【正文】 ......................................................... 26 致 謝 ............................................................................................................................. 27 附錄一 英文文獻(xiàn) ........................................................................................................... 28 附錄二 中文翻譯 ........................................................................................................... 37 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 5 第一章 前言 溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，對于我們來說，不僅僅是一個量的反映，更能直接影響作用到我們的生活中，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究對溫度也都有較高的要求，如石油、化工、冶金、紡織、機(jī)械制造等行業(yè)，有些特殊的行業(yè)，比如航空航天類 行業(yè)對溫度就有一個更高的要求，我們常接觸到的食品行業(yè)中，水果、蔬菜、肉類等的保存就需要保證一定的溫度，食品加工中也需要保證相 應(yīng)的溫度，如果空氣溫度不適應(yīng)，極有可能產(chǎn)生不良反應(yīng)，嚴(yán)重的可 能直接影響到人們的生命健康。工業(yè)溫度的測量和控制在激光器、光纖光柵的使用及其他的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器。所以高精度溫度測量系統(tǒng)的研究就非常有意義。要求該系統(tǒng)能夠合理有效的管理和控制外部硬件，達(dá)到實時檢測、監(jiān)測和控制溫度的目的，形成一套智能化溫度控制系統(tǒng)。 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 6 第二章 監(jiān)控系統(tǒng)主要元器件簡介 AT89S52 單片機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及功能 .1 AT89S52 單片機(jī) 的主要功能 （ 1） 8 位字長 CPU； （ 2）振蕩器和時鐘電路，全靜態(tài)操作： 0~33MHz； （ 3） 8KB 系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 存儲器； （ 4） 256B 內(nèi)部 RAM； （ 5） 4 個 I/O 端口共 32 線； （ 6） 3 個 16 位定時 /計數(shù)器； （ 7）全雙工（ UART）串行口通道； （ 8） ISP 端口； （ 9）定時監(jiān)視器（看門狗）； AT89S 系列單片機(jī)的基本組成： 圖 1 AT89S 系列單片機(jī)的基本組成框 圖 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 7 AT89S5 單片機(jī)的封裝及其引腳功能說明 圖 2 AT89S52 引腳 （ 1） VCC：電源電壓 +5V （ 2） GND：接地 （ 3） P0 口： P0 口是 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，其 既 可作為地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，又可作為通用 I/O 口使用。在作為通用 I/O 口使用時：作為輸出口用時，每位能驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，在驅(qū)動 NMOS 電路時 ,需外接上拉電阻。 （ 4） P1 口： Pl 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， Pl 的輸出緩沖級可驅(qū)動（接收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使 用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX Ri 指令）時， P2口線上的內(nèi)容在整個訪問期間不改變。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。作輸入端口時，被外部拉低的 P3口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。 EA 端保持低電平時， CPU 訪 問外部程序存儲器； EA 端保持高電平時， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 （ 8） RST：復(fù)位輸入。 （ 9） ALE／ PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 (11) XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。對外接電容 CC2 沒有十分嚴(yán)格的要求，如果使用石英晶體，推薦電容值為 30pF177。片內(nèi)振蕩器由一個單級反相器組成， XTALl 為反相器的輸入。 XTAL2：接外部晶體的另一個引腳 。當(dāng)由外部時鐘源提供時鐘信號時，則本引腳浮空。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使 CPU從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。 MCS5l 系列單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST(全稱 RESET)出現(xiàn) 2 個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。復(fù)位操作 的 兩種基本形式 為 上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電后，由于電容 C 的充電和反相門的作用，使 RST 持續(xù)一段時間的高電平。從 DS18B20讀出或?qū)懭隓S18B20信息僅需要一根口線，共讀寫及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 DS18B20供電，而無需額 外 電源。 圖中 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(yīng)接地； NC 為空腳。 圖 5 DS18B20 引腳排列 圖 6 所示為 DS18B20 的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、 64位激光 ROM 單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式 RAM），用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的 TH 和 TL 解發(fā)器存儲與控制邏輯、 8 位循環(huán)冗余校驗碼（ CRC）發(fā)生器等七部分。電源檢測電路用于判定供電方式。在 I/O線呈低電平時，改由 C 上的電壓 Vc 繼續(xù)向器件供電。若采用外部電源 VDD，則通過 VD2 向器件供電 。測量電路的方框圖如圖 7 所 示。當(dāng)計 數(shù)門打開時， DS18B20 對 f0 計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 13 表 1 DS18B20 溫度數(shù)字對應(yīng)關(guān)系 溫度℃ 數(shù)據(jù)輸出（二進(jìn)制） 數(shù)據(jù)輸出（十六進(jìn)制） +125 00000000 11111010 00FA +25 00000000 00110010 0032 +1/2 00000000 00000001 0001 0 00000000 00000000 0000 1/2 11111111 11111111 FFFF 25 11111111 11001110 FFCE 55 11111111 10010010 FF92 四位連體數(shù)碼管 SM410564 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個 發(fā)光二極管 單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能 顯示多少個 “8” 可分為 1 位、2 位、 4 位等等數(shù)碼管； 按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管 在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。 圖 8 SM410564 引腳圖 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 14 1 4 5 122 6 10 8 7 3 11 9A B C D E F G DP A B C D E F G DP A B C D E F G DP A B C D E F G DPS M 4 1 0 5 6 4 內(nèi)部電路圖 圖 9 SM410564 內(nèi)部電路圖 數(shù)碼管要正常顯 示，就要用 驅(qū)動電路 來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的 數(shù)字 ，因此根據(jù)數(shù)碼管的 驅(qū)動方式 的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 15 第三章 系統(tǒng)硬件 電路 設(shè)計 單片機(jī)最小系統(tǒng) 圖 10 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 單片機(jī)的時鐘信號用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種微操作的時間基準(zhǔn)，時鐘信號通常用兩種 電路形式得到 :內(nèi)部振蕩和外部振蕩。 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 16 圖 11 晶振電路 圖中外接晶體以及電容 C2 和 C1 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用， 其值均為 30PF 左右，晶振頻率選 12MHz。單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來實現(xiàn)的，在正常運行情況下，只要 RST 引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期時間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位，但如果 RST 引腳上持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動 (開關(guān) )復(fù)位。圖中 R1 和 C3 組成手動復(fù)位電路，其值 R 取為 10K, C 取為 10μ F. 圖 12 復(fù)位電路 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 17 溫度檢測模塊 DS18B20 可以采用兩種方式供電 ,一種是采用電源供電方式 ,此時 DS18B20的 1 腳接地 ,2 腳作為信號線 ,3 腳接電源 .另一種是寄生電源供電方式 ,如圖 13單片機(jī)端口接單線總線 ,為保證在有效的 DS18B20 時鐘周期內(nèi)提供足夠的電源 ,可用一個 MOSFET 管來完成對總線的上拉 .。 。 其 中段選占用 8 個 I/O 口，而位選占用 4 個 I/O 口，段選和位選為同相驅(qū)動。 模塊 將 DS18B20 讀出的溫度與設(shè)定的溫度比較，如溫度超限，單片機(jī)將 口置 0，溫度超限報警顯示 LED 亮，蜂鳴器報警。 主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀出并處理 DS18B20 的測量的當(dāng)前溫度值，溫度測量每 1s 進(jìn)行一次。 圖 20 主程序流程圖 初始化 調(diào)用顯示子程序 1S 到？ 初次上電 讀出溫度值溫度計算處理顯示數(shù)據(jù)刷新 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令 N Y N Y 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 22 子 程序 讀出溫度子程序 讀出溫度子程序的主要功能是讀出 RAM 中的 9 字節(jié)，在讀出時需進(jìn)行 CRC校驗，校驗有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。 圖 21 讀溫度流程圖 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用 12 位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為 750ms，在本程序設(shè)計中采用 1s 顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。 Y 發(fā) DS18B20 復(fù)位命令 發(fā)跳過 ROM 命令 發(fā)讀取溫度命令 讀取操作， CRC 校驗 9 字節(jié)完？ CRC 校驗正？確？ 移入溫度暫存器 結(jié)束 N N Y 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 23 發(fā) DS18B20 復(fù)位命令 發(fā)跳過 ROM 命令 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令 結(jié)束 圖 22 溫度轉(zhuǎn)換 流程圖 計算溫度子程序 計算溫度子程序?qū)?RAM 中讀取值進(jìn)行 BCD 碼的轉(zhuǎn)換運算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖 23 所示。程序流程圖如圖 24 所 示。在這個過程中我查閱了大量的相關(guān)資料，綜合所分析所有內(nèi)容，再結(jié)合單片機(jī)基本知識設(shè)計了系統(tǒng)電路，通過仿真確定了功能的可實現(xiàn)性，最后做出實物。 基于單片機(jī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 26 參考文獻(xiàn) [1] 李伯成 . 基于 MCS51 單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計 [M].電子工業(yè)出版社 .2021 [2] 孫育才，王榮興，孫華芳 . ATMEL 新型 AT89S52 系列單片機(jī)及其應(yīng)