【正文】 果空氣溫度不適應(yīng)，極有可能產(chǎn)生不良反應(yīng)，嚴重的可 能直接影響到人們的生命健康。我們電子科技行業(yè)也同樣離不開對溫度的測量和控制，如制造大規(guī)模集成電路時就需要極精確的溫度控制。工業(yè)溫度的測量和控制在激光器、光纖光柵的使用及其他的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究中應(yīng)用廣泛。因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器。隨著科技的發(fā)展，技術(shù)要求的重視，溫度測量的精度也越 來越被看重。所以高精度溫度測量系統(tǒng)的研究就非常有意義。 本課題使用 AT89S52 單片機結(jié)合 DS18B20 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案。要求該系統(tǒng)能夠合理有效的管理和控制外部硬件，達到實時檢測、監(jiān)測和控制溫度的目的，形成一套智能化溫度控制系統(tǒng)。此數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，該設(shè)計控制器使用單片機 AT89S52，測溫傳感器使用 DS18B20，用 4 位共陽極 LED 數(shù)碼管以并口傳送數(shù)據(jù) ,實現(xiàn)溫度顯示 ,能準確達到以上要 求。 基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 6 第二章 監(jiān)控系統(tǒng)主要元器件簡介 AT89S52 單片機的組成結(jié)構(gòu)及功能 .1 AT89S52 單片機 的主要功能 （ 1） 8 位字長 CPU； （ 2）振蕩器和時鐘電路，全靜態(tài)操作： 0~33MHz； （ 3） 8KB 系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 存儲器； （ 4） 256B 內(nèi)部 RAM； （ 5） 4 個 I/O 端口共 32 線； （ 6） 3 個 16 位定時 /計數(shù)器； （ 7）全雙工（ UART）串行口通道； （ 8） ISP 端口； （ 9）定時監(jiān)視器（看門狗）； AT89S 系列單片機的基本組成： 圖 1 AT89S 系列單片機的基本組成框 圖 基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 7 AT89S5 單片機的封裝及其引腳功能說明 圖 2 AT89S52 引腳 （ 1） VCC：電源電壓 +5V （ 2） GND：接地 （ 3） P0 口： P0 口是 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，其 既 可作為地址 /數(shù)據(jù)總線復用口，又可作為通用 I/O 口使用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，該口分時轉(zhuǎn)換低 8 位地址和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在作為通用 I/O 口使用時：作為輸出口用時，每位能驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，在驅(qū)動 NMOS 電路時 ,需外接上拉電阻。作為輸入端口用時，要先向鎖存 器寫 l，這時輸出級 2 個 FET 均截止 ,可用作可作為高阻抗輸入。 （ 4） P1 口： Pl 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， Pl 的輸出緩沖級可驅(qū)動（接收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ l”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 （ 5） P2 口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，該口的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使 用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。在訪問外部程序存儲器或 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX @DPTR 指令）時， P2 口送出高 8 位地 基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 8 址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX @Ri 指令）時， P2口線上的內(nèi)容在整個訪問期間不改變。 （ 6） P3 口： P3 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 口。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“ l”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端口時，被外部拉低的 P3口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。 P3 口除了作為一般的 I／ 0 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： 端口引腳第二功能 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 INT0 外部中斷 0 INT1 外部中斷 1 T0 定時／計數(shù)器 0 外部輸入 T1 定時／計數(shù)器 1 外部輸入 WR 寫選通 RD 讀選通 （ 7） EA/VPP：外部訪問允許端。 EA 端保持低電平時， CPU 訪 問外部程序存儲器； EA 端保持高電平時， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 F1ash 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程電壓 Vpp。 （ 8） RST：復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 （ 9） ALE／ PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1／ 6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 (10)XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 (11) XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容 CC2 沒有十分嚴格的要求，如果使用石英晶體，推薦電容值為 30pF177。 10pF 基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 9 外接晶振或外部振蕩器引腳 XTALl：當外接晶振時，接外部晶體的一個引腳。片內(nèi)振蕩器由一個單級反相器組成， XTALl 為反相器的輸入。當外部振蕩器提供時鐘信號時，則由 XTALl 段輸入。 XTAL2：接外部晶體的另一個引腳 。片內(nèi)為單級反相器的輸出。當由外部時鐘源提供時鐘信號時，則本引腳浮空。 圖 3 時鐘電路 AT89S52 復位 復位是單片機的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使 CPU從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復位鍵重新啟動。 MCS5l 系列單片機的復位引腳 RST(全稱 RESET)出現(xiàn) 2 個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果 RST 持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復 位狀態(tài)。復位操作 的 兩種基本形式 為 上電復位和上電或開關(guān)復位。上電復位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復位操作 ； 上電或開關(guān)復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關(guān)操作也能使單片機復位。上電后，由于電容 C 的充電和反相門的作用，使 RST 持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵 K 后松開，也能使 RST 為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關(guān)復位的操作 基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 10 圖 4 復位電路 溫度測量傳感器 DS18B20 介紹 DS18B20 簡介 本文所采用的溫度傳感器是美國 DALLAS 公司生 產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，特別適合于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機處理，而且每片 DS18B20都有唯一的產(chǎn)品號并可存入其 ROM 中，以使在構(gòu)成大型溫度測控系統(tǒng)時在單線上掛任意多個 DS18B20芯片。從 DS18B20讀出或?qū)懭隓S18B20信息僅需要一根口線，共讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的 DS18B20供電，而無需額 外 電源。 DS18B20能提供九到十二位溫度讀數(shù)，它無需任何外圍硬 件即可方便地構(gòu)成溫度檢測系統(tǒng) DS18B20 的引腳 、 封裝和結(jié)構(gòu) DS18B20 采用 3 腳 PR35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝，管腳排列如圖 5。 圖中 GND 為地； I/O 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出端（即單線總線），該腳為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平； VDD 是外部 +5V 電源端，不用時應(yīng)接地； NC 為空腳。 DS18B20 主要性能如下： （ 1） 零待機功耗； （ 2） 無須外部器件； （ 3） 溫度以 9 到 12 位數(shù)字量讀出； （ 4） 獨特的單線接口僅需要一個端口進行通信； 基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 11 （ 5） 用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置； （ 6） 多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)； （ 7） 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 ～ ； （ 8） 報警搜索命令識別標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； （ 9） 負電壓特性，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。 圖 5 DS18B20 引腳排列 圖 6 所示為 DS18B20 的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、 64位激光 ROM 單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式 RAM），用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的 TH 和 TL 解發(fā)器存儲與控制邏輯、 8 位循環(huán)冗余校驗碼（ CRC）發(fā)生器等七部分。 圖 6 DS18B20 方框圖 基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 12 寄生電源 寄生電源由二極管 VD VD2 和寄生電容 C 組成。電源檢測電路用于判定供電方式。寄生電源供電時， VDD 端接地，器件從單線總線上獲取電源。在 I/O線呈低電平時，改由 C 上的電壓 Vc 繼續(xù)向器件供電。該寄生電源有兩個優(yōu)點：第一，檢測遠程溫度時無需本地電源；第二，缺少正常電源時也能讀 ROM。若采用外部電源 VDD，則通過 VD2 向器件供電 。 溫度測量原理 DS18B20 通過使用在板（ onboard）溫度測量專利技術(shù)來測量溫度。測量電路的方框圖如圖 7 所 示。 圖 7 溫度測量電路 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號 f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號 f。當計 數(shù)門打開時， DS18B20 對 f0 計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性予以被償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9 位（符號點 1 位），可精確 ℃，但因符號位擴展成高 8 位，故以 16 位被碼形式讀出，表 1 給出了溫度和數(shù)字量的關(guān)系。 基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 13 表 1 DS18B20 溫度數(shù)字對應(yīng)關(guān)系 溫度℃ 數(shù)據(jù)輸出（二進制） 數(shù)據(jù)輸出（十六進制） +125 00000000 11111010 00FA +25 00000000 00110010 0032 +1/2 00000000 00000001 0001 0 00000000 00000000 0000 1/2 11111111 11111111 FFFF 25 11111111 11001110 FFCE 55 11111111 10010010 FF92 四位連體數(shù)碼管 SM410564 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個 發(fā)光二極管 單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能 顯示多少個 “8” 可分為 1 位、2 位、 4 位等等數(shù)碼管； 按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管 在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND 上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。 其引腳如圖 8 所示； SM410564 內(nèi)部電路圖 如圖 9 所示。 圖 8 SM410564 引腳圖 基于單片機的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 14 1 4 5 122 6 10 8 7 3 11 9A B C D E F G DP A B C D E F G DP A B C D E F G DP A B C D E F G DPS M 4 1 0 5 6 4 內(nèi)部電路圖 圖 9 SM410564 內(nèi)部電路圖 數(shù)碼管要正常