【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 1 頁 共 32 頁 1 智能溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 作者： xxx 指導(dǎo)老師： xxx 摘要 : 在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們經(jīng)常要用到溫度的檢測(cè)及控制 ， 而目前推廣應(yīng)用的許多溫度控制系統(tǒng)多采用電阻式溫度傳感器 ， 測(cè)量精度低 ， 需要 A/D 轉(zhuǎn)換和比較多的外部硬件支持， 電路復(fù)雜 ， 離散性大 ， 溫度反應(yīng)緩慢。 而新型數(shù)字式智能溫度傳感器 DS18B20 可以直接讀出被測(cè)溫度值，反應(yīng)速度快，也可以設(shè)定溫度上下限，還可以根據(jù)實(shí)際溫度控制外部電路，進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)?。本文介紹了 采用數(shù)字式溫度傳感器作為溫度采集單元和 用 單片機(jī)來對(duì)它們進(jìn)行控制 ， 并用 DS18B20 和 AT89C51 單片機(jī)為核心開發(fā)研制了一種自動(dòng)溫度測(cè)控系統(tǒng) ，該系統(tǒng)具有控制方便、簡單、靈活、實(shí)用性強(qiáng)、測(cè)量精度高、可靠性高等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： 數(shù)字溫度傳感器 智能 溫度控制 單片機(jī) 1 引言 溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù) ， 人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān) ， 在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實(shí)時(shí)測(cè)量溫度 ， 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測(cè)量 ， 因此研究溫度的測(cè)量方法和裝置關(guān)鍵是溫度傳感器。 在眾多應(yīng)用于溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的 元件中 ， 溫敏電阻雖然成本低 ， 但后續(xù)電路復(fù)雜 ， 且需進(jìn)行溫度標(biāo)定 ； 電流型集成溫度傳感器 AD590也因其輸出為模擬信 號(hào) ， 且輸出信號(hào)較弱故需后續(xù)放大及 A/ D 轉(zhuǎn)換電路 ， 若采用普通運(yùn)放則精度難以保證 ， 而測(cè)量放大器價(jià)格偏高 ， 這就使系統(tǒng)的成本升高；目前 ， 國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式 ， 從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。自美國 DALLAS公司生產(chǎn)單總線、數(shù)字式溫度傳感器系列 (如 DS16 DS18 DS18B20) 以來 ， 相繼被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化測(cè)控領(lǐng)域。改變了傳統(tǒng)溫度測(cè)試方法 ， 能在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù) ， 并直接將溫度物理量變換為數(shù)字信號(hào)并以總線方式傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ， 測(cè)溫度范圍為 55～ + 125℃。本系統(tǒng)采用美國DALLAS 公司的產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度信號(hào)的采集 ， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)及進(jìn)行溫度補(bǔ)償。智能溫度傳感器 DS18B20 將溫度傳感器、A/D 傳感器、寄存器、接口電路集成在一個(gè)芯片中 ， 代替模擬溫度傳感器和信號(hào)處理電路 ，直接與單片機(jī)溝通 ， 完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理，具有直接數(shù)字化輸出、測(cè)試及控制功能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、微型化微功耗、便于多點(diǎn)測(cè)量且易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。它可應(yīng)用于各種領(lǐng)域、各種環(huán)境的自動(dòng)化測(cè)試和控制系統(tǒng) ， 使用方便靈活 ， 測(cè)試精度高 ， 優(yōu)于 任何傳統(tǒng)的溫度數(shù)字化、自動(dòng)化測(cè)控設(shè)備，還可以讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的溫控系統(tǒng) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 2 頁 共 32 頁 2 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 通過預(yù)先對(duì) DS18B20可編程溫度傳感器的編程 ， 完成轉(zhuǎn)換位數(shù) ， 精度 ， 高、低溫報(bào)警觸發(fā)器 TH、 TL 的溫度設(shè)置。進(jìn)入測(cè)溫模式后 ， DS18B20可編程溫度傳感器將所測(cè)的溫度值直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ， 通過其獨(dú)有的單總線協(xié)議 ， 實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸 ， 完成數(shù)據(jù)采集。再結(jié)合軟件及相應(yīng)外圍電路進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控。 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 本文 將 DS18B20 與其它溫度傳感器如溫敏電阻、 AD590 進(jìn)行比較 ,介紹了 DS18B20 的基本特性。由于 DS18B20 具有直接輸出數(shù)字信號(hào)、單總線接口、成本低等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在由AT89C51及各種環(huán)境因子檢測(cè)傳感器構(gòu)成的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)中作為測(cè)溫探頭 ,給出了相應(yīng)的硬件接口電路、軟件流程及主要程序代碼 。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下： （ 1）測(cè)溫檢測(cè)范圍在 55~125℃ ，誤差在 ℃ 以內(nèi) （ 2） 在測(cè)溫模式下 ， 實(shí)時(shí)測(cè)出當(dāng)前溫度并 用 4位數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度 。 （ 3）用戶可以通過按鍵設(shè)置允許最高溫度 125℃ 、允許最低溫度 55℃ 。 （ 4） 在測(cè)溫模式下 ， 實(shí)時(shí)比較當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度 ， 當(dāng)高于設(shè)定溫度 1度時(shí) ， 系 統(tǒng)綠燈亮 ，并接通繼電器 1進(jìn)行制冷。當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度 1度時(shí)，系統(tǒng)紅燈亮，并接通繼電器 2進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度超過允許溫度時(shí)，聲音警報(bào)響。 由于實(shí)際條件有限，制冷和加熱設(shè)備作為外圍電路在本設(shè)計(jì)中不予制作。 系統(tǒng)總體方案介紹 硬件電路由如下部分組成 ， 即鍵盤輸入電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、LED 顯示驅(qū)動(dòng)電路、 4位 LED 顯示器 、 溫度檢測(cè)電路 及溫度控制電路 。硬件電路框圖見如圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 3 頁 共 32 頁 3 圖 1 硬件電路框圖 3 系統(tǒng)硬件介紹 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 引腳 分布 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 的測(cè)溫范圍為 55～ + 125 ℃ ， 精度為 ℃ ， 測(cè)量的溫度值用 9～ 12 位數(shù)字表示 ， 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 750 ms， 溫度超標(biāo)報(bào)警的上、下限值 ， DS18B20 的轉(zhuǎn)換分辨率均可由用戶設(shè)定 ， 并能長期保存。利用 Dallas 的單總線控制協(xié)議 ， 和單線控制信號(hào)在總線上來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。 DS18B20 可編程溫度傳感器有 3 個(gè)管腳， ground 為接地線 ， DQ 為數(shù)據(jù)輸入輸出接口 ， 通過一個(gè)較弱的上拉電阻與單片機(jī)相連。 DS18B20 的另一特點(diǎn)是在沒有外部電源下操作的能力 ， 電源由 總線為高電平時(shí) DQ 腳上的上拉電阻提供 (寄生供電模式 ) ， 此時(shí) VDD腳接地。也可用傳統(tǒng)方式供電 ， 即將外部電源接在 VDD腳上即可，范圍 ～ V。本設(shè)計(jì)使用的封裝形式如圖 2所示 ， 采用寄生電源接線方式。 單 片 機(jī) 鍵盤輸入電路 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 蜂鳴電路 LED 顯示器驅(qū)動(dòng)電路 溫度檢測(cè)電路 4位 LED顯示器 溫度控制電路 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 4 頁 共 32 頁 4 圖 2 DS18B20 的管腳圖 引腳含義如下： ● DQ：數(shù)字信號(hào)輸入 \輸出端。 ● GND：電源地。 ● VDD：外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 DS18B20的測(cè)溫原理 DS18B20 測(cè)溫原理如圖 3 所示。 當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后 ， 開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1 ， 2 字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù) ， 讀取時(shí)低位在前 ， 高位在后 ， 數(shù)據(jù)格式以 5 ℃ / LSB 形式表示。 圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用來向計(jì)數(shù)器 1提供固定頻率的脈沖信號(hào)。高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響較大 ， 隨溫度的變化而明顯改變 ， 其產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入 ， 用于控 制閘門的關(guān)閉時(shí)間。初態(tài)時(shí) ，計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在與 55 ℃相對(duì)應(yīng)的一個(gè)基值上。計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù) ， 在計(jì)數(shù)器 2 控制的閘門時(shí)間到達(dá)之前 ， 如果計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 ， 則溫度寄存器的值將作加 1 運(yùn)算 ， 與此同時(shí) ， 用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中非線性的斜率累加器將輸出一個(gè)與溫度變化相對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值 ， 作為計(jì)數(shù)器 1 的新預(yù)置值 ， 計(jì)數(shù)器1 重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù) ， 如此循環(huán) ， 直到計(jì)數(shù)器 2 控制的閘門時(shí)間到達(dá)亦即計(jì)數(shù)到 0 時(shí) ， 停止溫度寄存器值的累加 ， 此時(shí)溫度寄存器 中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。在默認(rèn)的配置中 ， DS18B20 的測(cè)溫分辨率為 ℃ ， 以 12 位有效數(shù)據(jù)表示 ， 其中 ，高位的 S 表示符號(hào)位 ， 其數(shù)據(jù)格式如表 1 所示。其中“ S”為標(biāo)志位 ， 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)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 5 頁 共 32 頁 5 算十進(jìn)制值。表 2 是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后 ， 就把測(cè)得的溫度值與TH ， TL 做比較 ， 若 T TH 或 T TL ， 則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位 ， 并對(duì)主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令做出響應(yīng)。 圖 3 DS18B20測(cè)溫原理圖 表 1 溫度數(shù)據(jù)關(guān)系 表 2 DS18B20溫度與表示值對(duì)應(yīng)表 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 6 頁 共 32 頁 6 DS18B20 內(nèi)部由 64 位閃速 ROM、觸發(fā)器 T H 和 T L 、高速暫存存儲(chǔ)器、配置寄存器和 8 位 C R C 發(fā)生器等組成。 64 位閃速 R O M 的結(jié)構(gòu)如下 : 開始 8 位是產(chǎn)品類型的編號(hào) ， 接著是每個(gè)器件的唯一的序號(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) DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器 T H 和 T L ， 可通過軟件寫入用戶報(bào)警上下限。高速暫存存儲(chǔ)器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 RAM 一個(gè)非易失性的可電擦除的 E2PROM。后者用于存儲(chǔ) TH， TL 值 ， 數(shù)據(jù)先寫入 R A M ，經(jīng)校驗(yàn)后再傳給 E 2P R O M 。而配置寄存器為高速暫存器中的第 5 個(gè)字節(jié) ， 它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率 ， DS18B20 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。 ROM中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光記好的 ， 它可 以看作是該 DS18B20 的地址序列碼 ，每個(gè) DS18B20 的 64 位序列號(hào)均不相同。 64 位 ROM 的排列是 :前 8位是產(chǎn)品家族碼 ， 接著 48位是 DS18B20的序列號(hào) ， 最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 (CRC = X8 + X5 + X4 + 1) 。ROM 作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同 ， 這樣就可實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)。 DS18B20采用單總線工作方式。 圖 4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20的 性能特點(diǎn) (1)～ 單電源供電 ； (2)微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、易與微處理器接口 ； (3) 測(cè)溫范圍為 55℃ +125℃ ， 測(cè)量分辨率為 ℃ ， 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 7 頁 共 32 頁 7 (4)3 引腳 TO － 92 小體積封裝或 8 引腳μ SOP 封裝 ； (5)可編程為 9 位～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度 ； (6)只需一根端口線就能與微處理器通訊 ； (7)每只 DS18B20 有唯一的序列號(hào)并可存入其 ROM 中 ， 便于實(shí)現(xiàn)多芯片多點(diǎn)測(cè)量 ； (8) 采用單總線專用技術(shù) ， 既可通過串行口線 ， 也可通過其它 I/O 口線與微機(jī)接 口 ， 無須經(jīng)過其它變換電路 ， 直接輸出被測(cè)溫度值 ； (9)用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。 （ 10）內(nèi)含 64 位經(jīng)過激光修正的只讀存儲(chǔ)器