基于AT89C51和DS18B20的温度监测系统.docx

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基于AT89C51和DS18B20的温度监测系统

重庆科技学院

毕业设计（论文）

题目基于AT89C51和DS18B20的

温度监测系统

姓名唐亮学号2004440217

院（系）电子信息工程学院专业班级自动化本科2004级

指导教师常继彬职称讲师

评阅人李正中职称讲师

2008年06月10日

重庆科技学院

毕业设计（论文）

题目基于AT89C51和DS18B20的

温度监测系统

姓名唐亮学号2004440217

院（系）电子信息工程学院专业班级自动化本科2004级

指导教师职称

评阅人职称

2008年06月10日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）题名页

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论、参考文献

7）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

设计（论文）字数理工类不少于1.5万字，文科类不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

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图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画。

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印。

4）图表应绘制于无格子的页面上。

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档。

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件

按照任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）教师指导毕业设计（论文）情况记录表

4）其它

重庆科技学院本科生毕业设计（论文）

基于AT89C51和DS18B20的

温度监测系统

学生姓名：

唐亮

指导老师：

专业：

自动化本科2004级

院（系）：

电子信息工程学院

2008年06月10日

学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。

与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

签字日期年月日

摘要

为了对多点温度实施监测、避免局部温度过高，利用多片DS18B20单总线型数字温度传感器，采用外部供电方式，结合AT89C51单片机，外加串口电路、报警电路以及显示模块，设计了多点温度测量并报警的温度监测系统。

依据DS18B20型温度传感器操作指令，首先读取各传感器的序列号，并确定传感器对应的各点位置关系，定时循环读出各个传感器的温度值并循环显示，单片机依据设定的报警温度上限做出报警处理；同时，也可利用串口把各点的温度值传给上位机作进一步的处理。

实际系统运行表明该系统工作稳定，操作方便，成本低廉，实现了多点温度检测以及越限报警功能，测温误差在±0.5℃以内。

关键词：

单片机自动控制技术多点温度监测单总线

ABSTRACT

Inordertogetdifferentposition’stemperature,amultiplepointstemperature.measuringalarmhardwaresystemhadbeendesignedwhichwascomposedofoneAT89C51SCM.Serialinterfacecircuit,alarmingcircuit，displaymoduleandseveralDS18B20s，usingtheexternalpowersupplymode.Inthesoftwareaspect，accordingtotheDS18B20operationcommand,thesensor’sserialnumberhadbeenreadoutwhichindicatedthedifferentposition’stemperaturevalues.Andthenthedifferentpoint’stemperaturehadbeenreadoutanddisplayedcircularlyfromtheDS18B20registerintime.Thesystemwouldgivethealarmsignalbythetemperaturevaluemeanwhileitcouldtransferthedatetotheuppercomputer.Exampleindicatedthatthesystemwithlowcost,workedsteadyandcouldbeoperatedeasily,realizedthemultiplepointstemperaturemeasuringandalarming.Theerrorofmeasuringtemperaturewasinthesectionof（-0.5,0.5）℃．

Keywords：

SCM;auto-controltechnology;multiplepointstemperaturemonitoring;

1－WireBus

目录

中文摘要I

英文摘要

1绪论1

1.1温度监测系统的意义1

1.2温度监测系统的国内外研究现状2

1.3本课题主要研究内容2

2系统功能与方案设计4

2.1系统功能4

2.2方案设计4

2.2.1测温传感器的选型4

2.2.2单片机的选型5

2.3系统总体框图6

3AT89C51和DS18B20简介7

3.1AT89C51简介7

3.1.1AT89C51芯片的主要性能7

3.1.2AT89C51芯片的内部结构框图8

3.1.3AT89C51芯片的引脚简要说明8

3.1.4使用AT89C51芯片编程时的注意事项9

3.2DS18B20简介9

3.2.1单总线及其协议简介10

3.2.2DS18B20综述11

3.2.3DS18B20的性能特点13

3.2.4DS18B20工作过程及时序14

3.2.5DS18B20测量温度运用17

3.2.6DS18B20温度分辨力19

3.2.7DS18B20的供电方式19

4系统硬件电路设计21

4.1基于AT89C51单片机及其外围电路设计21

4.2DS18B20串行单总线网络设计22

4.3LED数字显示及其驱动电路设计22

4.4报警电路设计23

5系统软件设计24

5.1编程语言的选择24

5.2软件总体设计框图24

5.3温度监测软件设计25

5.3.1DS18B20初始化复位25

5.3.2读写DS18B20一个字节25

5.3.3读取64位序列号26

5.3.4温度转换27

5.3.5读取温度值28

5.4AT89C51部分软件设计28

5.4.1LED数码管显示28

5.4.2按键处理程序28

6系统调试29

7结论31

致谢32

参考文献33

附录1硬件原理图

附录2系统程序代码

1绪论

在人类的生活环境中,温度扮演着极其重要的角色，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，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。

在冶金、钢铁、石化等行业,可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑温度因素。

温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测也有着十分重要的意义。

温度监测系统考虑到许多工、农业及生活环境中需要对多点温度进行监控，一般需要测量几十个点以上，而传统的温度检测方法是使用模拟传感器，将信号进行多次采样处理。

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。

采用了单线数字式温度传感器DS18B20可以在单总线接口上挂接多个DS18B20芯片组成多点温度检测系统而无需任何外围硬件，价格便宜且更加智能化，其应用前景十分广阔[1]。

1.1温度监测系统的意义

随着电子技术、计算机技术、通信技术的迅速发展，工业测控领域采用上述先进的技术对现场的工业生产参数进行监测是实现工业自动化的重要标志。

据不完全统计，在工业生产中被监测最多的参数应该是压力、流量、温度这三大参数，无论在石油、化工、煤炭、水利等行业，还是电力、机械、航天、国防等部门，都离不开对这些参数的监测，当然除此之外，还有诸如液位、扭矩、密度、浓度、速度、位移、距离、电参量等众多物理参数的监测，但用的最多的恐怕还是温度的监测，可以说对温度的监测是个“永恒”的话题。

温度测量的领域十分广泛，其实，不仅在工业领域，而且在民用领域、军用领域，温度的测量随处可见。

在工业领域如电机的轴温、胶带滚筒的表面温度、工业冷却循环水温、加热设备的炉温、啤酒的麦芽发酵温度、各种化工原料在化学反应时控制的温度等等；在民用领域如超市的食品架内温度、人们生活空间环境的温度、空调的控制温度、人体的体温检测、冰箱、的温度测量等等。

当然，不同的场合，对测温范围的要求不一，即使相同的测温范围，测量不同的对象，其测量的精度要求也不尽相同，这些是显而易见的，譬如，人体的体温测量，测量的精度应该要求比较高，达0.1℃左右，但在测量电机的轴温时，可能测量的误差达1℃以上。

当然，我们做任何一件物品，都是在满足要求的前提下，越简单越好，成本越低越好，作为工业、民用、军用等领域的测量，这个原则也不例外，但作为人类对客观事物的认识，从测量的角度，从误差的概念，从真值的理解来看，我们应该在一定的条件下尽量地将测量的精度提高。

尽管目前市场上针对温度监测的检测仪器少数，而且，其制作的水平无论在工艺还是在测量的精度上都不断的在提高，但要得到高精度、宽量程以及多通道的温度检测仪，价格都十分昂贵，本文的立足点是，运用比较常规的温度传感器以及价格低廉的电子元件构成低成本、高性能的温度监测系统，同时考虑系统具有较好的通用性和可移植性。

1.2温度监测系统的国内外研究现状

温度是一般工农业领域最容易碰到的检测参数，如环境温度的监测、大棚温度的监测等，而市场上专用的、通用的各类温控仪产品也比较丰富，国内外的温度监测仪器的发展水平主要体现在仪器的智能化水平、测量的温度范围、测量的精度以及仪器的功耗等技术指标上，目前国内的温度测量，在精度上很少有高于0.5℃。

在同一个行业，各个企业之间的现代化水平的差异也十分大，尽管目前的计算机技术和电子技术的发展水平都十分迅猛，但仍有一部分企业对温度的测量场合，还停留在用水银温度计作为测量工具。

近年来，信息化一词在自动化领域内十分叫响，它在一定程度上推动了自动化技术的发展，我们的许多厂矿企业，运用计算机的水平不再体现在办公室的管理上，而且深入到生产的各个环节，各种可能导致安全生产隐患的各个环节在可能的条件下均运用了先进的计算机监控，例如:

煤矿计算机调度监控系统、胶带输送机的计算机综合保护系统、各种现场的电机温度保护系统、各种炉窑的温度控制系统以及化工行业的温度工艺参数的自动调节等，无不有温度的监测。

基于温度监测在生产、生活中如此重要的地位，因此，设计一种采用常规器件的且能到达高精度、高稳定性的温度监测系统很有必要。

1.3本课题主要研究内容

由于现在市场上的温度监测系统生产成本较高，固定了温度监测点且测量点少，不可动态接入温度传感器，精度不高，稳定性不好，并且可移植性差。

故本设计从节约生产成本，可动态接入多个温度传感器，高精度和高稳定性入手，设计出能够应用在温室大棚、住宅楼火警监测等场合的温度监测系统。

本设计讲述了单总线原理，介绍了DS18B20的测温原理。

重点讲述了用单片机同时采集多点温度值并报警，动态接入温度传感器DS18B20。

本设计主要研究内容如下：

AT89C51外围电路的设计。

单总线协议。

AT89C51通讯采集DS18B20的64位序列号。

AT89C51动态采集各DS18B20的温度和位置并显示。

对超出温度报警上限的温度点进行声光报警并指示其位置。

2系统功能与方案设计

本系统之所以要进行功能建模与方案设计，是为了满足人们在日常生产、生活中对温度监测的实际需求，从而更好的设计出应用于生产、生活中的多点温度监测系统。

2.1系统功能

随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多控制对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度监测仪器大都是单点测量，同时还有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。

在这样的形式下，人们迫切希望有一种便宜的、高精度的、高稳定性的能够综合处理多点温度信息的温度监测系统产品问世。

本设计就是基于人们对多点温度监测系统的需求，所以本设计的研究内容在人们的日常生产、生活中有重要的意义。

基于人们对温度监测系统的需求，本设计定义了如下产品功能：

同时采集多个温度监测点的温度值并显示其所在位置；

可以在单总线上随时随地接入温度传感器DS18B20；

用户可以根据自己的需求设置报警温度值；

声光报警指示超温监测点。

2.2方案设计

我们不难发现要实现温度监测系统的高精度、高稳定性和多点测量，单片机和温度传感器的选择非常重要。

2.2.1测温传感器的选型

温度传感器的选择是本系统的关键。

常用的温度传感器通常有模拟式和数字式两大类。

方案一：

热电偶传感器

热电偶传感器是目前工业测温中广泛使用的一种传感器，其优点是结构简单，动态性能好，其中镍铬—镍硅测量范围为－0℃到＋1200℃，输出信号便于传送和处理等，但测量时存在零点补偿问题。

若使用集成温度传感器构成零点补偿器，测量点的热电偶测温系统需集成温度传感器，进入计算机前还需要多路采样器。

为了节约器件，使用时可以将所有热电偶串联后通过多个双路开关切换，使每只热电偶轮流与一个补偿电路以及后面的一个转换器接通，进入仪表。

热电偶属于传统的分立式温度传感器，外围电路复杂，体积较大，相对集成传感器而言，其转换数据也不易为计算机处理。

方案二：

AD7416

AD7416是美国模拟器件公司（ADI）出品的单片数字温度传感器，工作电压2.7V到5.5V，测温范围-55℃到+125℃，采用

串行总线和数据传输协议来实现同外设的数据传输。

在通讯过程中AD7416作为从器件通过数据输入/输出线SDA以及时钟信号线SCL与总线相连，它内部包含有带隙温度传感器和10位模数转换器，可将感应温度转换为0.25℃量化间隔的数字信号，以便用来与用户设置的温度点进行比较。

AD7416片内寄存器可以进行高/低温度门限的设置，当温度超过设置门限时，过温漏级开路指示器（OTI）将输出有效信号。

最多可允许8片AD7416挂接在同一个串行总线上。

该温度传感器可广泛应用于数据采集系统中的环境温度监测、工业过程控制、电池充电以及个人计算机等系统[2]。

方案三：

MAX6574L/H

MAX6575L/H是MAXIM公司设计生产的温度传感器，它采用单线数字接口，只用一条信号，控制线和微处理器通信，它能将温度数据直接传给微处理器，并最多将8片MAX6575L/H挂在一条I/O线上。

测量温度时，微处理器短暂的拉低I/O线启动转换，经过一定延时后，第一片MAX6575L/H拉低I/O线，这个延时与绝对温度成正比，比例常数可以通过TSO和TSI引脚设定，根据选择的延时系数不同，使得8片芯片的延时时间不重叠，这样8片MAX6575L/H就安装在系统周围不同的位置，通过一条I/O线连接到微处理器[3]。

方案四：

DS18B20

DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。

它具有体积小，接口方便，采用1-Wire总线方式通讯，传输距离远等特点。

每一个DS18B20均有一个唯一的64位序列号，它是传感器的地址序列号，在出厂前被光刻好，因此多个DS18B20可以挂接在同一根总线上进行多路测量[4]。

对比以上四种温度传感器，DS18B20的软硬件都比较简单，用一根线即可实现串行通讯，实际应用中不需要任何外部元器件即可实现测温，其经济、实用且性能优于其它器件的产品，所以设计选用该芯片作为温度采集元件。

2.2.2单片机的选型

考虑到这次采用的温度传感器DS18B20是单总线器件，对单片机端口要求不多，且AT89X51系列技术成熟，价格便宜，编程语言熟练，其11.0592MHZ的晶振对于实时采集多个DS18B20的温度来说已经足够，故采用AT89C51单片机。

2.3系统总体框图

通过以上方案设计比较，本次设计采用以AT89C51为主控制器，DS18B20为测温传感器，为了更好的实现功能，另外单片机外围配有LED显示电路、与PC机通讯电路、报警指示电路和按键处理电路。

总体框图如下图2.1所示。

图2.1系统总体框图

其中LED显示电路采用数码管，用于显示监测点的位置（DS18B20的编号）和其对应的温度值。

报警电路采用蜂鸣器和LED灯相结合的声光报警，给人们较好的视觉和听觉效果。

按键电路采用3个按键的模式，用于模式切换和设定报警温度上限值。

DS18B20单总线网络为个监测点的组合，其中DS18B20的位置可以任意选定。

通讯电路在这次的设计中有两个作用。

一、把已经编译好的程序下载给单片机；二、读取DS18B20的64位序列号。

3AT89C51和DS18B20简介

3.1AT89C51简介

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等[5]，属于第四代电子计算机。

它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。

①单片机的主要特点

1）具有优异的性能价格比；

2）集成度高、体积小、可靠性高；

3）控制功能强；

4）低电压，低功耗[6]。

②单片机的主要应用领域

由于单片机具有上述显著的特点，因此，其应用领域十分广泛，在自动化装置、智能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛的应用。

其典型的应用领域有:

1）工业控制；

2）仪器仪表；

3）电信技术；

4）办公自动化和计算机外部设备；

5）汽车和节能；

6）制导和导航；

7）商用产品；

8）家用电器。

3.1.1AT89C51芯片的主要性能

AT89C51芯片是ATMEL公司生产的带2K字节快闪存储器的8位单片机。

它具有如下的一些重要特性:

内含128x8位内部RAM；

32根可编程1/0引线；

2个16位的计数器/定时器；

6个中断源；

带有可编程串行通讯口；

可直接驱动LED输出；

另外，该单片机还具有体积小，低功耗空载和掉电方式价格低等特点[7]。

3.1.2AT89C51芯片的内部结构框图

AT89C51是一个带有2K字节快闪可编程可电擦除存储器（EEPROM）的低电压、高性能8位CMOS微型计算机。

它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。

AT89C51的内部结构框图如下图3.1所示。

图3.1AT89C51的内部结构框图

3.1.3AT89C51芯片的引脚简要说明

AT89C51有44个引脚和40个引脚两种封装。

本系统采用的是40个引脚的双面直插式。

芯片引脚如图3.2所示。

图3.2AT89C51芯片引脚图

AT89C51芯片的40个引脚功能简介为:

P0.0-P0.7P0地址通用端口；

P1.0-P1.7P1静态通用端口；

P2.0-P2.7P2高8位地址总线动态端口；

P3.0-P3.7P3双功能静态端口，作为第一功能和P1口相同，作为第二功能如下表3.1所示。

表3.1P3口的第二功能

P3口引脚

功能

P3.0

RXD（串行输入端口）

P3.1

TXD（串行输入端口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

外部数据存储器写选通信号输出

P3.7

外部数据存储器读选通信号输出

3.1.4使用AT89C51芯片编程时的注意事项

AT89C1内部有19个专用寄存器。

其内部有2K字节闪存用来存放程序，与MCS-51体系结构完全兼容，可用MCS-51指令系统对其进行程序设计。

然而，当我们用某些指令对AT89C51进行程序设计时，一定要牢一记某些特点。

因为AT89C51

内部只有2K字节程序存储器，所以所有跳转指令之目的地址必须落在该器件2K字节的程序存储器物理空间之内。

例如:

LJMP7EOH指令有效，而LJMP90OH则无效。

分支指令:

LCALL、LJMP、ACALL、SJMP等无条件分支指令，只要保证它们的目的地址一定落在000H-7FFH范围内就可执行无误，超出物理空间的界限就会引起不可知的程序执行结果。

CJNE、DJNE、JB、JNB等无条件分支指令，也须遵从上述规则、另外对于MOVX指令，AT89C51不可外扩数据存储器，亦不可外扩程序存储器。

故在程序中不应包括访问片外数据存储器的MOVX指令。

通常汇编程序只管

编译，不管它所翻译的这些指令是否违反上述规则，这就要程序设计时在这方面特别注意。

3.2DS18B20简介

DS18B20是由美国DALLAS公司生产的一种单总线的数字温度传感器，它可提供9位二进制温度信息，经过单总线接口送入主机处理器。

3.2.1单总线及其协议简介

目前，常用的微机与外设串行总线主要有我们熟知的

总线、SPI总线、SCI总线等等。

其中

总线是以同步串行2线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线），SPI总线是以同步串行3线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线），SCI总线是以异步方式进行通信（一条数据输入线，一条数据输出线）。

这些总线至少需要有两条或两条以上的信号线。

近年来，美国的达拉斯半导体公司（DALLASSEMICONDUCTOR）推出了一线总线（1-WireBus）技术，与上述的总线不同，它采用一单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的，其具有线路简单，硬件