温度智能测量技术的研究

1、 温度智能测量技术的研究 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 陈勇 指导教师： 曹才开 职称 教授 刘冲 职称 副教授 专 业： 自动化 班 级： 自本1002班 完成时间： 2014年5月30日 摘 要随着现代社会科技的发展及进步，人们对信息参数的准确度和精确度都有了更高的要求，而如何准确而又迅速的获得这些参数是现在面临的问题。在信息技术的三大基础中，传感器技术属于信息技术的顶级产品，尤其是温度传感器技术，在我国已经渗透到社会的各个领域，人民的生活与温度密切相关，在工业和农业生产中，温度的检测是非常重要的。知道多种测量温度的方法有也同样显得尤为重要。本课题是一个以单片机AT89S5

2、2为核心设计的温度智能检测系统，描述了怎样利用数字温度传感器DS18B20建立测温系统，对传感器与单片机相关的硬件电路连接，软件编程以及一些主要模块进行了分析。最后用Proteus软件进行仿真调试。该系统可以实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来比较方便，具有精度高、体积小等一些优点，适合于我们日常生活需要和工、农业生产中的温度测量，也可以作为一个温度检测的模块接入到其它系统中，提供辅助扩展。DS18B20与AT89S52建立的最简温度检测系统，系统结构简单，抗干扰能力强，功耗低，有广泛的应用前景。 关键词：传感器技术；单片机；低功耗；温度；仿真IABSTRACT

3、With modern social development and progress of science and technology, the parameters of accuracy and precision of information to the people have higher demands, and how to accurately and quickly obtain these parameters is now facing the problem. In the three basis of information technology, sensor

4、technology belong to the top product of information technology, especially the temperature sensor technology, in our country has penetrated into every field of society, people's life is closely related to the temperature, in the industrial and agricultural production, the temperature detection i

5、s very important. Know that there are also a variety of ways to measure temperature is particularly important. This topic is a single-chip microcomputer AT89S52 as the core design of the intelligent temperature detecting system, describes how to use digital temperature sensor DS18B20 temperature mea

6、suring system, related to sensor and single chip microcomputer hardware circuit connection, software programming and some main modules are analyzed. The system can realize temperature acquisition and display, and can use either set the upper and lower alarm temperature, it is more convenient to use,

7、 which have some advantages such as high precision, small volume, suitable for our daily life need and the temperature measurement in industrial and agricultural production, also can be used as a temperature detection module access to other systems, provide auxiliary extension. DS18B20 and AT89S52 d

8、evices to establish the minimalist temperature detection system, the system structure is simple, strong anti-jamming capability, low power consumption, have broad application prospects. Keywords: Sensor technology;Single chip microcomputer;Low power consumption;The temperature;The simulation目 录1 绪论1

9、2 温度传感器类型与测温原理32.1 温度传感器的分类32.2 几种常用温度传感器的基本原理32.2.1 热电阻测温原理32.2.2 热电偶测温原理32.2.3 智能温度传感器测温原理42.2.4 热敏电阻测温原理42.2.5 红外测温原理52.3 常用温度传感器比较52.4 温度传感器的发展63 智能温度测量电路设计73.1 设计要求73.2 温度显示方案的选择73.3 温度传感器的选择73.4 测温电路总设计83.4.1 测温电路设计方案83.4.2 设计电路分析94 核心元器件104.1 单片机AT89S52104.1.1 单片机AT89S52内部机构104.1.2 AT89S52引脚功

10、能介绍114.2 智能温度传感器18B20134.3 DS18B20测温电路及工作原理164.4 LCD1602液晶显示芯片174.4.1 LCD1602的结构及电路174.4.2 LCD1602的读写时序表184.5 蜂鸣器报警电路195 系统软件设计及仿真215.1 程序流程图215.2 读取温度程序215.3 计算温度与显示数据刷新程序225.4 用Keil进行程序编译235.5 测温系统的仿真245.6 设计课题的误差分析26结束语27参考文献28致谢29附录 DS18B20温度测量源程序301 绪论现代社会温度和人类生活、工农业生产以及科学研究有着越来越强的关系。随着科学技术水平的不

11、断提高，温度测量技术也得到了不断的发展，温度的测量是生产生活中时常需要的工作。二十一世纪以后，温度传感器在功能、精度上面得到了很大的提高。为了测量结果的准确一致, 在生产生活和科学研究项目中,经常需要对物体的冷热程度作定量描述。所以, 衡量物体的冷热程度可以用于科学地描述物体各种性能随温度变化的关系，同时也可以建立适当的标尺来实现。通过借助随着温度变化而变化的物理量去定义温度的数值，这是温标的定义，也是温度数值直观表示的方法。各种形式的温度计数值都是温标决定的，因此温标即为温度的标尺，也是表示温度数值的规则,它同时明确的规定了温度的单位。没有温标这个概念就无谈温度测量,正是这样，温标才成为温度

12、测量的参照标准。温度传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的40%以上。温度传感器是利用NTC的阻值随温度变化的特性，将非电学的物理量转换为电学量，从而可以进行温度精确测量与自动控制的半导体器件。温度传感器用途十分广阔，可用作温度测量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、温度测量、紫外光和红外光测量、微波功率测量等而被广泛的应用于厨房设备、空调、电脑彩色显示器、切换式电源、热水器、电冰箱、汽车等不同的领域。近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。在国外对温度控制技术研究较早，始于二十世纪七十年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并

13、进行指示、记录和控制。随着全球性的温度测控技术发展飞快，一些国家和地区在已经实现了自动化的基础，正朝着完全的自动化、无人化方向发展。我们国家对于测温技术的研究较发达国家晚，始于二十世纪八十年代。温度测控设施计算机应用，在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，具有广大的发展前景。我国的温度传感器朝着数字化、集成化和自动化的方向发展；将精度和可靠性的提高作为重要任务；不断研发新的产品，同时在研究节省稀有金属材料的热电阻，研发各种非接触式温度传感器；发展适应各种苛刻环境下的温度传感器，超高温与超低温传感器。温度测量方法很多，也有多种分类，由于测量原理的多样性，很难找到一种完全理想的分类方法。按

14、其原理可分为：接触式和非接触式温度传感器。按其测量温度的范围可分为：超高温用、高温用、中高温用、中温用、低温用、极低温用传感器等。按其测量温度的特性可分为：线性型、指数函数型、开关特性型。按其测定精度可分为：温度标准用、绝对值测定用、管理温度测定用。另外，部分研制出的温度传感器已获得应用，有的尚在研制中。大多数金属导体的电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数，这就是热电阻测温的基础。作为温度测量材料的一种，热电阻应具有以下特性：电阻随温度变化系数大，电阻率大，热容量要小；在其测温范围内要具有稳定的物理性质及化学性质；电阻和温度之间的关系最好呈线性，或者是平滑的一条曲线；并且要易加工，复制性好

15、，价格便宜。由于热电偶是测温技术中最广泛的传感器元件。除了具有测温范围广、结构简单，精确度高，输出信号是电信号，便于在远传或信号转换等方面应用外，还能在测量流体的温度、固体及其壁面温度上广泛应用。微型热电偶甚至可以用于快速及动态的温度测量技术上。智能温度传感器的总线技术已实现了标准化、规范化。DS18B20是一种典型的基于1-Wire总线的智能温度传感器。DS18B20具有更高的温度转换速率，其数字温度输出只用9位二进制，分辨率固定为0.5，拥有电源反接保护电路。2 温度传感器类型与测温原理2.1 温度传感器的分类随着科技的进步，温度传感器种类越来越多。温度传感器的分类方式有多种。按其原理可分

16、为：接触式温度传感器、非接触式温度传感器。按其测温范围可分为：超高温用传感器（1500以上）、高温用传感器（10001500）、中高温用传感器（5001000）、中温用传感器（0500）、低温用传感器（2500）、极低温用传感器（270250）等。按其测温特性可分为：线性型（测温范围宽）、指数函数型（输出小、测温范围窄）、开关特性型（输出大的特定温度）。按其测定精度可分为：温度标准用（测定精度±0.1±0.5）、绝对值测定用（测定精度±0.5±5）、管理温度测定用（相对值±1±5）。按其名称可分为：热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁

17、氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器等。2.2 几种常用温度传感器的基本原理2.2.1 热电阻测温原理电阻是利用物体在感受外界环境温度的变化而引起的相应变化来表示。当被测物体温度发生变化时，热电阻所测得的温度是该物体的平均温度。金属热电阻和半导体热敏电阻是目前主要应用的两类。金属热电阻阻值和温度可以用近似关系式表示，即：式中为温度在时的电阻；为温度（通常）时的电阻值；是温度系数。半导体的热敏电阻阻值和温度可以用关系式表示：式中为温度在时的电阻；、是关于半导体材料的常数。2.2.2 热电偶测温原理热电偶是将两种不同材料导

18、电体A、B(热电极)的一端焊接或绞接于一起而构成的，如图1所示。测温时置于被测温度场中的结点称为测量端(亦称工作端或热端)，另一结点一般处于某一恒定温度场，称为参考端(亦称自由端或冷端)。设测量端温度、参考端温度分别为T和T0(不妨令T>T0)，则在导电体A、B的两接触处将分别产生接触电势UAB(T)、UAB(T0)，在导电体A、B的两端将分别产生BA+测量端 T参考端 T0 图1 热电偶及热电效应接触电势UAB(T)接触电势UAB(T0)温差电势UB(T，T0)温差电势UA(T，T0)热电势UAB(T，T0)AB-+-+-温差电势UA(T，T0)、UB(T，T0)。接触电势亦称珀尔贴电

19、势，它是由相互接触的两种不同导体内自由电子密度不同引起电子扩散而造成的；单一导体两端由于温度不同而在其两端产生的电势为温差电势(也叫汤姆逊电势)，由于高温端自由电子的动能大于低温端自由电子的动能，高温端自由电子的扩散速率高于低温端自由电子的扩散速率，从而在单一导体两端形成了电位差。由接触电势UAB(T)、UAB(T0)和温差电势UA(T，T0)、UB(T，T0)构成了热电偶的热电势UAB(T，T0)。将冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度。2.2.3 智能温度传感器测温原理最常见智能温度传感器的是DS18B20，它的的集成度较高，其内部结

20、构相对来说较为复杂。主要由64位光刻ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL、配置寄存器等四部分组成。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：12位转化后得到的12位数据

21、，存储在DS18B20的高低两个8位的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才能得到实际温度。2.2.4 热敏电阻测温原理热敏电阻作为开发较早，且种类多，发展成熟的敏感元件之一，其材料组成主要是半导体陶瓷，主要原理是：温度变化引起阻值变化。设电子的浓度为、空穴的浓度为,对应迁移率为、，则其半导体电导可表示为：因为、是温度的函数，所以是关于温度的函数，可由电导推算出温度的变化，并可画出电阻和温度的特性曲线，这就是半导体热敏电阻的工作原理。热电阻包

22、括PTC（正系数）和NTC（负温度系数），以及临界温度热敏电阻（CTR）。热敏电阻的主要特点是：灵敏度高，它的电阻温度系数比金属的大10-100倍，能检测出很小的温度变化；测温范围广，常用器件适用于-55C315C；体积小，能够胜任测量微小难测的温度，例如腔体及活体动物内脏的温度；使用轻巧方便，电阻值可选择范围大，在0.1100K；易加工成复杂的形状，可大批量生产，稳定性好，过载能力强。2.2.5 红外测温原理 红外测温技术是通过检测物体表面能量来检测物体温度的。近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。因为存在的

23、任何温度高于绝对零度的物体，一直不停地向周围空间辐射出红外线。根据物体所发出的红外辐射能量的大小和它的按波长的分布，利用科学算法算出辐射的能量与它的表面温度的关系。红外测温所依据的客观基础就是通过对物体发出的红外能量进行测量，就能准确地测量物体的温度。 2.3 常用温度传感器比较随着温度传感器种类的多样化，每一种温度传感器都有他合适的使用范围。热电偶可将温度量经过转换变成电量进行检测，以及对温度信号的放大、变换等都很方便，结构简单，制造容易，价格便宜，惰性小，准确度高，测温范围广，能适应各种测量环境，如点温和面温的测量，适于远距离测量和控制。但测量准确度不是很高，一定要有参考端，并且温度要保持

24、不变。在高温或长期使用时，因受被测介质影响或气氛腐蚀作用而发生劣化。热电阻准确度相对热电偶来说要高，准确度最高，可达。输出信号大，灵敏度较高。在相同条件下，即使灵敏度比较高的K型热电偶，其热电动势变化也只有40V左右。由此可见，热电阻的灵敏度较热电偶高一个数量级。在振动小而适宜的环境下，可在很长时间内保持0.1以下的稳定性。而且还不需要参考点，温度值可由测得的电阻值直接求出。采用细金属丝的热电阻元件，它的抗机械冲击与振动性能差。其结构也比较复杂，热响应时间长。因此不适合测量体积狭小和温度变化快的场合。红外测温仪能接收多种物体自身发射出的不可见红外辐射能量，红外辐射是电磁频谱的一部分,红外线的波

25、长位于可见光和无线电波之间。当红外测温工作时,测温仪的光学系统将被测物体辐射出来的红外辐射能量在探测器上转为电信号,并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。红外测温仪有以下优点:非接触式测量,灵敏度高，测温范围广,响应速度快。缺点是不能测得物体真实的温度,所测量的是物体表面温度。 现在，各种集成的温度传感器的功能越来越专业化。比如，美国DALLAS公司继DS1820后推出的改进产品DS18B20，供电电压扩大至+3.0V+5.5V，在-10+85范围内，测量误差不超过±0.5，在-55+125范围内，测量误差也不超过±2，而且用户可定义报警设置。2.4 温度传感

26、器的发展从上世纪以来，温度传感器得到了很大的发展。传统的分立式温度传感器热电偶传感器能够与被测对象直接接触, 不因中间介质的变化而改变, 具有较高的精确度；测量范围广,因此它是工业测量中应用非常广泛的一种温度传感器 。同时提高温度传感器的精度和可靠性，研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器，发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器，已经成为发展的趋势。目前, 国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。其发展的新趋势为：提高测温精度和分辨力，增加测试功

27、能，总线技术的标准化与规范化，可靠性及安全性设计，虚拟温度传感器和网络温度传感器。在高度发达的科技文明社会，智能温度传感器将越来越受人类的重视，最终将逐步取代传统温度传感器的位置。3 智能温度测量电路设计3.1 设计要求（1）采集测温范围为-55+125 。（2）温度精度在0.1 ；误差±0.2以内。（3）显示模块，采用LCD液晶显示。（4）有设置、加、减共三个按键，用来调整报警温度上、下限。3.2 温度显示方案的选择方案一：用8位数码管动态显示，使用两个共阳极数码管组成，段控接单片机的P0口，位控接单片机的P2口，显示电路的主要功能是显示温度结果，采用数码管显示能够及时显示，速度快

28、。此方法所使用的数码管价格成本较低，但是显示比较单一，且功耗偏大。方案二：用液晶屏进行显示，使用LCD1602液晶屏内部的控制器共有11条控制指令，内部自带字符发生存储器，通过执行指令的方式可以完成液晶的功能控制。同时它是是标准16针插座，此方法能完成更多的信息显示，且价格成本也不高。综合分析，采用方案二，使用LCD液晶屏。3.3 温度传感器的选择方案一：采用模拟温度传感器由于本课题是温度的检测技术的研究，因此温度传感器的选择显得尤为重要。可以使用热敏电阻的感温效应，对被测物体温度的变化通过电压或电流的形式进行信息采集，然后经过A/D转换，最后用单片机对采集的信息进行数据的分析处理，将被测温度

29、通过显示电路显示出来，这种设计需要A/D转换电路，设计A/D转换电路较为复杂。方案二：采用数字温度传感器数字温度计具有读数方便，显示直观，测温范围广，测温精确，适用范围广泛等优点。首先想到的数字温度传感器是DS18B20，DSl8B20读取被测温度信息经过处理送入单片机，进行数据转换，该器件的性能较稳定，线性度较好，在-55125最大线性偏差小于0.1。该器件能将采集的信息转化成数字信号直接向单片机传输，从而简化数据传输与处理过程。在单片机电路设计中，为了简化电路，采用集成度高的温度传感器DS18B20，相对于模拟温度传感器要好。 综合分析，采用方案二，使用数字温度传感器。3.4 测温电路总设

30、计3.4.1 测温电路设计方案智能温度传感器测温的整体设计框图如图2所示。主要包括单片机复位电路、时钟振荡电路、温度传感器电路，、LCD显示电路，以及有报警作用的蜂鸣器电路。主 控 制 芯 片LCD显 示温 度 传 感 器复位电路时钟振荡超限报警图2 测温电路设计框图 （1）设计思路：温度只要在所设定的上下温度界限内，就会在显示设备中精确的显示出来，如果温度超过了所设定的温度界限，就发出报警声。能够及时向温度监控人员发出温度超限信息。便于温控人员及时的调整与控制。另外此温度控制器操作简单，体积小，灵敏度高，精度高。 （2）工作原理：当该电路上电工作以后，首先刷新显示（LCD），然后，温度传感器

31、采集温度送单片机检查温度的高低，再由单片机送出信号经过驱动电路送往显示电路或报警电路。 （3）设计说明：如图2所示，该测温系统包括五大主要模块。单片机的最小系统包括时钟振荡电路和按键复位电路，时钟电路是由外接的晶振以及两个电容构成。晶振的两个引脚分别接在单片机的X1和X2引脚。本课题设计的复位电路是按键电平复位电路，由单片机的RST引脚外接的电阻电容以及一个复位按键构成。当按键按下时，复位端经电阻与VCC电源接通，只要按键时间在两个机械周期以上，就能够实现复位。同时加装蜂鸣器扩展电路，用于高温报警。3.4.2 设计电路分析根据测量电路框图主控电路包括主芯片AT89C52、复位和时钟电路，温度传

32、感器电路，LCD显示电路，以及有报警作用的蜂鸣器电路。主要功能是主控制器读取18B20的数据，然后送到显示电路进行数据的显示，时钟和复位电路的主要作用是向单片机提供正常工作所需基准频率。电路设计原理图如图3。图3 智能温度测量电路图主芯片AT89S52为8 位通用微处理器，有四十个引脚，工作时需要晶振电路来提供时钟脉冲信号，晶振有两种，即为有源晶振和无源晶振，晶振的作用是在电路产生震荡电流,发出时钟脉冲信号。它是时钟电路中最重要的部件，它的作用是向单片机提供工作所需基准频率，若是晶振频率不稳定就会造成单片机工作频率不稳定，从而造成怎个电路不稳定。但是随着制造工艺的变好，现在晶振的基本技术指标都

33、有了很大的提高，基本上不会出现故障。复位电路的功能是为保证单片机系统中电路稳定可靠工作不可或缺的重要组成部分，当电路出现故障或程序跑飞时，通过复位电路产生复位信号。在经过RST引脚送入单片机进行复位操作。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V，由于单片机电路正常工作需要稳定的时钟信号，因此在电源接通时，当VCC在5V左右时，同时晶体振荡器稳定工作，复位信号才被撤除，单片机电路开始正常工作。单片机有两种复位方式：上电复位和手动复位。上电复位是通过电源的充放电实现的，只要电源VCC的上升时间不超过一毫秒，就能实现上电复位。手动复位是通过按键实现的，有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过使复位

34、端经电阻于VCC电源接通来实现的。而脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲实现的。4 核心元器件4.1 单片机AT89S524.1.1 单片机AT89S52内部机构 主控制器模块使用AT89S52,它是一种功耗较低、性能较强的8位微控制器，具有8K内部程存储器。主要常用管脚有：XTAL1和XTAL2为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振形成晶振电路。RST为复位信号输入端口，外接电阻和电容形成复位电路。VCC和VSS为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 共32个引脚，为并行I/O口，其功能用途由芯片下载的软件定义。芯片AT89S52的内部结构如图4所示。图4 AT89S52内部

35、结构图单片机AT89S52任然保持着经典计算机的结构体系，由十大基本部分组成。包括：（1） 中央处理器CPU：CPU是单片机的核心，用于完成运算和控制操作。中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。（2） 内部数据存储器RAM：包括RAM和RAM地址地址寄存器，用于存放可读/写的数据。（3） 内部程序存储器ROM：包括ROM和程序地址寄存器，用于存放程序和原始数据。 （4）定时器/计数器：共有两个16位的定时器/计数器，用于实现定时或计数功能，并以其结果对单片机进行控制。 （5）并行I/O口：共有4个8位并行I/O口，以实现数据的并行输入/输出。 （6）串行口：有一个全双工串行口，以实现单片机和

36、其他数据设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可以作为全双工异步通信收发器使用，也可以作为同步移位器使用。 （7）中断控制电路：单片机的中断功能较强，共有五个中断源，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、低级两个优先级。 （8）时钟电路：芯片内部有时钟电路，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。 （9）位处理器：也叫布尔处理器，单片机有较强的位处理功能，因此，位处理器是它的重要组成部分。 （10）内部总线：上述这些部件通过总线连接起来，才能构成一个完整的计算机系统。芯片内的地址信号、数据信号、控制信号都是通过总线传送的。总线结构减少了单片

37、机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。4.1.2 AT89S52引脚功能介绍 芯片AT89S52的引脚排列如图5。 图5 AT89S52单片机引脚图 单片机芯片AT89S52为40引脚双列直插式封装。其各引脚功能介绍如下： （1） +5V电源VCC。 （2） 地线GND。 （3） P0口一共有八个引线端口，地址为80H。功能主要有两种：一种是作为通用I/O口进行数据的传送，另一种是作为该系统的地址/数据线使用。 （4） P1口一共有八个引线端口，地址为90H。P1口与P0口的内部电路结构有一定的区别，只可以当作数据I/O口使用。 （5） P2口一共有八个引线端口，地址为A0H。P2口与P0口的

38、逻辑电路非常相似，同样有两种功能：第一种是当作系统高位地址线使用，第二种是当作通用I/O口传送数据。 （6） P3口一共有八个引线端口，地址为B0H。P3口是最为特殊的，能作为通用I/O口使用，还有一个更广泛的应用是它的第二功能信号。P3口的第二功能信号的具体作用如表1所示。表1 P3口的特殊功能端口名称第二功能符号功能描述P3.0RXD进行串行数据接收P3.1TXD进行串行数据发送P3.2INT0外部中断0申请P3.3INT1外部中断1申请P3.4T0定时器/计数器0外部输入P3.5T1定时器/计数器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通 （7） 复位信号

39、RST：要想实现单片机的，输入的复位信号至少要续两个机器周期的高电平。 （8） 地址锁存控制信号ALE：在系统扩展时，ALE用来把P0口的低八位地址锁存在锁存器里，这样用来进行低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以1/6晶振频率的输出的脉冲，所以也能作为时钟脉冲和定时脉冲使用。 （9） 外部程序存储器读选通信号PSEN：在由外部ROM时，PSEN为低电平有效，以此时单片机对外部ROM进行读操作。 （10） EA：也叫访问程序存储器控制信号，若是EA为低电平时，对ROM的读操作是针对外部程序存储器的；而当EA信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。

40、（11）外接晶体引线端XTAL1/XTAL2：当使用芯片内部时钟时，XTAL1/XTAL2用于外接石英晶体谐振器和微调电容；当使用外部时钟时，用于接入外部时钟脉冲信号。4.2 智能温度传感器18B20智能温度传感器DS18B20外接电路接线简单，所成电路可用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。其内部结构和引脚框图如图6。图6 DS18B20内部结构其内部结构主要有七大部分组成：寄生电源、温度传感器、64位激光ROM、高速暂存器(便笺式RAM)、高低触发寄存器、8位循环冗余码发生器和存储控制电路。向外有UDD、GND、I/O三个引脚，UDD是可供选用的外部+5V电源端，不用时接地，GND为接地

41、脚，I/O为漏极开路数据输入/输出脚。具有以下特点：（1）DS18B20技术性能DS18B20接口方式非常独特，为单口的，当它与单片机进行双向通讯时，与单片机只要连接一条口线即可。它的测温范围比较广，为55+125，它的分辨率只有0.1。（2） DS18B20的主要数据部件 光刻ROM中的64位序列号就是DS18B20的地址序列码。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 配置寄存器，该字节中对应寄存器如表2。 表2 配置寄存器结构位序号76543210寄存器TMR1R011111该寄存器低五位全部是1 ，最高位TM是测试模式位

42、，最高位可以设置DS18B20的模式状态。DS18B20采用912位的可编程数字温度输出，通过编程便笺式RAM中CONFIG寄存器的可编程温度分辨力位R0、R1，可设置不同分辨力及最大转换时间，如表3所示。表3 温度值分辨率设置表 R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms温度传感器DS18B20采集温度信息，它的工作过程以12位转化为例：温度传感器转化后得到12位数据，立即将该数据存储在DS18B20的两个数据存储器中，二进制中的前5位即为符号位，若是测得的温度大于0，则前5位为0，此时将0.0625去乘测到的数值的结

43、果就是实际温度；若是温度小于0，则前5位为1，将0.0625乘以测到的数值取反加1就是实际温度，如下表4。表4 DS18B20温度数据表TEMPERATUREDIGITAL OUTPUT(Binary)DIGITAL OUTPUT(Hex)+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1

44、100 1001 0000FC90H （3）高速暂存存储器 它包括九个字节，具体组成如表5所示。当执行温度转换指令后，经转换所得的温度值以二字节补码形式分别存放在温度值低位和温度值高位，即第0和第1字节。而单片机通过数据I/O口接收导数据，最后通过显示屏显示结果。第九个字节是CRC检验字节。 表5 DS18B20暂存寄存器分布寄存器内容字节地址温度值低位0温度值高位1高温限值TH2低温限值TL3配置寄存器4 续表5寄存器内容字节地址保留5保留6保留7CRC检验8 根据DS18B20的通讯协议，温度传感器内部电路控制完成温度转换有三个步骤：第一步，对DS18B20在读写数据之前复位；第二步，复位

45、成功后发送一条程序存储指令；第三步，发送一条数据存储指令，经过这三个步骤，DS18B20即完成了温度的转换。复位要求主控制器将数据线下拉500微秒，之后复原，DS18B20收到信号后需要等待一定时间，大概在1660微秒左右，然后发出60240微秒的存在低脉冲，若是CPU能接收到信号证明复位成功。其复位时序图如图7所示。图7 DS18B20复位时序图由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，因此系统读写时序是尤为重要的。对DS18B20的各种操作严格按协议进行。主要流程说明如下： 初始化：单总线的所有处理均从初始化开始。初始化过程是主机通过向作为从机的DS18B20芯片发一个有时间宽度要求的初

46、始化脉冲实现的。初始化后，才可进行读写操作。 ROM操作命令：总线主机检测到DS18B20的存在便可以发出ROM操作命令之一。4.3 DS18B20测温电路及工作原理使用DS18B20的测温系统主要有如下流程，首先，单片机和主板电路初始化，DS18B20进入工作状态，准备读取温度；然后，DS18B20将读取的温度进行转化，将数据送到单片机；最后，单片机将数据送给液晶屏进行显示。使用智能温度传感器设计的电路如图8。图8 温度传感器电路（1）主程序的功能是要操作整个测温系统，首先要将温度传感器的DQ拉高，通过单片机P1口的按键控制18B20的工作状态。若开启键按下，则做好读温度的准备，接着是先读低

47、位的温度值，再读高位的温度值，然后将所读的二进制温度值转换成十进制的温度值，并将温度值送往液晶屏显示。（2）DS18B20初始化过程中有复位和存在脉冲的问题，因此需多次改变DQ的状态并延时等待。首先要将DQ拉为高电平。其次将DQ拉为低电平，控制器Tx“复位脉冲”延时480-960us。接着又将DQ拉为高电平等待60us，最后延时让DS18B20输出存在脉冲。并且延时到足够长的时间，等待脉冲输出完毕。（3）做好读温度准备子程序，单总线的所有处理均从初始化开始。初始化过程是主机通过向作为从机的DS18B20芯片发一个有时间宽度要求的初始化脉冲实现的。初始化后，才可进行读写操作。当总线主机检测到DS

48、18B20的存在，便可以发出ROM操作命令之一即可。Skip ROM就是ROM操作指令中的一个，其代码为CCH。存储器命令中的Convert T命令的作用是开启温度转换，其代码是44H，单线总线发出协议后，表示18B20处在读温度忙状态。最后是数据处理情况。（4）读温度子程序中要注意控制器读数的时间间隙。根据DS18B20的读时序图可以得知，首先应将DQ拉为高电平，一个机器周期后将其拉为低电平，然后将数据线"人为"拉高,为单片机检测DS18B20的输出电平作准备，接着开始读温度。利用读温度程序，将值从低位到高位读出，读一位则二进制数右移一位，即可读完所测温度八位数的值。读的

49、过程中要给控制器足够的采样时间。最后延时，给机器较长的反应时间。（5）写温度子程序与读温度的子程序类似，只需将读温度子程序中所读得的值一位一位写入。同样是先将DQ拉为高电平，再拉低，然户开始从低位到高位依次写入。由于两个写时序间至少需要1us的恢复期，所以位与位之间至少延时2us时间。最后稍作延时，给机器反应时间。 数据处理流程图如图9所示，程序见附录3437页。图9 数据处理流程图4.4 LCD1602液晶显示芯片4.4.1 LCD1602的结构及电路 本次设计的显示电路采用LCD1602芯片，其电路图如图10所示。设计电路非常简单。图10 LCD显示电路 LCD液晶显示屏是一种应用非常广泛

50、的点阵式 LCD。分为带背光和不带背光两种，本课题选用的是带背光的液晶显示屏，有十六只引脚，其引脚功能说明如表6。表6 LCD引脚功能说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15D8背光源正极8D1数据16D9背光源负极4.4.2 LCD1602的读写时序表液晶显示屏相对于数码管显示来说要慢，执行指令步骤比较多。在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志的状态，若为低电平，则表示不忙，否则此指令失效，不能执行。要显示字符时要

51、先输入显示字符地址，然后找到改地址执行程序，最后通过显示屏显示该字符。LCD1602液晶模块内部结构复杂，包括控制器共有11条控制指令，这些的指令可以完成液晶的读时序控制、写时序控制、工作方式式设置以及数据显示等。 LCD1602的读时序图如图11。图11 LCD1602的读时序图 LCD1602的写时序图如图12。图12 LCD1602的写时序图4.5 蜂鸣器报警电路 本设计具有温度检测报警部分，设计电路如图13。图13 报警电路 该系统能实时采集周围的温度信息进行显示，并且硬件电路设置有三个键分别为设置、增、减。通过按键可以调整报警温度的上下限，在不同的环境下所需要的报警温度可调整不同的上

52、下限温度值。该报警电路实现了对温度的实时监测，能够及时反映温度状态，在工业领域里具有广泛的应用。5 系统软件设计及仿真5.1 程序流程图以单片机为核心的系统都需要下载程序，然后执行程序以实现所需要实现的功能。以下介绍主程序、读取温度程序、计算温度程序和数据刷新程序等。 主程序的主要功能是负责执行整个程序，调用各个子程序来完成整个程序所要实现的功能。程序初始化后，调用子程序得到DS18B20的测量的当前温度值，然后进行判断1S到了就再调用执行一次子程序。实现每秒刷新一次温度数据， 通过调用温度转换程序和显示程序，得到所要测得的温度结果。其程序流程如图14所示。程序见附录第36、37页。 图14

53、主程序流程图 5.2 读取温度程序 读取温度程序首先是发DS18B20复位命令，表示温度传感器开始采集温度信息。读取温度信息后，通过检查校验，将数据保存在温度寄存器里，这样程序就完成了温度读取的工作。读取温度程序流程图如15所示，程序见附录第36页。图15 读取温度流程图5.3 计算温度与显示数据刷新程序 显示数据刷新子程序主要是对分离后的温度显示数据显示数据进行刷新操作，当标志位为1时将符号显示位移入第一位。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，程序流程图如图16、17所示。程序见附录第37、38页。 图16 计算温度流程图 图17 显示数据刷新流程5

54、.4 用Keil进行程序编译Keil 软件是一个有着极大的库函数和功能非常强大的软件编程工具。非常方便供给开发人员对源程序的编写，然后进行编译、仿真。利用keil编写程序非常方便，编写好程序之后，可以对程序进行语法错误检查，然后再进行编译，生成所需要的目标文件。最后转换成.Hex文件，.HEX可以下载到Proteus等仿真软件里的芯片中去。对电路进行仿真调试。本次课题程序编译用Keil软件，编写完程序。运用keil软件编译C语言程序，其结果如下图18所示，图18 keil编辑框图 将程序编写好后进行保存，然后进行调试，此程序编译运行后若显示“wendu.hex”-0 Error(s),0 warning(s)。说明该源程序无语法错误。可以将此程序生成的.hex下载到硬件电路主芯片中进行调试仿真。如图19。图19 编译运行结果5.5 测温系统的仿真 Proteus是非常好用的软件，从最初的原理图布图，到程序代码调试，最后把程序代码下载到单片机进行仿真， Proteus软件包括电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件等三大模块，其支持的处理器模型越来与丰富。在编译方面，PROTEUS支持多种编译器。本次课题用的是keil编译器。PROTEUS可将许多单片机实例功能模拟出来，模拟的效果非常接近实物结果，它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在一