【正文】 第 1 章 設(shè)計(jì)簡介 設(shè)計(jì)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(jī) 的應(yīng)用幾乎無處不在 ， 而 數(shù)字溫度計(jì) 更是被人們緊追不舍 。 在我們的周圍，溫度總是如影隨形的陪伴著我們，無論何時(shí)何地，我們總可以感受到溫度的氣息。因此， 在很多 時(shí)候， 對溫度 進(jìn)行準(zhǔn)確的測量 與顯示，進(jìn)而來完成對它的控制是很有必要的 。若采用 單片機(jī) AT89S51 與 溫度傳感器 DS18B20 結(jié)合實(shí)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(zhǔn)確，而且 抗干擾能力強(qiáng)，適合于 在困難 環(huán)境 中 進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量，應(yīng)用前景 非常廣泛 。系統(tǒng)中還設(shè)有 報(bào)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(bào)警 功能的設(shè)計(jì)， 當(dāng)設(shè)備的溫度超過所設(shè)溫度時(shí)，系統(tǒng)會報(bào)警 提醒，以 便 人們 能 及時(shí)的 進(jìn)行處理， 避免因 溫度變化而造成不必要的損失。 電阻溫度計(jì)： 有 金屬電阻和半導(dǎo)體電阻溫度計(jì) 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。 壓力式溫度計(jì) ： 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(jìn)行溫度 檢 測的 便是 壓力式溫度計(jì) 。 水銀溫度計(jì)： 常用的 膨脹式溫度計(jì) 便是由 水銀 制作而成的 溫度計(jì)， 由于 水銀的凝固點(diǎn) 為 ℃，沸點(diǎn) 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。 由于單片機(jī)的接口 電路 是數(shù)字信號， 若 使用 單片機(jī) 來 控制處理 溫度、濕度、壓力等非電信號， 就 必須 借助相 應(yīng)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(jī)進(jìn)行 溫度 數(shù)據(jù) 的 處理和顯示。通用型有總線型 、 非總線型 、 8 位和 16 位之分 。 溫度傳感器是開發(fā)最早，應(yīng)用最廣的一類傳感器。 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) 。本設(shè)計(jì) 能夠測量 的溫 度范圍為 55~128℃，并且小于 0℃ 、 大于100℃時(shí)報(bào)警，用 6 位共陰極 LCD 數(shù)碼管 顯示。 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 。 9 第 2 章 系統(tǒng)概述 設(shè)計(jì)方案的選擇 設(shè)計(jì)溫度檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵在于兩 個(gè) 部分：溫度傳感器和主控單元的選 取 。 采用熱電偶來設(shè)計(jì)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(fù)位電路，晶振電路，顯示電路、 報(bào)警電路 和 啟動(dòng)電路等。 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(fù)雜 性，不僅使得 硬 件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試 麻煩 ， 而且 制作成本 昂貴 。 由于 DS18B20 的 物理化學(xué)性穩(wěn)定，線 性 較好 ， 在 0~100℃時(shí)，最大線 性 偏差小于 1℃ ，常 用做 產(chǎn) 業(yè)測溫元件。 從上 述 三 種方案中 能夠 看出 ： 方案一的可測溫度范圍 廣 、體積小，但是線性誤 差 大，硬件電路麻煩 。故本次設(shè)計(jì)采用 的是 方案 三 。單片機(jī)控制編程的自由度 很 大，可通過 軟件 編程 來 實(shí)現(xiàn)各種 邏輯 算法 的運(yùn)算與 控制， 既能單獨(dú)控制 DS18B20 工作， 硬件實(shí)現(xiàn)簡單，還可以與 計(jì)算 機(jī) 直接 通信 。而 DS18B20 與 AT89S51 結(jié)合實(shí)現(xiàn)的 溫度 監(jiān)控 系統(tǒng) 可直接進(jìn)行溫度的讀取與顯示 ， 操作 簡單 方便 ，抗干擾 性 強(qiáng) ， 性能 穩(wěn)定，適合 于 在 各種環(huán)境下 使 用。 系統(tǒng) 的 硬件電路包括 溫度 數(shù)據(jù) 的 采集電路，溫度 的 顯示電路，上下限報(bào)警電路，單片機(jī)主 控 電路等。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)電路 圖 如圖 23所示 。 51 單片機(jī)的 P1 口八個(gè)引腳分別對應(yīng)接 LED 數(shù)碼管的 八個(gè)引腳， P3 口的~ 分別控制對應(yīng)的數(shù)碼管片選引腳 1~6，第一個(gè)數(shù)碼管用來顯示“ ”（表示當(dāng)前溫度低于零度），第二個(gè)數(shù)碼管用來顯示溫度的百位，第三個(gè)數(shù)碼 管顯示十位，第四個(gè)數(shù)碼管顯示個(gè)位，第五個(gè)數(shù)碼管顯示的是溫度的一位小數(shù)位，第六個(gè)數(shù)碼管顯示字母“ L”或” H” (L 表示低溫， H 表示高溫）。 該系統(tǒng) 中 單片機(jī)采用 12MHz的 石英晶振和 30pF 的微調(diào)電容 ，由此 構(gòu)成的自激振蕩器 被 作為時(shí)鐘電路， 一般情 況下復(fù)位電路 采用簡單的上電開關(guān)復(fù)位電路。 溫度 傳感器是獲取信息的關(guān)鍵器件，是信息系統(tǒng)和各種 裝置必不可少的 的信 息采集 元件 。 第一個(gè)數(shù)碼管用來顯示“ ”（表示當(dāng)前溫度低于零度）， 13 第二個(gè)數(shù)碼管用來顯示溫度的百位，第三個(gè)數(shù)碼管顯示十位，第四個(gè)數(shù)碼管顯示個(gè)位，第五個(gè)數(shù)碼管顯示的是溫度的一位小數(shù)位，第六個(gè)數(shù)碼管顯示字母“ L”或” H” (L 表示低溫， H表示高溫）。 第 3 章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件組成 本設(shè) 計(jì)電路由 單片機(jī) AT89C5 溫度傳感器 DS18B 6 位共陰 極 LED 數(shù)碼管 、 發(fā)光二極管、 NPN 三極管、蜂鳴器 等器件組成。 AT89C51 的介紹 AT89C51 簡介 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位 微處理器，俗稱單片機(jī) 。 主要性 能 參數(shù) ? 可 與 MCS51 兼容 ? 4K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速 存儲器 ? 1000 次擦寫周期 ? 數(shù)據(jù) 可 保留 10 年 ? 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz ? 128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM ? 32 個(gè)可編程 I/O口 ： P0～ P3，每一個(gè) I/O 口都有 8 位 ? 2個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ? 5個(gè)中斷源 ? 可編程串行 UART 通道 14 ? 三級程序存儲器鎖定 ? 低功耗空閑和掉電模式 除此之外它本身具有振蕩器和時(shí)鐘電路，掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位；空閑方式停止 CPU的工作，但允許 RAM、 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 、 串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 RST：復(fù)位輸入 。 DS18B20 的 測溫范圍為 55℃ ~+128℃，在 10℃ ~+85℃ 之間的 精度為177。 圖 32 DS18B20 的 引腳排列 圖 圖中 GND 為 接地端 ， VDD 可接電源，也可接地。 64 位 光刻 ROM：它 是由 商 家使用激光 技術(shù) 刻錄的一個(gè) 64 位二進(jìn)制 的 ROM 代碼， 表示 該芯片的標(biāo)識號，如表 31所示。 用相關(guān)的程序代碼 可 對 55℃ ~+128℃ 之間 的溫度值按 1 12 位的分辨率進(jìn)行量化， 由于這些 分辨率都包 含 一個(gè)符號位，因 而 對應(yīng)的量化值分別 是℃、 ℃、 ℃、 ℃， 可見 最高分辨率為 ℃ ， 默認(rèn) 情況下 DS18B20 的轉(zhuǎn)換精度為 12位。溫度 的 數(shù)據(jù)格式如 下 表 32 所示。 RAM 中有 8 位 連續(xù) 的 字節(jié)，前 2位 是 所測 溫度 的 信息，第 4 位 是 TH、 TL的易失性拷貝，第 5位 是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝 ，第 7 位分別為 R0和 R1，它們 決定 了 溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)， 用 來設(shè)置 DS18B20 的 分辨率 （ 詳 請 見表 34），第 8 位是 TM 工作模式位，用來表示 DS18B20 是工作模式還是測試模式 。 3. 溫度報(bào)警觸發(fā)器 DS18B20 需要 依靠一個(gè)單線端口 才能進(jìn)行 通 信， 在單線端口 的 條件下 ，要 進(jìn)行存儲 器 和控制操作 就得 先建立 ROM 操作協(xié)議。溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL 均 由一個(gè) E2PROM 構(gòu)成 ， 可用存儲器操作 指令 對 其 進(jìn)行寫 命令 ， 存儲在里面的 數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前的方式進(jìn)行讀寫 的 。后者的 振蕩頻率 會 隨溫度 的 變化 而產(chǎn)生 明顯 的改變，產(chǎn)生的信號 被用來 作為減法計(jì)數(shù)器 2的脈沖輸入。隨后 將重新裝入減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置 值 ,新一輪的 計(jì)數(shù) 操作又開始了 ,依此 循環(huán) ， 直到減法計(jì)數(shù)器 2的 計(jì)數(shù) 值為 0，溫度寄存器 里面的 值 便 停止累加 ， 此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫 度值。 斜率 累 加器 高 溫系數(shù)振蕩器 計(jì)數(shù)器 2 =0 比較 預(yù)置 溫度寄存器 =0 計(jì)數(shù)器 1 Tx 低溫系數(shù)振蕩器 預(yù)置 19 初始化 或 復(fù)位 操作 要求主 CPU 先將數(shù)據(jù)線置 于 高電平“ 1” ， 延時(shí) （ 盡可能短） 之后再將 數(shù)據(jù)線拉到低電平“ 0” ，然后 將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒釋放， DS18B20在 15~60 微 秒 的 時(shí)間內(nèi) 發(fā)出 低電平 信號 則 表示復(fù)位成功 ， 之后再 將數(shù)據(jù)線拉到高電平 。 二、 通過 AT89C51 單片機(jī)對送來的溫度進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換， 并把 結(jié)果送 到數(shù)碼管 顯示模塊。 圖 34 時(shí)鐘電路 通常， 51單片機(jī)允許的振蕩晶體 范圍為 12~24MHz，一般為 。 20 圖 35 復(fù)位電路 單片機(jī) 的 RST 引腳 在 高電平 時(shí) 有效。 接口電路的設(shè)計(jì) DS18B20 的供電方式有兩種，即 電源供電方式 和 寄生電源供電方式 。 圖 36 DS18B20 與單片機(jī)的接口電路 21 LED 數(shù)碼管 顯示電路 的設(shè)計(jì) 這里采用 6 位 共陰極 LED 數(shù)碼管 來完成 數(shù)字溫度的顯示 ，對 0~100 中 的 任何數(shù) 都能夠顯示 ， 而 且還能 完成正負(fù)標(biāo)志位、字母標(biāo)志位和 一位小數(shù) 位的顯示 。 6位LED 數(shù)碼管如下圖 37 所示。其電路圖如 圖 38所示 。當(dāng)信號輸入時(shí)，主程序啟動(dòng)，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的條件逐步運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。 主程序 的 功能主要是讀出 并 處理 DS18B20 的測量溫度值 ，進(jìn)行 溫度的實(shí)時(shí)顯示， 每 隔 1s 便進(jìn)行一次溫度的 測量。 主程序執(zhí)行的 流程如 圖 41所示。本系統(tǒng) 中采用 1s 延時(shí) 程序來 等待轉(zhuǎn)換的完成。 觀察 下 表 41 可以 知道二 進(jìn)制與 十 進(jìn)制間的關(guān)系是 ： 把二進(jìn)制 中 高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組 合 成一 個(gè) 字節(jié)， 將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的 十進(jìn)制后 便是 溫度的百、十、個(gè)位字節(jié) 。 Proteus 軟件 1. Proteus 簡介 Protues 軟件 由 是英國 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具 ， 不僅具有其它 EDA 的仿真功能，還能 對 單片機(jī)及外圍器件 進(jìn)行 仿真。從程序的編寫，編譯到調(diào)試，目標(biāo)版的仿真一應(yīng)俱全。 2. Keil 軟件調(diào)試功能 Keil 的使用 步驟為：打開 Keilμ Vision4建立 工程并選擇 AT89C51 后保存 編寫源程序并保存 添加源文件 設(shè)置工程 編譯 、 連接 、生成“ .hex”文件 程序調(diào)試。 工程設(shè)置 好 后點(diǎn)擊編譯工具欄上圖標(biāo) 進(jìn)行編譯 即可 生成“ .hex”十六進(jìn)制的 目標(biāo)文件 。 圖 52 LED 數(shù)碼管顯示 27 當(dāng)環(huán)境溫度在 所設(shè)范圍 0~100℃ 內(nèi)時(shí)， 溫度正常 顯示， 仿真結(jié)果如圖 53所示。 。 這里 采用的 僅僅 只是 其中的 一種方案，還有多種方案可 供選擇 。 3. 選取自己熟悉或易于理解接受的器件來設(shè)計(jì)。 總之，本 設(shè)計(jì) 在 智能型 數(shù)字溫度 檢測 方面 做了一定的研究 。 2. 系統(tǒng) 精度： 由于經(jīng)驗(yàn)缺 乏 ，考慮不周 ， LED 顯示數(shù)值不夠精確 。 通過本次畢業(yè)論文 的 設(shè)計(jì)， 我 得到 了 以下 幾個(gè) 結(jié)論 : 1. 在開始論文設(shè)計(jì)之前，一定要廣泛的、大量的查閱相關(guān)的資料，提取對自己有用的信息，并做好相關(guān)的筆記。 圖 55 高溫報(bào)警仿真圖 29 結(jié)束語 本論文主要介紹了如何 利用 51 單片機(jī) 將 DS18B20 采集到的溫度值進(jìn)行 轉(zhuǎn)換和 實(shí)時(shí)顯示 。低溫報(bào)警仿真圖如圖 54 所示。 溫度傳感器 DB18B20 的 仿真圖如圖 51所示， 圖中 將環(huán)境溫度設(shè) 為 ℃ 。步驟是 右擊鼠標(biāo)工程管理窗口的文件頁中的“ Target1”， 選擇 ProjectOption for Target‘ Target1’， 在彈出的對話框中 選擇 Output 選項(xiàng)卡， 并 勾 選 Create HEX F