温度监测报警系统设计报告教材

1、目 录一、设计任务与设计要求2二、设计原理22.1 主要硬件介绍22.1.1 DS18B20数字温度传感器22.1.2 AT89C51单片机芯片42.2 系统原理结构4三、设计方案53.1 硬件部分53.1.1 温度测量模块53.1.2 LED数码管显示模块53.1.3 按键模块63.1.4 系统整体结构仿真图63.2 软件部分63.2.1DS18B20传感器程序63.2.2键盘读取及确认程序83.2.3DS18B20操作流程图9四、调试与性能分析104.1 proteus仿真结果104.2实物测试104.2.1正常情况104.2.2报警状态11五、心得体会11六、成品展示12七、附录部分13

2、附件一、电路设计原理图13附件二、系统设计原始代码程序14一、 设计任务与设计要求本设计主要利用单片机AT89C51 芯片和以美国MAXIM/DALLAS半导体公司的单总线温度传感器DS18B20相结合来实现装置周围温度的采集，其中以单片机AT89C51 芯片为核心，辅以温度传感器DS18B20和LED数码管及必要的外围电路，构成一个结构简单、测温准确、具有一定控制功能的温度监视警报装系统。功能要求：添加温度报警功能，通过4个按键来设置温度的上下限值，当用DS18B20测得的温度不在所设置的温度范围内，蜂鸣器开始鸣报。二、 设计原理2.1 主要硬件介绍2.1.1 DS18B20数字温度传感器D

3、S18B20 数字温度传感器提供912 位摄氏温度的测量，拥有非易失性用户可编程最高与最低触发点告警功能。DS18B20 通过单总线实现通信，单总线通常是DS18B20 连接到中央微控制器的一条数据线（和地）。它能够感应温度的范围为-55+125，在-10+85的测量的精度是±0.5，而且DS18B20 可以直接从数据线上获取供电（寄生电源）而不需要一个额外的外部电源。DS18B20 使用DALLAS 独有的单总线（1wire）协议使得总线通信只需要一根控制线，控制线需要一个较小的上拉电阻，因为所有的期间都是通过三态或开路端口连接在总线上的（DS18B20 是这种情况）。在这种总线系

4、统中，微控制器（主器件）识别和寻址挂接在总线上具有独特64 位序列号的器件。因为每个器件拥有独特的序列号，因此挂接到总线上的器件在理论上是不受限制的，单总线（1-wire）协议包括指令的详细解释和“时隙”。这个数据表包含在单总线系统（1-WIRE BUS SYSTEM）部分。DS18B20 的另外一个特征是能够在没有外部供电的情况下工作。当总线为高的时候，电源有上拉电阻通过DQ 引脚提供，高总线信号给内部电容（Cpp）充电，这就使得总线为的时候给器件提供电源，这种从单总线上移除电源的方法跟寄生电源有关，作为一种选择，DS8B20 也可以采用引脚VDD 通过外部电源给器件供电。DS18B20 引

5、脚定义：(1) GND为电源地；(2) DQ为数字信号输入/输出端；(3)VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）图2.1.1 DS18B20 引脚排列图DS18B20温度测量图2.1.2 DS18B20 测温原理框图DS18B20 测温原理如图2.1.2所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2 的脉冲输入。计数器1 和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。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，当计数器1 的预置值减到0 时，温度寄存器的值将加

6、1，计数器1 的预置将重新被装入，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。图2.1.2 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1 的预置值。DS18B20工作时序DS18B20需要严格的单总线协议以确保数据的完整性。协议包括集中单总线信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0 和读1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。 和DS18B20间的任何通讯都需要以初始化序列开始。一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明DS18B20已经准备好发送

7、和接收数据。在初始化序列期间，总线控制器拉低总线并保持480us以发出（TX）一个复位脉冲，然后释放总线，进入接收状态（RX）。单总线由5K上拉电阻拉到高电平。当DS18B20探测到I/O引脚上的上升沿后，等待15-60us,然后发出一个由60-240us低电平信号构成的存在脉冲DS18B20的数据读写是通过时序处理位来确认信息交换的。 有两种写时序：写1时序和写0时序。总线控制器通过写1时序写逻辑1到DS18B20，写0时序写逻辑0到DS18B20。所有写时序必须最少持续60us，包括两个写周期之间至少1us的恢复时间。当总线控制器把数据线从逻辑高电平拉到低电平的时候，写时序开始。 总线控制

8、器要生产一个写时序，必须把数据线拉到低电平然后释放，在写时序开始后的15us释放总线。当总线被释放的时候，5K的上拉电阻将拉高总线。总控制器要生成一个写0时序，必须把数据线拉到低电平并持续保持（至少60us）。 总线控制器初始化写时序后，DS18B20在一个15us到60us的窗口内对I/O线采样。如果线上是高电平，就是写1。如果线上是低电平，就是写0。 总线控制器发起读时序时，DS18B20仅被用来传输数据给控制器。因此，总线控制器在发出读暂存器指令BEh或读电源模式指令B4H后必须立刻开始读时序，DS18B20可以提供请求信息。除此之外，总线控制器在发出发送温度转换指令44h或召回EEPR

9、OM指令B8h之后读时序。 所有读时序必须最少60us,包括两个读周期间至少1us的恢复时间。当总线控制器把数据线从高电平拉到低电平时，读时序开始，数据线必须至少保持1us,然后总线被释放在总线控制器发出读时序后，DS18B20 通过拉高或拉低总线上来传输1或0。当传输逻辑0结束后，总线将被释放，通过上拉电阻回到上升沿状态。从DS18B20输出的数据在读时序的下降沿出现后15us 内有效。因此，总线控制器在读时序开始后必须停止把I/O脚驱动为低电平15us,以读取I/O脚状态。2.1.2 AT89C51单片机芯片AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4

10、k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）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（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。ATC9C51的引脚排列图如图2.1.3。主要参数如下： ·与MCS-51产品指令系统完全兼容 ·4k字节可重擦写Flash闪速存储器 ·1000次擦写周期 ·全静态操作：0Hz24MHz ·三级加密程序存储器 &

11、#183;128×8字节内部RAM ·32个可编程IO口线 ·2个16位定时计数器 ·6个中断源 ·可编程串行UART通道 ·低功耗空闲和掉电模 图2.1.3 AT89C51的引脚排列2.2 系统原理结构系统主要由硬件和软件两大部分构成，当接收到系统发出的温度转换命令后， DS18B20开始进行温度转换操作并把转化后的结果放到16 位暂存寄存器中的温度寄存器内，然后与系统进行数据通信,系统将温度读出并驱动LED数码管显示当前温度。如果温度值低于设定下限值或高于设定上限值，则自动启动报警装置。由于DS18B20单总线通信功能是分时完成的

12、，它有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。该系统整体原理结构图如下：电源LED温度显示DS18B20AT89C51º蜂鸣器下限+键上限-键下限-键上限+键图2.2.4 系统结构原理图三、 设计方案3.1 硬件部分3.1.1 温度测量模块温度测量传感器采用DALLAS公司DS18B20的单总线数字化温度传感器测温范围为-55125，可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率达到0.0625，采用寄生电源工作方式，CPU只需一根口线便能与DS18B20通信，占用CPU口线少，可节省大量引线和逻辑电路，接口电路如图3.1.1所示。 图3.1.1 DS18B20温度测量模块3.1.2 LE

13、D数码管显示模块采用LED作为显示器，尽可能的把温度等信息通过LED显示出来，速率比较快，显示更直观。图3.1.4 LCD1602显示模块3.1.3 按键模块方案一：矩阵键盘如果选择此方案，那么在修改温度上下限或其他功能键就可以直接从键盘输入，方便、快捷。缺点也很明显，一是浪费按键，用全键盘来实现功能不免大材小用；二是从实用性考虑，全键盘体积大，不经济不方便。 方案二：独立式按键如果设置过多按键，将会占用较多I/O口，而且会给布线带来不便，同时浪费按键，不高效，程序繁琐。本次设计适用于按键较少的情况。为了尽量实现按键的高效性，此次设计采用四个独立式按键，分别定义为key1（上限温度加数键）、k

14、ey2（上限温度减数键）、key3（下限温度加数键）、key4（下限温度减数键）。3.1.4 系统整体结构仿真图图3.1.6 系统整体结构仿真图3.2 软件部分3.2.1DS18B20传感器程序（1）DS18B20初始化函数void rst_ds18b20(void) DQ=1;Delay_18b20(4);DQ=0; Delay_18b20(100); DQ=1; Delay_18b20(40);（2）读取DS18B20数据函数uchar read_ds18b20(void) uchar i=0; uchar dat=0; for(i=8;i>0;i-) DQ=0; dat>&g

15、t;=1; DQ=1; if(DQ) dat|=0x80; Delay_18b20(10); return(dat);（2）向DS18B20中写入数据函数void write_ds18b20(uchar wdata) uchar i=0; for(i=8;i>0;i-) DQ=0; DQ=wdata&0x01; Delay_18b20(10); DQ=1; wdata>>=1; （3）读取温度值并转换函数void read_ds18b20_temp(void) uchar a,b; rst_ds18b20(); write_ds18b20(0xcc); / 跳过读序号

16、列号的操作 write_ds18b20(0x44); / 启动温度转换 rst_ds18b20(); write_ds18b20(0xcc); write_ds18b20(0xbe); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） a=read_ds18b20(); b=read_ds18b20(); tvalue=b; tvalue<<=8; tvalue=tvalue|a; tvalue=tvalue*(0.625);（4）温度显示函数void Display_ds18b20() dispbuf7=Tbottom/100;dispbuf6=Tbottom%100/10;dispbuf

17、5=16;dispbuf4=tvalue/100; dispbuf3=tvalue%100/10;dispbuf2=16;dispbuf1=Ttop/100;dispbuf0=Ttop%100/10;3.2.2键盘读取及确认程序（1）键盘消抖函数void keyscan() uchar temp=0; /临时变量if(keytemp!=0xff) temp=keytemp; if(temp=0) keyup=1; /按键已经放开 keyback=0; /清除按键备份值keyval=0;else if(temp=keyback&&keyup=1) /两次的检测的值一样且按键已经放

18、开 keyval=temp; /存放按键值keyup=0;else /按键已经执行且还没放开keyback=temp; /把新的键值放入备份单元 （2）设置key1、key2为上限调节键，设置key3、key4为下限调节键void Key_job() keyscan();switch(keyval) case 0x7f: if(flag=1)Ttop+=10;flag=0;break;case 0xb7: if(flag=1)Ttop-=10;flag=0;break;case 0xcf: if(flag=1)Tbottom+=10;flag=0;break;case 0xdf: if(fla

19、g=1)Tbottom-=10;flag=0;break;default:flag=1;break;3.2.3DS18B20操作流程图开始初始化DS18B20读DS18B20序列号检测DS18B20存在？NY发送跳过ROM指令温度转换初始化DS18B20发送DS18B20编码读取温度数据图3.2.1 DS18B20操作流程图四、 调试与性能分析4.1 proteus仿真结果图4.1.1 系统proteus仿真结果如图所示，点击开始运行仿真时， LED数码管上从左到右分别显示设置温度下限为10度，中间显示DS18B02温度传感器采集温度为15度，右侧显示设置温度上限为20度。其中上限与下限值可通

20、过按键更改。 4.2实物测试4.2.1正常情况图4.2.1 温度正常时显示情况如图所示，此时温度报警下限为5度，上限为17度，而DS18B02温度传感器采集温度为13度，处于设定温度上下限之间，蜂鸣器未报警，系统工作正常。4.2.2报警状态图4.2.2温度高于上限时显示情况如图所示，此时温度报警下限为5度，上限为11度，而DS18B02温度传感器采集温度为13度，高于设定的上限温度，蜂鸣器报警，系统工作正常。五、 心得体会在老师的指导和同学的帮助下，经过不懈的努力，终于成功完成了此次设计任务，基本实现设计要求，读出并显示DS18B20采集的温度，能够在温度超过限定温度是通过蜂鸣器报警，并且可以

21、实现通过按键设置温度上下限。但是系统还存在许多可以改进的地方、还有许多可以扩展的功能比如用LCD液晶显示器更精确清除的显示温度和警报信息等。通过这次独立的系统设计经验，我加深了对单片机理论的理解，学会如何将理论应用到实践，我还明白了在设计前，要有一个清晰的思路和一套高效的设计实施方案，在设计过程中要严格按照既定大的方案执行，才不会在过程中出现混乱，比如设计的程序功能与硬件设备不符等情况。最后，我认识到不管做什么设计，都要有坚实的理论知识作基础，其次要提高我们自己的创新思维及动手能力，希望以后通过更努力的学习和锻炼让自己获得更大的能力提升。六、 成品展示七、 附录部分附件一、电路设计原理图设计电

22、路原理图附件二、系统设计原始代码程序/* DS18B20监测警报 作者：XXX 班级：XXXXXXXXXXX功能如下：实现基本测温功能通过四个按键，可设置高低限温度，不在所设定温度范围内，将蜂鸣器和屏幕显示报警*/#include <reg52.h> #include <intrins.h> #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit LEDCLK=P34; sbit LEDDIN=P23; sbit Key_Input=P10; sbit DQ=P32; sbit sound=P12;uchar

23、 code ledtable=0x03,0x9F,0x25,0x0D,0x99,0x49,0x41,0x1F, 0x01,0x09,0x11,0xC1,0x63,0x85,0x61,0x71,0xfd; uchar dispbuf8; uchar keytemp=0; /定义且给扫描键值赋初始值0 uchar keyval=0; /定义且给键值赋初始值0uchar keyback; /定义一个备份键值bit keyup; /定义一个按键值uint Ttop=150;uint Tbottom=50;uint tvalue;uchar flag;void Delayms(uint i) /延时函数

24、uint j;for(;i>0;i-)for(j=123;j>0;j-);void Delay_18b20(uint i) while(i-);void Read_Key()keytemp<<=1;if(Key_Input)keytemp+;void keyscan()if(keytemp=0xff)keyup=1;keyback=0;keyval=0;flag=1;else if(keytemp=keyback&&keyup=1) keyval=keytemp; keyup=0; keyback=0;else keyback=keytemp; void

25、 Key_job() /读取键值keyscan();switch(keyval) case 0x7f: if(flag=1)Ttop+=10;flag=0;break;case 0xb7: if(flag=1)Ttop-=10;flag=0;break;case 0xcf: if(flag=1)Tbottom+=10;flag=0;break;case 0xdf: if(flag=1)Tbottom-=10;flag=0;break;default:flag=1;break;void rst_ds18b20(void) /DS18B20初始及设置函数 DQ=1;Delay_18b20(4);D

26、Q=0; Delay_18b20(100); DQ=1; Delay_18b20(40);uchar read_ds18b20(void) uchar i=0; uchar dat=0; for(i=8;i>0;i-) DQ=0; dat>>=1; DQ=1; if(DQ) dat|=0x80; Delay_18b20(10); return(dat);void write_ds18b20(uchar wdata) /向DS18B20中写入数据 uchar i=0; for(i=8;i>0;i-) DQ=0; DQ=wdata&0x01; Delay_18b20(10); DQ=1; wdata>>=1; void read_ds18b20_temp(void) /读取温度值 uchar a,b; rst_ds18b20(); write_ds18b20(0xcc); write_ds18b20(0x44); rst_ds