单片机温度传感器的温度检测及控制 毕业设计论文.docx

酒 泉 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计（论 文） 10 级 应用电子 专业题 目： 电子温度计 毕业时间： 二o一三年六月 学生姓名： 指导教师： 班 级： 10 应用电子技术班 2012 年 11月12日酒泉职业技术学院 届各专业毕业论文（设计）成绩评定表姓名 班级10级应用电子班专业应用电子技术指导教师第一次指导意见年 月 日指导教师第二次指导意见年 月 日指导教师第三次指导意见年 月 日指导教师评语及评分成绩： 签字（盖章） 年 月 日答辩小组评价意见及评分成绩： 签字（盖章） 年 月 日教学系毕业实践环节指导小组意见 签字（盖章） 年 月 日学院毕业实践环节指导委员会审核意见 签字（盖章） 年 月 日单片机温度传感器的温度检测及控制摘要：本文介绍一种基于at89c51单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用ds18b20作为温度监测元件，使用led模块显示，正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了集成温度传感器ds18b20的原理，at89c2051单片机功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、结构简单。我们采用温度传感器ds18b20作为检测元件，温度范围为-55125 c,最高分辨率可达0.0625 c。ds18b20可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。关键词：温度检测；温度传感器ds18b20；单片机at89c2051；汇编语言目录摘要3引言6一、数字温度传感器 ds18b207（一）ds18b20概述71. 性能特点72. 管脚排列73. 工作方式8（二）ds18b20测温原理9（三）ds18b20使用注意事项10二、单片机at89c205111（一） at89c2051概述11（二）at89c2051外部单元121. 引脚122. 电源14（三） at89c2051内部单元141. 运算器142. 控制器143. 存储器15三、总体设计16（一）系统硬件电路设计161. 电路图162. 电路原理163. 电路原材料清单174. 电路成品图18（二） 系统软件设计181. 流程图192. 读出温度子程序193. 温度转换命令子程序204. 计算温度子程序205. 数字温度计程序清单22四、总结29附录130附录231引言随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和自动控制中最常见的工艺参数之一，生产过程中常常需要对温度进行检测和监控。在传统的温度测控系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如传感器外围电路复杂及抗干扰能力差等问题;而其中任何一环节处理不当，就会造成整个系统性能的下降。采用数字温度传感器与单片机组成的温度检测系统进行温度检测、数值显示和数据存储，体积减小，精度提高，抗干扰能力强，并可组网进行多点协测，还可以实现实时控制等技术，在现代工业生产中应用越来越广泛。一、数字温度传感器 ds18b20（一）ds18b20概述由半导体公司生产的ds18b20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。1. 性能特点（1）采用单总线的接口方式。与微处理器连接时，仅需要一条口线即可实现微处理器与 ds18b20 的双向通讯。（2）测量温度范围宽。测量精度高 ds18b20 的测量范围为 -55 + 125 ； 在 -10+ 85c 范围内，精度为 0.5c 。（3）在使用中不需要任何外围元件。（4） 供电方式灵活。ds18b20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。（5）负压特性。电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。（6）掉电保护功能。ds18b20 内部含有eeprom，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。 ds18b20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐。2. 管脚排列ds1820采用3脚pr-35封装或8脚soic封装，管脚排列如图1所示。图中gnd为地，i/o为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。vdd是外部+5v电源端，不用时应接地。nc为空脚。图1 ds18b20 的管脚排列图3. 工作方式（1）寄生电源供电方式所谓“寄生供电模式”就是省去系统总线中的电源线，由数据线为单总线器件提供电能，从而使系统总线由3根变为2根，方便了现场布线。ds18b20从单线信号线上汲取能量，在信号线dq处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。为了使ds18b20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到e2存储器操作时，用mosfet把i/o线直接拉到vcc就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到e2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多10s内把i/o线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根i/o口线进行强上拉切换。图2 寄生电源工作方式（2）外接电源工作方式当温度高于100 时，不推荐使用寄生电源，因为此时器件中较大的漏电流会使总线不能可靠检测高低电平，从而导致数据传输误码率的增大。在类似这种温度的情况下，推荐使用ds18b20的vdd引脚。图3 外接电源工作方式（二）ds18b20测温原理 ds18b20其内部含有两个温度系数不同的振荡器，其中低温度系数振荡器相当于标尺，高温度系数振荡器相当于测温元件，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值。根据频率比值和温度的对应曲线得到相应的温度值。这种方式避免了测温过程中的a/d转换，提高了温度测量的精度。低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1。高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，很敏感的振荡器，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入，为计数器 2 提供一个频率随温度变化的计数脉冲。图中还隐含着计数门，当计数门打开时， ds18b20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将 -55 所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在 -55 所对应的一个基数值。减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1 ，减法计数器 1 的预置将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。ds18b20 中的温度传感器用于完成对温度的测量，它的测量精度可以配置成9位， 10位，11位或12位4种状态。温度传感器在测量完成后将测量的结果存储在ds18b20的两个8bit的ram中，单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。（三）ds18b20使用注意事项 ds1820 在实际应用中应注意以下几方面的问题：（1）每一次读写之前都要对 ds18b20 进行复位，复位成功后发送一条 rom 指令，最后发送 ram 指令，这样才能对 ds18b20 进行预定的操作。复位要求主 cpu 将数据线下拉 500 微秒，然后释放， ds18b20 收到信号后等待 16 60 微秒左右，后发出 60 240 微秒的存在低脉冲，主 cpu 收到此信号表示复位成功。（所有的读写时序至少需要 60us ，且每个独立的时序之间至少需要 1us 的恢复时间。在写时序时，主机将在下拉低总线 15us 之内释放总线，并向单总线器件写 1 ；若主机拉低总线后能保持至少 60us 的低电平，则向单总线器件写 0 。单总线仅在主机发出读写时序时才向主机传送数据，所以，当主机向单总线器件发出读数据指令后，必须马上产生读时序，以便单总线器件能传输数据。） （2）在写数据时，写 0 时单总线至少被拉低 60us， 写 1 时 ，15us 内就得释放总线。（3）转化后得到的 12 位数据，存储在 18b20 的两个 8 比特的 ram 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0 ，这 5 位为 0 ，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0 ，这 5 位为 1 ，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。（4）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 ds1820 与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对 ds1820 进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用 pl/m 、 c 等高级语言进行系统程序设计时，对 ds1820 操作部分最好采用汇编语言实现。（5）在 ds1820 的有关资料中均未提及单总线上所挂 ds1820 数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 ds1820 ，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂 ds1820 超过 8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。（6）连接 ds1820 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过 50m 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m ，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 ds1820 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。测温电缆线建议采用屏蔽 4 芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接 vcc 和地线，屏蔽层在源端单点接地。（7）在 ds1820 测温程序设计中，向 ds1820 发出温度转换命令后，程序总要等待 ds1820 的返回信号，一旦某个 ds1820 接触不好或断线，当程序读该 ds1820 时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 ds1820 硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。二、单片机at89c2051（一） at89c2051概述89c2051是由atmel公司推出的一种小型单片机。95年出现在中国市场。其主要特点为采用flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与mcs-51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。特性与mcs51产品兼容2k字节可重编程闪存耐久性：1,000次读/写周期工作电压2.7v至v全静态运行：0hz至24mhz两级程序锁存1288位内部ram15个可编程i/o口两个16位定时器/计数器六个中断源可编程串行uart（ = universal asynchronous receiver transmitter,通用异步收发器)通道可直接驱动led的输出芯片级模拟比较器低功耗空闲模式和微功耗模式（power-down mode）at89c2051是美国atmel公司生产的一个低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，功能强大at89c2051单片机可为用户提供许多高性价比的应用场合。at89c2051有20个引脚，15个双向输入/输出 （i/o）端口，其中p1是一个完整的8位双向i/o口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时at89c2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有ram、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内ram将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。（二）at89c2051外部单元 1. 引脚89c2051共有20条引脚，详见图5。图5 at89c2051引脚功能说明：gnd：地vcc：电源p1口：p1口是一个8位双向i端口，一般做i/o用，其中p1.2p1.7引脚带有内部上拉电阻，p1.0和p1.1要求外部上拉电阻。p1.0和p1.1还分别作为片内精密模拟比较器的正相输入(ain0)和反相输入(ain1)。p1口输出缓冲器可吸收20ma电流，并能直接驱动led显示。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。p2口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（iil）。p3口：p3.0p3.5、p3.7是带有内部上拉电阻的7个双向i/o端口。p3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用i/o口引脚而只读。p3口输出缓冲器可吸收20ma电流。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。p3口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（iil）。p3口还用于实现at89c2051特殊的功能，如表.1所示表2 at89c2051 p3口特性引脚功能特性p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2int0（外中断0）p3.3int1（外中断1）p3.4t0（定时/计数器0外部输入）p3.5t1（定时/计数器1外部输入）rst：复位输入xtal1：振荡器反相放大器的及内部始终发生器的输入端xtal2：振荡器反相放大器的输出端在引脚的驱动能力上面，89c2051具有很强的下拉能力，p1,p3口的下拉能力均可达到20ma.相比之下，89c51/87c51的端口下拉能力每脚最大为15ma。但是限定9脚电流之和小于71ma.这样，引脚的平均电流只9ma。89c2051驱动能力的增强，使得它可以直接驱动led数码管。2. 电源89c2051有很宽的工作电源电压，可为2.76v,当工作在3v时，电流相当于6v工作时的1/4。89c2051工作于12hz时，动态电流为5.5ma，空闲态为1ma,掉电态仅为20na。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。（三） at89c2051内部单元1. 运算器（1）算术逻辑部件alu：用以完成+、-、*、/ 的算术运算及布尔代数的逻辑运算，并通过运算结果影响程序状态寄存器psw的某些位，从而为判断、转移、十进制修正和出错等提供依据。 （2）累加器a：在算术逻辑运算中存放一个操作数或结果，在与外部存储器和i/o接口打交道时，进行数据传送都要经过a来完成。 （3）寄存器b：在 *、/ 运算中要使用寄存器b 。乘法时，b用来存放乘数以及积的高字节；除法时，b用来存放除数及余数。不作乘除时，b可作通用寄存器使用。 （4）程序状态标志寄存器psw：用来存放当前指令执行后操作结果的某些特征，以便为下一条指令的执行提供依据。2. 控制器（1）指令寄存器ir和指令译码器。（2）程序计数器：存放cpu执行下一条指令的地址。是一个16位寄存器，可寻64kb 。（3）堆栈指针sp：用于子程序调用和中断处理。【机器复位后，sp#07h ，因为压栈的第一个数据在08h单元中】（4）数据指针寄存器dptr：16位的寄存器，也可以作为两个8位寄存器dph和dpl 。dptr主要作外部数据指针，可对64kb外部ram进行间接寻址。mcs-51由包括pc在内的22个特殊功能寄存器，它们除有各自的名称外，还有唯一的地址，离散的分布在片内ram中的80hffh共128个存储单元中。在这128个储存单元构成的sfr块中，未被占用的单元不可使用！表3 21个特殊功能寄存器sfr特殊功能寄存器功能名称地址复位后状态b *寄存器f0h00ha*累加器e0h00hpsw*程序状态标志寄存器d0h00hip*中断优先级控制器b8hxxx00000bp3 *p3口数据寄存器b0hffhie*中断允许控制寄存器a8h0xx00000bp2*p2口数据寄存器a0hffhsbuf串行口发送接收缓冲器99h不定scon*串行口控制寄存器98h00hp1*p1口数据寄存器90hffhtl1t1计数器低8位8bh00htl0t0计数器低8位8ah00hth1t1计数器高8位8dh00hth0t0计数器高8位8ch00htmod定时器计数器方式控制寄存器89h00htcon*定时器控制寄存器88h00hpcon电源控制寄存器87h00hdpl地址寄存器低8位82h00hdph地址寄存器高8位83h00hsp堆栈指针寄存器81h07hp0*p0口数据寄存器80hffhpc程序计数器无地址0000h注：“*”表示可位寻址。sp赋值方法：mov sp,#50h（其中#50h为寄存器50h，不可直接写为50h，否则sp指向寄存器00h）3. 存储器89c2051片内含有2k字节的flash程序存储器，128字节的片内ram,与80c31内部完全类似。由于2051内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为020mhz,也就是说，允许在低速工作时，不破坏ram内容。相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5mhz，因为其内部的ram是动态刷新的。89c2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它也不需要alepsen、rd、wr一类的引脚。三、总体设计在本次设计中，采用了以ds18b20与at89c2051为系统基础。温度传感器ds18b20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），传感器可置于离装置150米以内的任何地方，输出脚i/o直接与单片机的p3.7相连，传感器采用寄生电源供电。at89c2051是整个装置的控制核心，它内带1k字节的flashrom，用户程序存放在这里。显示器模块由3个led4205组成。系统程序分为传感器控制程序和显示器程序两部分。传感器控制程序按照ds18b20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写操作和对温度的显示。（一）系统硬件电路设计1. 电路图2. 电路原理（1）jp1与c3、与c4三个元器件组成数字温度计的电源部分，jp1的两个插孔连接电源的零线与火线，c3与c4起到滤波作用，vcc端连接在单片机40脚上，可以说这一部分是数字温度计的血脉。（2）y1与c1、c2给单片机提供晶振信号，这部分可以说是单片机的心脏。（3）最重要的一部分是ds18b20，它此它的连接方式是外接电源方式。（4）p0口是数据口，连接数码管。（5）四支三极管为数码管提供驱动。（6）复位电路，s3为复位开关。（7）蜂鸣器电路，三极管起到开关的作用。（8）显示电路，p0口是数据口连接数码管的段码，数码管采用共阳连接，p2口是控制线。3. 电路原材料清单位号名称规格数量r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7电阻4707r8、r9、r10、r11、r14电阻4.7k5r12电阻10k1r13电阻1k1c1、c3电解电容10uf2c2瓷片电容1041c4、c5瓷片电容302q1、q2、q3、q4三极管90124y1晶振12m1s1、s2、s3按键开关6x6x10mm3ic1单片机at89c20511ic座20p1ic2温度传感器ds18b201ds1数码管3位共阳1x1、x2接线座2p2led1发光二极管3mm红色1pcb板50x55mm14. 电路成品图（二） 系统软件设计系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。1. 流程图y发ds18b20复位命令发跳过rom命令发读取温度命令读取操作，crc校验9字节完？crc校验正？确？移入温度暂存器结束nny开始初始化示化获取温度值与温度上下限比较报警转换并显示yes图6 主程序流程图 图7 读温度流程图 2. 读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出ram中的9字节，在读出时需进行crc校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图6示发ds18b20复位命令发跳过rom命令发温度转换开始命令 结束 图8温度转换流程图3. 温度转换命令子程序温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图7所示4. 计算温度子程序计算温度子程序将ram中读取值进行bcd码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图8所示。开始温度零下?温度值取补码置“”标志计算小数位温度bcd值 计算整数位温度bcd值 结束置“+”标志ny图9计算温度流程图5. 数字温度计程序清单 /初始化子程序#indclue #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbitp1.3=p11uchar disbuf4;ucharcode tab=0xc0,0xf9,0xa4,0xbo,0x99,0x92,0x82,oxf8,0x80,0x90,0xff,0xbf;uchar code xtab=0x7f,0xbf,0xdf,0xef; /子码表char tempmax=6c; /110度的十六进制为6cchar tempmin=1c; /30的十六进制为1c/延时子程序、延时1msvoid mdelay(uint m) uchar i;for(;m0;m-)for(i=124;i0;i-);/ 延时子程序15微秒void delay(uchar k) do_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(k-);/单总线的复位，器件不存在输出1器件正常输出0bit reset( ) bit f;p1.3=1;_nop_();_nop_();p1.3=0;delay(64);p1.3=1;delay(1);delay(16); / 等待结束脉冲if(p1.3=1)delay(15);p1.3=1;f=1;elsedelay(15);f=0:return(f); / 应答信号返回/从单总线送出1b、输入要写入的字节void write( uchar x) bir r;uchar i;for(i=8;i0;i-) /写字节、1位一各时序r=x&0x01;if(r)p1.3=0; /降低p1.3平开始转换脉冲_nop_();_nop_();p1.3=1;delay(8);elsep1.3=1; _nop_();p1.3=0;delay(8);x1;/从单总线读1b子程序read ( ) uchar t,i,v;for(i=8;i0;i-)p1.3=1; _nop_();p1.3=0; / 降低p1.3电平开始脉冲delay(1);p1.3=1; /拉高p1.3脉冲delay(3); / 等待复位脉冲t=p1.3;p1.3=1;if(t=1)v|=0x80;v=v1;elsev1;return(v);/从ds18b20读取十六进制温度值返回未处理的16进制温度值uint readtemp( ) float t;bit flag; uchar c2;flag=reset( );while(flag);write(0xcc); /跳过romwrirte(0x44); /开始转换c0=read( );c1=read( );t=c0+c1*256;return(t);init 0( ) interrupt 0uchar i=5;if