【正文】 ..................................26 參考文獻 .........................................................................................................................27 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計 IV 致 謝 ...............................................................28 附錄 A 多路溫度檢測系統(tǒng)示意圖 .......................................29 附錄 B DS18B20 溫度測量程序 .........................................30 榆林學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 1 緒論 本設計主要設計一種多路溫度采集檢測系統(tǒng)，采用目前低價位但技術十分成熟的 AT89S52 單片機作為內核，選用 DS18B20 作為溫度傳感器，送到顯示器循環(huán)顯示所測的四路溫度數(shù)值，并根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)需要，設置了一定范圍的報警值，報警優(yōu)先顯示，利用按鍵消除報警。軟件算法上采用了直接擬合的方法（通過電壓 溫度關系來計算溫度值），符合課題要求。 溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，在各個種類的企業(yè)中應用廣泛的各種加熱設備、反應爐設備等都需要嚴格的控制溫度。 隨著集成電路技術的越來越快、越來越大規(guī)模化的發(fā)展，由于單片機具有體積小、功能強、性價比高等優(yōu)點，基于單片機開發(fā)出來的一系列采集、控制系統(tǒng)也逐漸受到廣泛關注。所以基于 單片機的多路溫度采集系統(tǒng)被廣泛應用于很多工業(yè)過程控制中，使產品既提高了產品的功能和質量，又降低了成本，簡化了設計。 本設計國內外狀況 二十世紀七十年代單片機的出現(xiàn)是近代計算機技術發(fā)展史上的一個重要里程碑，單片機的誕生標志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。單片機目前以 8位 機為主流，不斷增強控制能力，降低成本，減小體積，改善開發(fā)環(huán)境，以空前的速度迅速而廣泛地取代經典電子系統(tǒng)。隨著科學技術的不斷提高，溫度測量采集技術也在不斷的發(fā)展著。 在溫度采集方面各國均取得了許多可喜的成果，其中前蘇聯(lián)的壓石英頻率溫度計分辨能力可達 攝氏度，而且在 40— 230 攝氏度范圍內溫度與頻率的線性特 性；我國生產的石英溫度傳感器分辨率達到 攝氏度，誤差在 攝氏度以內。雖然溫度的采集方法有很多種，但在很多情況下，對于一些特殊條件的溫度測量來講，想要的到精確的結果并不容易，需要熟練掌握各種測量方法的原理及特點，同時結合設計要求才能完成。 如何基于 AT89S52 對 4 路溫度進行采集的具體要求，有以下幾點： （ 1） 選用哪種傳感器將溫度信號轉化為電信號； （ 2） 單片機外圍硬件的電路設計； （ 3） 內部程序的編寫。新型溫度傳感器DS18B20 具有體積小、精度高、使用電壓寬 采用一線總線等優(yōu)點，在實際應用中取得了良好的測溫效果。 AT89S52 單片機 接口接單線總線。 榆林學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 2 系統(tǒng)總體設計 根據(jù)設計要求的性能指標，本系統(tǒng)不僅要滿足一定精度的溫度采集的基本功能，而且由于測量的路數(shù)為 4 路，還存在多路信號的循環(huán)顯示問題，還要考慮溫度超限報警輸出的功能，同時系統(tǒng)還具有顯示當前各路的測量溫度值的功能和鍵盤選擇顯示路數(shù)的功能。在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，新型數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點，在實際應用中取得了良好的測溫效果。 溫度采集系統(tǒng)的開發(fā)過程 本設計中以 DS18B20 為傳感器、 AT89S52 單片機為控制核心組成的多點溫度測試系統(tǒng)。 由于每片 DS18B20 含有唯一的硅串行數(shù)，所以在一條總線上可掛接多個DS18B20 芯片。讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電，而無需額外電源。處理時，將 DS18B20 信號線與單片機一位口線相連，單片機可掛接多片 DS18B20，從而實現(xiàn)多點溫度檢測系統(tǒng)。 單片機的最小系統(tǒng)設計 單片機的選型 目前，生產單片機的廠商有很多，尤其是近年來微電子技術、計算機技術的飛速發(fā)展，比較著名的有 Intel、 Philips、 Microchip、 Motorola、 Zilog、 Atmel等半導體企業(yè)。下面簡單地介紹一下 AT89S52。使用 Atmel 公司高密度易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80S52 產品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、 有效的解決案 ，其引腳如圖 31所示 。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模 式。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或 圖 31 是 AT89S52 的引腳配置， 40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根， 4組 8位共 32個 I/O 口，中斷口與 P3口復用。 Pin19:時鐘 XTAL1 腳，片內振蕩電路的輸入端。 AT89S52 的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在 18 和 19 腳外接石英晶體 (212MHz)和振蕩電容 ,振蕩電容的值一般取 10PF30PF；另外一種是外部時鐘方式，即將 XTAL1 接地，外部時鐘信號從 XTAL2 腳輸入。 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計 6 圖 31 AT89S52引腳 輸入輸出 (I/O)引腳： Pin39Pin32 為 。 在對單片機設計中， P0 作為數(shù)碼管的段選選通端口何數(shù)字鍵盤接口。初始化后，程序計數(shù)器PC 指向 0000H， P0P3 輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入 07H，其它專用寄存器被清“ 0”。 值得注意的是， P0、 P P P3口作為普通 I/O 口使用時都是準雙向口結構，其輸入操作和輸出操作本質不同，輸入操作是讀引腳狀態(tài)，輸出是對鎖存器的寫入操作。但在輸入操作時，如果鎖存器狀態(tài)為 0 引腳被鉗位 0 狀態(tài)，導致無法讀出引腳的高電平輸入。然后，再讀引腳，例如：要將 P1 口的狀態(tài)讀入到累加器 A中，應執(zhí)行以下兩條指令： MOV P1， 0FFH ； P1 口置入方式 。 此 外， I/O 口 的端口自動識別功能，保證了無論是 P1 口（低 8位地址） P2 口榆林學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 （高 8位地址）的總線復用，還是 P3 口的功能復用，內部資源自動選擇不需要用指令進行狀態(tài)選擇。 時鐘電路設計 本設計采用內部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號。 時鐘電路是用來產生 AT89C51 單片機工作時所需要的時鐘信號。 AT89C51 單片機內部有一個高增益反響放大器，它用來構成振蕩器。如圖 32 時鐘 電路，晶體振蕩器的頻率范圍一般在 和 12MHz 之間，單片機的運行速度會受到晶振頻率的影響，因此晶振頻率的選擇很重要。通常電路中的電容 C1和 C2 的值都取為 30PF。為了減少寄生電容，晶振和電容應該與單片機芯片安裝時盡可能的靠近，以確保振蕩器穩(wěn)定，可靠地工作。 時鐘 電路如圖 32所示 。對電源 +5V 而言，電容 C3 和電阻 R3 構成了微分電路?；趩纹瑱C的多路溫度采集系統(tǒng)設計 8 但是，電容的充電時間決定了 RST 端持續(xù)高電平的時間。如圖 33 所示。圖 33 中：C7=10uf， R21= 圖 33 復位電路 本設計中以 DS18B20 為傳感器、 AT89S52 單片機為控制核心組成的多點溫度測試系統(tǒng)。 由于每片 DS18B20 含有唯一的硅串行數(shù)，所以在一條總線上可 掛接多個 DS18B20芯片。讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的 DS18B20供電，而無需額外電源。處理時，將 DS18B20 信號線與單片機一位口線相連，單片機可掛接多片 DS18B20，從而實現(xiàn)多點溫度檢測系統(tǒng)。 DS18B20 簡介 DS18B20 是美國 Dallas 半導體公司推出的第一片支持 一線總線 接口的溫度傳感器。 DS18B20 特點如下：硬件接口簡單，性能穩(wěn)定，單線接口，僅需一根口線與 MCU 連接無需外圍元件；由總線提供電源；測溫范圍為 55～ 75℃；精度為 ℃； 9位溫度讀數(shù)； A/D 變換時間為 200ms；用戶自設定溫度報警上下限，其值是非易失性的；報警搜索命令可識別那片DS18B20 超溫度限。 表 31 DS18B20詳細引腳功能描述 1 2 3 D A LL A S D S 18B 20 1 2 3 D S 18B 20 T O 92 封狀底視圖 GND DQ VDD 圖 33 DS18B20的管腳排列 （ 2） DS18B20 的產品特點 1） 只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。 3） 實際應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。 5） 數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從 9位到 12 位選擇。 7）支 持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在一根三線上，實現(xiàn)多點測溫 8） 負壓特性，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。開漏單總線接口引腳。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計 10 DS18B20 的工作原理是： DS18B20 采用 3腳 PR35封裝，其中 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，不用時應接地； DQ 為空腳。 圖 34 DS18B20內部結構圖 DS18B20 的一線工作協(xié)議流程是：初始化→ ROM 操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 AT89S52 單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對 DS18B20 芯片的訪問。 DS18B20 有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。所有時序都 是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 對于 DS18B20 的讀時序是從主機把單總線拉低之后，在 15μ s 之內就得釋放單總線，以讓 DS18B20 把數(shù)據(jù)傳 輸?shù)絾慰偩€上。 U GND 主 C P U 讀 0 時 主 C P U 讀 1 時 U 主 C P U 采樣 15 μ s 30 μ s 1 μ s 1 μ s 主 C P U 采樣 15 μ s GND 15 μ s 圖 36 DS18B20的讀時序 DS18B20 的寫時序 對于 DS18B20 的寫時序仍然分為寫 0時序和寫 1時序兩個過程。 圖 38 DS18B20 測溫原理框圖 DS18B20 的溫度測量原理如下： DS18B20 測量溫度時使用特有的溫度測量技術，其測量電路框圖如圖 38所示。計數(shù)器設置為 55℃ 時的值，如果計數(shù)器到達 0 之前，門電路未關閉，則溫度寄存器的值將增加，這表示 當前溫度高于 55℃ 。如果門電路仍然未關閉，則重復以過程。 另外，由于 DS18B20 單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。操作協(xié)議為：初始化 DS18B20（發(fā)復位脈沖） → 發(fā) ROM 功能命令 → 發(fā)存儲器操作命令 → 處理數(shù)據(jù)。本設計中以 DS18B20 為傳感器 AT89S52LSB 設置清除 斜率累加器 比較 預置 低溫度系數(shù)振蕩器 高溫度系數(shù)振蕩器 計數(shù)器 計數(shù)器 =0 =0 溫度寄存器 預置 停止 加 1 榆林學院本科畢業(yè)設計（論文） 13 單片機為控制核心組成的多點溫度測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用 四位 共陽極 數(shù)碼管 動態(tài)顯示溫度，系統(tǒng)設有上下限報警電路。 （ 2）實時顯示當前溫度，可以單通道也可以循環(huán)顯示。 顯示器與鍵盤電路的設計 基于 DS18B20 的多點溫度采集，共模擬了 4點 溫度，具有各點溫度采集功能，通過按鍵設置也可以監(jiān)控某一通道的溫度 ,還設置報警溫度，具有越限報警功能。 在本系統(tǒng)中，由于該溫度計還要進行信息的實時顯示，所以設計了 LED 顯示電路。共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽