温度监控装置的设计

1、本次课程设计做的是简易温度监控装置，本文主要是对温度 传感器DS18B20与单片机AT89S52接口电路的设计及软件设 计的介绍。DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它 的体积更小、适用电压更宽、更经济，DS18B20是世界上第一片支持线总线”接口的温度传感器，一线总线独特而且经济的 特点，使我们可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念，它的测量温度范围为55+125 C,在10+85 c范围内，精度为±0.5 C,现场温度直接以 一线总线”的数字 方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。此温度监控装置可广泛应用于实际生活中

2、，例如大棚蔬菜种 植时的温度监控，植物培养皿的温度监控等，为日常的生产生活提供了便利条件。但由于此装置的报警以及冷风机驱动电路都是 由发光二极管模拟完成的，因此此装置只是一个模拟实现功能的 装置，还有许多不足之处。i目录前言一、方案选择 3二、DS18B20 功能介绍 42、1DS18B20特性、引脚分布及内部结构 42、2DS18B20的测温原理62、3 DS18B20的存储器及测得温度值 82、4DS18B20的单总线技术特性和工作时序 10三、硬件电路设计 133、1温度传感器 133、2AT89S52 单片机 133、3显示电路 14四、软件设计 144、1 DS18B20的初始化流程

3、图 154、2读DS18B20与写DS18B20的程序流程图 164、 3 程序代码 17五、总结 22六.元器件清单 22七温度监控装置原理图 23八 . 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验报告24一、方案选择方案一：采用热电偶温差电路测温，通过A/D 转换，再采用 51 单片机进行控制，最后送数码管显示，利用发光二极管模拟报警与降温电路。温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，热电偶产生的热电偶由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有A/D 通道的单片机，在将随被

4、测温度变化的电流或电压采集过来，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。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小，容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且设计中还需要用到A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。方案二：采用采用AT89S52 单片机和DS18B20 温度传感器通信，控制温度的采集过程和进行数据通信；编写C51程序， 完成单片机对温度数据的采集过程以及与DS18B20 数据传输过程的控制，用数码管输出显示温度，利用发光二极管模拟报警与降温电路。采用数字温度芯片DS18B20 测量温度，输出

5、信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线性较好。在0 100 时，最大线性偏差小于1 .DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由DS18B20 与 AT89S51 构成的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号，采用51 单片机编程控制，可以在控制与报警上更大的自由度。硬件电路也相对较热电偶测温电路简单，省去了A/D 转换这一部分。二、 DS18B20 功能介绍2.1 DS18B20 特性、引脚分布及内部结构DS18B20 是一

6、种数字式的温度传感器，在其内部使用了在板( On-Board )专利技术。使其具有以下特性：单线接口，只需一根口线与 CPU 连接。不需要外部元件，不需要备份电源，可用数据支持多点组网功能，多个DS18B20 可以并联在唯一的三线上。温度测量范围从-50C+ 125c.通过编程可实现1/21/16的4级精度转换。在 93.75ms 和 750ms 内将温度转换9位和12位的数字量。用户可以自设定非易失性的报警上下限值。报警搜索命令可以识别那片 DS18B20温度超限。芯片本身带有命令集和存储器。DS18B20转换精度912位进制数，可编程确定转换的位数； 测温分辨率为9位精度为0.5 C, 1

7、2位精度为0.062 5 C;转换时间： 9位精度为93.75 ms、10位精度为187.5 ms、12位精度为750 ms ; 内部有温度上、下限告警设置。DS18B20采用TO-92封装模式，具 引脚功能描述见图1。序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入输出引脚，开漏单总线接口引脚3VDD可选择的VDD弓1脚。工作于寄生电源时，必须接地（图1, DS18B20引脚详细功能介绍）DS18B20的内部结构DS18B20的内部结构如图2所示，他主要包括温度传感器、64 位激光ROM单线单口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户 设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校

8、验码 发生器等。(图2, DS18B20内部结构)温度传感器ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以被看做是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不同。64 位ROM的排序是：前8位是产品家族码，接着48位是DS18B20 的序列号，最后8位是前面56位循环冗余校验码 (CRC=X8+X5+X4+1 ) .ROM的作用是使每一个 DS18B20者B各不相同，这样就可以实现在一根总线上挂接多个DS18B20的目的。2.2 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图3所示，图中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

9、数 器1,高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信 号作为减法计数器2的脉冲输入，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系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 C所对应的基数分别置入减法计数器 1和温度 寄存器中，减法器计数器1和温度寄存器被预置在-55 C所对应的一 个基数。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技术， 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

10、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图中 的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，这就是 DS18B20的测温原理（图3, DS18B20的测温原理图）2.3DS18B20的存储器及测得温度值DS18B20内部存储器包括：9个连续字节的高速暂存 RAM;存 放高温和低温触发器TH,TL;结构寄存器的非易失性电擦除 RAM, 其中，RAM由温度的低位字节，温度的高位字节，TH使用字节，TL使用字节，结构寄存器使用字节，保

11、留字节，CRC校验字节组成。温度的低位字节和温度高位字节数据格式为：温度低位字节（LSB）D3D2D1D0C3C2C1C0温度高位字节（MSB）SSSSSD2D1D0当 S=0 时，T >=0T=64D6+32D5+16D4+8D3+4D2+2D1+D0+1/2C3+1/4C2+1/8C1 + 1/16C0当S=1时，T<0,值为补码。例如：+125 C的数字输出为07D0H,+25.0625 C的数字输出 为 0191H , -25.0625 C 25.0625 C 的数字输出为 FF6FH,-55 C 的数字 输出为FC90H 。结构寄存器内容用于确定温度值的数字转换分辨率。结

12、构寄存器的数据的数据格式和该字节各位的定义如下:TMR1R011111TM是测试模式位，用于设置 DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动；低5位一直都是1 , R1和R0用来设置分辨率，如下表所列：R1R0分辨率/位最大转换时间/ms00993.750110187.510113751112750高低温报警触发器 TH和TL,配置寄存器均由一个字节的 EEPROM组成。使用一个存储器功能命令可对TH,TL或结构寄存器 写入。高速暂存器是一个9字节的存储器一一开始两字节包含被测 温度的数字量信息；第3, 4, 5字节分别是TH,TL,配置存储器

13、的 临时副本，每一次上电复位时被刷新；第 6, 7, 8字节未用，表现 为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用 来保证通信正确。2.4 DS18B20 的单总线技术特性和工作时序（ 1 ）总线技术特性单总线即只有1 根数据线，系统的数据交换、控制都由这根线完成。 主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线。所有的单总线器件都要遵循严格的通信协议，以保证数据的完整性，基本的通信过程如下：主机通过拉低单总线至少。480 w s产生Tx复位脉冲；然后由主机释放总线，并进入Rx 接收模式。主机释放总线时，会产生一由

14、低电平跳变为高电平的上升沿；单总线器件检测到该上升沿后，延时1560ws;单总线器件通过拉低总线 60240 Q产生应 答脉冲；主机接收到从机的应答脉冲后，说明有单总线器件在线，然后主机就可以开始对从机进行ROM 命令和功能命令操作。（ 2）工作时序DS18B20的一线工作协议流程是：初始化-ROM操作指令一存 储器操作指令一数据传输。其工作时序包括初始化时序，写时序和时 序，如图数值输出的单线温度传感器直接以传感器直接以串行方式输出测得的温度数值，并且用该线获取机的命令，其时序非常重要，它 包括复位，写时间片和读时间片。初始化：主机将写数据线拉低 480960us 后释放，DS18B20 等

15、待 1560us 后，即可输出一低电平持续60240us ，主机收到应答后即可对其进行其他操作，如图（4、a）所示。写时间片：当主机将数据线从高拉低时，形成写时间片，有写0和写1两种。时间片开始时 DS18B20在1560us期间进行采 样。每个时间片必须有最小1us的恢复期（拉高），如图（4、b）所 示。读时间片：当主机从DS18B20读数据时，产生读时间片。当主机将数据线从高位到低时，读时间片被初始化，并且此后的15us 之内，DS18B20将有效数据输出至口线，主机必须在此时刻范围内 进行采样。每个读时间片最小周期为 60us,且必须有最小1us的恢DS18B20 采样MIN TYP M

16、AX15us4M15us 30us15usVDS18B20 采样MIN TYP MAX（4、b,写时序）总线采样>1us 115us（4、c,读时序）DS18B20的功能命令如下表所列功能描述代码启动温度转换44H读取温度寄存器（共可读 9个寄存器）BEH读DS18B20的序列号33H将数据写入暂存器的第，3字节中4EH匹配ROM55H搜索ROMF0H报警搜索ECH跳过读序列号的操作CCH读电源供电方式，0为寄生电源，1为外部电源B4H三、硬件电路设计如见附录图所示，本次毕业设计采用DS18B20 做温度传感器，其采用外接电源方式，VDD 端即 3 脚用 4.5V 电源供电，DQ 端即

17、2脚接单片机P3.7 脚，为温度数据输入端。单片机AT89S52 的 P0 口接 1K 上拉电阻驱动四位一体共阴LED 数码管，其中P0.0P0.7 做段选，接数码管的ah 引脚； P2.6P2.3 做位选，接数码管S4S1引脚。 P2.1 脚接模拟冷风驱动的发光二极管，P2.0 脚接模拟报警的发光二极管。3.1 温度传感器DS18B20 是新型的智能型温度传感器，在其内部可自行完成A/D 转换等程序。它具有独特的一线接口特性，只需要一条口线通信，无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0 V 至 5.5 V无需备用电源测量温度范围为-55 ° C 至 +125 ，范围内精度为

18、垃5 Co具体用法如上 DS18B20的介绍。3.2 AT89S52 单片机AT89S52 单片机是在一块超大规模集成电路芯片上，集成了包括有CPU、RAM、ROM、定时器和多种I/O接口电路，是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器， 256 字节RAM ， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6 向量 2 级中断结构，全双 工串行口，片内晶振及时钟电路。部分引脚介绍：XTAL1: 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。VCC - 芯片电源，接 +5V；

19、 VSS - 接地端； RST: 复位输入。晶振工作时，RST 脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1 、 P2、 P3 口，共 32 个引脚。 P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。3.3 显示电路本次毕业设计的显示电路采用的是四位一体数码管。首先数码管有共阴极和共阳极之分，区别他们的方法是若公共端接地，其他端接电源，若各段测试能亮，说明是共阴的，反之共阳的；若公共端接电源， 其他端分别接的，测得各端亮，则说明是共阳的，反之为共阴的。本次设计使用的是共阴数码管。4 位一体数码管，其内部段已连接好，引脚如图所示（正

20、面朝自己，小数点在下方）。 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、dP 为段引脚，1、 2、 3、 4 分别表示四个数码管的位（如下图所示）。1 a f 23 b。e d dp c g 4本次设计P0 口连接的是数码管的段，P2.6P2.3 连接的是数码管的位。四、软件设计4.1 DS18B20的初始化流程图274.2读DS18B20与写DS18B20的程序流程图（读DS18B20流程图）（写DS18B20流程图）4.3 源程序代码#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit D

21、Q=P3A7;/ds18b20 与单片机连接口sbit P21=P2A1;/p21 口接发光二极管实现模拟驱动降温sbit P20=P2A0;/p20 口接发光二极管实现模拟报警sbit P23=P2A3;sbit P24=P2A4;sbit P25=P2A5;sbit P26=P2A6;charuchar data disdata4=0x00,0x00,0x00,0x00;unsigned shuma10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uint tvalue;温度值 uchar tflag;温度正负标志 /*ds1820

22、程序 */void delay_18B20(unsigned int i)/O寸 1 微秒while(i-); void delay(int x) unsigned int c,d;for(c=0;c<x;c+)for(d=0;d<10;d+);/yimiaovoid ds1820rst()/*ds1820复位*/ unsigned char x=0;DQ = 1;/DQ 复位delay_18B20(4); /延时DQ = 0;/DQ 拉低delay_18B20(100); /精确延时大于480usDQ = 1;/拉高delay_18B20(40);uchar ds1820rd()

23、/* 读数据 */ unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i>0;i-) DQ = 0; /给脉冲信号dat>>=1;DQ = 1; /给脉冲信号if(DQ)dat|=0x80;delay_18B20(10);return(dat);void ds1820wr(uchar wdata)/师数据*/unsigned char i=0;for (i=8; i>0; i-) DQ = 0;DQ = wdata&0x01;delay_18B20(10);DQ = 1;wdata>>=1;read_t

24、emp()/*读取温度值并转换*/uchar a,b;ds1820rst();ds1820wr(0xcc);*跳过读序歹U号 */ds1820wr(0x44);/*启动温度转换 */ds1820rst();ds1820wr(0xcc);*跳过读序歹U号 */ds1820wr(0xbe);/*读取温度 */a=ds1820rd();b=ds1820rd();tvalue=b;tvalue<<=8;tvalue=tvalue|a;if(tvalue<0x0fff)tflag=0;elsetvalue=tvalue+1;tflag=1;tvalue=tvalue*(0.625);温

25、度值扩大10倍，精确到1位小数 return(tvalue);void display()P23=0;P0=shumadisdata3;delay(50);P23=1;P24=0;P0=shumadisdata2+0x80;delay(50);P24=1;P25=0;P0=shumadisdata1;delay(50);P25=1;P26=0;P0=shumadisdata0;delay(50);P26=1; /*/void ds1820disp()温度值显示 int temperature;disdata0=tvalue/1000;/M 位数disdata1=tvalue%1000/100;

26、十位数disdata2=tvalue%100/10;/个位数disdata3=tvalue%10;/小数位 display();temperature=disdata0*100+disdata1*10+disdata2;if(temperature>20) P21=1;/20 为驱动冷风机降温上限值else P21=0;if(temperature>40) P20=1; /40 为报警温度值else P20=0;/*主程序 */void main() /初始化显示P21=0;P20=0;tvalue=0;while(1)read_temp();/读取温度ds1820disp();/

27、显示五、总结单片机在现实生活中已经越来越普遍，更多的东西也越来越偏向于智能化。本次毕业设计所做的实物是利用单片机完成温度监控装置的一个模拟，主要是报警与冷风机的驱动电路的模拟。此装置的优点主要体现在其结构简单，直接用单片机控制其输出与报警控制，易于实现，灵活性较大，可根据需要更改报警控制温度值。在本次毕业设计中也遇到了很多问题， 例如：DS18B20的用法，四位一体数码管的用法等，通过在图书馆，利用网络查阅资料以及老师的指导，帮助我解决了这些问题，也使我更加的了解一个电子实物从定方案到设计再到制作实物以及最后实现功能的整个过程。相信这会是我的一次宝贵经验，并且一定会在我以后的工作中起到极大的作用。六、元器件清单元器件规格数量（个 ）电阻R11、 R1210K2电阻R9、 R10102排阻R1R81K1电容C2、 C322pf2电解电容C122uf1晶振 Y112M1开关发光二极管D1 、 D2RED2单片机AT89S521温度传感器DS18B201四位共阴数码管1导线若干七.温度监控装置原理图八.直流激励时霍尔式传感器位移特性实验1. 实验目的：了解霍尔式传感器原理与