【正文】 AT89C51 單片機為主控制芯片 ,采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)多路溫度的檢測 ,測量精度可以達(dá)到 ℃。 1 摘 要 本課題主要介紹基于 AT89C51單片機和 DS18B20數(shù)字溫度傳感器的多點溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用 AT89C51 單片機分別采集各個溫度點的溫度，實現(xiàn)溫度顯示、報警等功能。該系統(tǒng)采用了 LCD1602A液晶顯示模塊， LCD1602A 作為顯示器 ,形象直觀的顯示測出的溫度值。第二章確定設(shè)計方案。第四章重點剖析了軟件設(shè)計的過程?；贏T89C51 單片機的單總線多點溫度測控系統(tǒng)具有硬件組成簡單、多點溫度檢測、讀數(shù)方便、精度高、測溫范圍廣等特點，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。 參考資料 .................................................. 35 致 謝 .................................................. 36 附錄一 ................................................... 37 附錄二 ................................................... 38 4 第 1 章 緒 論 21 世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科技的進(jìn)步帶動了測量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。 溫度是一個和人們生活環(huán)境有著密切關(guān)系的物理量，也是一種在生產(chǎn)、科研、生活中需要測量和控制的重要物理量，是國際單位制七個基本量之一。其測量控制一般 使 用各式各樣形態(tài)的溫度傳感器。 分布式溫度傳感器在電力工業(yè)、煤礦、森林、火災(zāi)、高層建筑、航空、航天飛行器等有著重要的應(yīng)用前景，引起研究人員的廣泛關(guān)注。本設(shè)計使用了 美國 Dallas 半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20,它具有獨特的單總線接口方式 ,即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器 ,從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單 ,克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的 A/D 轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點 。此外與傳統(tǒng)的熱敏電阻傳感器相比 ,DS18B20 具有更高的測量精度。 隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展。 本設(shè)計是心 AT89C51 為單片機作為控制核心，提出了一種基于 DS18B20的單總線多點溫度測控系統(tǒng)，多個溫度傳感節(jié)點通過單總線與單片機相聯(lián)形成分布式系統(tǒng)。這種分布式溫度測量系統(tǒng)具有成本低廉、傳感精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定、易于管理等優(yōu)點。 本方案采用模擬溫度傳感器 AD590 作為測溫元件，傳感器將測量的溫度變換轉(zhuǎn)換成電流的變化，再通過電路轉(zhuǎn)換成電壓的變化，使用運算放大器交將信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳給給單片機，單片機將溫度值進(jìn)行處理之后用 LCD 顯示 ，當(dāng)溫度值超過設(shè)置值時，系統(tǒng)開始報 警。顯示電路采用LCD1602 模塊，使用 8550 三極管為中心組成的報警電路。它控制雖然簡單，但電路復(fù)雜，不容易實現(xiàn)對多點溫度進(jìn)行測量和監(jiān)控。 方案二采用智能溫度傳感器 DS18B20，它直接輸出數(shù)字量，精度高，電路簡單，只需要模擬 DS18B20 的讀寫時序，根據(jù) DS18B20 的協(xié)議讀取轉(zhuǎn)換的溫度。由此可見，該方案完成具有可行性，體現(xiàn)了技術(shù)的先進(jìn)性，經(jīng)濟(jì)上也沒有任何問題。 8 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計 工作原理 基于單片機的單總線多點溫度測控系統(tǒng)以 AT89C51 為中心器件，以 KEIL為系統(tǒng)程序開發(fā)平臺，用 C 語言進(jìn)行程序設(shè)計，以 PROTEUS 作為仿真軟件設(shè)計而成的。 DS18B20 是智能溫度傳感器，它的輸入 /輸出采用數(shù)字量，通過單總線，接收主機發(fā)送的命令，根據(jù) DS18B20 內(nèi)部的協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)值以串口形式發(fā)送給主機。在系統(tǒng)啟動之時，可以通過 4 4 鍵盤設(shè)置各點溫度的上限值和下限值，當(dāng)某點溫度超過設(shè)置值時，報警器開 始報警，從而實現(xiàn)了對各點溫度的實時監(jiān)控。采用這種DS18B20 尋址技術(shù)，使系統(tǒng)硬件電路更加簡單。當(dāng)單總線上所掛 DS1820超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進(jìn)行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。這一點在進(jìn)行 DS1820硬件連接 和軟件設(shè)計時也要給予一 的重視 . 9 單元電路設(shè)計 DS18B20 與單片機接口電路設(shè)計 (1) DS18B20 與單片機的接口技術(shù) 如圖 31 所示： DS18B20 與單片機的接口電路非常簡單。 圖 31 DS18B20 與單片機接口電路 (2) 中央處理器 AT89C51 簡介 ① AT89C51 的特點 AT89C51 具有以下幾個特點： ? AT89C51 與 MCS51 系列的單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容； ? 片內(nèi)有 4k 字節(jié)在線可重復(fù)編程快擦寫程序存儲器； ? 全靜態(tài)工作 ,工作范圍： 0Hz～ 24MHz； ? 三級程序存儲器加密； ? 128 8 位內(nèi)部 RAM； ? 32 位雙向輸入輸出線； ? 兩個十六位定時器 /計數(shù)器 ? 五個中斷源 ,兩級中斷優(yōu)先級； ? 一個全雙工的異步串行口； ? 間歇和掉電兩種工作方式。它與 MCS51 系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功能。只要程序長度小于 4K，四個 I/O 口全部提供給用戶。工作電壓范圍寬（ ~6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在 0Hz～ 24MHz 之間，比8751/87C51 等 51 系列的 6MHz～ 12MHz 更具有靈活性 ,系統(tǒng)能快能慢。 P0 口是三態(tài)雙向口 ,通稱數(shù)據(jù)總線口 ,因為只有該口能直接用于對外部存儲器的讀 /寫操作。 AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器，片內(nèi)有 4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除快速寫入程序的存儲器，能重復(fù)寫入 /擦除 1000 次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。 AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本?？捎?5V電壓編程 ,而且擦寫時間僅需 10 毫秒，僅為 8751/87C51 的擦除時間的百分之一 ,與 8751/87C51 的 12V電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲 11 器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 (3)DS18B20 的工作原理 ① DS18B20 數(shù)字溫度傳感器概述 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－ Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。 DS18B20 產(chǎn)品的特點 ? 只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。 ? 實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。 ? 數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選 擇。 TO－ 92 封裝的 DS18B20 的引腳排列見右圖，其引腳功能描述見表 序 號 名 稱 引腳功能描述 1 GND 地信 號 2 DQ 數(shù) 字 輸入輸出 引腳 ,開漏單總線接口引腳 ,當(dāng)使用寄生電源時 ,可向電源提供電源 3 VDD 可 選擇 的 VDD 引腳 ,當(dāng)工作于寄生電源時 ,該引腳必須接地 表 32 DS18B20 詳細(xì) 引腳功能描述 表 2 P3口的第二功能 12 ② DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 的內(nèi)部框圖下圖所示。暫存器包含兩字節(jié)（ 0 和 1 字節(jié)）的溫度寄存器，用于存儲溫度 傳感器的數(shù)字輸出。暫存器的 6 和 7 字節(jié)器件內(nèi)部保留使用。使用寄生電源時， DS18B20 不需額外的供電電源；當(dāng)總線為高電平時，功率由單總線上的上拉電阻通過 DQ 引腳提供；高電平總線信號同時也向內(nèi)部電容 CPP 充電， CPP 在總線低電平時為器件供電。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（ 28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。 ② DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16位符號擴展的二進(jìn)制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號位。 例如 +125℃的數(shù)字輸出為 07D0H， +℃的數(shù)字輸出為 0191H，℃的數(shù)字輸出為 FF6FH， 55℃的數(shù)字輸出為 FC90H。 ④配置寄存器 表 35 配置寄存器 0 R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是 1， TM 是測試模式位，用于設(shè) 置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。 R1 和 R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（ DS18B20 出廠時被設(shè)置為 12 位） 表 36R1與 R0確定傳感器分辨率設(shè)置表 R1 R0 傳感器精度 /bit 轉(zhuǎn)換時間 /ms 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 14 1 1 12 750 (5)DS18B20 的工作過程 ? 初始化 ? ROM 命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)； ? 功能命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)。 a．初始化： DS18B20 所有的數(shù)據(jù)交換都由一個初始化序列開始。當(dāng) DS18B20 發(fā)出響應(yīng)主機的應(yīng)答脈沖時，即向主機表明它已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。 DS18B20 的 ROM 如表 34 所示，每個 ROM 命令都是 8 bit 長。 DS18B20 的功能命令如表 37 所示。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫 0、寫 讀 0 和讀 1?？偩€上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)的低位在前。s，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖 (TX)。當(dāng)總線被釋放后， 5kΩ的上拉電阻將單總線拉高。s~60181。s~240181。初始化波形如圖 38 所示。在每一個時序，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。 ? 寫時序 存在兩種寫時序：“寫 1”和“寫 0”。所有寫時序至少需要 60181。s 的恢復(fù)時間。 產(chǎn)生寫 1 時序：主機拉低總線后，必須在 15181。產(chǎn)生寫 0 時序：主機拉低總線后，必須在整個時序期間保持低電平（至少 60181。 在寫時序 開始后的 15181。s 期間， DS18B20 采樣總線的狀態(tài)。 ? 讀時序 圖 39DS18B20 讀 /寫時序圖 DS18B20 只能在主機發(fā)出讀時序時才能向主機傳送數(shù)據(jù)。所有讀時序至少 60181。s 的恢復(fù)時間。s。若 DS18B20 發(fā)送 1，則保持總線為高電平；若發(fā)送 0，則拉低總線。 DS18B20 發(fā)出的數(shù)據(jù)在讀時序下降沿起始后的 15181。s 內(nèi)釋放總線，并且采樣總線狀態(tài)。只需將 DS18B20 17 信號線與單片機 1 位 I/O線相連，且單片機的 1 位 I/O 線可掛接多個 DS18B20 ，就可實現(xiàn)單點或多點溫度檢測。它的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存存儲器和一個非易失性可擦除E178。速暫存存儲器共有 8 個字節(jié) (byte),每個字節(jié) 8 位 (bit)。如果存儲器高位寄存器 MSB 的 S S S S S 均為 0,則被測溫度為負(fù)值 ,用上面第 2 個公式來計算溫度。二是這里的7 與 是假設(shè)傳感器的分辨率設(shè)置 時的計算值。第 3 和第 4 個字節(jié)分別用來存放溫度報警的上限 (TH)和下限值 (TL)。并且該值在掉電后不會丟失 ,而是記憶其設(shè)定的上下限值。其中 ,最高位用于設(shè)置傳感器是工作模式還是測試模式 ,是生產(chǎn)廠家為便于檢驗使用。并且在用戶使用中 ,該位總是保持為 0。使用時可以根據(jù)實際需要來設(shè)置 ,出廠時的默認(rèn)設(shè)置是 12 位。 ①矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)： 鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的集合，平時按鍵開關(guān)總是處于斷開狀態(tài)，當(dāng)按 18 下鍵時它才閉合。它的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的波形如圖 311 所 示。 在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵 來連通。 這樣，一個端口就可以構(gòu)成 4X4=16 個按鍵，比直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9 鍵）。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識別也要復(fù)雜一些，圖 312 中 ,行線所接的單片機的 I/O 口作為輸出端，而列線所接的 I/O 口則作為輸入。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了 。 a）判斷有無鍵按下。方法是判別到有鍵按下，延時 10ms 在讀，如仍有鍵按下，再確定為鍵按下，否則為抖動。 d） CPU對鍵的一次閉合只作一次處理。