1、毕 业 论 文（设计）题 目： 基于单片机的温度报警器的设计 专 业： 电子信息科学与技术 1目录摘要 .1Abstract.11 引言 .11.1 课题背景 .11.2 研究内容和意义 .22 芯片介绍 .32.1 DS18B20 概述 .32.1.1 DS18B20 封装形式及引脚功能 .32.1.2 DS18B20 内部结构 .42.1.3 DS18B20 供电方式 .62.1.4 DS18B20 的测温原理 .72.1.5 DS18B20 的 ROM 命令 .82.2 AT89C51 概述 .92.2.1 单片机 AT89C51 介绍 .92.2.2 功能特性概述 .102.2.3 空
2、间节电模式： .132.3 74LS245 概述 .143 系统硬件设计 .163.1 温度控制系统的整体设计 .163.2 温度控制系统的基本组成 .163.2.1 系统电路图 .173.3 温度报警器器的整体设计 .173.4 温度报警器的基本组成 .183.4.1 晶振电路 .183.4.2 复位电路 .183.4.3 温度报警电路 .193.5 控制说明 .194 系统 软件设计 .204.1 系统主程序流程图 .204.2 温度采集模块 .214.2 温度显示 .225 系统调试与结果 .236 总结 .27致谢 .28参考文献 .29附录 A 温度报警器部分程序 .301摘要： 在
3、工业生产过程中，人们需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。因为单片机具有低功耗、高性能、可靠性好、易于产品化等特点，因此采用单片机对温度进行控制不仅控制方便、简单和灵活，而且可以提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。本论文设计了一种基于单片机的温度报警器。控制器采用单片机 AT89C51，数字式检测部分采用 DS18B20 数字温度传感器，LED 数码管作为显示器，综合运用了微机原理、自动控制原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识。设计过程中，首先进行硬件的设计，其次进行软件设计，最后仿真和综合调试，最终使得此系统实现了温度的采集
4、、显示和报警设计。关键词：MCS-51 单片机；温度传感器；温度报警1Abstract：In industrial production process, people need to detect and control all kinds of heating furnace, heat treatment furnace, reactors and boiler temperature. MCU has the advantages of the low power consumption, good reliability, easy to product and so on ,thu
5、s MCU control of temperature is not only convenient, simple and agile, but also can improve the technical indexes accused of temperature, which can greatly improve the quality of the products. This paper designs an temperature alarm based on single-chip microcomputer controller adopts single-chip AT
6、89C51, digital testing part USES digital temperature sensor DS18B20, monitor uses LED digital. The design Comprehensively use as a microcomputer principle, automatic control theory, analog electronic technology, digital control technology, and the keyboard display technology of many aspects. In the
7、process of design, hardware was the first and then the software, the simulation and integrated debugging was the last, at the end of the design ,temperature of the acquisition, display and alarm design were finished.Key words：MCS-51 ； Temperature Sensor；Temperature Alarm11 引言1.1 课题背景温度是工业对象中主要的被控参数之
8、一，如冶金、机械、食品、化工各类工业生产中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的温度处理要求严格控制。随着科学技术的发展，要求温度测量的范围向深度和广度发展，以满足工业生产和科学技术的要求。基于 AT89C51 单片机提高了系统的可移植性、扩展性，利于现代测控、自动化、电气技术等专业实训要求。以单片机为核心设计的温度报警器，具有安全可靠、操作简单方便、智能控制等优点。温度对于工业生产如此重要，由此推进了温度传感器的发展。温度传感器主要经过了三个发展阶段 1：（1）模拟集成温度传感器。该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。此种传感器具有功能单一(
9、仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等特点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135 等；（2）模拟集成温度控制器。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有 LM56、AD22105 和 MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如 TC652/653)中还包含了 A/D 转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别；（3）智能温度传感器 (
10、亦称数字温度传感器)。智能温度传感器是在 20 世纪 90 年代中期问世的，其内部都包含温度传感器、A/D 转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。2现代信息技术的三大基础是信息采集 2（即传感器技术） 、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术） 。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科
11、学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。数字温度传感器可以直接将被检测的温度信息以数字化形式输出，与传统的模拟式温度传感器相比，具有测量精度高、功耗低、稳定性好、外围接口电路简单特点。而单片机微处理器越来越丰富的外围功能模块，更加方便了数字式温度传感器输出信号的处理。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D 转化器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央处理器（CPU） 、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM） 。并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。进入 21 世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功
12、能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片机测温系统等的方向发展。数字化温度传感器可以直接将温度量以数字脉冲信号形式输出，具有测量精度高、抗干扰能力强、传输距离远、外围接口电路简单等诸多优点。同时数字温度传感器还可直接与微处理器进行接口，大大方便了传感器输出信号的处理.数字单总线温度传感器是目前最新的测温器件，它集温度测量，A/D 转换于一体，具有单总线结构，数字量输出，直接与微机接口等优点。1.2 研究内容和意义本温度报警器以 AT89C51 单片机为控制核心,由一数字温度传感器 DS18B20测量被控温度，结合 7 段 LED 以及驱动 LED 的 74LS24
13、5 组合而成。当被测量值超出预设范围则发出警报，且精度高，适用于大多数工业生产以及教育教学领域。温度是一种最基本的环境参数，它是与人类的生活、工作关系最密切的物理量，也是各门学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测量的物理量。从工业炉温、环境气温到人体温度；从空间、海洋到家用电器，各个技术领域都离不开测温和控温。因此，研究温度的测量和控制方法具有重要的意义。32 芯片介绍2.1 DS18B20 概述DS18B20 是 Dallas 公司继 DS1820 后推出的一种改进型智能数字温度传感器，与传统的热敏电阻相比，只需一根线就能直接读出被测温度值，并可根据实际需求来编程实现 912 位数字值的读
14、数方式 3。2.1.1 DS18B20封装形式及引脚功能图 2.1 DS18B20 封装形式和引脚功能如图 2.1 所示，DS18B20 的外形如一只三极管，引脚名称及作用如下：GND:接地端。DQ：数据输入/输出脚，与 TTL 电平兼容。VDD：可接电源，也可接地。因为每只 DS18B20 都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采用数据总线供电方式时 VDD 接地，可以节省一根传输线，但完成数据测量的时间较长；采用外部供电方式则 VDD 接+5V，多用一根导线，但测量速度较快。42.1.2 DS18B20内部结构64 位ROM 和单线接口存储和控制逻辑高速缓存器温度传感
15、器高温触发器 TH低温触发器 TL匹配寄存器8 位 CRC 发生器电源检 测CDQVDD内部电源VDD图 2.2 DS18B20 内部结构图 2.2 中出示了 DS18B20 的主要内部部件，下面对 DS18B20 内部部分进行简单的描述 4:(1)64 位 ROM。64 位 ROM 是由厂家使用激光刻录的一个 64 位二进制 ROM 代码，是该芯片的标识号，如表 2.1 所示：表 2.1 64 位 ROM 标识8 位循环冗余检验 48 位序列号 8 位分类编号（10H）MSB LSB MSB LSB MSB LSB第 1 个 8 位表示产品分类编号，DS18B20 的分类号为 10H；接着为
16、 48 位序列号。它是一个大于 281*1012 的十进制编码，作为该芯片的唯一标示代码；最后 8 位为前 56 位的 CRC 循环冗余校验码，由于每个芯片的 64 位 ROM 代码不同，因此在单总线上能够并接多个 DS18B20 进行多点温度实习检验。（2）温度传感器。温度传感器是 DS18B20 的核心部分，该功能部件可完成对温度的测量通过软件编程可将-55125范围内的温度值按 9 位、10 位、11位、12 位的分辨率进行量化，以上的分辨率都包括一个符号位，因此对应的温度量化值分别为 0.5、0.25、0.125、0.0625，即最高分辨率为0.0625。芯片出厂时默认为 12 位的转
17、换精度。当接收到温度转换命令（44H）后，开始转换，转换完成后的温度以 16 位带符号扩展的的二进制补码5形式表示，存储在高速缓存器 RAM 的第 0，1 字节中，二进制数的前 5 位是符号位。如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测得的数值乘上 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测得的数值需要取反加 1 再乘上0.0625 即可得到实际温度。（3）高速缓存器。DS18B20 内部的高速缓存器包括一个高速暂存器 RAM 和一个非易失性可电擦除的 EEPROM。非易失性可点擦除 EEPROM 用来存放高温触发器 TH、低温触发器 TL 和配置寄存器中的
18、信息。（4）配置寄存器。配置寄存器的内容用于确定温度值的数字转换率。DS18B20 工作是按此寄存器的分辨率将温度转换为相应精度的数值，它是高速缓存器的第 5 个字节，该字节定义如表 2.2 所示：表 2.2 匹配寄存器TM R0 R1 1 1 1 1 1TM 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；R1 和 R0 用来设置分辨率；其余 5 位均固定为 1。DS18B20 分辨率的设置如表 2.3 所示：表 2.3 DS18B20 分辨率的设置R1 R0 分辨率 最大转换时间 /ms0 0 9 位 93.750
19、 1 10 位 187.51 0 11 位 3751 1 12 位 750DS18B20 依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立 ROM 操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面 5 个ROM 操作命令之一：1）读 ROM；2）匹配 ROM；3）搜索 ROM；4）跳过 ROM；5）报警搜索。这些命令对每个器件的激光 ROM 部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条 ROM 操作序列后，即可进行存储器和控制操作，6控制器可以提供 6 条存储器和控制操作指令中的任一条。一条
20、控制操作命令指示 DS18B20 完成一次温度测量。测量结果放在 DS18B20 的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器 TH 和 TL 各由一个 EEPROM 字节构成。如果没有对 DS18B20 使用报警搜索命令，这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH 和 TL 进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。2.1.3 DS18B20供电方式DS18B20 可以采用外部电源供电和寄生电源供电两种模式。外部电源供电模式是将 DS18B20 的 GND 直接接地，DQ 与但单总线相连作为信号线，VDD 与外部电源正极相连。如图 2.3 所示：单片机DS18B20外部+5V 电源VDDDQ4.7KVCC 其它单线器件图 2.3 DS18B20 外部供电方式图中 DS18B20 的 DQ 端口通过接入一个 4.7K 的上拉电阻到 VCC，从而实现外部电源供电方式。寄生电源供电模式如图 2.4 所示：从图中可知，DS18B20 的 GND 和 VDD 均直接接地，DQ 与单总线相连，单片机其中一个 I/O 口与 DS18B20 的 DQ 端相连。
