基于DS18B20的多点温度检测系统设计书.docx

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中北大学2013届毕业设计

绪论

1.1设计背景和意义

温度是一个反映物体冷热程度的物理量。

温度的检测和控制在当代日常生活和工农业生产工程中有着越来越广泛的应用，要求也越来越高[1]。

在冶金、化工等工业生产过程中，广泛使用的各种加热炉、反应炉等，都要求对温度进行严格控制。

在日常生活中，电烤箱、微波炉、电热水器等电器也需要进行温度检测与控制[2],而且现在越来越多的地方用到多点温度测量，比如冰箱的保鲜层和冷冻层是不同的温度,这就需要多点的测量和显示可以让用户直观的看到温度值，并根据需要调节冰箱的温度。

它还在其他领域有着广泛的应用，如：

消防电气的非破坏性温度检测，空调系统的温度检测等。

温度检测系统应用十分广阔[3]。

1.2国内外同类设计概况

目前多点温度检测系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的多点温度检测仪器来讲，发展水平仍比较落后，和德国、美国等发达国家相比有着很大差距。

采用51单片机来对温度进行检测和控制，不仅具有成本低廉、控制方便和灵活性大等优点，而且可以提高被控温度的技术指标，从而提高产品的质量和数量。

因此，单片机对温度的处理问题是一个工业生产中经常会遇到的问题[4]。

1.3本课题要解决的问题和方法

本文基于AT89C51单片机，由两片DS18B20温度传感器采集环境温度，两片DS18B20温度传感器采用单总线连接方式，统一连接于单片机的同一IO口，由LCD1602将采集的温度实时显示出来，当温度超过设定的温度值范围，单片机控制外围电路中的蜂鸣器产生报警，并且利用max232实现与上位机的通信。

因此主要电路包括：

单片机系统电路，温度采集电路，温度显示电路，上位机通信电路，报警电路等组成。

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2系统总体设计

2.1系统方案的选择

该设计主要由温度测量，数据采集和数据处理部分组成，实现方案有很多种，下面将列出两种经常用到的实现方案。

2.1.1设计方案一

采用热敏电阻传感器。

随着环境温度的变化，热敏电阻的阻值也发生线性变化，电阻两端的电压也随着电阻的线性改变而发生相同的变化，用处理器采集电阻两端的电压，然后根据公式计算出当前的环境温度值。

数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机或使用专业的A/D转换芯片进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，同时对温度进行相应的报警和控制[5]。

此方案的优点是工作温度范围非常宽，体积小，精确度高，但是它们也存

在着输出电压小、抗干扰能力差的缺点，并且这种设计需要用到A/D转换电路，因此此类设备需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。

2.1.2设计方案二

采用数字温度芯片DS18B20测量温度。

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，稳定性好，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，输出信号全数字化。

多个DS18B20可以接在一根线上，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，便于单片机控制及处理，省去传统测

温方法的很多外围电路。

且该芯片的性能比较稳定，线形较好，在0—100°C时，最大线性偏差小于1°C。

DS18B20采用了单总线的数据传输，在同一条总线上

可以挂接任意多个DS18B20传感器，可以同时测量多个环境温度，同时也提高

了单片机IO口的利用效率。

由DS18B20和单片机AT89C51构成的温度测量装

置，它直接输出温度的数字信号，测温系统的结构比较简单，体积也不大[6]。

采用51单片机控制，软件编程的自由度很大，可通过C语言编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且硬件实现简单，安装方便。

另外51单片机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。

该系统利用AT89C51单片机芯片控制多个温度传感器DS18B20进行多点实

时温度检测并显示，能够实现快速测量多个地点的环境温度并可以根据需要设定上下限报警温度进行报警和相应的控制处理[7]。

从以上两种方案，容易看出方案二的测温装置电路更简单、实现更方便、程序设计也更容易实现，故本次设计采用了方案二。

2.2系统的构成

本设计是以51单片机为核心设计的一种多点数字温度报警系统，系统整体硬件电路包括单片机晶振电路，复位电路，电源电路，2路温度采集电路，温度显示电路，报警电路，上位机通信电路等组成。

系统框图如图2.1所示：

单元模块功能如下：

图2.1 硬件电路系统框图

系统的核心器件是51单片机，它是整个系统的核心，由它来控制协调各外围电路模块的正常工作，本设计采用较为常见的AT89C51单片机。

本设计的单片机的电源电路设计了两种供电方式，一种是采用计算机的

USB口，单片机的工作电压为5V，计算机的USB口恰好能直接提供5V的直流电压，因此采用计算机的USB口供电较为简单。

第二种供电方式采用三端固定式稳压模块7805，7805芯片外接12V电池组或稳压电源，12V电压经过7805能输出

5V电压[8]。

温度检测电路由2路DS18B20构成，实现多点温度检测。

DS18B20是美国

DALLAS半导体公司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，它内部含有AD转换芯片，,可编程为9位～12位A/D转换精度，能直接读出被测温度，而且DS18B20采用单总线的数据传输，可以在一条总线上挂接任意多个DS18B20，每个DS18B20芯片拥有唯一的序列号，只需在程序中通过访问不同的序列号，就可以通过一条总线控制全部的DS18B20芯片。

提高了单片机I/O口的利用率，电路也十分简单。

报警功能由蜂鸣器完成，在程序中预先设定了报警界限，即当温度超出或低于所设定的温度范围时，将单片机的I/O口拉高，使蜂鸣器发出警报，另外为了区分不同的DS18B20温度不再界限内，在单片的两个I/O分别接了不同颜色的发光二极管，以达到区分的目的。

显示模块则由LCD1602显示，LCD1602可以显示两行字符，所以上下两行分别显示不同两点的温度。

与上位机通信模块采用MAX232芯片，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5Ｖ单电源供电。

2.3系统的工作过程

系统由DS18B20采集温度后进行转换再把温度数据传递给单片机，单片机控制LCD1602进行同步温度显示，同时对温度值进行处理，当温度高于或低于设定值后，由蜂鸣器和发光二极管产生报警。

3系统的硬件设计

3.1单片机最小系统的设计

本系统采用AT89C51为主控器，兼容所有89C51单片机。

3.1.189C51单片机简介

一.89C51单片机的片内结构

89C51单片机的片内结构如图3.1所示。

它把那些作为控制应用所必需的基本功能部件都集成在一个集成电路芯片上。

它由如下功能部件组成[9]：

（1）微处理器（CPU）

（2）数据存储器（RAM）

（3）程序存储器（4KFlashROM）

（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口.P1口、P2口、P3口）

（5）1个全双工串行口

（6）2个16位定时器/计数器

（7）中断系统

（8）特殊功能寄存器（SFR）

图3.1 89C51单片机片内结构

1CPU

89C51单片机中有1个8位CPU，与通用的CPU基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的位处理功能。

2数据存储器（RAM）

片内为256B，片外最多可扩展64KB。

片内128B的RAM以高速RAM的形式集成在单片机内，可以加快单片机运行的速度，而且这种结构的RAM还可以降低功耗。

3程序存储器（ROM）

程序存储器用来存储程序。

89C51片内集成有4KB的Flash存储器，片外可外扩至64KB。

4中断系统

5个中断源，2级中断优先权。

5定时器/计数器

片内有3个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。

6串行口

1个全双工的串行口，具有4中工作方式。

可进行串行通信，扩展并行I/O，甚至于多个单片机相连构成多级系统，从而使单片机的应用更广。

7P1口、P2口、P3口、P0口

4个8位并行I/O口。

8特殊功能寄存器（SFR）

共有21个特殊功能寄存器，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制和监视。

特殊功能寄存器实际上是片内各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器，这些特殊功能寄存器映射在片内RAM区80H~FFH的地址区间内。

二、AT89C51单片机引脚功能说明

如图3.2所示：

图3.2AT89C51引脚图

（1）电源引脚

VCC（40脚）：

接+5V电源

GND（20脚）：

接地。

（2）时钟引脚

XTAL1（19脚）：

片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。

XTAL2（18脚）：

片内振荡器反相放大器的输出端。

（3）控制引脚

RST（9脚）：

复位信号输入端，高电平有效。

单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平时，就可以对单片机完成复位操作。

EA/VPP（31脚）：

当EA引脚为高电平时，89C51单片机读片内程序存储器，但在PC值超过8KB时将自动转向外部程序存储器中的程序。

EA为低电平时，对程序存储器的读操作只先顶着外部程序存储器。

（4）I/O口引脚

P0口：

8位，漏极开路的双向I/O口。

当89C51扩展外部存储器及I/O借口芯片时，P0口作为地址总线低8位及数据总线的分时复用端口。

作为通用I/O口时需加上拉电阻，作为普通I/O口输入时应先向端口的输出锁存器写入1。

P1口：

8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

作为普通I/O输入时，先向端口输出锁存器写入1。

P2口：

8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻，作为普通I/O输入时同上。

P3口：

8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻，作为普通I/O输入时同上，P3口还可以提供第二功能，其第二功能定义如表3-1所示：

表3.1 P3口第二功能

引脚

第二功能

说明

P3.0

RXD

串行数据输入口

P3.1

TXD

串行数据输出口

P3.2

INT0

外部中断0输入

P3.3

INT1

外部中断1输入

P3.4

T0

定时器0外部技术输入

P3.5

T1

定时器1外部计数输入

P3.6

WR

外部数据存储器写选通输出

P3.7

RD

外部数据存储器读选通输出

3.1.2单片机最小系统

整个系统的核心部件就是单片机，搭建一个稳定的单片机最小系统对于系统的正常工作是很重要的，这里单片机的最小系统包括晶振电路、复位电路。

具体如图3.3所示

图3.3 单片机最小系统

其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。

时钟电路用于产生单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。

单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳