溫度報警器或溫度計來說，具有數(shù)度方便、測溫范圍廣、輸出溫度采用數(shù)字顯示，適用于對測溫比較準確的場所。 2 第一章 緒 論 測量溫度的意義 溫度是一個很重要的物理量，它直接影響化學反應、發(fā)酵、煅燒、濃度、蒸餾、結(jié)晶以及空氣流動等物理及化學過程。 人們的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，隨著人們生活水平的不斷提高，以及對生活質(zhì)量要求的不斷提升，自然會更加關(guān)注與生活精密聯(lián)系的溫度；在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要實時測量溫度，尤其在高危生產(chǎn)行業(yè)，如鞭炮生產(chǎn)、煤礦行業(yè)，但依靠人工檢測既浪費時間、人力和物力，又有一定的 危險性，而且人工測量的數(shù)據(jù)也不準確， 一旦 溫度監(jiān)控失誤就可能引起 一系列 的安全事故；同樣，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，各種農(nóng)作物的生長都離不開適宜的生長溫度，掌握了溫度的變化就可以更好的控制農(nóng)作物的生長。因此， 溫度測量無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用。 系統(tǒng)背景 溫度采集控制系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)設計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計算機時代，但是微型計算機的體積、價格、可靠性都無法滿足廣大對象對嵌入式系統(tǒng)的要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨立發(fā)展道路，這條道路就是芯片化道路 —— 將計算機做在一個芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機時代。 傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，而單片機的出3 現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。 單片機以集成度高、運算速度塊、體積小、運行可靠、價格低廉等優(yōu)勢，在過程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、智能化儀表、家用 電器以及網(wǎng)絡技術(shù)等方面得到了廣泛的應用。 特別是在環(huán)境惡劣或溫度較高等場合下，為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動強度、節(jié)約能源，要求對加熱爐內(nèi)溫度進行測量、顯示、報警及控制，使之達到工藝標準，以單片機為核心設計的溫度測量系統(tǒng)，可以 對溫度進行實時測量，并將溫度數(shù)據(jù)進行顯示和報警以及進行相應控制 。 溫度測量及其報警系統(tǒng)的國內(nèi)外情況 溫度檢測系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總的發(fā)展水平仍然不高，和日本、德國、美國等先進國家相比有著較 大的差距。采用 51 單片機來對溫度進行檢測和控制，不僅具有成本低廉、控制方便和靈活性大等優(yōu)點，而且可以提高被控溫度的技術(shù)指標， 從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量 。因此，單片機對溫度的處理問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題 . 本文研究內(nèi)容 本文是基于 STC89C52 單片機，采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，可直接進行溫度采集顯示、 報警和控制的數(shù)字溫度計設計。 4 第二章 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)方案選擇 該系統(tǒng)主要由溫度測量，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處 理部分組成，實現(xiàn)方案有很多種，下面將列出兩種經(jīng)常用到的實現(xiàn)方案 。 方案一 采用熱敏電阻傳感器。利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，進而制成溫度計。數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有 A/D 通道的單片機或使用專業(yè)的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片進行A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，同時對溫度進行相應的報警和控制。 此方案的優(yōu)點是工作溫度范圍非常寬，體積小，精確度高，但是它們也存在著輸出電壓小、抗干擾能力差的缺點，并且這種設計需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較復雜，增大系統(tǒng)設計的難度。 方案二 采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20 測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。便于單片機控制及處理，省去傳統(tǒng)測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的性能比較穩(wěn)定，線形較好，在 0— 100176。 C 時，最大線性偏差小于 1176。C。 DS18B20 采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由 DS18B20 和微控制器STC89C52 構(gòu)成的溫度測量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號，可直5 接與單片機連接。這樣，測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡單，體積也不大。采用 51 單片機控制，軟件編程的自由度很大，可通過 C語言編程實現(xiàn) 各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便。另外 51 單片機在工業(yè)控 制上也有著廣泛的應用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟 。 該系統(tǒng)利用 STC89C52 芯片控制溫度傳感器 DS18B20 進行實時溫度檢測并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量環(huán)境溫度并可以根據(jù)需要設定上下限報警溫度進行報警和相應的控制處理。該系統(tǒng)擴展性很強，它可以利用鍵盤來進行溫度范圍調(diào)整，利用 AT24C02 芯片作為存儲器件，獲得的數(shù)據(jù)可以通過 I2C總線協(xié)議與 AT24C02通信而把溫度范圍數(shù)據(jù)儲存起來，方便應用中的實時調(diào)整以及關(guān)機重啟后加 載數(shù)據(jù)。 從以上兩種方案，容易看出方案二的測溫裝置電路更簡單、實現(xiàn)更方便、程序設計也更容易實現(xiàn)，故本次設計采用了方案二。 系統(tǒng)的組成 本課題是以 51 單片機為核心設計的一種數(shù)字溫度報警系統(tǒng)，系統(tǒng)整體硬件電路包括 溫度采集電路、溫度顯示電路、上下限報警調(diào)整電路、存儲電路、報警及控制電路、單片機主板電路等。 系統(tǒng)框圖主要由主控制器、溫度傳感器、報警按鍵設置、 AT24C0數(shù)碼管顯示、報警和控制電路組成 。 如圖 21所示 6 圖 21 系統(tǒng)框圖 單元模塊功能如下 : 檢測電路由 DS18B20構(gòu)成， DS18B20是美國 DALLAS 半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器， 與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9~12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 系統(tǒng)的核心器件是 51 單片機，它是整個系統(tǒng)的心臟，由它來控制協(xié)調(diào)各功能模塊的正常工作，考慮到系統(tǒng)的功能和經(jīng)濟性因素，采用的是性價比比較高的 STC89C52。 溫度范圍值的存儲采用 AT24C02， AT24C02 是一個 2K 串行 CMOS E2PROM 存儲器，其通過 I2C 協(xié)議與單片機進行通信而把報警溫度值儲存起來，關(guān)機重啟后能保留報警溫度值，從而無需再進行設置。 報警功能由蜂鳴器完成，通過單片機 I/O 口向蜂鳴器發(fā)出不同頻率的脈沖而發(fā)出不同的警報聲對相應溫度進行報警。 溫度控制模塊，溫度過高時由風扇制冷，溫度過低時由紅色 LED燈模擬加熱器進行升溫處理 。 顯示模塊則由數(shù)碼管進行顯示。 7 系統(tǒng)的工作過程 系統(tǒng)由 DS18B20 采集溫度后進行轉(zhuǎn)換 ,再把溫度數(shù)據(jù)傳遞給單片機，單片機控制數(shù)碼管進行同步溫度顯示，同時對溫度值進行處理，當溫度高于設定值后 進行制冷 處理，溫度繼續(xù)上升超過設定值 +3176。 C時控制蜂鳴器進行高頻率報警處理。當溫度低于設定值后進行加熱處理，溫度繼續(xù)下降低于設定值 3176。 C時控制蜂鳴器進行低頻率報警處理。系統(tǒng)運作過程中可以隨時對溫度上下限制進行設置，通過按鍵輸入調(diào)整數(shù)值，由于單片機片內(nèi) RAM 具有掉電丟失數(shù)據(jù)的特性，這里把溫度上下限數(shù)值存入 AT24C02 中。當系統(tǒng)斷電重啟后首先通過AT24C02把溫度范圍值加載到單片機內(nèi)從而保證系統(tǒng)正常工作。 8 第三章 系統(tǒng)的硬件設計 單片機控制系統(tǒng)的選擇 本系統(tǒng)采用 STC89C52為主控器，兼容所有 89C51單片機。 89C52 單片機簡介 一、 89C52 單片機的內(nèi)部 結(jié)構(gòu) 89C52 單片機的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。它把那些作為控制應用所必需 的基本功能部件都集成在一個集成電路芯片上。它由如下功能部件組成 : （ 1）微處理器（ CPU） （ 2）數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） （ 3）程序存儲器（ 4K Flash ROM） （ 4） 4 個 8位可編程并行 I/O 口（ P0 口 .P1口、 P2 口、 P3 口） （ 5） 1 個全雙工串行口 （ 6） 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器 （ 7）中斷系統(tǒng) （ 8）特殊功能寄存器（ SFR） 9 圖 31 89C52 單片機內(nèi)部 結(jié)構(gòu) 89C52單片機中有 1個 8位 CPU，與通用的 CPU 基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的位處理功能。 （ RAM） 片內(nèi)為 256B，片外最多可擴展 64KB。片內(nèi) 128B 的 RAM 以高速RAM的形式集成在單片機內(nèi)，可以加快單片機運行的速度，而且這種結(jié)構(gòu)的 RAM還可以降低功耗 。 （ ROM） 程序存儲器用來存儲程序。 89C52 片內(nèi)集成有 8KB的 Flash 存儲器，片外可外擴至 64KB。 5 個中斷源， 2級中斷優(yōu)先權(quán) 。 /計數(shù)器 片內(nèi)有 3 個 16 位的定時器 /計數(shù)器，具有 4種工作方式 。 10 1 個全雙工的串行口，具有 4中工作方式?？蛇M行串行通信，擴展并行 I/O，甚至于多個單片機相連構(gòu)成多級系統(tǒng)，從而使單片 機的應用更廣 。 口、 P2口、 P3 口、 P0 口 4 個 8 位并行 I/O口。 （ SFR） 共有 21 個特殊功能寄存器，用于 CPU 對片內(nèi)各功能部件進行管理、控制和監(jiān)視。特殊功能寄存器實際上是片內(nèi)各個功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，這些特殊功能寄存器映射在片內(nèi) RAM 區(qū)80H~FFH的地址區(qū)間內(nèi)。 二、 89C52 單片機引腳功能說明 圖 32 89C52 單片機引腳圖 11 （ 1）電源引腳 VCC（ 40腳）：接 +5V電源 GND（ 20腳）：接地。 （ 2）時鐘引腳 XTAL1（ 19 腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器電路的輸入端。 XTAL2（ 18腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。 （ 3）控制引腳 RST（ 9 腳）：復位信號輸入端，高電平有效。單片機運行時，在此引腳加上持續(xù)時間大于 2 個機器周期的高電平時，就可以對單片機完成復位操作。 EA/VPP（ 31 腳）：當 EA 引腳為高電平時， 89C52 單片機讀片內(nèi)程序存儲器，但在 PC值超過 8KB時將自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器中的程序。EA 為低電平時，對程序存儲器的讀操作只先頂著外部程序存儲器。 （ 4） I/O口引腳 P0 口： 8位，漏極開路的雙向 I/O 口。當 89C52 擴展外部存儲器及I/O借口芯片時， P0 口作為地址總線低 8