【正文】 題目類型： 理論研究 實驗研究 工程設(shè)計 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) ? 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 1 摘 要 溫度的測量和控 制對人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報、物資倉儲等都起著極其重要的作用。在許多場合，及時準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的溫度是十分重要的，近年來，溫度測控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，溫度的測控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺，能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。然后由控制器可以控制加熱或者制冷，從而達(dá)到控溫的目的。本文對各部分的硬件原理圖進(jìn)行了分析，還對各功能程序進(jìn)行概述。而且可以多點檢測（本畢設(shè)只是單點測溫），幾個傳感器連接也很簡單。單片機(jī)已經(jīng)深入到我們生活的每一個細(xì)節(jié)，由于單片機(jī)的微型電子產(chǎn)品到處都是，尤其是 ARM 的廣泛應(yīng)用，使我們的生活變得更豐富多彩。溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等 ,常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場合和所要求的性能指標(biāo)有所不同 , 在工業(yè)企業(yè)中 ,如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡單實用 ,但由于繼電器動作頻繁 ,可能會因觸點不良而影響正常工作。 而采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，因其內(nèi)部集成了 A/D 轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。由于 DS18B20 芯片的小型化，更加可以通過單條數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性。溫度自動控制系統(tǒng)主要是由溫度采集、顯示、揚聲器報警、加熱制冷模塊和上位機(jī)顯示模塊組成。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 36 頁 1 緒論 單片微機(jī)的發(fā)展 單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)， 是典型的嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit）常用英文字母的縮寫 MCU 表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。單片機(jī)它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個芯片中，使計算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。其中最成功的是 Intel 的 8051，此后在 8051 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)。盡管 2020 年以后 ARM 已經(jīng)發(fā)展出了 32位的主頻超過 300M 的高端單片機(jī)，直到現(xiàn)在基于 8051 的單片機(jī)還在廣泛的使用。事實上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的處理器，隨著單片機(jī)家族的發(fā)展壯大，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。因此對溫度的檢測以及控制的意義越來越大。使用自動溫控系統(tǒng)可以對生產(chǎn)的溫度進(jìn)行自動控制 ，保證生產(chǎn)自動化、智能化且能夠順利，安全的進(jìn)行，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計算機(jī)時代，但是微型計算機(jī)的體積、價格、可靠性，都無法滿足廣大用戶對嵌入式系統(tǒng)的要求，因此，嵌入式系統(tǒng)慢慢走上了芯片化道路。 溫控系統(tǒng)設(shè)計的核心 設(shè)計工業(yè)現(xiàn)場的溫度控制系統(tǒng)。性能穩(wěn)定，成本低廉，可連續(xù)工作，精度高，可靠性強(qiáng)等優(yōu)點。 （ 3） 當(dāng)目標(biāo)溫度高于 28℃時，蜂鳴器開始報警，同時 GBJ 閃爍（模擬開始制冷設(shè)備），當(dāng)目標(biāo)溫度繼續(xù)升高，并高于 30℃時，蜂鳴器加快 報警聲頻率，同時 GBJ 和 GJD 一起閃爍（模擬制冷設(shè)備加大制冷功率）。 下面溫控系統(tǒng)的組成請看圖 11 數(shù)據(jù)顯示 DS18B20 輸入 高 /低溫度報警 電源 變頻器 變頻器 制冷 制熱 圖 11 溫控系統(tǒng)組成圖 2 單片機(jī)的簡述 單片機(jī)的特點及引腳簡介 單片機(jī)的特點： 哈佛體系結(jié)構(gòu) RAM 作寄存器 PC機(jī) MAX232 CPU STC89C52 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 36 頁 (集成度高、可靠性高、性價比高 )。因此，一個單片機(jī)所能實現(xiàn)的功能是很多的。集成度的提高，不但使各種各樣的輸入和輸出接口可以集成在單片機(jī)內(nèi)，而且使存儲器的尋址范圍也大大擴(kuò)大，因此，單片機(jī)的性能比同類微型計算機(jī)的性能有明顯的優(yōu)勢。因此，系統(tǒng)中控制部分的體積也隨之大大縮小，單片機(jī)將成為微電子嵌入式系 統(tǒng)中的理想部件。 [5]產(chǎn)品設(shè)計周期短 用單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，由于它的功能強(qiáng)，體積小，使硬件設(shè)計簡化；又因各種仿真器的問世，使用戶的編程和調(diào)試變的非常方便，大大減少了用戶系統(tǒng)的軟件設(shè)計和調(diào)試的時間。 VCC, GND單片機(jī)電源腳。 XTAL1， XTAL2— 外接時鐘引腳。 8051 的時鐘方式有兩種，一種是片內(nèi)時鐘震蕩方式，需要在這兩個引腳外接石英晶體和震蕩電容，震蕩電容的值一般取 10P~30P；另外一種是外部時鐘方式，即將 XTAL1 接地，外部時鐘信 圖 21 STC89C52 引腳圖 號從 XTAL2 腳接入。用來完 成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作，復(fù)位后程序計數(shù)器 PC=0000H，即復(fù)位后程序從頭開始執(zhí)行。（由于如今單片機(jī)程序存儲器有足夠的內(nèi)部 ROM，此處略講） ALE/ PROG 在單片機(jī)擴(kuò)展外部 RAM 時， ALE 用于控制把 P0 口的輸出低 8 位送地址鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。當(dāng)擴(kuò)展有外部 ROM 時，讀完內(nèi)部 ROM 后自動讀取外部 ROM。8031 沒有單片機(jī)沒有內(nèi)部 ROM 所以接低電平。 I/O 口引腳 — P0， P1， P2， P3。 P1— 準(zhǔn)雙向 8 位 I/O 口，每個口可獨立控制，內(nèi) 帶上拉電阻（若想了解全面可查相關(guān)資料），這種口輸出沒有高阻態(tài)，輸入不能鎖存，故不是真正的雙向 I/O 口。 P3— 準(zhǔn)雙向 8 位 I/O 口，每個口可獨立控制，內(nèi)帶上拉電阻。第二功能定義如下： ： RXD 串行口輸入 ： TXD 串行口輸出 ： INT0 外部中斷 0 輸入 ： INT1外部中斷 1 輸入 ： T0 定時器 0 外部輸入 ： T1 定時器 1 外部輸入 ： WR 外部寫控制 ： RD 外部讀控制 單片機(jī)的電平特性 單片機(jī)是數(shù)字集成芯片，所以其工作是由數(shù)字電平控制方式。常用邏輯電平有 TTL,CMOS,LVTTL,ECL,PECL 等等很多，我們用的最多的是 TTL 和 CMOS。 TTL 電平信號用的最多，這是因為，數(shù)據(jù)表示通常采用二進(jìn)制， +5V等價于邏輯 1, 0V等價于邏輯 TTL（晶體管 晶體管邏輯電平）信號系統(tǒng)，這是計算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。 CMOS 電平 VCC 可達(dá) 12V， CMOS 電路輸出高電平約為 ，而輸出低電平約為 。另外 CMOS集成電路電源電壓可以在較大的范圍內(nèi)變化，因而對電源的要求不像 TTL 那么嚴(yán)格。 VIHmin=, VILmax= TTL 電平范圍 0~5V。 （ 2） VIHmin=, VILmax= TTL 和 CMOS 邏輯電平的轉(zhuǎn)換： CMOS 電平能驅(qū)動 TTL 電平，但 TTL 電平不能驅(qū)動 CMOS 電平，需加上拉電阻。如圖 22 所示。只要保證 RST 為高電平的時間大于 2 個機(jī)器周期，就能正常復(fù)位。 RCV C CC 5 1R S TG N D R1CV C CC 5 1R S TG N DR2S1 圖 22 RC 上電復(fù)位電路 圖 23 按鍵復(fù)位電路 （ 2） 按鍵復(fù)位 按鍵復(fù)位又稱手動復(fù)位，按鍵電平復(fù)位相當(dāng)于 RST 端通過電阻與電源接通實現(xiàn)的。 時鐘電路 8051 的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘震蕩方式，另外一種是外部時鐘方式。在 XTAL1 和 XTAL2 之間跨接晶振和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的內(nèi)部時鐘電路。如圖25。 3 溫控系統(tǒng)的硬件 設(shè)計 溫度檢測模塊 溫度傳感器的概述 溫度傳感器是各種傳感器中最常用的一種，早期使用的是模擬溫度傳感器，比如熱敏電阻，隨著溫度的變化，它的阻值也發(fā)生了 類似線性的變化 ，通過處理器采集電阻兩端的阻值，再通過某個公式就可計算出當(dāng)前的溫度。 DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 采用單總線協(xié)議，即與單片機(jī)接口僅需占用一個 I/O 口，無須任何的外部元件，直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以 數(shù)字碼 的方式串行輸出。 （ 1） DS18B20 的特性： ① 適應(yīng)電壓范圍寬，電壓范圍在 ~，在 寄生電源方式 下可以由數(shù)據(jù)線供電。 ③ 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一 單總線上 ，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。電源極性接反時不會因為發(fā)熱而燒壞，但是不能正常工作。 ℃。 ⑦ 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字信號，通過單總線串行傳送給微處理器，同時可傳送CRC 校驗碼，具有很強(qiáng)的抗干擾糾錯能力。 （ 2） 引腳簡介 DS18B20 有兩種封裝形式，一種是三腳直插型，是使用最普遍的一種封裝。如下圖 31 所示 圖 31 DS18B20 的兩種封裝 GND電源負(fù)極 DQ信號輸入輸出 VDD 電源正極 NC空引腳 （ 3） DS18B20 與單片機(jī)硬件連接圖 前文提到 DS18B20 具有單總線，單片機(jī)與外設(shè)之間進(jìn)行串行傳輸?shù)拇锌偩€主要有 I2C， SPI 和 SCI 總線。這些總線需 要兩條或者兩條以上的的信號線。單總線使用與單主機(jī)系統(tǒng)，可以控制一個或多個從機(jī)設(shè)備。當(dāng)只有一個從機(jī)設(shè)備時，系統(tǒng)可按單節(jié)點系 統(tǒng)操作；當(dāng)有多個從機(jī)設(shè)備時，系統(tǒng)則按多節(jié)點系統(tǒng)操作。具體操作時，通過讀取每個 DS18B20 內(nèi)部芯片的序列號來識別。 ① 33H讀 ROM，讀 DS18B20 溫度傳感器 ROM 中的編碼（ 64 位地址） ② 55H匹配 ROM。 ③ F0H搜索 ROM。 ④ CCH跳過 ROM。 ⑤ ECH告警搜索命令。 ROM 的作用是使每個 DS18B20 都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一條總線上掛接多個 DS18B20 的 目的。 如果主機(jī)只對一個 DS18B20 進(jìn)行操作，就不需要讀取 ROM 編碼和匹配，直接跳過ROM 命令，就可以進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和讀取。啟動 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，結(jié)果存入 9 字節(jié)的 RAM 中。讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)。發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的第 2,3 字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)數(shù)據(jù)。 DS18B20 在出廠時默認(rèn)配置為 12 位 ，其中最高位為符號位，即溫度值共 11 位，單片機(jī)在讀數(shù)據(jù)時，一次會讀兩字節(jié)共 16 位， 讀完后將低 11 位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)后再乘以 便為所測的實際溫度值。前 5 個字符為符號位，這 5 位同時變化，我們只需要判斷 11 位就可以了。 前 5 位為 0時，讀取溫度位為正值，只需要將數(shù)值乘 即可。 ② 延時（時間要求不是很嚴(yán)格，但 最好盡可能短 ）。 ④ 延時 800181。s~960181。 ⑥ 延時等待。s 內(nèi)產(chǎn)生一個由 DS18B20 返回的低電平0。 ⑦ 如果 CPU讀到數(shù)據(jù)線上的低電平后，還要進(jìn)行延時，時間從發(fā)出高電平算起不少于 480181。 ⑧ 將數(shù)據(jù)線再次拉到低電平后結(jié)束。 ② 延時確定的時間為 15181。 ③ 按從低位到高位的順序發(fā)送數(shù)據(jù) ④ 延時時間為 45181。 ⑤ 數(shù)據(jù)線拉倒高電平 1。 ⑦ 最后將數(shù)據(jù)線拉高到 1。 ② 延時 2181。