毕业设计（论文）-智能温度控制系统设计.doc

学号_20090605050120 密级_ _ 兰州城市学院本科毕业论文兰州城市学院本科毕业论文 智能温度控制系统设计智能温度控制系统设计 学 院 名 称：兰州城市学院 专 业 名 称：机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 教授 二一二年五月 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 I 郑郑 重重 声声 明明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中 已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于 培养单位。 本人签名： 日期： 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 II 摘 要 随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度 采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水 平。本设计以保质、节能、安全和方便为基准设计了一套温室控制系统，能实 现温度的自动调节及其控制。整个系统核心为单片机AT89C51。该温度系统采用 温度传感器DS18B20来获得当前温度，并以数字信号的方式传送给单片机。采集 的温度与从4X4矩阵键盘输入的温度值进行比较，并通过LED显示器显示出来。 如果采集温度低于设置温度，系统将通过继电器模块自动控制升温；如果采集 温度高于设置温度，系统将通过继电器模块自动控制降温。 关键词：单片机 AT89C51；温度传感器 DS18B20；LED 显示器；键盘 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 III ABSTRACTABSTRACT with the rapid development and wide application of computer measurement and control technology, research and application of temperature acquisition and control system based on MCU by raising the temperature to control the level of production and life in the very great degree. This design with quality, energy saving, safety and convenience for reference to design a set of greenhouse control system, automatic control can realize temperature and its control. The system's core is the single chip microcomputer AT89C51. The temperature system uses temperature sensor DS18B20 to get the current temperature, and digital signals transmitted to the microcontroller. The collection of temperature are compared with those from the 4X4 matrix keyboard input temperature value, and through the LED display. If the acquisition of temperature below the set temperature, the system will automatically control the heating by the relay module; if the acquisition of temperature is higher than the set temperature, the system will automatically control cooling through the relay module. KeywordsKeywords: microcontroller AT89C51; temperature sensor DS18B20; LED display; keyboard. 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 IV 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 选题背景与意义.1 1.2 设计任务及要求.1 1.2.1 设计任务.1 1.2.2 设计要求.1 1.3 智能温度控制系统的发展趋势.2 第二章第二章 选题简介及系统设计方案选题简介及系统设计方案3 2.1 选题简介.3 2.2 系统设计方案.3 第三章第三章 硬件的选择及设计硬件的选择及设计5 3.1 器材选用分析.5 3.1.1 单片机的选择.5 3.1.2 温度传感器的选择.9 3.1.3 显示器的选择.16 3.1.4 键盘的选择.17 3.1.5 存储设备.17 3.2 硬件的设计.18 3.2.1 数据采集模块.18 3.2.2 主控模块.20 3.2.3 温度控制模块.20 3.2.4 人机接口.21 3.2.5 测量方法.21 第四章第四章 软件的设计软件的设计23 4.1 软件的设计的主流程.23 4.2 温度采集子程序.24 4.3 温度显示子程序.25 4.4 温度比较子程序.25 结结 论论27 致致 谢谢28 参考文献参考文献29 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 V 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统设计1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 选题背景与意义选题背景与意义 为满足日益增长的蔬菜市场需求， 提高人民的生活水平， 现代农业生 产中大量采用温室进行蔬菜等农作物培育。其中温度监测是控制作物生长的 关键因素， 由于不同温室中的农作物生长所需要的温度不同且要求稳定在一 定的温度范围内。仅仅是依靠人工管理存在温度调节不及时、不准确， 影响 作物生长及人力资源浪费等问题。因此要求有一种能对温室温度的检测具有 足够精度和实时控制的温度控制系统来代替人工操作， 并尽可能具有较低成 本， 这样的产品才有实用价值。 本文所设计的的温室智能温度控制系统采用基于 DS18B20 具有多点温度监 测控制、能对异常情况进行记录并可调用历史数据进行分析的优点， 能满足作 为温室温度监测控制系统要求。并且采用的一总线温度传感器 DS18B20 可以直 接输出数字量， 不需要 A/D 转换， 与微处理器容易接口， 能够有效的解决 硬件电路复杂， 软件调试复杂的问题。本文还包括自动升温系统和自动降温系 统。 1.21.2 设计任务及要求设计任务及要求 1.2.11.2.1 设计任务设计任务 现代社会生活中，多功能的数字温度计可以给我们的生活带来很大的方便； 支持“一线总线”接口的温度传感器简化了数字温度计的设计，降低了成本； 以美国MAXIM/DALLAS半导体公司的单总线温度传感器DS18B20为核心，以国产的 STC12C5A60S2为控制器设计的DS18B20温度控制器结构简单、测温准确、具有一 定控制功能的智能温度控制器。 此次设计，就是用单片机实现温度控制，传统的温度检测大多以热敏电阻 为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专 门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。本次采用DS18B20数字温 度传感器来实现基于单片机AT89C51的数字温度计的设计。 1.2.21.2.2 设计要求设计要求 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计2 设计一种温度测控装置，可以实现对温度的测量，并能根据设定值对环境 温度进行调节，实现控温的目的。 1.31.3 智能温度控制系统的发展趋势智能温度控制系统的发展趋势 单片机具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，今年来还开发了一些以单 片机母片（如8051），在片中嵌入更多的专用型单片机，因此单片机在计算机 控制领域中应用越来越广泛。 单片机的应用意义不仅带来的巨大经济效益。更重要的意义还在于单片机 的应用正从根本上改变着传统的抗争系统设计思想和设计方法。从前必须由模 拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件的方法实现。 这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。微控制 技术标志着一种全新概念的出现，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机 应用的推广和普及，微控制技术必将不断发展，日益完善。 温度是工业控制对象中主要的被控参数之一,特别是在冶金,化工, 建材,食 品加工,机械制造等各类工业中广泛使用加热炉,热处理炉,反应炉等。这些技术 高精度高的自动控制可以使用计算机来完成。但由于在工业生产中，生产的对 象往往是复杂多变的，都用计算机控制可能增加生产成本，因此为了能够满足 人们的生产需要，在很多生产控制中就运用到了单片机控制下面就是运用单片 机控制元件生成的推舟设计系统。 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计3 第二章第二章 选题简介及系统设计方案选题简介及系统设计方案 2.12.1 选题简介选题简介 一般农作物的白天温度在 32 度，夜间最低也要 12 度（特殊天气时短时更 低的温度也可）。关于高温的上限有的可短时达 55 度高温，温室大棚的温度范 围分为：种植作物期间和没有种植作物的期间温度的上下限，一般来说种植作 物时大棚内的温度应该控制在最低平均温度为 12 度以上（这样不破坏根系的生 长），作物生长点处的极限平均最高应在 34 度以下（不损害生长点为宜）。如 果没有作物低温随环境温度，最高温度最好不要超过 50 度，如果超过 50 度覆 盖的薄膜会老化很快的，基于以上原因，设计有以下几点 主要任务：将温度控制在设定的温度值，设定范围为12-50度，针对在生产 和日常生活中温度智能化控制系统的实现。 技术指标： （1）以AT89C51系列单片机为核心部件 （2）以数字电路和模拟电路为硬件基础 （3）以C语言为软件实现语言 功能概述：在该环境温度控制系统中，单片机作为核心部件进行检测控制， 增强了设计的通用性，适时性。在该环境温度控制系统中温度检测采用DS18B20 温度传感器，它不仅具有较高的精度，而且适用电压宽。同时采用了4X2矩阵扫 描键盘输入，显示设备等外围扩展芯片。温度控制分为升温和降温控制，升温 控制和降温控制分别采用继电器来控制外部的升温和降温设备。软件部分采用 流程图来表示。 2.22.2 系统设计方案系统设计方案 由于此温度控制系统是针对温室大棚而设计的，所以其大体框架图如图 2.1 所示： 提及到温度的检测，我们首先会考虑传统的测温元件有热电偶和热电阻， 而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的 外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试也复杂，制作成本高。 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计4 因此，本数字温度计设计采用智能温度传感器 DS18B20 作为检测元件，测 温 温室 1温室 2温室 3温室 n 总控制室 图图 2.12.1 温控总框图温控总框图 范围为-55至+125，最大分辨率可达 0.0625。DS18B20 可以直接读出被测 量的温度值，而采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成 本和易使用的特点。 按照系统设计功能的要求，确定系统由三个模块组成：主控制器 AT89C51，温度传感器 DS18B20，驱动显示电路，外围控制电路。总体电路框图 如图 2.2 所 示： 图图 2.22.2 系统总体框图系统总体框图 主控制器 AT89C51 驱动显示电路及 温度控制电路 DS18B20 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计5 第三章第三章 硬件的选择及设计硬件的选择及设计 3.13.1 器材选用分析器材选用分析 3.1.13.1.1 单片机的选择单片机的选择 AT89C51是一种与MCS51单片机相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片， 采用40引脚DIP封装，片内带有4KB的快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM）。 是当前较先进的一种电擦除8位单片机，它与MCS-51指令系统完全兼容，片内 FPEROM允许对程序存储器在线重新编程。也可用常规的EPROM编程器编程。具有 超强的加密功能。ATMEL公司生产的这种89C51微控制器，将具有多种功能的8位 CPU与FPEROM结合在同一芯片上，可完全替代87C51和8751/8752，为很多嵌入式 控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎。此外,AT89C51还 增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲 模式下,CPU停止工作,但RAM,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作.在掉电 模式下,只保存RAM的内容,振荡器停振,关闭芯片的所有其它功能,直到下一次硬 件复位为止。其空闲和掉电两种工作方式以及静态逻辑运作等情况,与MCSC51相 同。故我们选AT89C51作为我系统的核心。 图图 3.13.1 AT89C51AT89C51 引脚图引脚图 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计6 （1）AT89C51主要特性如下： 与MCS-51产品兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环；数 据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内 部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通 道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；可编程全双工串行； 4KB的在线可重复编程快闪存储器，写/檫可达1000次以上。 （2）AT89C51内部结构说明 AT89C51的FLASH存储器有4KB，RAM只有128字节，加密位有三位，加密位为 LB1，LB2。AT89C51是一带有2KB字节的闪速可编程可擦除的只读存储器 （PEOM），低电压，高性能的8位CMOS微型计算机，有如下特性；和MCS51系 列产品完全兼容，2KB的FLASH的程序存储器，可擦写1000次，2.76电压范围， 静态工作方式，可外接024MHZ的晶体振荡器，；两级程序存储器，；128字节 SRAM；32根可编程I/O引线；三个16位定时/计数器，六个中断源，可编程UART 串行口，直接LED驱动输出，片内模拟比较器，低功耗空闲方式和掉电工作方式。 AT89C51是ATMEL微控器家族中廉价的成员，它含有2KB字节的快闪存储器和 MCS51结构兼容并可用MCS51指令集进行编程，89C51程序存储器大小的物理 范围为000H-7FFH，且89C2051中已保留了标准中断服务的子程序的地址， AT89C51包含128字节内部数据存储器，这样8951中堆栈的深度局限于内部RAM的 128字节范围内，它既不支持外部数据存储器的访问，也不支持外部程序存储器 的访问的执行，因此，程序中不应该包含MOV指令。 （3） 端口介绍: ALE端口：地址锁存使能在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节在 正常情况下ALE 输出信号恒定为1/6 振荡频率并可用作外部时钟或定时注意每 次访问外部数据时一个ALE 脉冲将被忽略ALE 可以通过置位SFR 的auxlilary.0 禁止置位后ALE 只能在执行MOVX 指令时被激活。 PSEN端口：程序存储使能当执行外部程序存储器代码时PSEN 每个机器周期 被激活两次在访问外部数据存储器时PSEN无效访问内部程序存储器时PSEN 无效。 EA/Vpp：外部寻址使能/编程电压在访问整个外部程序存储器时EA 必须外 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计7 部置低如果EA 为高时将执行内部程序除非程序计数器包含大于片内FLASH 的地 址该引脚在对FLASH 编程时接5V/12V 编程电压(Vpp) 如果保密位1 已编程EA 在复位时由内部锁存。RST为复位输入端，振荡器工作时，该引脚上两个周期的 高电平复位AT89C2051。 XTAL1：振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 P0 口： P0 口是开漏双向口可以写为1 使其状态为悬浮，用作高阻输入P0 也可以在访问外部程序存储器时作地，址的低字节在访问外部数据存储器时作 数据总线此时，通过内部强上拉输出1。 P1 口 ：P1 口是带内部上拉的双向I/O 口向P1 口写入1，时P1 口被内部 上拉为高电平可用作输入口当作为，输入脚时被外部拉低的P1 口会因为内部上 拉而输出电，流(见DC 电气特性) P1 口第2 功能，T2(P1.0) 定时/计数器2 的 外部计数输入/时钟输出(见可编程输出)，T2EX(P1.1) 定时/计数器2 重装载/ 捕捉/方向控制。 P2 口： P2 口是带内部上拉的双向I/O 口向P2 口写入1，时P2 口被内部 上拉为高电平可用作输入口当作为，输入脚时被外部拉低的P2 口会因为内部上 拉而输出电，流(见DC 电气特性) 在访问外部程序存储器和外部数据，时分别 作为地址高位字节和16 位地址(MOVX DPTR)，此时通过内部强上拉传送1当使 用8 位寻址方式(MOVRi)访问外部数据存储器时,P2 口发送P2 特殊功能寄存器 的内容。 P3口：P3 口是带内部上拉的双向I/O 口向P3 口写入1时P3 口被内部上拉 为高电平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的P3 口会因为内部上拉而输 出电流(见DC 电气特性) P3 口还具有以下特殊功能。 表表 3-13-1 P3P3 口特殊功能口特殊功能 P3 口第二功能 P3.0 RXD(串行口输入) P3.1 TXD(串行口输出) P3.2INTO(外部中断 0) P3.3 INT1(外部中断 1) 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计8 P3.4 T0(外部定时输入 0) P3.5 T1(外部定时输入 1) （4） 8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。此 外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单 片机内部RAM的数据不丢失。 （5）AT89C51特殊功能寄存器 表10-14中给出了AT89C2051中的所有特殊功能寄存器SFR，它们分布在地址 范围为80H-F8H中，工19个，比AT89C2051少了P0和P2两个专用寄存器，因为它 没有这两个相应的端口。 图图 3.23.2 复位电路设计复位电路设计 P0 口： P0 口是开漏双向口可以写为1 使其状态为悬浮，用作高阻输入P0 也可以在访问外部程序存储器时作地，址的低字节在访问外部数据存储器时作 数据总线此时，通过内部强上拉输出1。 AT89C51中的所有特殊功能寄存器与MCS-51系列的单片机相同，特殊功能寄 存器也称专用寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行 I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作，用户在编程时可以置数 设定，却不能自由移动它用。在51系列单片机中，将各专用寄存器与片内RAM统 一编址，且作为直接寻址字节，可直接寻址。51系列有18个专用寄存器，其中3 个为双字节寄存器，共占21个字节。 （6）对8951指令系统的说明 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计9 89C51指令系统与MC-51指令系统标准在某些地方有所不同。AT89C51只包含 128B的片内RAM数据存储器，这样，栈地址空间就相应为128B有效范围。 AT89C51有片外存储器接口，它支持外部RAM器件和外部编程器件，分支指令。 3.1.23.1.2 温度传感器的选择温度传感器的选择 本设计的测温系统采用芯片DS18B20，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。 （1）DS18B20的特点 DS18B20采用外接电源方式工作，一线测温一线与STC89C51连接，测出的数 据放在寄存器中，将数据经过BCD码转换后送到LED显示。 DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温 度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且 可根据实际要求通过简单的编程实现位的数字值读数方式。DS18B20的 性能特点如下： 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 无须外部器件； 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5； 零待机功耗； 温度以或位数字； 用户可定义报警设置； 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，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,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图所示。64位光 刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器 件地址序列号不同。 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计10 图图 3.33.3 DS18B20DS18B20 的内部结构的内部结构 图图 3.43.4 DS18B20DS18B20 的引脚分布图的引脚分布图 64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号， 共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线 进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。 C 64 位 ROM 和 单 线 接 口 高 速 缓 存 存储器与控制逻 辑 温度传感器 高温触发器 TH 低温触发器 TL 配置寄存器 8 位 CRC 发生器Vdd 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计11 DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性 的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器，结构如图2-3-2所 示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的， 每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值 的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数 值。该字节各位的定义如下图所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设 置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要 去改动，R1和0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。 TM R1 1R01111 . . 图图 3.53.5 DS18B20DS18B20 的字节定义的字节定义 DS18B20高速暂存器共9个存存单元，如表所示： 表表 3-23-2 DS18B20DS18B20 的引脚分布图的引脚分布图 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，存储在18B20的两个高低两个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。 表表 3-33-3 DS18B20DS18B20 的字节存放表的字节存放表 序号 寄存器名称 作 用 序号 寄存器名称 0 温度低字节 4、5 保留字节 1、2 1 温度高字节 以 16 位补码形式存放 6 计数器余值 2 TH/用户字节 1 存放温度上限 7 计数器/ 3 HL/用户字节 2 存放温度下限 8 CRC 高 8 位SSSSS262524 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计12 由下图可以看到，Dsl8820的内部存储器是由8个单元组成，其中第0、1个 存放测量温度值，第2、3分别存放报警温度的上下限值，第4单元为配置单元， 5、6、7单元在DSl8820这里没有被用到。对于第4个寄存器，用户可以设置温度 转换精度，系统默认12bit转换精度，相当于十进制的00625，其转换时间 大约为750磷。 图图 3.63.6 内部存储器结构图内部存储器结构图 表表 3-43-4 温度精度配置温度精度配置 由表3-4可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要 低 8 位 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 R1R0转换精度（16 进制）转换精度（十进制）转换时间 009bit0.593.75ms 0110bit0.25187.5ms 1011bit0.125375ms 1112bit0.0625750ms 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计13 的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考 虑。 高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前 面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。 当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就 以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单 片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式 以0.0625LSB形式表示。 当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为 十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码， 再计算十进制数值。下表是一部分温度值对应的二进制温度数据。 表表 3-53-5 温度精度配置温度精度配置 DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作 比较。若TTH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报 警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。 在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前 56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数 据是否正确。 DS18B20的测温原理是这这样的,器件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。 器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生 温度/二进制表示十六进制表示 +1250000 0111 1101 000007D0H +850000 0101 0101 00000550H +25.06250000 0001 1001 00000191H +10.1250000 0000 1010 000100A2H +0.50000 0000 0000 00100008H 00000 0000 0000 10000000H -0.51111 1111 1111 0000FFF8H -10.1251111 1111 0101 1110FF5EH -25.06251111 1110 0110 1111FE6FH -551111 1100 1001 0000FC90H 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计14 的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡 器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器 1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。 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计数，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数，如此循 环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数 值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未 关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。 另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因 此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使 化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。 由于DS18B20采用的“一线总线”结构，所以数据的传输与命令的通讯只要 通过微处理器的一根双向Io口就可以实现。DSl8B20约定在每次通信前必须对 其复位，具体的复位时序如图2-4-2所示。 图图 3.73.7 复位时序图复位时序图 图3.7中所示，tRSTL为主机发出的低电平信号，本文中有AT89S52提供， tRSTL的最小时延为，然后释放总线，检查DSl8B20的返回信号，看其是 480us 否已准备接受其他操作，其中tPDHIGH时间最小为，最长不能超过， 15us60us 否则认为DS18B20没有准备好，主机应继续复位，直到检测到返回信号变为低电 平为止。 （2） DS18B20 的使用方法 由于 DS18B20 采用的是 1Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据 的双向传输，而对 AT89S51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此， 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计15 我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访 问。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严 格的时序要求。DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完 整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时 序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传 输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写 命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 对于 DS18B20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放 单总线，以让 DS18B20 把数据传输到单总线上。DS18B20 在完成一个读时序过 程，至少需要 60us 才能完成。 DS18B20 的写时序，对于 DS18B20 的写时序仍然分为写 0 时序和写 1 时序 两个过程，对于 DS18B20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时， 单总线要被拉低至少 60us，保证 DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地 采样 IO 总线上的“0”电平，当要写 1 时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之 内就得释放单线。 （3）DS18B20 使用中注意事项 DS18B20 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等 优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： （1）每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。复位要求 主 CPU将数据线下拉 500 us，然后释放， DS18B20 收到信号后等待16 60 us 左右，后发出60240 us 的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。 （所有的读写时序至少需要 60us ，且每个独立的时序之间至少需要 1us 的恢 复时间。在写时序时，主机将在下拉低总线 15us 之内释放总线，并向单总线 器件写 1 ；若主机拉低总线后能保持至少 60us 的低电平，则向单总线器件写 0 。单总线仅在主机发出读写时序时才向主机传送数据，所以，当主机向单总 线器件发出读数据指令后，必须马上产生读时序，以便单总线器件能传输数据。 ） 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计16 （2）在写数据时，写 0 时单总线至少被拉低 60us， 写 1 时，15us 内 就得释放总线。 （3）转化后得到的12 位数据，存储在 18B20 的两个8 比特的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 即可得到实际温度。 （4）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS1820 与微处 理器间采用串行数据传送，因此，在对 DS1820 进行读写编程时，必须严格的 保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M 、 C 等高级语言进行 系统程序设计时，对 DS1820 操作部分最好采用汇编语言实现。 （5）在 DS1820 的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820 数量问题， 容易使人误认为可以挂任意多个 DS1820 ，在实际应用中并非如此。当单总线 上所挂 DS1820 超过8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在 进行多点测温系统设计时要加以注意。 （6）连接DS1820 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号 电缆传输长度超过 50m 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双 绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m ，当采用每米绞合次数更多的双 绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电 容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 DS1820 进行长距离测温系统设计 时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。测温电缆线建议采用屏蔽 4 芯双 绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接 VCC 和地线，屏蔽层在源端单点 接地。 （7）在 DS1820 测温程序设计中，向 DS1820 发出温度转换命令后，程序 总要等待DS1820 的返回信号，一旦某个DS1820 接触不好断线，当程序读该 DS1820 时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 DS1820 硬件连 接和软件设计时也要给予重视。 3.1.33.1.3 显示器的选择显示器的选择 题目要求能够显示所测得的温度值实现实时监控。并且可以根据需要，既 要能够显示炉温的温度还要能够显示设定值温度。同时为了节约成本我们采用 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计17 三支 LED 数码显示管，并且要使显示器呈动态显示状态。 LED 显示器简介： LED 显示器是由发光二极管组，其结构如图所示，其中 7 个发光二极管按 “8”行排列，用于显示数字，字母等符号，一个发光二级管圆点形状，右下角 用于显示小数点，LED 显示器共阴极和共阳极两种类型。 当发光二极管导通时，相应的一段笔画成小数点亮，对共阴极显示器，将 共阴极 COM 接地，在 a_q 段加驱动信号，当驱动信