3利用单片机及DS18B20实现温度报警器的制作实验设计报告.docx

3利用单片机及DS18B20实现温度报警器的制作实验设计报告.docx

《3利用单片机及DS18B20实现温度报警器的制作实验设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3利用单片机及DS18B20实现温度报警器的制作实验设计报告.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

3利用单片机及DS18B20实现温度报警器的制作实验设计报告

基于DS18B20可调温度报警器

设计报告

系别

电子通信工程系

组别

第十组

专业名称

电子信息工程

指导教师

组内成员

2013年

8月

19日

2.4主控制模块AT89C51………………………………………………………10

2.4.1基本概述………………………………………………………………………………10

2.5显示模块LCD1602…………………………………………………………14

2.5.1引脚功能和基本特征…………………………………………………….14

2.5.2模块内部结构…………………………………………………………….15

2.6键盘控制电路………………………………………………………………16

2.7驱动电路……………………………………………………………………16

2.8报警电路…………………………………………………………………...16

2.9存储电路……………………………………………………………………………….17

2.11.3报警电路………………………………………………………………..19

2.11.4存储电路…………………………………………………………………………19

3.2.1子程序设计……………………………………………………………….21

3.2.1测温子程序流程…………………………………………………………22

4总体电路的实现于操作…………………………………………………………22

4.1设计结果的实现…………………………………………………………22

4.1.1电路板的情况介绍………………………………………………………………….23

4.1.2温度报警器操作的功能和步骤………………………………………23

结论………………………………………………………………………………….24

参考文献（（References）……………………………………………………………………….25

附录（C语言程序设计）………………………………………………………….26

利用单片机及ds18b20实现温度报警器的制作

1绪论

温度是与人们生活息息相关的环境参数，许多情况下都需要进行温度测量及报警，温度测量报警系统在现代日常生活、科研、工农业生产中已经得到了越来越广泛的应用。

所以对温度的测量报警方法及设备的研究也变得极其重要。

随着人们生活水平的不断提高以及应对各种复杂测量环境的需要,我们对温度测量报警器的要求也越来越高，利用单片机来实现这些控制无疑是人们追求的目标之一，它带给我们的方便是不可否定的。

其中温度检测报警器就是一个典型的例子。

要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施,就需要从单片机技术入手，向数字化，智能化控制方向发展。

本设计所介绍的温度报警器，可以设置上下限报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。

与传统的温度测量系统相比，本设计中的数字温度测量报警系统具有很多前者没有的优点，如测温范围广而且准确，采用LCD数字显示，读数方便等。

1.1温度报警器的研究意义

随着电子技术的发展，家用电器和办公设备的智能化、系统化已成为趋势，而这些高性能几乎都要通过单片机实现。

同时，温度作为与我们生活息息相关的一个环境参数，对其的测量和研究也变得极为重要。

故温度检测报警系统在现代生活、生产中得到了越来越广泛的应用。

工业生产带动了人类社会的进步，同时也促进了各种新的传感器的发展。

在工业生产中温度的准确测量是一个比较困难的事情。

从最初的酒精、水银温度计到现在的数字化、集成化的温度计可见传感器的发展是飞快的。

它的快速发展必将带来新一轮的工业化革命和社会发展的飞跃。

本设计所介绍的温度报警器可以设置上下限报警温度，当温度不在设定范围内时可以报警，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。

它具有结构简单,不需外接元件,可由用户设置温度报警界限等特点,可广泛用于食品库、冷库、粮库等需要控制温度的地方。

目前,该类产品已在温控系统中得到广泛的应用。

所以设计意义较为深远。

1.2温度报警器的现状及发展

温度是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。

其测量控制一般采用各式各样形态的温度传感器。

根据它们在讯号输出方式上的不同可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器。

单片机技术的出现则是为现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，目前，单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、可靠性高、性价比高、开发较为容易等特点，在工业控制、数据采集、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应用，并已走入我们的日常生活，现在，随处都可以看到单片机的踪影。

目前温度报警器的发展已经比较成熟了，它能帮助我们实现想要的温度控制，解决身边的很多问题。

1.2.1智能温度传感器

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器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。

1.2.2传感器发展趋势

现代信息技术的三大基础是信息采集（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，它被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。

近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；

（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；

（2）模拟集成温度传感器／控制器；（3）智能温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

2硬件设计

2.1总体设计方案

本设计是一个基于单片机的温度测量电路，传统的温度检测系统采用热敏电阻等温度敏感元件，热敏电阻虽然成本低，但是需要后续信号处理、A/D转换处理等才能将温度转换成数字信号，不但电路复杂，可靠性和精度也相对较低，在应用中还需要解决引线误差补偿、干扰等问题，故传统方案不可取。

进而非常容易考虑到使用温度传感器，在单片机电路设计中，单片机除了可以测量电信号外，还可以用于温度、湿度等非电信号的测量，能独立工作的单片机温度检测、温度控制系统已经广泛的应用于很多领域。

单片机的接口信号是数字信号，要用单片机作为控制器测量温度这类非电信号，就要使用温度传感器将温度信息转换为电流或者电压信号输出，如果转化的信号是模拟信号，还需要进行A/D转化，以满足单片机接口的需要。

进一步联想到可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，成功地进行温度采集以后，就可以利用单片机进行数据处理，然后通过LCD将温度显示出来，就可以满足设计要求。

硬件部分设计主要包括：

测温电路、传感器电路及测温电路与单片机的接口、报警电路与单片机的接口等组成的。

本设计中，温度传感器采用DS18B20，控制器采用AT89S51，显示电路采用LCD1602液晶显示器实现，总体方框图如下：

图3.1总体方框图

在研究出总体设计方案后，在这一阶段主要的主要工作是查阅各芯片资料，熟悉其功能特性和技术参数，同时学习PROTELDXP软件，用其绘制出硬件原理图，然后继续分析各结构，查阅国内外相关技术资料，查缺补漏，反复修改设计方案，力求完美；通过原理图绘制PCB图；制作PCB板，购买所需元件，完成硬件方面的设计。

2.2系统器件的选择

2.2.1单片机的选择

AT89C系列的单片机是能用下载线进行在线编程的ISP，使用简单的HC244电路，就可以通过电脑上面的程序来进行对单片机的编程,是无须拆下来放到笨重的编程器上面写片子的。

AT89C系列则没有这个功能并且C系列无法调试。

2.2.2温度传感器的选择

本设计主要应用在机房、粮仓等地，测量温度在-20到+75摄氏度之间，ds18b20温度测量范围从-55到+125摄氏度，精度为±0.5°C，适合设计要求，所以传感器选择ds18b20温度传感器。

2.2.3显示模块的选择

1601显示一行的16个字符，1602显示两行的16个字符,1602海可以显示汉字，满足设计要求，所以选择LCD1602显示模块。

2.3传感器模块DS18B20

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最近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9-12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可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；

无须外接部件；

可通过数据供电，电压范围为3.0—5.5V；

零待机功耗；

温度以9或12位数字量读出；

用户可定义的非易失性温度报警设置；

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坏，但不能正常工作.

（2）DS18B20的内部结构框图如图2—4所示，它采用3脚PR—35封装或8脚SOIC封装其管脚封装如图2－5所示。

（3）DS18B20单线智能温度传感器的工作原理

64位ROM的位结构如图2—6所示。

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。

非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。

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EEPRAM。

高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，

2.3.1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，但在实际应用中叶应注意以下几个方面的问题：

1在对ds18b20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。

2当单总线上所挂ds18b20超过8个小时，就需要解决微处理器的总线驱动问题。

3在用ds18b20进行长距离测温系统设计是要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

Ds18b20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间。

图2.2DS18B20的外观图图2.3DS18B20内部结构框图

图2.4DS18B20引脚分布图

DS18B20的主要技术指标如下：

测量范围：

-55OC—+125OC；测量精度：

0.5OC；反应时间<=500ms。

2.3.2引脚功能

2、DQ：

数据输入/输出引脚。

开漏单总线接口引脚。

当被用在寄生电源下，此引脚可以向器件提供电源；漏极开路,常态下为高电平.通常要求外接一个约5kΩ的上拉电阻。

3、VDD：

外接供电电源输入端引脚。

电压范围:

3~5.5V；当工作于寄生电源时，此引脚必须接地

在本系统中用外接电源，DQ接到AT89S51的P2．0端，R1为信号和5V电源之间的上拉电阻。

在实际中，若需要多点检测是，可在单总线上挂多个DS18B20,但超过8个是要考虑驱动问题，软件设计也变得复杂多了同事要考虑DS18B20单总线的长度问题，一般不超过50M，为实现更远程的控制，可以考虑把系统设计成无线系统，以突破DA18B20单总线的长度限制。

表2.1主要温度与转换后输出的数字对应值表

温度/OC

二进制表示

十六进制表示

+125

0000011111010000

07D0H

+85

0000010101010000

0550H

+25.0625

0000000110010000

0191H

+10.125

0000000010100001

00A2H

+0.5

0000000000001000

0008H

0

0000000000000000

0000H

-0.5

1111111111111000

FFF8H

-10.125

1111111101011110

FFE5H

-25.0625

1111111001101111

FE6FH

-55

1111110010010000

FC90H

（a）寄生电源工作方式（b）外接电源工作方式

2.3.3ds18b20ROM指令表

指令

约定代码

功能

读ROM

33H

读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址）

符合ROM

55H

发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应，为下一步对该DS1820的读写作准备。

搜索ROM

0FOH

用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。

为操作各器件作好准备。

跳过ROM

0CCH

忽略64位ROM地址，直接向DS1820发温度变换命令。

适用于单片工作。

告警搜索命令

0ECH

执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。

RAM指令表

指令

约定代码

功能

温度变换

44H

启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。

结果存入内部9字节RAM中。

读暂存器

0BEH

读内部RAM中9字节的内容

写暂存器

4EH

发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。

复制暂存器

48H

将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中。

重调EEPROM

0B8H

将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节。

读供电方式

0B4H

读DS1820的供电模式。

寄生供电时DS1820发送“0”，外接电源供电DS1820发送“1”。

DS18B20测温原理图

2.4主控制器模块AT89C51

AT89S51是整个系统的核心处理器，单片机首先把通过传感器测到的现场温度与预先设置的温度进行比较，如果大于或小于预先设置值，就输出信号去控制加热器的工作，从而实现温度控制。

At89s51还负责液晶显示、报警以及与上位机进行通信等工作。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能位微处理器,俗称单片机。

图3.6AT89C51单片机

2.4.1基本概述

管脚说明：

芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、4......40，其中芯片的1脚顶上有个凹点。

在单片机的40个引脚中，电源引脚线2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚3根。

1、电源引脚线（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

2、外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端。

3、控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号，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。

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号，外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取址期间,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（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

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

4、可编程输入/输出引脚（32根）

AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

每一根引脚都可以编程，

PO口（Pin39～Pin32）：

名称为P0.0～P0.7，8位双向I/O口线，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/地址的低八位。

P1口（Pin1～Pin8）：

名称为P1.0～P1.7，8位准双向I/O口线，P1口是一个内部提供上拉电阻的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,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。

P2口（Pin21～Pin28）：

名称为P2.0～P2.7，8位准双向I/O口线，P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收输出个4个TTL门电流。

当P2口被写1时,其管脚被内部上拉电阻拉高,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,这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或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,它利用内部上拉优势,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内容。

P3口（Pin10～Pin17）：

名称为P3.0～P3.7，8位准双向I/O口线，P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。

当口写入1后,它们被内部上拉为高电平,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。

图3.7AT89C51方框图

2.4.2功能特性概述

AT89C51提供以下标准功能：

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

AT89C51的特点：

1、系统可编程特性：

创造了单片机学习开发系统的先例，可方便地在系统中实现程序下载，弥补了实时修改程序的不足之处，并可以立即从目标系统中反映出修改的结果，大大缩短单片机学习开发的周期，提高了工作效率。

2、代码全速仿真：

弥补传统学习系统不能全速仿真的缺陷，使系统运行的结果完全反映代码的执行情况，更切实地吻合人们工作、学习所需要的特点。

其次，在软件开发前的仿真调试后，完全可烧写入目标芯片，并能获得完全一致的代码执行结果。

是集学习、开发于一身的优良的目标系统。

3、资源的可重复利用性：

目标系统上的所有资源都能重复利用并能通过软件调配或通过扩展槽增加其它的功能，进而提高系统的实用性。

4、软硬结合，操作简单方便：

在AT89S51提供硬件支持的同时，也提供良好的上位机控制软件，只要通过软件的功能操作就能实现：

源代码的调试编译，查找与修改错误之处，在线代码下载等功能。

使单机的学习与开发一体化，集成化，更进一步体现系统学习的优越性。

晶体振荡特性：

AT89S51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体（或陶瓷振荡器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。

如果使用石英晶体，则推荐电容使用30Pf+10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40Pf+10Pf。

也可以采用外部时钟，这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合技术条件要求。

图3.8晶体接线图和外接时钟线图

AT89S51的极限参数：

工作温度：

-55OCto+125OC储存温度：

-65OCto+150OC

任一引脚对地电压：

1.0Vto7.0V最大工作电压：

6.6V

DC输出电流：

15.0mA

2.5显示模块LCD1602

2.5.1引脚功能和基本特征

图3.9LCD1602引脚分布图

1602采用标准的16脚接口，引脚功能如下:

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，故通常将此脚接地。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15～16脚：

空脚。

LCD1602的基本特征：

单5V电源电压、低功耗、长寿命、高可靠性。

内置192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）。

具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5×8点阵字符或四个5×11点阵字符。

显示方式：

STN、半透、正显。

驱动方式：

1/16DUTY，1/5BIAS。

视角方向：

6点。

背光方式：

底部LED。

通讯方式：

4位或8位并口可选。

标准的借口特性，适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。

2.5.2模块内部结构

图3.10LCD1602结构块图

模块组件内部结构

模块组件内部主要由LCD显示屏（LCDpanel）、控制器（controller）、列驱动器（segmentdriver）和偏压产生电路构成。

LCD显示屏为common和segment交叉形成的点阵，以5×8点阵的字符结构模式和设置的显示字符树木，选择适宜的行数，分单屏、双屏或者多屏显示规定的字符。

对于双屏或者多屏显示结构的LCD，每一显示屏结构部分，均由各自独立的使能信号E控制。

列