【正文】 I 摘 要 近年來 隨著計(jì)算機(jī)與控制技術(shù)的蓬勃發(fā)展與廣泛應(yīng)用，人們從中受益良多，生活中也隨處可見電子產(chǎn)品，自動(dòng)化，智能化成為發(fā)展趨勢，而以 單片機(jī)為核心的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測的日新月益。 本設(shè)計(jì)論述了一種以 STC89C51 單片機(jī)為控制單元，以 DS18B20 為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件 電路和相關(guān)應(yīng)用程序。系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，計(jì)算溫度子程序、按鍵處理程序、 LCD 顯示程序以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等。 DS18B20 。而溫度涉及到生活生產(chǎn)的各個(gè)方面，應(yīng)運(yùn)而生溫度測量控制也成為了生活生產(chǎn)中關(guān)注的熱點(diǎn)，對溫度的控制在各行各業(yè)中也發(fā)揮著重要的作用。 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度測量則是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)很重要而普遍的參數(shù)。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位。 單片機(jī)溫度測量控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵是測量溫度、控制溫度，從而達(dá)到各種需求。在日常生活中，也可廣泛實(shí)用于空調(diào)器、電加熱器等各種家居電器。 它是多種技術(shù)知識(shí)的結(jié)合，不僅涉及到硬件的設(shè)計(jì)，還需要軟件編程，同時(shí)還要兼顧到精度、測量誤差、穩(wěn)定性等各種因素。經(jīng)過查閱資料發(fā)現(xiàn)許多應(yīng)用場合原來就有測溫儀器，只是隨著對生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)需要的要求在不斷地提高、升級(jí)。因此，為了提高性價(jià)比，我所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提出在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些簡單的修改，以此為 出發(fā)點(diǎn)，主要闡述的是溫度測量自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。溫度控制部分，提出了用 AT89C51 單片機(jī)、 DS18S及 LCD 顯示的硬件電路完成對環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)檢測及顯示，利用 DS18S20 與單片機(jī)連接由軟件與硬件電路配合來實(shí)現(xiàn)，超出設(shè)定的上下限溫度，報(bào)警系統(tǒng)就自動(dòng)報(bào)警。從 DS18S20 讀出或?qū)懭?DS18S20 信息僅需要一根口線，其讀寫及其溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的 DS18S20 供電。而且利用本次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)溫度測試，溫度顯示，溫度門限設(shè)定，超過設(shè)定的門限值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警等功能。 課題的研究方案 溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)方案很簡單，采用了 STC89C51 單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)系統(tǒng)可以用液晶屏幕來顯示環(huán)境溫度的實(shí)際 值，能用鍵盤輸入設(shè)定上下線值。 基于單片機(jī)的溫度控制報(bào) 警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 單 片 機(jī) 2 電路設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架 本課題設(shè)計(jì)的是一種以 STC89C51 單片機(jī) 為主控制單元，以 DS18B20 為溫度傳感器的溫度控制報(bào)警系統(tǒng)。其主要包括：電源電路、溫度采集電路、按鍵處理電路、 LCD 顯示電路、報(bào)警電路以及單片機(jī)基本電路。 圖 21 總框架圖 單片機(jī)發(fā)展史 單片機(jī)根據(jù)其基本操作處理的二進(jìn)制位數(shù)主要分為： 4 位單片機(jī)、 8 位單片機(jī)、16 位單片機(jī)和 32 位單片機(jī)。 第一階段（ 1974 年 1976 年）：單片機(jī)初級(jí)階段。 1974 年 12 月，仙童公司推出了 8 位的 F8 單片機(jī)，實(shí)際上只包括了 8 位 CPU、 64Ｂ ＲＡＭ 和 2 個(gè)并行口。 1976 年， Intel 公司推出的MCS48 單片機(jī)（ 8 位單片機(jī)）極大地促進(jìn)了單片機(jī)的變革和發(fā)展； 1977 年， GI 公司推出了 PIC1650，但這個(gè)階段的單片機(jī)仍然處于低性能階段。 1978 年， Zilog 公司推出了Z8 單片機(jī)； 1980 年， Intel 公司在 MCS48 單片機(jī)的基礎(chǔ)上推出了 MCS51 系列，Motorola 公司推出了 6801 單片機(jī)，這 些產(chǎn)品使單片機(jī)的性能及應(yīng)用躍上了一個(gè)新的臺(tái)階。這個(gè)階段推出的單片機(jī)普遍帶有串信號(hào)采集 按鍵調(diào)節(jié) 顯示電路 報(bào)警電路 電源電路 基于單片機(jī)的溫度控制報(bào) 警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 行 I/O 口、多級(jí)中斷系統(tǒng)、 16 位定時(shí)器 /定時(shí)器，片內(nèi) ROM、 RAM 容量加大，且尋址范圍可達(dá) 64KB,有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉(zhuǎn)換器。 第四階段（ 1983 年 現(xiàn)在）： 8 位單片機(jī)鞏固、發(fā)展及 16 位單片機(jī)和 32 位單片機(jī)推出階段。而32 位單片機(jī)除了具有更高的集成度 外，其數(shù)據(jù)處理速度比 16 位單片機(jī)提高許多，性能比 8 位、 16 位單片機(jī)更加優(yōu)越。近年來，又有不少新型的高集成度的單片機(jī)產(chǎn)品涌現(xiàn)出來，出現(xiàn)了單片機(jī)豐富多彩的局面。專家認(rèn)為，雖然世界上的 MCU 品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容 ，但是客觀發(fā)展表明， 80C51 可能最終形成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯片。 而 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高 密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 32 位可編程 I/O 線 5 個(gè)中斷源 低功耗的閑置和掉電模式 其邏輯引腳圖如圖 22。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸 入。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)基于單片機(jī)的溫度控制報(bào) 警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口 —— P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3 口 —— P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收 輸出 4 個(gè) TTL門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 3．控制線 (共 4 根 ) RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地基于單片機(jī)的溫度控制報(bào) 警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 位字節(jié)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE 脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。此直流電壓經(jīng)過 LM7805 的穩(wěn)壓和 C7 的濾波便在穩(wěn)壓 電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源的集成電路，其具有體積小、成本低、性能好、工作可靠、使用簡捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。 圖 31 電源電路 LM7805 簡介： LM7805 是一種常用的三端穩(wěn)壓器，一般使用的是 TO220 封裝，能提供 DC 5V 的輸出電壓，應(yīng)用范圍極廣，內(nèi)含過流 過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路 和過載保護(hù)電路。電子制作中經(jīng)常采用。 其外形引腳如圖 32。耐磨耐碰，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備 的 數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件 、 A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在一個(gè)很小的集成電路芯片上。 ② 測溫范圍 － 55℃ ～ +125℃ ，固有測溫分辨率 ℃ 。 ④ 工作電源 : 3~5V/DC ⑤ 在使用中不需要任何外圍元件 ⑥ 測量結(jié)果以 9~12 位數(shù)字量方式 串行傳送 ⑦ 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間 200ms(典型值） 基于單片機(jī)的溫度控制報(bào) 警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10⑧ 用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置 其外形如圖 33 所示。傳感器信號(hào)經(jīng) 的上拉電阻直接接到單片機(jī)的 管腳上。 DS18B20 有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時(shí)VDD 接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來 完成溫度的轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換所需時(shí)間也較長。另外一種是外部供電方式 (VDD 接 +5V)，相應(yīng)的完成溫度測量的時(shí)間會(huì)較短。其工作一個(gè)周期可以分為二個(gè)部分，即溫度檢測與數(shù)據(jù)處理。 ROM 只讀存儲(chǔ)器，共 64 位，用于存放 DS18B20ID 編碼，其前八位是單線系列編碼（ DS18B20 的編碼是 19H），后面 48 位是芯片唯一的序列號(hào)，最后的八位是以上 56 位的 CRC（冗余校驗(yàn)碼）。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后消失， DS18B20共 9 個(gè)字節(jié)的 RAM，每個(gè)字節(jié)為八位，第 1， 2 字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3， 4 字節(jié)是用戶 EEPROM（常用于溫度報(bào)警值的存儲(chǔ)）的鏡像。第 5 個(gè)字節(jié)則是用戶第 3 個(gè) EEPROM 的鏡像。 EEPROM 是非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報(bào)警值和校驗(yàn)數(shù)據(jù)。 我們在讀溫度之前都必須進(jìn)行復(fù)雜的且精準(zhǔn)的時(shí)序處理，因?yàn)?DS18B20 硬件簡單，從而導(dǎo)致軟件的巨大開銷，也是盡力減少有形資產(chǎn)化為無形資產(chǎn)的投入。 2． 存在脈沖 ：在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在1560us 后接受存在脈沖，存在脈沖為一個(gè) 60240us 的低電平信號(hào)。 3． 控制器發(fā)送 ROM 指令：雙方打完 招呼后就要進(jìn)行交流了， ROM 指令共 5 條，每一個(gè)工作周期只能發(fā)送一條， ROM 指令分別是讀 ROM 數(shù)據(jù)，指定匹配芯片，跳躍 ROM，芯片搜索，報(bào)警芯片搜索。其主要目的是為了分別總線上掛接的多個(gè)器件并做處理，一般情況下，直掛一個(gè) DS18B20 的就跳過 ROM 指令，此處并不是不發(fā)送 ROM 指令，而是用一條特有的一條“跳過指令”。操作指令同樣為八位，共六條，分別為寫 RAM 數(shù)據(jù)， 讀 RAM 數(shù)據(jù)，將 RAM數(shù)據(jù)復(fù)制到 EEPROM，溫度轉(zhuǎn)換，將 EEPROM 中報(bào)警值復(fù)制到 RAM，工作方式切換。 5． 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：這個(gè)操作要視存儲(chǔ)器操作指令而定。 基于單片機(jī)的溫度控制報(bào) 警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 圖 34 溫度傳感器電路 顯示電路 1602 字符型 LCD 通常有 14 條引腳線或 16 條引腳線的 LCD，多出來的 2 條線是背光電源線 其各引腳介紹如表 31。其電路圖如圖 36： 圖 36 報(bào)警電路 復(fù)位電路 本設(shè)計(jì)所用復(fù)位電路與其他單片機(jī)所用電路類似，為電容式復(fù)位，其電路圖如下（圖 37）： 基于單片機(jī)的溫度控制報(bào) 警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 37 復(fù)位電路 基于單片機(jī)的溫度控制報(bào) 警系統(tǒng)設(shè)計(jì)