毕业设计论文基于单片机的温度监测系统设计

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1、题 目：基于单片机的温度监测系统设计学 院：信息电子技术学院年 级：09级专 业：电气工程及其自动化姓 名：学 号：指导教师：摘 要温度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一，随着传感器在生产和生活中的更加广泛的应用，利用新型单总线式数字温度传感器实现对温度的测试与控制得到更快的开发。本系统是采用51系列单片机实现温度自动检测与报警，检测的温度范围在0至+99之间，利用键盘设定上限温度和下限温度，先用温度传感器采集周围环境中的温度值，再将采样值和设定值进行比较，如果超出设定范围就进行报警并自动控制：高于设定的最高温度就控制降温，低于设定的最低温度就控制加温，由此对周围环境的温度进行有效

2、检测与报警。本设计基本上满足了温度检测与报警的要求，利用LED清晰的显示了当前温度，具有调量小，操作简单等优点。该系统稳定且成本低，具有广阔的应用的前景。关键字 AT89C52单片机；LED显示器；DS18B20温度传感器AbstractTemperature measurement and control of industrial production process is typical of the application, as sensors in production and life, the more widely used by single bus digital tem

3、perature sensor for temperature testing and control the development get faster .This design uses 51 series monolithic integrated circuits to realize temperature automatic detection and alert, the temperature range from 0 to +99 degree Celsius .The concrete design thought is: First uses the keyboard

4、hypothesis temperature value, and then uses the temperature sensor gathering the temperature value from the environment. And compare the sampling value with the definite value, and then the corresponding control equipment carries on works to achieve the control of the environment temperature. This d

5、esign basically has satisfied the temperature control request, its prompted by a simple LED display, although there is overshoot slightly, the sampling value and the definite value is basically consistent, the operation is very simple. This system allows people to work with life each place, and powe

6、rfully impelled various professions technological transformations and the product renewal, so the application prospect is broad.Keywords AT89C52 monolithic integrated circuits；LED display；DS18B20 temperature sensor目 录摘 要iAbstractii第 1 章绪 论11.1课题的目的和意义11.2单片机基本原理及发展现状11.3DS18B20温度传感器的发展现状41.4DS18B20温

7、度传感器的主要特性51.5DS18B20温度传感器的测温原理51.6DS18B20温度传感器的工作方式6第 2 章系统方案设计82.1设计方案82.1.1方案一82.1.2方案二82.2方案论证9第 3 章系统方框图的硬件设计113.1系统方框图113.2系统的器件选型113.2.1单片机的选型123.2.2传感器的选型12第 4 章系统硬件电路图的设计144.1温度采集电路的硬件设计144.2LED显示电路的硬件设计184.3键盘电路的硬件设计204.4报警和控制电路的硬件设计214.5看门狗的硬件设计224.6系统时钟的设计234.7电源电路的硬件设计244.8数据存储器的掉电保护254.

8、9整个系统的电路设计26第 5 章硬件的抗干扰设计275.1干扰来源及分析275.2硬件抗干扰措施275.3印刷电路板的抗干扰设计285.4系统的强制复位29第 6 章系统的软件设计306.1软件设计概述306.2命令获取序列号306.3多点温度测量316.4系统报警31结 论33致 谢34参考文献35附录A36附录B37附录C38第 1 章 绪 论1.1 课题的目的和意义随着现代科技和工业的发展，温度控制广泛应用于人们的生产和生活中。各种工厂生产车间、园艺温室、农作物温室和各种仓库都要求对温度进行有效的控制。但是某些温室加热设备的操作主要是由人工来完成的。人们使用温度计来测量温度，通过人工操

9、作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，操作人员的劳动强度大，而且无法达到对温度的有效控制。基于上述状况，本次设计设计了一种基于AT89C52单片机和数字温度传感器的温度检测报警系统。温度检测报警系统主要由硬件电路和软件程序两部分组成。本文将详尽的叙述硬件电路设计和相应的软件设计。本次设计采用采样值和键盘设定值进行比较运算的方法来简单精确地控制温度。它的整体思想是先通过键盘输入设定温度的范围，保存在单片机中指定单元，再利用温度传感器DS18B20进行信号的采集，送入单片机中，保存在采样值单元。然后把采样值与设定值进行比较运算，得出控制量，从而调节继电器触发端的通断，来实

10、现将温度控制在一定的范围内1。 温度检测报警系统由硬件和软件两个部分组成。其系统硬件部分主要由七段数码显示模块、温度采集模块、键盘模块等几个模块组成。软件设计的主要内容包括：各模块的软件编程、系统调试及主要技术性能的测试。1.2 单片机基本原理及发展现状AT89C52是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 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，功能强大的AT89LV52单片机可为您提供许多高

11、性能低价位的系统控制应用场合。AT89C52有40（或44）个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个可编程全双工串行通信口，8个中断源，2个读写口线，3级程序加密锁。低功耗空闲和掉电模式。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。引脚图如图1-1所示：图1-1AT89C52型号单片机引脚AT89C52 特点：1.与MCS-51产品指令和引脚完全兼容2 8K字节可重擦写FLASH闪存3.1000次擦写周期4.全静态操作：0Hz24MHz5.三级加密程序存储器6.256X8字

12、节内部RAM7.32个可编程I/O口线8.3个16位定时/计数器9.8个中断源10. 可编程串行UART通道 11. 低功耗空闲和掉电模式 引脚功能特性 ：P1.0 T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）P2口P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行M

13、OVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能：端口引脚第二功能：P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INT0(外中断0)

14、P3.3 INT1(外中断1) P3.4 T0(定时/计数器0) P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。 RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ALE/PROG当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLAS

15、H存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保

16、持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。 FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。1.3 DS18B20温度传感器的发展现状DS18B20是美国Dallas半导体公司利用单总线协议生产的一款数字温度传感器。单总线技术是美国Dallas半导体公司近年来推出的新技术。它将地址线、数据线、控制线合为1根信号线，每个DS18B20都有自己唯一的序列号，允许在这根信号线上挂接多个单总线器件。其测温范围为-55 +125，在-1

17、0+85时精度为0.5，测量的温度值可以由用户选择设定用912位表示，DS18B20的转换分辨率均可由用户设定。温度转换所需转换时间较短，最大转换时间为750ms，可以设定温度超标报警的上、下限值，在温度超限时发送报警信号。本设计中由于需要远距离不同位置设置温度传感器，故采用外部电源供电方式，实现3点温度检测。主机采用具有ISP下载功能的AT89S52单片机，自带8K的ROM程序存储器，外设还有LED显示电路，键盘输入接口，温度超限报警电路以及与上位机通信的串口电路。DS18B20 数字温度计提供9 位(二进制) 温度读数,指示器件的温度信息经过单线接口送入DS18B20 或从DS18B20

18、送出,因此从主机CPU 到DS18B20 仅需一条线(和地线) 。DS18B20 的电源可以由数据线本身提供,而不需要外部电源。因为每一个DS18B20 在出厂时已经给定了唯一的序号,因此任意多个DS18B20 可以存放在同一条单线总线上,这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DS18B20 的测量范围从- 55 + 125 ,增量值为0. 5 ,可在1 s (典型值) 内把温度变换成数字。1.4 DS18B20温度传感器的主要特性DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内,三只管脚分别为数字信号输入/输出端、电源端和外接供电电源输入端(

19、在寄生电源接线方式时接地) ；工作电压范围为3. 05. 5V,在寄生电源方式下可由数据线供电;DS18B20具有独特的单线接口方式,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DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温；温范围- 55125,在- 1085时精度为0. 5；可编程的分辨率为912位,对应的可分辨温度分别为0. 5、0. 25、0. 125和0. 0625,可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在93. 75ms内把温度转换为数字, 12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快；测量结果直

20、接输出数字温度信号,以“一线通信”串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力； DS18B20具有负压特性,当电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。DS18B20内部结构主要由四部分组成: 64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的电路很简单,由一片DS18B20和一只4. 7k 的上拉电阻构成。DS18B20内集成了一个温度传感器、64位ROM、9字节RAM、3字节EERAM (掉电可保存) ,可将温度信号转换为数字信号直接输出。DS18B20与外部的接口为单总线方式,即数据的输入、输出及同步均由同一根

21、线完成。其温度测量范围为- 55125,在- 1080范围内精度为0. 5,输出的温度值可编程为912位。VD接电源, 3V5V; GND为地;DQ为数据的输入输出。DQ作为输出时为漏极开路,必须加4. 7k的上拉电阻。1.5 DS18B20温度传感器的测温原理DS18B20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1,计数器1

22、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1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。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。1.6 DS18B20温度传感器的工作方式DS18B20传感器进行的功能操作是在发送命令的基础上完成的,上电后传感器处于空闲状态,需要控制器发送命令才能完成温度转换。对传感器的功能操作的次序是首先完成对芯片内部的ROM操作,有5条操作ROM的指令可用于器件识别,它们分别是: ReadRO

23、M ( 33H ) 、Match ROM ( 55H ) 、Skip ROM ( CCH ) 、Search ROM ( F0H) 、Alarm Search ( ECH) 。Read ROM:用于读出64位ROM数据,适用于仅有1个DS18B20的场合。Match ROM:查找与给定64位ROM数据相匹配的DS18B20。Skip ROM:适用于仅有1 个DS18B20的场合,无需给出64位码就能快速选定器件。Search ROM:适用于多个DS18B20 的场合,该指令可识别出每个器件的ID号。Alarm Search:用于温度报警查询。9字节RAM中,字节1、2 用来存放当前测量的温度值

24、, 1为低8位, 2为高8位;字节3、4用来存放预设报警温度的上下限值, 3为上限, 4为下限；字节5用于配置寄存器,确定温度数据的位数,相关位为D5、D6,字节5的其余位均为无关位；字节6、7、8均为保留字节,一般不用； 字节9 存放前8 个字节循环冗余校验码(CRC码) 。3字节的EERAM分别对应于RAM区的字节3、4、5,用于备份系统设置。对RAM的操作指令有6条,分别为:Write (4EH) 、Read ( BEH ) 、Copy ( 48H ) 、Convert ( 44H ) 、Recall(B8H) 、Read Power (B4H) 。W rite:写RAM存储器,随后的3

25、个字节分别写入RAM字节3、4、5,该指令必须在复位操作前完成。Read:读出RAM中所有9个字节的数据,该指令可随时被复位操作所终止。Copy:将RAM区的3、4、5字节备份至EERAM。Recall:将EERAM中的数据装入RAM。Convert:温度转换开始指令。Read Power:读电源指令,此处不作介绍。对DS18B20的每一次操作均由4个步骤组成:(1)初始化(复位操作) ；( 2 )对ROM 操作指令(识别器件) ；( 3)对RAM 操作指令(读、写、转换) ；(4)收发数据,时序图如图2所示。初始化过程如下:主控器将信号线拉低,持续时间T1 (480s t1 960s) ；主

26、控器等待时间T2 (15s t2 60s) ；主控器检测信号线,若为低,进行下一步,否则重新初始化；主控器在240s内等待信号线变高,如变高表示初始化完成,否则重新初始化；主控器延时至少480s,确保应答正确;在收发数据过程中,每一位的读写时间应至少持续60s,以确保读写正确。第 2 章 系统方案设计2.1 设计方案2.1.1 方案一采用普通电阻式温度传感器，放大器，A/D转换器作为测量温度的电路。采用两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围

27、内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在540微伏之间。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很 好的延展性

28、，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。2.1.2 方案二采用数字可编程温度传感器作为温度检测元件。数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上，减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积。美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。“一线总线”独特而且经济的特点，使用户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。现在，新一代的DS18B20体积更小、更

29、经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。 同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。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，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。它还有很多特性：适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，寄生电源方式下可由数据线供；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即

30、可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温范围55125，在-10+85时精度为0.5；可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强

31、的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作2。2.2 方案论证方案一硬件电路复杂，需要设计A/D转换电路，以及与其相关的编程，总体设计起来较困难，软件、硬件调试复杂，硬件成本较高。而且器传感器有以下缺点：它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响。所以总体来说，方案一在硬件、软件上的成本都比较高，而且易受外部环境的影响，系统工作不稳定。方案二由于采用的是具有一总线特点的温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大的通信协议，同过几个简单的操作就可以实现传感器与单片机的交互，包括复位传感器、对传感器读数据写数据、对传

32、感器写命令。软件、硬件易于调试，制作成本较低。也使得系统所测结果精度大大提高。经过对这两种方案的比较，本设计决定采用方案二第 3 章 系统方框图的硬件设计3.1 系统方框图本设计是将AT89C52单片机和其它外围电路组合形成单片机控制系统应用于温度检测和报警。本单片机控制系统是一个完整的智能化的集数据采集、显示、处理、控制于一体的系统。由传感器、LED显示单片机及执行机构控制部分等组成。系统硬件原理图如图3-1所示。51单片机LED显示电路看门狗电路温度报警电路温度传感器电路键盘输入电路温度控制电路图3-1 系统硬件原理结构图本系统的硬件电路由AT89C52单片机、温度传感器、LED显示电路、

33、报警电路和看门狗电路等几部分组成。温度传感器主要完成数据的采集，AT89C52单片机是系统的核心部分，主要完成系统参数和控制参数的设定，显示部分显示当前的温度值，方便操作人员的操作。报警电路主要是在当前的温度值不在设定的范围内时产生报警。看门狗电路保证程序跑飞或死机时，对系统进行重新置位或者复位，以使系统恢复正常的工作状态3。本系统的整个电路图均使用Protel 99 SE绘图软件完成。3.2 系统的器件选型3.2.1 单片机的选型因为结合要解决的实际问题，具体选择时还应该考虑以下原则：为降低成本和简化系统，单片机应该有内部程序存储器和数据存储器，以免扩展造成系统复杂化，占据过多的I/0口，并

34、且也增加了系统的不稳定性因素；程序中使用了外部中断和时间中断T0，所选单片机应该有两个以上中断源本系统程序算法简单，所选单片机应支持使用MCS-51系列通用汇编语言开发，以利于软硬件的结合，及时检查修改各种软硬件不协调。MCS-51系列单片机具有集成度高、系统结构简单、系统扩展方便、可靠性高、处理功能强、速度高、容易产品化等特点。鉴于以上对单片机的要求和从节约扩展外围电路成本的角度考虑，本系统采用了AT89C52单片机作为核心部件，AT89C52是Intel公司在MCS-51系列三种基本型产品基础上，又推出的增强型系列产品，即52子系列。AT89C52内部RAM增加到256字节，内部程序存储器

35、扩展到8KB，与8051相比，不用扩展程序存储器，减少硬件线路连接4。3.2.2 传感器的选型温度传感器的作用是将室内温度的变化量转换成电信号，再经放大器放大，模数转换器转换，送进微机与设定值比较，以便发出控制信号。温度传感器按传感器的结构可以分为：传统的分立式温度传感器热电偶传感器、模拟集成温度传感器、光纤传感器、智能温度传感器、数字温度传感器等。模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、

36、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。而在高温领域,光纤测温技术越来越显示出强大的生命力。智能温度传感器(亦称数字温度传感器）它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器和接口电路。数字温度传感器因更适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统中，具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。对比以上几种温度传感器，集成数字温度传感器具

37、有外接电路简单，输出稳定，功耗小，成本低的优点，并且作为电子电路的一个模块对电路的影响也比较小，因此本设计选用美国DALLAS公司的集成数字温度传感器DS18B20。第 4 章 系统硬件电路图的设计4.1 温度采集电路的硬件设计本次设计所采用的温度传感器为Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在E

38、EPROM中，掉电后依然保存5。DS18B20与AT89C52单片机接口电路的设计DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数,指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线，DS18B20与AT89C52单片机的接口电路如图4-1所示。图4-1 传感器与AT89C52单片机的连接DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DS18B20采用3脚或8脚封装，如图4-

39、2所示。其中，VCC和GND是电源和接地引脚，DQ是数据线引脚。图4-2DS18B20的管脚图DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。表4-1DS18B20的温度存储方式bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0LS ByteMS Byte23Bit15S22Bit14S21Bit13S20Bit12S2-1Bit11S2-2Bit10262-3Bit9252-4Bit824这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制

40、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。例如90的数字输出为05A0，60的数字输出为03C0H，50的数字输出为0320H，20的数字输出为0140H。DS18B20采用一线通信接口。因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先提供以下功能命令之一： 1 ）读ROM， 2 ）ROM匹配， 3 ）搜索ROM， 4 ）跳过ROM， 5 ）报警检查。这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号，可以在挂

41、在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有多少，什么样的设备。若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。测量结果将被放置在DS18B20内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM 的数据。如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。通过缓存器读寄存器。所有的数据都读，写都是从最低位开始。DS18B20

42、有4个主要的数据部件： 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：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻

43、ROM，温度传感器，温度报警触发器TH和TL,配置寄存器。DS18B20的存储器包括高速暂存器RAM和可电擦除RAM，可电擦除RAM又包括温度触发器TH和TL，以及一个配置寄存器。存储器能完整的确定一线端口的通讯，数字开始用写寄存器的命令写进寄存器，接着也可以用读寄存器的命令来确认这些数字。当确认以后就可以用复制寄存器的命令来将这些数字转移到可电擦除RAM中。当修改过寄存器中的数时，这个过程能确保数字的完整性。高速暂存器RAM是由8个字节的存储器组成；第一和第二个字节是温度的显示位。第三和第四个字节是复制TH和TL，同时第三和第四个字节的数字可以更新；第五个字节是复制配置寄存器，同时第五个字节

44、的数字可以更新；六、七、八三个字节是计算机自身使用。用读寄存器的命令能读出第九个字节，这个字节是对前面的八个字节进行校验。64位光刻ROM的前8位是DS18B20的自身代码，接下来的48位为连续的数字代码，最后的8位是对前56位的CRC校验。64-位的光刻ROM又包括5个ROM的功能命令：读ROM，匹配ROM，跳跃ROM，查找ROM和报警查找。DS18B20可以使用外部电源VDD，也可以使用内部的寄生电源。当VDD端口接3.0V5.5V的电压时是使用外部电源；当VDD端口接地时使用了内部的寄生电源。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。 配置寄存器是配置不同的位数来

45、确定温度和数字的转化。可以知道R1，R0是温度的决定位，由R1，R0的不同组合可以配置为9位，10位，11位，12位的温度显示。这样就可以知道不同的温度转化位所对应的转化时间，四种配置的分辨率分别为0.5，0.25，0.125和0.0625，出厂时以配置为12位。DS18B20在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，所以把后11位的2进制转化为10进制后在乘以0.0625便为所测的温度，还需要判断正负。前5个数字为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。16位数字摆放是从低位到高位。DS18B20有六条控制命令温度转换 44H 启动DS18B20进行

46、温度转换 读暂存器 BEH 读暂存器9个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的TH、TL字节 复制暂存器 48H 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中 重新ERAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 读电源供电方式 B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU 。DS18B20的初始化（1） 先将数据线置高电平“1”。（2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）（3） 数据线拉到低电平“0”。（4） 延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。（5） 数据线拉到高电平“1”。（6） 延时等待（如果初始化成功则

47、在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。（7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。（8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。DS18B20的写操作（1） 数据线先置低电平“0”。（2） 延时确定的时间为15微秒。（3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。（4） 延时时间为45微秒。（5） 将数据线拉到高电平。（6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节

48、全部发送完为止。（7） 最后将数据线拉高。DS18B20的读操作（1）将数据线拉高“1”。（2）延时2微秒。（3）将数据线拉低“0”。（4）延时15微秒。（5）将数据线拉高“1”。（6）延时15微秒。（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。（8）延时30微秒。4.2 LED显示电路的硬件设计LED数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字。可以显示：时间、日期、温度等可以用数字代替的参数。图4-3二位七段数码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）；

49、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。数码管的驱动方式数码管要正常显示，就要用驱动

50、电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类： 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有

51、数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够

52、快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低6。恒流驱动与非恒流驱动对数码管的影响1、显示效果：由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大， 并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流 的大小以实现色差平衡温度补偿。2、安全性：即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止 由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。在本次设计中采用了二位七段数码管

53、，用动态显示驱动来显示温度的值，如图4-4所示图4-4 LED显示与单片机的连接4.3 键盘电路的硬件设计在各种数字控制系统中，大多数都用键盘和LED作为人机交互界面。一般地，键盘分为编码和非编码两种。编码方式的键盘要使用专门的硬件来识别按键，系统比较复杂且占用较多的硬件资源。实际应用中编码方式的键盘使用得越来越少，相应地大多数系统都采用非编码键盘，并用软件的方式对键盘进行扫描处理7。键盘的结构有两种形式：线性键盘和矩阵键盘。线性键盘是由若干独立的按键组成，每个按键将其一端直接与微控制器的某输入端口的一位相连，另一端接地，即可完成硬件连接。适用于按键少的应用场合。矩阵式键盘适用于按键数量较多的

54、场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。在本设计中只有三个按键，按键数目较少，所以采用线性键盘的设计。与AT89C52单片机的P2.2P2.4口相连接。各按键开关均采用了上拉电阻，保证在按键断开时，各I/O口线有确定的高电平。本系统共设有三个按键：第一个键是确定键，第二个是温度步进加键（步进值为1摄氏度），第三个键为温度步减键（步进值为1摄氏度），如图4-5所示。图4-5 键盘与单片机的连接4.4 报警和控制电路的硬件设计控制电路采用现代工业中流行的固态继电器，实现小信号控制大功率输出，弱电信号控制强电器件的功效8。本次设计预留了两个继电器，分别用来接加温设备和通风降温设备。如果室

55、内的温度低于设定的温度范围内时，此时白色指示灯亮起并接通加温设备。如果室内的温度高于设定的最高温度时，红色指示灯亮起，并断开加温设备同时接通通风降温设备进行降温9。报警电路与控制电路如图4-6所示。图4-6 报警和控制电路与单片机的连接4.5 看门狗的硬件设计在单片机的工作现场，存在着各种各样的干扰源。这些干扰源很可能引起程序跑飞，造成死机或程序的非正常运行，如不及时复位，容易造成损失。为了保证单片机稳定而可靠的运行，需要电压监控电路，避免掉电时能及时把重要数据保护起来。看门狗就是在程序跑飞或死机时，对系统进行重新置位或者复位，以使系统恢复正常运行的一种专用电路。现在常用的看门狗主要有两种:软

56、件狗和硬件狗。软件狗实际上就是通常所说的软件陷阱，是纯软件的处理方法。硬件狗现在更多地被采用。所谓硬件狗，就是一个能够发出“复位”信号的计数器或定时器电路10。本次设计使用的复位芯片为IMP813L微处理器专用监控器,构成的看门狗电路如图4-7所示。图4-7 看门狗电路与单片机的连接4.6 系统时钟的设计时钟电路是用来产生AT89C52单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C52本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89C52在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。通常时钟有两种形式：内部时钟和外部时钟。我们系统采用内部时钟

57、方式来为系统提供时钟信号。AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器11。电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。晶振频率为在1.2MHZ12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHZ。本次系统的时钟电路设计如图4-8所示。图4-8 键盘与单片机的连接4.7 电源电路的硬件设计电源电路的设计是系统硬件设计的重要组成部分，其设计直接影

58、响系统的精度和可靠性。电源电路的设计通常需达到以下要求：电源电路的高输出质量，即输出纹波小、稳压效果好；电源电路的高效率和微功耗，直接关系到系统内电池的使用时间；可靠性要求，电源电路具有较低的电磁辐射，不影响系统其他部分的正常工作；微型化，不能占用过多的电路板空间12。本次设计采用了稳压芯片1117作为电源的稳压片提供系统+5V的电源电压。电源电路的设计如图4-9所示。图4-9 电源电路的设计4.8 数据存储器的掉电保护由于电网中的电压不稳定，突然掉电事故难免发生。发生掉电时必须保存好现场数据，待电压恢复正常，系统便能从掉电处继续执行程序，有利于提高系统的稳定性。单片机系统内的RAM数据是非常

59、容易丢失的，特别是一些珍贵的科研数据，一旦丢失后果不堪设想，因此掉电保护是必须要做的，一旦电源发生掉电现象，在掉电的瞬间系统能自动保护RAM中的数据和系统的运行状态，当电源恢复正常供电后能恢复到掉电前的工作状态。进行掉电保护有二种方法：一是进行实时保护，即通过检测掉电的电路，在电源电压跌倒一定数值之前，把要保护的数据先行转移到适当的地方保护起来，待重新加电后，再恢复数据；二是永久保护，即直接把要保护的RAM区加上备用电源或者整个系统用可靠的不间断电源UPS供电13。4.9 整个系统的电路设计由各个子电路组成的系统就完成了本次论文设计的功能：利用采样值和键盘设定值进行比较运算的方法来简单精确地控

60、制温度。先通过键盘输入设定温度的范围，保存在单片机中指定单元，再利用温度传感器DS18B20进行信号的采集，送入单片机中，保存在采样值单元。然后把采样值与设定值进行比较运算，得出控制量，从而调节继电器触发端的通断，来实现将温度控制在一定的范围内。根据以上各个系统的分步设计结果，组成整个系统的设计电路图，见附录、。第 5 章 硬件的抗干扰设计随着单片机在各个领域中的应用越来越广泛，对其可靠性要求也越来越高。单片机系统的可靠性由多种因素决定，其中系统抗干扰性能是可靠性的重要指标。工业环境有强烈的电磁干扰，因此必须采取抗干扰措施，否则难以稳定、可靠运行。5.1 干扰来源及分析单片机在一定的环境条件下

61、工作，就会有自然因素或人为因素产生的电磁信号等，这些信号通过一定的途径进入单片机系统或测量控制通道，产生了系统正常工作所不需要的信号，影响了单片机的正常工作。同时，单片机控制系统内部也会产生影响正常工作的信号，我们把这些影响正常工作的信号称为噪声，又称为干扰。在单片机控制系统中，出现了干扰，就会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵在测量控制通道中产生了干扰，会使测量产生误差，计数器受到干扰，就会乱记数，造成记数不准，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏。在工业环境中的干扰一般是以脉冲形式进入系统，渠道主要有三条：1.空间干扰(场干扰)，电磁信号通过空间辐射进入系统。2.过程通道干扰，干扰

62、通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相互通道进入。3.供电系统干扰，电磁信号通过供电线路进入系统。一般情况下空间干扰在强度上远小于其它两种，故微机系统中应重点防止过程通道与供电系统的干扰。抗干扰措施有硬件措施和软件措施。硬件措施如果得当，可将绝大部分干扰拒之门外，但仍然会有少数干扰进入微机系统，故软件措施作为第二道防线必不可少。由于软件抗干扰措施是以CPU为代价的，如果没有硬件消除绝大多数干扰，CPU将疲于奔命，无暇顾及正常工作，严重影响系统的工作效率和实时性。因此，一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合构成的14。5.2 硬件抗干扰措施光电隔离：在输入和输出通道上采用光电隔离器来进行信息传输是很有好处的，它将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，很大一部分干扰将被阻挡。过压保护电路：在输入输出通道上应采用一过压保护电路，以防引入高电压，伤害微机系统。过压保护电路由限流电阻和稳压管组