毕业设计基于AT89C51单片机为核心的多路温度采集系统电路设计说明.docx

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毕业设计基于AT89C51单片机为核心的多路温度采集系统电路设计说明

编号：

题目：

基于AT89C51单片机为核心的多路温度采集系统电路设计

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

摘要

本毕业设计提出一种基于AT89C51单片机为核心的温度采集系统,并采用数字化单总线技术的设计方案应用于多路温度采集系统中。

方案采用了一种新型数字温度传感器DS18B20，利用DS18B20温度传感器将温度的变化，变换成电流的变化，再转换为电压变化输入模数转换器，通过单线总线传给AT89C51单片机，AT89C51单片机把数据通过液晶显示器LCD1602实时显示不同方位的温度变化。

系统对多点的温度进行实时巡检，同时能够通过设定的指令对温度进行监控。

温度传感器DS18B20负责温度的采集，单片机将从DS18B20发出的信息读取的温度并与有效温度的上下极值进行比较，若超过有效温度围则启动报警系统，否则继续从DS18B20读取温度。

该系统具有实用性强、可靠性高、测量精度高等特点。

测温围在－55℃～+125℃。

关键词：

数字温度传感器（DS18B20）；单片机（AT89C51）；液晶（LCD1602）显示器。

Abstract

ThisdesignisproposedbasedonAT89C51microcontrollerasthecoreofthetemperaturecontrolsystemanditsdigitalsingle-bustechnologyusedinthedesignofthegreenhousetemperaturemeasurementsystem.ProgramusesanewtypeofdigitaltemperaturesensorDS18B20,useDS18B20temperaturesensorembeddedinsidethegreenhousetemperature,transformedintothecurrentchanges,andthenaconvertedtovoltageinputADC,thebuspassedthroughthesingleAT89C51comicic-rocontrollerAT89C51microcontrollerinputandoutputthroughtheserialporttounat-ewiththePCmachine.Systemforreal-timemulti-pointinspectionoftemperature,w-hileprovidinginstructionbasedonthetemperatureofPC-timeacquisition.Tempsen-sorfortemperatureDS18B2collection,microcontrollerreadsthemessagefromtheD-S18B20temperatureandwiththeeffectivetemperatureoftheupperandlowerextm-comparison,ifmorethantheeffectivetemperaturerange,startalarmsystem,andtothePC,sendtheappropriatesignals,orcontinuetoreadfromtheDS18B20temper-rure.Thesystemhasapracticalandhighreliability。

Keywords:

引言

温度是一个十分重要的物理量，对它的测量与控制有着十分重要的意义。

随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测与控制温度。

在人类的生活环境中，温度扮演者极其重要的角色。

无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。

自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。

在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。

1课题的背景及其意义

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量。

在工、农业生产和日常生活中，占据着极其重要地位。

工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。

在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业都与之有关，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑温度对自身系统的影响。

温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义。

我国作为世界上最大的农业国，但是人均占有耕地面积少，这对农业的发展有着极大的限制。

因此,设计一种能够进行多路温度检测系统具有较为广泛的应用价值。

多路温度测量显示是近几年的研究课题，随着传感技术与通讯技术的发展，单片机的出现，温度测量仪器应运而生，最近几年的研究更是迅速。

采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。

因此，单片机对温度的检测与控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。

基于此，本毕业设计是围绕基于单片机多路温度检测与采集系统来开展相关的应用研究工作。

出现了基于新型AT89C51单片机和数字温度传感器DS18B20的多路温度测量仪器。

1.1本毕设主要容

1.2.1设计任务与要求

（1）温度检测：

通过传感器和单片机的连接，能实时准确检测到现场温度。

（2）温度显示：

把现场实时检测到温度值显示出来。

（3）报警温度设定和报警：

根据需要可以设置报警温度，并且当达到报警温度时

会发出声光报警提示。

1.2.2设计目的

（1）学会运用keil软件编写程序，提高分析程序的能力。

（2）进一步熟悉AT89C52单片机外部引脚的线路连接方法。

（3）熟悉LCD1602使用方法。

（4）学会使用Proteus仿真软件对设计的电路进行仿真，验证电路功能是否正确。

（5）学会使用DXP2004制作电路图。

（6）熟悉制作电路板的流程。

2总体设计方案

2.1方案设计与论证

多路温度采集电路设计系统有则共同的特点：

测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。

若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。

这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。

所以多路温度检测系统的设计的关键在于两部分：

温度采集即温度传感器的选择和系统主控单元的设计。

2.2传感器部分

方案一：

热敏电阻作为传统的温度传感器，可满足40摄氏度至90摄氏度测量围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差。

使用时，将其串接在电路中，在一般情况下，其阻值很小，损耗也很小，不影响电路正常工作;但若有过流发生，其温度升高，它的阻值随之急剧升高，达到限制电流的保护作用，避免损坏电路中的元器件。

当故障排除后，温度自动下降，又恢复到低阻状态，因此对于检测温度的信号是不适用的。

在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。

方案二：

在多路温度采集电路设计系统中，传统的模拟信号远距离测温系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。

另外传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行A/D转换，一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。

因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案。

采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化，便于单片机处理及控制。

且该芯片的物理化学性很稳定，元件线形较好。

其测量温度围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C围，精度为±0.5°C。

热敏电阻的精度较差为±2°C。

新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

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和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。

这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多路温度的测量。

轻松的组建温度传感器网络。

2.3控制部分

方案一：

此方案采用PC机实现。

它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。

但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。

需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。

而且在一些环境比较恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，这不利于工作。

方案二：

此方案采用AT89C51八位单片机实现。

AT89C51的时钟为12M，I/O口可达32个，高的时钟频率和丰富的I/O，都为实现电路功能提供了非常有利的条件。

同时也AT89C51含4KBFLASHROM，开发环境友好，易用、方便，大大加快本系统设计开发。

使操作更为简洁、易懂。

实时显示电路的设计，使温度信息更迅速，直观地发布，这些都提高了系统的可行性。

而且单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

既可以单独对多路DS18B20控制工作。

另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

2.4系统方案

综上所述,温度传感器以及主控部分都采用第二方案。

系统设计采用针对传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的特点，运用分布式通讯的思想,用DS18B20和AT89C51单片机一起组成了温度采集系统。

DS18B20是在分立式温度采集模块上发展而来的集温度传感器和A/D转化于一体的芯片，该芯片能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。

AT89C51单片机可以分别在93.75ms和750ms完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根I/O口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

同时其“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了全新的概念。

系统主要包括三大模块：

控制模块、温度采集模块、温度显示模块、报警模块等。

采用系统总方案如下图1：

图1系统总方案图

（1）控制模块功能：

控制模块在系统的功能是控制温度采集模块完成温度采集并将采集到的温度读入控制模块的数据寄存器，再将从温度采集模块读取的温度数据写入显示模块并控制显示模块完成温度的显示。

（2）温度采集模块功能：

温度采集模块的主要功能是通过温度传感器感应温室温度并转化成模拟信号，通过转化模块将模拟信号转化成数字信号，并存取温度数据。

（3）温度显示模块功能：

温度显示模块的主要功能是在控制模块的控制下将控制模块写入的数据显示在液晶屏上，便于读取温度数值。

（4）报警模块功能

与设定的报警温度上下限比较，超过限度后通过扬声器与灯光报警。

同时处理后把报警的方向的信息送到LCD1602中显示出来。

2.5系统设计原理

利用温度传感器DS18B20可以直接读取被测温度值，进行转换的特性，模拟温度值经过DS18B20处理后转换为数字值，然后送到单片机中进行数据处理，并与设置的温度报警上下限比较，超过限度后通过扬声器报警。

同时处理后的数据送到LCD1602中显示。

3硬件的设计

本文已经在前面提出多路温度检测系统的设计的关键在于温度采集部分和系统主控单元部分的设计。

因此系统硬件的选择主要就是温度传感器主控单片机的选择。

3.1单片机的选择

所谓单片机（m1crocontroller）是指在一个集成芯片中，集成微处理器（CPU）、存储器、基本的I/O接口以及定时/计数、通信部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。

世界上最早的单片机是1974年美国仙童公司研制的F8单片机，但其中最具典型性的当数Intel公司的MCS-51系列单片机。

因此，在本课题设计的多路温度采集设计系统中，采用单片机实现温度的控制。

在单片机选用方面，因为MCS-51系列单片机拥有基于复杂指令集（CISC）的单片机核，虽然其速度不快，12个振荡周期才执行一个单周期指令，但其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。

51系列的部硬件预设，可用特殊功能寄存器对其进行编辑。

所以，本系统中的单片机选用INTEL公司生产AT89C51芯片，AT89C51单片机是INTEL公司新近推出的高档型MCS-51系列单片机中的增强型产品，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，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程（ISP），亦适于常规编程器。

3.1.1AT89C51单片机的功能特点

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。

片含4Kbytes可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes随机存取数据存储器（RAM）。

兼容标准MCS-51指令系统，片置8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，能灵活应用于各种控制领域。

AT89C51主要性能参数：

4K字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000写/擦循环

全静态工作：

0Hz-24MHz

三级程序存储器锁定

128×8位部RAM

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

片振荡器和时钟电路

3.1.2AT89C51单片机的引脚说明

在外部结构上，AT89C51单片机和MCS－51系列单片机的结构相同，有三种封装形式，分别是PDIP形式、PLCC形式、TAFP形式。

其中，常用的为PDIP形式，其40针脚按其功能可分为3部分：

I/O口线（P0~P3），控制线（ALE、EA、PSEN、RST），电源及时钟（GND、VCC、XTAL1、XTAL2）。

其PDIP封装，40针脚形式如图2：

图2AT89C51PDIP封装引脚图

VCC：

供电电压+5V。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.2温度传感器的选择

温度是表征物体冷热程度的状态量，是现代科学技术中最基本、最重要的物理量。

与温度变化有关的物质属性很多，因而温度测量的仪器也是多种多样的。

常用的温度测量仪有热电阻、热电偶、PN结温度传感器、集成温度传感器等。

热电阻它的优点是灵敏度高，工作温度围宽，稳定性好，过载能力强，体积小。

但它的不足之处在于非线性和互换性差。

热电偶测量精度高，热电动势与温度在小围基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，响应时间较快;测温围宽，高温热电偶测温上限可达2800℃。

PN结温度传感器利用晶体二极管、三极管的PN结电压随着温度变化而变化的原理制成。

线性度好，热惯性小，灵敏度高。

集成温度传感器是将测温元件、放大电路、偏置电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。

相对其它传感器有较好的线性度和一致性，且体积小，使用方便。

温室是一个有较大惯性的被控对象，温度的变化速度较慢，因而不需要传感器的反应速度太高；但要求传感器有优良的物理及化学稳定性。

用的较多的是以铂电阻为代表的模拟传感器和以DS18B20为代表的数字传感器。

考虑到铂电阻需要信号调理电路，将电阻信号转换为电压信号，经过A/D转换后才能被单片机接受，信号调理电路的相对复杂，抗干扰性比较差，而且价格较高，而DS18B20不仅价格便宜而且使用方便、测温准确、精度较高。

为了节省成本，提高效率，方便采集系统以后的进一步扩展和完善，本设计系统的采集模型采用DS18B20单总线数字式温度传感器。

3.2.1DS18B20的简介

数字温度传感器DS18B20是DALLAS公司生产的基于串行接口的一线式数字温度传感器，它是将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值的全新传感器。

有3引脚TO－92小体积封装形式。

具有一线总线、体积更小、适用电压更宽、而且经济等特点。

其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。

CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C围,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，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

DSl8B20具有如下特征：

①采用单总线技能，与单片机通信只须要一根I/O线，在一根线上可挂接多个DSl8B20。

②低压供电，电源围3～5V，可以本地供电，也可以直接从数据线上窃取电源（寄生式供电方式）。

③每只DSl8B20具有一个独立的、不可修改的64位序列号，根据序列号可以访问对应的器件。

④测温围为一55℃～+125℃，在一10℃~85℃围误差为±0．5℃。

⑤可编程数据为9～12位，其转换12位的温度时间为750ms（最大）。

DSl8B20可将检测到的温度值直接转化成数字量，并通过串行通信的方式与主控制器执行数据通信。

3.2.2DS18B20工作原理

DS18B20测温原理：

由于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一个对应的一个基数值。

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。

图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形，其输出用于累加器1的预置值。

其原理图如3：

图3DS18B20工作原理图

3.2.3DS18B20部结构

（1）DS18B20的引脚说明

DS18B20采用3脚TO-92封装或8脚SOIC封装。

3脚TO-92封装形式和器件图如图4所示：

GND——接地；

DQ——数据输入输出。

漏极开路单线接口,也在寄生电源模式时给设备提供电源；

VDD——可选的电源电压脚。

VDD在寄生电源模式时必须接地。

图3.3DS18B20引脚

图4DS18B20的DIP40封装图

（2）DS18B20的部结构图5:

图5DS18B20的部结构图

DS18B20有4个主要的数据部件：

①64位激光ROM。

64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码（28H）组成。

②温度灵敏元件。

③非易失性温度报警触发器TH和TL。

可通过软件写入用户报警上下限值。

④配置寄存器。

配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。

DS18B20在0工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值，其各位定义如表1：

表1

TM

R1

R0

1

1

1

1

1

MSB

LSB