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3系统总体方案及硬件设计11
3.1AT89C51单片机的最小相系统11
3.2DS18B20的I/O接线图12
3.3数据显示部分12
3.4整体电路12
4基于单片机多机温度检测系统软件设计13
4.1概述13
4.2主程序方案13
4.3DS18B20程序14
4.4各模块工作流程图15
5Proteus软件仿真18
课程设计体会18
参考文献18
概述
1.1课题背景
在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。
首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域：
消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械…等设备温度过热检测。
温度检测系统应用十分广阔。
1.2系统概述
本设计运用主从分布式思想，由上位机，下位机多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。
该系统采用RS-232串行通讯标准，通过上位机控制下位机进行现场温度采集。
温度值由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。
上位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。
DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。
本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。
如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械等。
温度检测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。
所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：
温度传感器的选择和主控单元的设计。
温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。
2系统设计
2.1主控制部分设计
此方案采用AT8CS51八位单片机实现。
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DS18B20控制工作，还可以与PC机通信.运用主从分布式思想，由一台上位机，下位机多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。
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
2.1.1对AT89C51功能的认识
AT89C51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，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89C51具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT8CS51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
图1AT89C51
2.2传感器部分设计
在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。
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，省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。
在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
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DS1820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点测量.轻松的组建传感器网络。
采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。
部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。
而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。
所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。
本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。
系统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。
设计一种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。
该系统采用的是RS-232串行通讯的标准，通过上位机进行现场的温度采集，温度数据既可以由下位机模块实时显示，也可以送回上位机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。
2.2.1对DS18B20功能的认识
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式。
测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。
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，测量温度范围为-55°
C~+125°
C，在-10~+85°
C范围内,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。
DS18B20采集被控对象的实时温度并从单片机的P1.6口输入，R3为上拉电阻。
电路采用数字信号输出可提高信号抗干扰能力和温度测量精度。
电路工作电压使用范围为3.0～5.5V，采用外部供电方式。
图2DS18B20
2.2.2DS18B20
（1）DS18B20内部结构如下图所示。
图3DS18B20内部框图
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，其各位定义如图所示。
TM
R1
R0
1
MSB
DS18B20配置寄存器结构图
LSB
其中，TM：
测试模式标志位，出厂时被写入0，不能改变；
R0、R1：
温度计分辨率设置位，其对应四种分辨率如下表所列，出厂时R0、R1置为缺省值：
R0=1，R1=1（即12位分辨率），用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。
配置寄存器与分辨率关系表：
温度计分辨率/bit
最大转换时间/us
9
93.75
10
187.5
11
375
12
750
（2）高速暂存存储器
后，经转换所高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如下图所示。
当温度转换命令发布得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。
单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如图所示。
对应的温度计算：
当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；
当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。
温度低位
温度高位
TH
TL
配置
保留
8位CRC
DS18B20存储器映像图
温度值格式图DS18B20温度数据表：
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
S
26
25
24
对DS18B20的设计，需要注意以下问题
（1）对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20进行操作，需要用较为复杂的程序完成。
编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行，读、写时间片程序要严格按要求编写。
尤其在使用DS18B20的高测温分辨力时，对时序及电气特性参数要求更高。
（2）有多个测温点时，应考虑系统能实现传感器出错自动指示，进行自动DS18B20序列号和自动排序，以减少调试和维护工作量。
（3）测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。
DS18B20在三线制应用时，应将其三线焊接牢固；
在两线应用时，应将VCC与GND接在一起，焊接牢固。
若VCC脱开未接，传感器只送85.0℃的温度值。
（4）实际应用时，要注意单线的驱动能力，不能挂接过多的DS18B20，同时还应注意最远接线距离。
另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。
3基于单片机的多机温度检测系统硬件设计
3.1AT89C51单片机的最小相系统
图4AT89C51最小相系统
3.2DS18B20的I/O接线图
图5DS18B20接线图
3.3数据显示部分
图6数据显示部分
3.4整体电路
见附件二：
系统原理图
4基于单片机的多机温度检测系统软件设计
4.1概述
整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。
从软件的功能不同可分为两大类：
一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。
二是执行软件（子程序），它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。
每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。
这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。
各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。
首先要根据系统的总体功能和键盘设置选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。
4.2主程序方案
主程序调用了数码管显示程序、温度测试程序、中断控制程序、单片机与PC机串口通讯等程序。
温度测试程序：
对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。
数码管显示程序：
向数码的显示送数，控制系统的显示部分。
中断控制程序：
实现循环显示功能。
串口通讯程序：
实现PC机与单片机通讯，将温度数据传送给PC机
将各个功能程序以子程序的形式写好，当写主程序的时候，只需要调用子程序，然后在寄存器的分配上作一下调整，消除寄存器冲突和I/O冲突即可。
4.3DS18B20程序
4.3.1DS18B20初始化子程序
DS18B20的使用必须遵循初始化到ROM操作命令到存储器操作命令的规定协议。
每完成一次测温，要重新进行初始化。
单片机先发一个复位脉冲，保持低电平时间最少480μs，最多不能超过960μs。
然后，单片机释放总线，等待DS18B20的应答。
DS18B20在接收到复位脉冲后等待15～60μs发出应答脉冲，应答脉冲持续60～240μs。
4.3.2DS18B20写控制字子程序
当主机把数据线从逻辑高电平拉到逻辑低电平的时候，写时间开始。
写一位数据最少需要60μs，两个数据位之间最少有1μs的间隔。
I/O总线拉低后，DS18B20在15μs后开始采样，如果线上是高电平，就写1，如果线上是低电平，就写0，写时间需要15～75μs，且在2次独立的写时间之间至少需要1μs的恢复时间。
4.3.3DS18B20读出温度子程序
当主机把数据线从高电平拉到低电平时，读时间开始。
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
读时间需15～60μs，且在2次独立的读时间之间至少需要1μs的恢复时间。
DSl8B20在读时间开始15μs后开始采样总线电平。
4.3.4DS18B20温度转换子程序
温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，DS18B20用12位存贮温度值，最高位为符号位，低四位为小数，最高精度可达0.0625度。
温度数据转换完成的任务是把用二进制表示的温度转换成1个字节的两位压缩BCD码。
转换的方法有两种，一种是通过计算，另一种是通过查表，该装置设计方案采用前者。
计算温度子程序温度读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判断。
4.4各模块工作流程图
4.4.1上位机工作过程
图7上位机工作流程图
4.4.2DS18B20工作过程
图8DS18B20工作流程图
本次通讯中，测控系统分位上位机和下位机之间的通信，系统中单片机负责数据采集、处理和控制，上位机进行现场可视化检测，通信协议采用半双工异步串行通信方式，通过RS232的RTS信号进行收发转换，传输数据采用二进制数据，上位机与下位机之间采用主从式通讯。
4.4.3下位机接收过程
图9下位机工作流程图
下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。
5Proteus软件仿真
通过PROTEUS把上面电路图连好，通过检测证明图无误的话，然后再把已经写好的程序运行一下，检测程序无错误的话，就直接通过PROTEUS将程序输进去，然后再直接编译一下，就可以的到上面的图。
设计体会
辛苦忙碌了几天，我们的单片机课程设计课题也告一段落。
设计实物也基本达到预期的效果，但由于能力和时间的关系，总是觉得有很多不尽人意的地方，譬如功能不全、外观粗糙……数不胜数。
但我们可以自豪的说，这里面的每一段代码，都有我们的劳动。
当看着我们的程序，我们成天相伴的系统能够正常的运行，真是莫大的幸福和欣慰。
我们相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。
单片机课程设计，也许是我们大学生涯交上的最后一个作业了。
想借此机会感谢一直以来给我们帮助的所有老师、同学，你们的友谊是我们人生的财富，是我们生命中不可或缺的一部分。
这次做课程设计的经历也会使我们终身受益，我们感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有认真研究，就不会有所突破，希望这次的经历能让我们在以后学习中激励着我们继续进步。
参考文献
[1]单片机课程设计指导，中南大学出版社，张一斌等2009年9月
[2]单片机实验与实践教程，北京航空航天大学出版社，何立民等2004年7月
[3]THKSCM-1型单片机实验系统实验指导书、KEIL软件，WAVE软件
[4]数字控制与PLC实验室”THKSCM-1型单片机实验系统”。
[5]单片机原理及应用技术余发山,王福忠主编,
[6]数字温度传感器DS18B20及其应用.pdf
[7]余永权.ATMEL89系列单片机应用技术[M].
[8]贾振国.DS1820及高精度温度测量的实现［J］.电子技术应用，2000
（1）：
58-59.
[9]北京:
北京航空航天大学出版社2002.
[10]徐州；
中国矿业大学出版社2008.
附件一：
源程序代码
TEMP_ZHEQU24H;
实时温度值存放单元
TEMPLEQU25H;
低温度值存放单元
TEMPHEQU26H;
高温度值存放单元
TEMP_THEQU27H;
高温报警值存放单元
TEMP_TLEQU28H;
低温报警值存放单元
TEMPHCEQU29H;
存十位数BCD码
TEMPLCEQU2AH;
存个位数BCD码
;
--------------------------------
K1EQUP2.1
K2EQUP2.2
K3EQUP2.3
K4EQUP2.4
SPKEQUP3.4
RELAYEQUP2.0
XEQU2FH;
LCD地址变量
--------------------------------
RSEQUP3.5
RWEQUP3.6
EEQUP3.7
FLAGEQU20H.0;
DS18B20是否存在标记
KEY_UDEQU20H.1;
设定KEY的UP与DOWN标记
DQEQUP2.5
========================主程序==========================
MAIN:
ACALLSET_LCD;
LCD初始化设置子程序
ACALLWR_THL;
将报警上下线写入暂存寄存器
TOOP:
ACALLRESET_1820;
18B20复位子程序
JNBFLAG,TOOP1;
DS1820不存在
ACALLMEU_OK;
显示"
OK"
菜单
ACALLRE_THL;
把EEROM里温度报警值拷贝回暂存器
ACALLTEMP_BJ;
显示温度标记"
C"
JMPTOOP2
TOOP1:
ACALLMEU_ERROR;
ERROR"
显示温度标记
JMP$
--------------------------
TOOP2:
ACALLRE_TEMP
ACALLSET_DATA
ACALLTEMP_COMP;
实际温度值与标记温度值比较子程序
ACALLP_KEY;
键扫描子程序
SJMPTOOP2
－－－－－－－－－读取温度数据子程序－－－－－－－－－
RE_TEMP:
18B20复位子程序
MOVA,#0CCH;
跳过ROM匹配
ACALLWRITE_1820;
写入子程序
MOVA,#44H;
发出温度转换命令
调写入子程序
调复位子程序
MOVA,#0BEH;
发出读温度命令
写入子程序
ACALLREAD_1820
JMPPK2;
转到标号PK2处
PK1:
;
按键K2处理
JBK2,PK3;
K2键未按，转到PK3处
ACALLSPK_BZ;
K2键按下，一声鸣响
JNBK2,$;
等按键放开
MOVDPTR,#TA1;
存#TA1表
MOVA,#1
ACALLLCD_PRINT;
显示字符
ACALLSET_ALARM;
设定报警值TH、TL
将设定的TH,TL值写入DS18B20内
ACALLWRITE_E2;
PK2:
显示温度标记
PK3:
RET
-----------------------------------
TA1:
DB"
RESETALERTCODE"
－－－－－－－－－－设定报警值TH、TL子程序－－－－－－－－－
ACALLSPK_BZ
INCTEMP_TH
MOVA,TEMP_TH
CJNEA,#120,A4
MOVTEMP_TH,#0
A4:
ACALLLOOK_ALARM
MOVR5,#10
ACALLDELAY
JMPA3
A5:
JBK3,A7;
TL值调整（增加）
INCTEMP_TL
MOVA,TEMP_TL
CJNEA,#99,A6
MOVTEMP_TL,#00H
A6:
ACALLLOOK_ALARM;
JMPA5
A7:
JBK4,A0;
确定调整OK
JNBK4,$
A8:
升级会员 