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. 摘要 隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研、各個領域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術, 本文主要介紹了一個基于89C52單片機的測溫系統(tǒng)，詳細描述了利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20開發(fā)測溫系統(tǒng)的過程，重點對傳感器在單片機下的硬件連接，軟件編程以及各模塊系統(tǒng)流程進行了詳盡分析，對各部分的電路也一一進行了介紹,該系統(tǒng)可以方便的實現(xiàn)實現(xiàn)溫度采集和顯示，并可根據(jù)需要任意設定上下限報警溫度，它使用起來相當方便，具有精度高、量程寬、靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)點，適合于我們日常生活和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測量，也可以當作溫度處理模塊嵌入其它系統(tǒng)中，作為其他主系統(tǒng)的輔助擴展。DS18B20與AT89C52結合實現(xiàn)最簡溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構簡單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境下進行現(xiàn)場溫度測量，有廣泛的應用前景。 關鍵詞：溫度測量；DS18B20；AT89C52 目錄 引言 1 1.設計背景 2 1.1課題背景 2 1.2設計內容 2 2.數(shù)字溫度計系統(tǒng)簡介 3 2.1方案選擇 3 2.2系統(tǒng)設計原理 4 2.3系統(tǒng)組成 4 3.系統(tǒng)硬件設計 6 3.1主控制器選擇 6 3.2顯示電路 8 3.3溫度傳感器簡介 8 3.4 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路 10 3.5 報警電路 3.6時鐘電路與復位電路 10 3.7系統(tǒng)總體電路圖 11 4.軟件設計簡介 13 4.1 C語言簡介 13 4.2程序設計 13 5. 電路仿真 14 5.1Proteus軟件介紹 14 5.2數(shù)字溫度計Ptoteus仿真 16 6. 總結 17 參考文獻 18 附錄：源程序代碼 19 . 引言 1.設計背景 1.1課題背景 本次設計可以應用到許多我們用過的軟件設計，將前面所學的知識融匯在一起實現(xiàn)溫度監(jiān)測及其報警的功能，來提醒農(nóng)民當前大棚內溫度是否適合農(nóng)作物的生長。 電子技術是在十九世紀末、二十世紀初開始發(fā)展起來的新興技術，在二十世紀發(fā)展最迅速，應用最廣泛，成為近代科學技術發(fā)展的一個重要標志。 隨著電子技術的飛速發(fā)展，電子技術在日常生活中得到了廣泛的應用，各類轉換電路的不斷推出以及電子產(chǎn)品的快速更新，電子技術已成為世界發(fā)展和人們生活中必不可少的工具。 本次課設應用Protues軟件設計一個溫度檢測報警系統(tǒng)，用溫度傳感器DS18B20采集大棚內的溫度，當大棚內的溫度高于30℃?；虻陀?5℃。時，電路發(fā)出報警信號并顯示當前溫度，達到提醒農(nóng)民的效果。 本次課設要求設計一個溫度監(jiān)測報警顯示電路，要求溫度范圍：0℃--99℃；測量誤差為2℃；報警下限溫度為：15℃；報警上限溫度為：30℃。 1.2設計內容 本設計主要是介紹了單片機控制下的溫度檢測系統(tǒng)，詳細介紹了其硬件和軟件設計，并對其各功能模塊做了詳細介紹，其主要功能和指標如下： (1)利用溫度傳感器（DS18B20）測量某一點環(huán)境溫度; (2)測量范圍為0℃～＋99℃，精度為0.5℃; (3)用LED進行實際溫度值顯示。 2數(shù)字溫度計系統(tǒng)簡介 2.1方案選擇 方案一：基于AT89C52單片機通過讀取溫度傳感器DS18B20 測量溫度后存儲的數(shù)據(jù)，之后送去數(shù)碼管顯示。此方案DS18B20測量溫度范圍為0℃～+99℃，但由于本系統(tǒng)中DS18B20是用于測量水的實時溫度，僅需范圍為0~100℃，所以該系統(tǒng)可以采取這種方式,這種方案接線簡單易行。 方案二：采用51系列單片機作為整機的控制單元 將0-5V模擬電壓信號通過AD0808模數(shù)轉換成模擬溫度值0-255℃，然后通過數(shù)碼管顯示其溫度值。這種方式采用了AD0808模數(shù)轉換裝置，提高了測溫范圍，但是相比方案一來說，成本有所提高。 本設計采用第一種方案。直接用AT89C52單片機通過讀取溫度傳感器DS18B20 ,此種方案簡單易行，大大降低了裝置的成本。 2.2系統(tǒng)設計原理 1.單片機最小系統(tǒng)的設計 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。本次課程設計中選用AT89C52式單片機，其最小系統(tǒng)主要由電復位、振蕩電路組成。 。 2.溫度采集電路的設計 溫度采集電路部分，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行溫度采集。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3個引腳；溫度側量范圍為-55℃—+125℃，測量精度為0.5℃；被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；CPU只需用一個端口線就可以與DS18B20通信。 3.LED顯示報警電路的設計 LED數(shù)碼管與單片機的P0口相連，單片機將采集到的溫度值轉化為與數(shù)碼管對應的數(shù)據(jù)，通過P0口輸出顯示。即信號通過譯碼管的端口a、b、c、d、e、f、g 、dp 端來控制每段譯碼管的亮滅與否，同時通過端口1、2、3、4 四個端口來控制四個譯碼管。在本次設計中，用集成芯片74HC245驅動數(shù)碼管。同時當采集到的溫度值超過所設置的范圍時，單片機會輸出一信號，通過三極管放大后驅動蜂鳴器發(fā)出報警信號。LED數(shù)碼管報警電路 2.3系統(tǒng)組成 AT89C52單片機 數(shù)字溫度傳感器 報警系統(tǒng) 譯碼顯示電路 3.系統(tǒng)硬件設計 3.1主控制器選擇 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 AT89C52單片機使用12MHZ的晶振最為振蕩源，由于單片機內部有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容一般在15pF至50pF之間。外部晶振結合單片機內部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。 AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。兼容MCS51指令系統(tǒng)、8k可反復擦寫(>1000次）Flash ROM、32個雙向I/O口、256x8bit內部RAM、3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷。時鐘頻率0-24MHz、2個串行中斷?？删幊蘒ART串行通道、2個外部中斷源 。共6個中斷源 、2個讀寫中斷口線、3級加密位、低功耗空閑和掉電模式 軟件設置睡眠和喚醒功能。 本次課程設計中選用AT89C52式單片機，其最小系統(tǒng)主要由電復位、振蕩電路組成。單片機的最小系統(tǒng)如圖2-3所示。單片機的復位電路原理是在單片機的復位引腳RST上電阻和電容，實現(xiàn)上電復位。當復位電平持續(xù)兩個時鐘周期以上時復位有效。復位電路由按鍵復位和上電復位兩部分組成，上電復位是在復位引腳上連接一個電容到VCC，再連接一個電阻到GND；按鍵復位是在復位電容上并聯(lián)一個開關，當開關按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復位。 圖2-3 單片機最小系統(tǒng) 3.2顯示電路 LED數(shù)碼管與單片機的P0口相連，單片機將采集到的溫度值轉化為與數(shù)碼管對應的數(shù)據(jù)，通過P0口輸出顯示。即信號通過譯碼管的端口a、b、c、d、e、f、g 、dp 端來控制每段譯碼管的亮滅與否，同時通過端口1、2、3、4 四個端口來控制四個譯碼管。在本次設計中，用集成芯片74HC245驅動數(shù)碼管。同時當采集到的溫度值超過所設置的范圍時，單片機會輸出一信號，通過三極管放大后驅動蜂鳴器發(fā)出報警信號。LED數(shù)碼管報警電路如圖5所示。 3.3溫度傳感器簡介 溫度采集電路部分，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行溫度采集。DS18B20具有3個引腳；溫度側量范圍為-55℃—+125℃，測量精度為0.5℃；被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；CPU只需用一個端口線就可以與DS18B20通信。 溫度傳感器是DS18B20的核心部分，該功能部件可完成對溫度的測量通過軟件編程可將-55~125℃范圍內的溫度值按9位、10位、11位、12位的分辨率進行量化，以上的分辨率都包括一個符號位，因此對應的溫度量化值分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，即最高分辨率為0.0625℃。芯片出廠時默認為12位的轉換精度。當接收到溫度轉換命令（44H）后，開始轉換，轉換完成后的溫度以16位帶符號擴展的的二進制補碼形式表示，存儲在高速緩存器RAM的第0，1字節(jié)中，二進制數(shù)的前5位是符號位。如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測得的數(shù)值乘上0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測得的數(shù)值需要取反加1再乘上0.0625即可得到實際溫度。 DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的內部結構如2-4所示。 64位ROM 和 單 線 接 口 存儲和控制邏輯 高速緩存器 溫度傳感器 高溫觸發(fā)器TH 低溫觸發(fā)器TL 匹配寄存器 8位CRC發(fā)生器 電源檢 測 C DQ VDD 內部電源VDD 圖2-4 DS18B20內部結構 DS18B20的主要性能指標如下： 1、適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 2、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 3、DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。 4、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。 5、溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為0.5℃。 6、可編程分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫。 7、在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數(shù)字，速度更快。 8、測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。 9、負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20接線圖的電路接線圖如2-5所示： 圖2-5 DS18B20接線圖 3.4 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路 S18B20接線圖的電路接線圖如2-5所示： 圖2-5 DS18B20接線圖 3.5 報警電路 3.6時鐘電路與復位電路 3.7系統(tǒng)總體電路圖 4.軟件設計簡介 4.1 C語言簡介 以前計算機的系統(tǒng)軟件都是有匯編語言編寫，對于單片機系統(tǒng)來說更是如此，由于匯編語言的可讀性和可移植性差，采用匯編語言寫的單片機程序周期長，而且調試麻煩，為了學習和提高，最好使用C語言編程，C語言具有如下優(yōu)點 1語言簡單，使用方便靈活 2可移植性，表達性能強 3可進行結構化程序設計 4可直接操作計算機硬件 5生成的目標代碼質量高 4.2程序設計 主程序中對單片機做了初始化的設計，包含溫度的讀取、數(shù)碼管顯示、報警三個子系統(tǒng)，運行時由主程序先調用DS18B20讀取溫度的子函數(shù)進行溫度采集，再將數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管顯示。同時判斷所采集的數(shù)據(jù)是否超出所設置的溫度范圍。如果超出，調用報警子系統(tǒng)；未超出，程序自動返回。主程序流程圖如圖6所示。 圖6 主程序流程圖 5. 電路仿真 5.1Proteus軟件介紹 Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。 功能特點 Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： 1．原理布圖 2．PCB自動或人工布線 3．SPICE電路仿真 革命性的特點 1．互動的電路仿真 用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 2．仿真處理器及其外圍電路 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型 上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境. 5.2數(shù)字溫度計Ptoteus仿真 在PROTUES軟件中，連接好電路圖后將在Keil中生成的“溫度監(jiān)測.HEX”程序文件導入單片機中。由于DS18B20系統(tǒng)中設置的溫度初值為85℃，所以當開始仿真時報警器會報警，數(shù)碼管顯示也為85。4至5秒后數(shù)字溫度傳感器會顯示當前溫度，數(shù)碼管也相應顯示其數(shù)值。在PROTUES軟件仿真中，調節(jié)DS18B20的左右按鈕可是溫度值對應加減，數(shù)碼管會顯示當前值。當減到15℃以下或加到30℃以上時，報警器會報警。調節(jié)數(shù)字溫度傳感器DS18B20使其溫度減到14℃，此時報警器報警，數(shù)碼管顯示14。14℃時的電路仿真如圖10所示。 6. 總結 本次課程設計是一次綜合性的應用，全方位考察了我們對所學軟件的理解與掌握。通過本學期對單片機課程和傳感器課程的學習我們不但對以前學過的知識點有了更深一步的掌握，同時還學到了更多書本中所沒有涉及到的東西。從開始做期末作品后就不斷地去圖書館借書查找相關資料、上網(wǎng)搜索信息、與同組同學討論方案。在我們的共同努力下，在本周成功的完成了軟件的設計。因為實驗室要為電子競賽準備，所以不能能打印PCB版做出實物，這也是本次作品遺憾的地方。 雖然在設計的過程中遇到各種各樣的困難，但最終在老師和同學的幫助下完成了設計。極大的培養(yǎng)了我們的科研精神，激發(fā)了我們的專業(yè)興趣，積累了實踐經(jīng)驗，為將來的繼續(xù)學習和工作打下了基礎。雖然這是我們在期末前的最后一個簡單的課程設計，但卻讓我們學到了很多。所以希望學院能夠多安排一些類似的實踐訓練，能讓我們有更多的機會接觸具有現(xiàn)實意義的項目，能接觸更多的硬件，更好的提升自己的實踐能力和綜合能力 參考文獻 [1] 孫涵芳.MCS-51/96系列 單片機原理及應用（修訂版）.北京航空航天大學出版社.1994 [2] 李朝青.單片機原理及接口技術（第3版）.北京航空航天大學出版社.2005 [3] 葉景，基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的設計 經(jīng)驗與交流，2008 [4] 楊光友.單片機微型計算機原理及接口技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2002 [5] 李丹妮，單片機溫度控制系統(tǒng)設計[J]九江學院報2005 [6] 閻石. 數(shù)字電子技術基礎（第四版）.高等教育出版社.2004 [7] 譚浩強.C程序設計（第二版）[M].北京：清華大學出版社，1999 附錄：源程序代碼 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit DQ=P3^7; sbit beep=P3^0; void reset(); //DS18B20復位函數(shù) void write_byte(uchar val); //DS18B20寫命令函數(shù) uchar read_byte(void); //DS18B20讀1字節(jié)函數(shù) void read_temp(); //溫度讀取函數(shù) void LED_display(); void alarm(); uchar tempH,tempL,num; uchar table[10]= {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; //0~9的LED字符編碼 uchar setValue_low=15; uchar setValue_high=30; main() { while(1) { read_temp(); LED_display(); alarm(); } } void delay(uint t) { for(;t>0;t--); } void reset() //DS18B20的復位 { uchar presence=1; while(presence) { while(presence) { DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0; delay(50); DQ=1; delay(6); presence=DQ; } delay(45); presence=~DQ; } DQ=1; } void write_byte(uchar val) //DS18B20寫一個字節(jié) { uchar i; for(i=8;i>0;i--) { DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); DQ=val&0x01; delay(6); val=val>>1; } DQ=1; _nop_(); } uchar read_byte(void) //DS18B20讀一個字節(jié) { uchar i; uchar value=0; for(i=8;i>0;i--) { DQ=1;_nop_();_nop_(); value>>=1; DQ=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); DQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); if(DQ) value|=0x80; delay(6); } DQ=1; return(value); } void read_temp() //從DS18B20讀取溫度值 { uchar ch1,ch2; reset(); write_byte(0xcc); write_byte(0x44); reset(); write_byte(0xcc); write_byte(0xbe); ch1=read_byte(); //DS18B20的溫度數(shù)值是16位的二進制，精度高，最后四位是溫度的小數(shù)部分，最高五位為符號位（即正負溫度） ch2=read_byte(); num=(ch2<<4)|(ch1>>4); //只取溫度值的中間八位，小數(shù)部分舍去，符號位舍去四位。 tempH=num/10; //溫度的十位 tempL=num-tempH*10; //溫度的個位 } void LED_display() //顯示檢測的溫度 { P2=0x0; P2=2; P0=table[tempL]; delay(50); P2=0x0; P2=1; P0=table[tempH]; delay(50); P2=0x0; } void alarm() //報警 { if(setValue_low<=num && setValue_high>=num) beep=1; //在溫度允許范圍，不報警 else beep=~beep; } 參考文獻 [1]孫育才.《單片微型計算機及其應用》. 南京：東南大學出版社.2004 [2]潘新民 王燕芳.《微型計算機控制技術》. 北京：電子工業(yè)出版社2003 [4]李群芳.《單片機原理及接口技術》.北京：電子工業(yè)出版社，2008 [5]李光飛.《單片機課程設計實例指導》.北京：北京航空航天大學出版社，2004 附錄：源程序代碼