恒温水箱设计和研究.doc

本本 科科 毕毕 业业论论 文文 （2010 届）届） 题题 目目 恒温水箱设计与研究 学学 院院理学院 专专 业业 应用物理 班班 级级10073211 学学 号号10072112 学生姓名学生姓名 王瓅 指导教师指导教师 黄华 完成日期完成日期2014 年 1 月 4 日 杭州电子科技大学本科毕业论文 摘 要 单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成 熟的技术,本文将介绍一种基于单片机保温箱的温控系统研究，本恒温箱属于多功能多 用途，可以设置上下控制温度，当温度不在设置范围内时，可以驱动相应的负载工作， 同时声光报警。 随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测 与控制温度。本文通过采用继电器作为温度的主要控制元件，它可以直接驱动 2500W 功率的负载，可以应用于家庭、小型工厂等小电量用电设备，亦可以用继电器来控制 交流接触器线圈等，就可以实现对大功率负载的控制，应用十分广泛。采用蜂鸣器作 为电声元件的报警，LED 发光指示相应的加热或制冷工作。这种保温箱的温控系统结 构简单，可操作性强，应用广泛。工作时，温度控制范围为上下限之间，当前环境温 度若超过设定的临界温度，由单片机发出控制和报警信号，从而负载控制温度的变化。 基于单片机保温箱的温控系统大部分使用是在实验室、工业、医药、农业中。在 实验室中特别是生物实验室，我们为了得到更加准确的实验数据，对于恒温实验环境 要求严格。所以针对实验室来说，恒温箱的作用显得相当重要。在工业生产过程中我 们对于恒温箱的要求也相对更加严格，比如产品的热处理、冷处理等，直接影响着产 品的质量。在医药方面医用恒温箱主要用于药品和试剂的储存、运输，疫苗、血液 的冷藏保温，透析液的加温、生理盐水的加温等。 由以上我们可以明显的看出恒温箱 的重要作用。在农业温室大棚中，温控系统对于农作物的生长至关重要，对于农业方 面，以至于生活中的各个方面温控系统永远处于相当重要的地位。 关键词：AT89S51 单片机；DS18B20 温度芯片；温度控制；串口通讯 杭州电子科技大学本科毕业论文 ABSTRACT SCM technology has spread into our life, work and research in various fields , has become a relatively mature technology , this paper describes a study of the temperature control system based on microcontroller incubator , the incubators are versatile multi-purpose, can be set upper and lower control temperature when the temperature is not set range , can drive the corresponding work load , while sound and light alarm . With modern technology, industrial and agricultural development and improvement of peoples living environment requirements , it is also an urgent need to detect and control the temperature. In this paper, by using the relay as the main control device temperature , it can directly drive 2500W power load can be applied to families , small factories and other small power electrical equipment , also can be used to control AC contactor relay coil, etc. , can be achieved on power load control is widely used. As the use of electro-acoustic components buzzer alarm , LED light indicates that the corresponding heating or cooling work . This incubator temperature control system is simple , easy to operate , widely used. When working , the temperature control range between the upper and lower limits, the current ambient temperature if the temperature exceeds a set threshold , control and alarm signals emitted by the microcontroller , which load control temperature. Most of microcontroller-based incubator in the laboratory using a temperature control system , industry, medicine , agriculture. In the laboratory , especially biological laboratories, we have to get a more accurate experimental data for the temperature experiments in demanding environments . So for the laboratory , the role of the incubator is very important. In the industrial production process, we asked for the incubator is also relatively more stringent, such as heat treatment, cold treatment products , etc., directly affect the quality of the product . In medicine, the main thermostat medical drugs and reagents for storage , transport , vaccines, blood refrigeration insulation , warmed dialysate , heated saline and the like. From the above we can clearly see the important role of the incubator . In agriculture greenhouse , the temperature control system is essential for the growth of crops for agriculture, so that all aspects of life in the temperature control system is always in a very important position . Keywords: AT89S51 MCU DS18B20 temperature chip temperature control serial communication 杭州电子科技大学本科毕业论文 1 目 录 1.引言 1 2.设计要求与方案论证 2 2.1 设计要求 2 2.2 系统基本方案选择和论证 2 2.3 电路设计最终方案决定 4 3.主要元件介绍 5 3.1 STC89C51 介绍5 3.2 DS18B20 传感器介绍.9 3.3 数码管介绍 .12 3.4 继电器介绍 .13 3.5 程序流程图 .14 4.实验验证 .15 5.结论 .16 致 谢 18 参考文献 .19 附录 C 语言程序20 杭州电子科技大学本科毕业论文 1 1.引言 随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人 带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要 求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单 片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本保温箱温控系统所介 绍的与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，控制准确，负载广泛，有 LED 显示相应的工作方式，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所， 或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机 STC89C51，测温传感器使用 DS18B20， 用四位一体共阳极 LED 数码管显示数据，用继电器驱动负载，用 PNP 三极管驱动。 杭州电子科技大学本科毕业论文 2 2.设计要求与方案论证 首先明确设计要求，再整体讨论和确定方案，一一攻破设计的难点。 2.1 设计要求 基本范围 0-99 ； 精度误差小于 0.1 ； 数码管直读显示； 可以温度控制； 扩展功能：可以任意设定温度的上下限控制及报警功能，可以驱动加热和制冷负 载。 2.2 系统基本方案选择和论证 2.2.1 单片机芯片的选择方案和论证 由于单片机具有以下的很多优点，被我们选定为制作该作品的首选芯片 单片机特点： （1）高集成度，体积小，高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。 芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般 通用的 CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在 ROM 中不易破坏，许多信号通道均 在一个芯片内，故可靠性高。 （2）控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力， I/O 口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 （3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的最低工作电压仅为 1.8V3.6V，而工作电流仅为数百微安。 （4）易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并 行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 （5）优异的性价比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用 RISC 流水线和 DSP 等技术。单片机的寻址能力也已突破 64KB 的限制，有的已可达到 1MB 和 16MB，片 内的 ROM 容量可达 62MB，RAM 容量则可达 2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大， 杭州电子科技大学本科毕业论文 3 各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。 方案一: 采用 STC89C51 芯片作为硬件核心。STC89C51 内部具有 4KB ROM 存储空间,512 字 节数据存储空间，带有 2K 字节的 EEPROM 存储空间，与 MCS-51 系列单片机完全兼容, STC89C51 可以通过串口下载。 方案二: 采用 AT89S51。AT89S51 片内具有 4K 字节程序存储空间，256 字节的数据存储空间 没有 EEPROM 存储空间，也与 MCS-51 系列单片机完全兼容，具有在线编程可擦除技术。 两种单片机都完全能够满足设计需要，STC89C51 相对 ATS89C51 价格便宜，且下载 简单方便。考虑到方便因素，因此选用 STC89C51。 2.2.2 温度传感器设计方案论证 利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。这些呈现 规律性变化的物理性质主要有体。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。 按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热 电阻和热电偶两类。 现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信 息处理(计算机技术)。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式 温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器/控制器；(3)智能温度传感器。国 际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。 在 20 世纪 90 年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是 8 位 A/D 转换器，其测 温精度较低，分辨力只能达到 1C。国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温 度传感器，所用的是 912 位 A/D 转换器，分辨力一般可达 0.50.0625C。由美国 DALLAS 半导体公司新研制的 DS1624 型高分辨力智能温度传感器，能输出 13 位二进制 数据，其分辨力高达 0.03125C，测温精度为0.2C。为了提高多通道智能温度传 感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D 转换器。目前，智能温度传感 器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C 总线、SMBus 总线和 spI 总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通 信。 方案一: 由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随 被测温度变化 的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据 的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到 A/D 转换电 路，感温电路比较麻烦。 方案二: 进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这 杭州电子科技大学本科毕业论文 4 是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器 DS18B20，此传感器，可以很容易 直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。 从以上两种方案，两种都完全能够满足设计需要，很容易看出，采用方案二，电 路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。 2.2.3 显示模块方案论证 方案一：1602 液晶模块 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等显示模 块它有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。 每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因 为如此所以他不能显示图形 它的优点是微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧。 方案二：数码管显示 数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七 段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小 数点显示） ；按能显示多少个“8”可分为 1 位、2 位、4 位等等数码管：按发光二极管 单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管 的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接 到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴 极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起 形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上， 当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低 电平时，相应字段就不亮。由于它的价格便宜使用简单在电器特别是家电领域应用极 为广泛。 综上所诉：LCD1602 虽然显示较全；但数码管以完全能显示温度值，价格也差 6 倍 之多，数码管更适合本设计，固本设计用数码管作为显示模块。 2.3 电路设计最终方案决定 综上各方案所述,对此次作品的方案选定：采用 STC89C51 单片机作为主控制系统； 采用 DS18B20 为传感器；采用数码管作为显示器件。 杭州电子科技大学本科毕业论文 5 3.主要元件介绍 3.1 STC89C51 介绍 STC89C51 是由宏晶科技公司生产的与工业标准 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容的 单片机。 （1）中央处理器（CPU） 中央处理器是单片机的核心,完成运算和控制功能。8051 的 CPU 能处理 8 位二进制 数或代码。 （2）内部数据存储器（内部 RAM） 8051 芯片中共有 256 个 RAM 单元，但其中后 128 单元被专用寄存器占用，能作为 寄存器供用户使用的只是前 128 单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部 数据存储器就是指前 128 单元，简称内部 RAM。 （3）内部程序存储器（内部 ROM） 8051 共有 4KB 掩膜 ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存 储器，简称内部 ROM。 （4）定时/计数器 8051 共有两个 16 位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数 结果对计算机进行控制。 （5）并行 I/O 口 MCS-51 共有 4 个 8 位的 I/O 口（P0、P1、P2、P3） ，以实现数据的并行输入/输出。 （6）串行口 8051 单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传 送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器 使用。 （7）中断控制系统 8051 单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051 共有 5 个中断源，即 外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优 先级别。 (8) 时钟电路 8051 芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机 产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为 6 MHz 和 12 MHz。 从上述内容可以看出，MCS-51 虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的 基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。 杭州电子科技大学本科毕业论文 6 3.1.1 STC89C51 主要功能及 PDIP 封装 STC89C51 主要功能如表 1 所示，其 PDIP 封装如图 1 所示 表 1：STC89C51 主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统8K 可反复擦写 Flash ROM 32 个双向 I/O 口256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时/计数器中断时钟频率 0-24MHz 2 个串行中断可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源共 6 个中断源 2 个读写中断口线3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 3.1.2 STC89C51 引脚介绍 主电源引脚（2 根） VCC(Pin40)：电源输入，接5V 电源 GND(Pin20)：接地线 外接晶振引脚（2 根） XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端 XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端 控制引脚（4 根） RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号 PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号 EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令， 如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 可编程输入/输出引脚（32 根） STC89C51 单片机有 4 组 8 位的可编程 I/O 口，分别位 P0、P1、P2、P3 口，每个口 有 8 位（8 根引脚） ，共 32 根。 P0 口（Pin39Pin32）：8 位双向 I/O 口线，名称为 P0.0P0.7 P1 口（Pin1Pin8）：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P1.0P1.7 P2 口（Pin21Pin28）：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P2.0P2.7 P3 口（Pin10Pin17）：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P3.0P3.7 杭州电子科技大学本科毕业论文 7 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 P37/RD 17 P36WR 16 P32/INT0 12 P33/INT1 13 P34/T 0 14 P35/T 1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 P31/T XD 11 P30/RX D 10 GND 20 VCC 40 U1 ST C89C52 图 1：STC89C51 封装图 3.1.3 单片机最小系统： 当在 STC89C51 单片机的 RST 引脚引入高电平并保持 2 个机器周期时，单片机内部 就执行复位操作，按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过 RST 端经过电阻与电源 VCC 接通而实现的。最小系统如图 2 所示。 图2 单片机最小系统电路 （1）内部方式时钟电路 在 8051 芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 XTAL1，其输出 端为引脚 XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容， 从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图 3 所示。 时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲 信号。请读者特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的 错误。一般地，电容 C1 和 C2 取 30pF 左右，晶体的振荡频率范围是 1.212MHz。晶体 振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。8051 在通常应用情况 下，使用振荡频率为 6MHz 或 12MHz。 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0(RXD) 10 P3.1(TXD ) 11 P3.2(INT0) 12 P3.3(INT1) 13 P3.4(T0) 14 P3.5(T1) 15 P3.6(WR) 16 P3.7(RD) 17 XTAL 2 18 XTAL 1 19 GND 20 (A8)P2.0 21 (A9)P2.1 22 (A10)P2.2 23 (A11)P2.3 24 (A12)P2.4 25 (A13)P2.5 26 (A14)P2.6 27 (A15)P2.7 28 PSEN 29 ALE /PROG 30 EA/VPP 31 (AD7)P0.7 32 (AD6)P0.6 33 (AD5)P0.5 34 (AD4)P0.4 35 (AD3)P0.3 36 (AD2)P0.2 37 (AD1)P0.1 38 (AD0)P0.0 39 VCC 40 89C52 Y1 11.0592MHz C2 30 C330 R7 10K VCC + C1 10uF 12 34 K0 RESET VCC 杭州电子科技大学本科毕业论文 8 1 XTAL1 XTAL2 C1 C2 晶振 8051 至内部时钟电路 图 3 时钟振荡电路 （2）外部方式时钟电路 在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟 一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信号是经 XTAL2 引脚注入，其连接如图 4 所示。 8051 1 XTAL1 XTAL2 VSS TTL 外部时 钟信号 VCC 图 4 外部时钟源接法 （3） 时序 时序是用定时单位来说明的。8051 的时序定时单位共有 4 个，从小到大依次是： 节拍、状态、机器周期和指令周期。它们之间的关系如下： 1）一个振荡脉冲的周期为节拍； 2）一个状态就包含两个节拍； 3）一个机器周期的宽度为 6 个状态； 4）一条指令周期由若干个机器周期组成。 （4） 单片机的复位电路 单片机复位是使 CPU 和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从 这个状态开始工作，复位后 PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。单片机复位的 条件是：必须使 RST/VPD 或 RST 引脚加上持续两个机器周期（即 24 个振荡周期）的高 电平。若时钟频率为 12 MHz，每机器周期为 1 s，则只需2s 以上时间的高电平， 在 RST 引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。 单片机复位期间不产生 ALE 和 PSEN 信号，即 ALE=1 和 PSEN=1。这表明单片机复位 杭州电子科技大学本科毕业论文 9 期间不会有任何取指操作。复位后，内部各专用寄存器状态如下: PC： 0000H TMOD： 00H ACC： 00H TCON： 00H B： 00H TH0： 00H PSW： 00H TL0： 00H SP： 07H TH1： 00H DPTR： 0000H TL1： 00H P0P3：FFH SCON： 00H IP： *00000B SBUF： 不定 IE： 0*00000B PCON： 0*0000 其中，*表示无关位。注意： （1）复位后 PC 值为 0000H，表明复位后程序从 0000H 开始执行，这一点在实训中已介绍。 （2）SP 值为 07H，表明堆栈底部在 07H。一般需重新设置 SP 值。 （3）P0P3 口值为 FFH。P0P3 口用作输入口时，必须先写入“1” 。单片机在复位 后，已使 P0P3 口每一端线为“1” ，为这些端线用作输入口做好了准备。 电路以 STC89C51 单片机最小系统为控制核心，测温电路由 DS18B20 提供，输入部 分采用三个独立式按键 S1、S2、S3。数码管显示部分。 。 3.2 DS18B20 传感器介绍 3.2.1 DS18B20 概述 在现代检测技术中，传感器占据着不可动摇的重要位置。主机对数据的处理能力 已经相当的强，但是对现实世界中的模拟量却无能为力。如果没有各种精确可靠的传 感器对非电量和模拟信号进行检测并提供可靠的数据，那计算机也无法发挥他应有的 作用。传感器把非电量转换为电量，经过放大处理后，转换为数字量输入计算机，由 计算机对信号进行分析处理。从而传感器技术与计算机技术结合起来，对自动化和信 息化起重要作用。 采用各种传感器和微处理技术可以对各种工业参数及工业产品进行测控及检验， 准确测量产品性能，及时发现隐患。为提高产品质量、改进产品性能，防止事故发生 提供必要的信息和更可靠的数据。由于系统的工作环境比较恶劣，且对测量要求比较 高，所以选择合适的传感器很重要。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字 式、从集成化向智能化和网络化的方向飞速发展。智能温度传感器 DS18B20 正是朝着 高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、 研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。因此，智能温度传感器 DS18B20 作为温 度测量装置已广泛应用于人民的日常生活和工农业生产中。 美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 可组网数字温度传感器芯片外加不锈钢保护管封 杭州电子科技大学本科毕业论文 10 装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设 备数字测温和控制领域。有独特的单线接口方式，DS1820 在与微处理器连接时仅需要 一条口线即可实现微处理器与 DS1820 的双向通讯；其测温范围 55125，固 有测温分辨率 0.5；支持多点组网功能；多个 DS1820 可以并联在唯一的三线上，实 现多点测温；工作电源为 35V/DC；在使用中不需要任何外围元件。18B20 共有三种形 态的存储器资源，它们分别是：ROM 只读存储器，用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是 19H） ，后面 48 位是芯片唯一的序列号，最后 8 位是以上 56 位的 CRC 码（冗余校验） 。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20 共 64 位 ROM。RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共 9 个字节 RAM，每个字节为 8 位。第 1、2 个字节是温度转换后的数据值信息，第 3、4 个字节是用户 EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被 刷新。第 5 个字节则是用户第 3 个 EEPROM 的镜像。第 6、7、8 个字节为计数寄存器， 是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存 单元。第 9 个字节为前 8 个字节的 CRC 码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需 要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在 RAM 都 存在镜像，以方便用户操作。 DS18B20 的性能特点如下： （1） 采用 DALLAS 公司独特的单线接口方式：DS18B20 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）在使用中不需要任何外围元件； （3）可用数据线供电，供电电压范围：+3.0V+5.5V； （4）测温范围：-55+125。固有测温分辨率为 0.5。当在-10+85范围 内，可确保测量误差不超过 0.5，在-55+125范围内，测量误差也不超过 2； （5）通过编程可实现 912 位的数字读数方式； （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值； （7）支持多点的组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现多点测 温 （8）负压特性，即具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护 DS18B20 不会因发热而烧毁，但此时芯片无法正常工作； （9）DS18B20 的转换速率比较高，进行 9 位的温度值转换只需 93.75ms； （10）适配各种单片机或系统； （11）内含 64 位激光修正的只读存储 ROM，扣除 8 位产品系列号和 8 位循环冗余 校验码(CRC)之后，产品序号占 48 位。出厂前产品序号存入其 ROM 中。在构成大型温 控系统时，允许在单线总线上挂接多片 DS18B20。 杭州电子科技大学本科毕业论文 11 3.2.2 DS18B20 引脚介绍 图 5：DS18B20 引脚 各引脚功能为：I/O 为数据输入/输出端（即单线总线） ，它属于漏极开路输出，外 接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD 是可供选用的外部电源端，不用时接地，GND 为 地，NC 空脚。 3.2.3 DS18B20 的内部结构 DS18B20 的内部结构主要包括 7 部分:寄生电源、温度传感器、64 位激光 （loser）ROM 与单线接口、高速暂存器（即便筏式 RAM，用于存放中间数据） 、TH 触发 寄存器和 TL 触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上下限值、存储和控制逻辑、 位循环冗余校验码（CRC）发生器。 图 4：DS18B20 内部结构 杭州电子科技大学本科毕业论文 12 3.2.4 DS18B20 的程序流程图 否 是 发出温度转换命令 写入 18B20 读温度前复位 显示测温 点位置 18B20 复位 开始 18B20 存在？ 延时 发出读温度命令 写入 18B20 读入温度值数据 返回 延时 图 7 程序流程图 3.3 数码管介绍 数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七 段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小 数点显示） ；按能显示多少个“8”可分为 1 位、2 位、4 位等等数码管。 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指 将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时 杭州电子科技大学本科毕业论文 13 应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮， 当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管 的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接 到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一 字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 e 1 d 2 dp 3 c 4 g 5 S4 6 b 7 S3 8 S2 9 f 10 a 11 S1 12 LE D A F B E D dp C G S4 S3 S2 S1 图 8：数码管 数码显示器是一种由 LED 发光二极管组合显示字符的显示器件，它使用了 8 个 Led 发光二极管，其中七个用于显示字符，一个显示小数点，所以通称为七段发光二极 管数码显示器。4 位一体数码管，其内部段已连接好，引脚如图 8 所示（数码管的正面 朝自己，小数点在下方） 。a、b、c、d、e、f、g、dp 为段引脚，S1、S2、S3、S4 分别 表示四个数码管的位。 3.4 继电器介绍 电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上 一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸 引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触 点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就 会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静 触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电 路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触 点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的 静触点，称为“常开触点”处于接通状态的静触点称为“常 闭触点”继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工 作电路。 图 9：继电器剖析图 杭州电子科技大学本科毕业论文 14 3.5 程序流程图 图 10：程序流程图 当前温度与上 下限位关系 判断 SET 是否按 下 加减键是否按下 相应处理 上下限位 上限继 电器工 作，蜂 鸣器闪 响 下限继 电器工 作，蜂 鸣器闪 响 While 循 环返回 否 是 否 是大于上限 小于下限 正 常 范 围 显示当前温度 读取 当前 温度 初始化 开始 杭州电子科技大学本科毕业论文 15 4.实验验证 图 11 实验装置恒温水箱俯视图 在室温 12.6 C 的环境下，用宽 40cm 长 50cm 高 50cm 的主水箱，宽 12.5cm 长 25cm 高 40.5cm 的加热水箱进行实验。主水箱水量 58L，加热水箱水量 7.8L。 表 2 加热时间与温度的关系表 加热时间 t/min 0123456 水温 T/C15.716.116.416.616.917.317.7 加热后，第一时间用温度传感器在主水箱的 4 个角落以及中央测量读取了水的瞬 时温度。均为 17.7C，可见冷凝排管可以有效地使主水箱的水温均匀上升。所以使用 1 个 DS18B20 温度传感器是可以满足恒温加热的检测要求的。 由 EXCLE 图表线性趋势方程得出，在室温 12.6 C 的环境下，加热器每分钟使水温 上升 0.3179 摄氏度.加热效果明显。 电热水器功率 1500W，每分钟加热量 WPt1500*60=90000J 杭州电子科技大学本科毕业论文 16 水的比热容量（基本）4200 J/(kg) 水箱里水的总体积 65.8L Q=CMT4200*65.8*0.3179=87854J 其加热效率 Q/W*100%87854/90000=97.62% 由此可见此设计已经满足了任务要求。 图 12 实验装置恒温水箱侧面图 图 13 恒温水箱加热温度变化关系图 杭州电子科技大学本科毕业论文 17 5.结论 通过对自己在大学两年时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解 和对毕业设计的思考及书面表达能力，最终完成了本设计。这为自己今后进一步深化 学习，积累了一定宝贵的经验。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运 用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知 识转化为能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。 本次论文设计，使我加深了对单片机的认识，并且熟悉了单片机系统的设计流程， 收获丰硕。技术在不断进步，机械式时钟已经被淘汰，电子时代已经到来。做为新时 代的我们，更应该提高自身能力，适应新时代的发展。知识来自实践，多从生活中探 寻所需要的。 从这次的论文设计中，我真正的体会到，知识的重要性，特别是要理论联系实际， 把我们所学的理论知识运用到实际生活当中，要用知识改变一切。 杭州电子科技大学本科毕业论文 18 致 谢 首先，感谢学校三年来对我的培养。为我们营造了一个良好的学习氛围，建设一 流的教学设施，使我们身心愉快的投入到学习中。 其次，感谢尊敬的指导老师，有了他的谆谆教诲，处处提点，才使本论文的前期 准备以及整个研究过程顺利完成。指导老师的严谨治学态度、扎实的理论基础、全身 心投入工作的精神以及对学生尽心尽力的态度给了我极大的帮助与鼓励，使我受益匪 浅。从指导老师的教学态度上，我学到的不仅仅只有书本上的知识，还有做人的道理。 他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。 在此谨向指导老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 最后，感谢我的父母多年来给予我的支持和关怀，同时感谢我的舍友和朋友对我 的帮助。 杭州电子科技大学本科毕业论文 19 参考文献 1 陈权昌,李兴富.单片机原理及应用M.广州:华南理工大学出版社,2007.84102 2 李庆亮.C 语言程序设计实用教程M.北京:机械工业出版社,2005.3258 3 杨志忠.数字电子技术M.北京:高等教育出版社,2003.125132 4 及力.Protel 99 SE 原理图与 PCB 设计教程M.北京:电子工业出版社, 2007.89150 5 徐江海.单片机实用教程M.北京:机械工业出版社,2006.128156 6 胡宴如.模拟电子技术M.北京:高等教育出版社,2008.60104 7 汪文，陈林.单片机原理及应用M.湖北:华中科技大学出版社,2007.3668 8 康华光.电子技术基础数字部分M.北京:高等教育出版社,2008.203209 9 杨欣电子设计从零开始M.北京:清华大学出版社,2005.28102 杭州电子科技大学本科毕业论文 20 附录 C 语言程序 #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char /宏定义 sbit SET=P31; /定义调整键 sbit DEC=P32; /定义减少键 sbit ADD=P33; /定义增加键 sbit BEEP=P36; /定义蜂鸣器 sbit ALAM=P12;/定义灯光报警 sbit ALAM1=P14; sbit DQ=P37; /定义 DS18B20 总线 I/O bit shanshuo_st; /闪烁间隔标志 bit beep_st; /蜂鸣器间隔标志 sbit DIAN = P05; /小数点 uchar x=0; /计数器 signed char m; /温度值全局变量 uchar n; /温度值全局变量 uchar set_st=0; /状态标志 signed char shangxian=38; /上限报警温度，默认值为 38 signed char xiaxian=5; /下限报警温度，默认值为 5 /uchar code LEDData=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff; uchar code LEDData=0x5F,0x44,0x9D,0xD5,0xC6,0xD3,0xDB,0x47,0xDF,0xD7,0xCF,0xDA,0x9B,0xDC,0x9B,0 x8B; /= = /=DS18B20= = /= = /*延时子程序*/ void Delay_DS18B20(int num) 杭州电子科技大学本科毕业论文 21 while(num-) ; /*初始化 DS18B20*/ void Init_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ 复位 Delay_DS18B20(8); /稍做延时 DQ = 0; /单片机将 DQ 拉低 Delay_DS18B20(80); /精确延时，大于 480us DQ = 1; /拉高总线 Delay_DS18B20(14); x = DQ; /稍做延时后，如果 x=0 则初始化成功，x=1 则初始化失败 Delay_DS18B20(20); /*读一个字节*/ unsigned char ReadOneChar(void) unsigned char i=0; unsigned cha