多路温度采集系统设计Word格式.docx
《多路温度采集系统设计Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多路温度采集系统设计Word格式.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
器
（AT89C51）
图1数字式多路温度采集系统结构框图
采用智能温度传感器（DS18B20）采集环境温度并进行简单的模数转换；
单片机（AT89C51）执行程序对温度传感器传输的数据进行进一步的分析处理，转换成环境对应的温度值，通过I/O口输出到数码显示管（LED）显示；
由键盘输入控制选择某采集电路检测温度及显示；
报警电路对设定的最高最低报警温度进行监控报警。
2.1温度采集电路设计
温度采样处理电路由温度传感器、放大电路、A/D转换电路等组成。
采用分块结构的温度采样处理电路，其硬件电路结构复杂，也不便于数据的处理。
采用智能温度传感器采样处理电路，能够方便的进行温度的采集及简单的数据处理。
并且可以达到设计的技术指标要求。
本系统选择智能温度传感器DS18B20作为温度采集电路的核心器件。
由DS18B20及辅助电路构成温度采集电路。
2.1.1DS18B20简介
（1）DS18B20的性能特点
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温度传感器相比，它能够直接读出被测温度，并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，可以在93.75ms至750ms内完成相应9位至12位的数字量转换。
它的测温精度可达到0.0625℃/LSB。
它的测温范围是-55～+125℃。
从DS18B20读出或写入信息仅需要一根口线，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，无需额外电源。
因而选用DS18B20是恰当的。
（2）DS18B20的外形和内部结构
DS18B20采用3脚PR-35封装，其外形和内部结构框图分别如图2、图3所示。
图2DS18B20外形结构图3DS18B20内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
64位光刻ROM的位结构图如图4所示。
64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。
图464位ROM结构
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个非易失性的可电擦除E2PRAM和一个高速暂存RAM。
E2PRAM包括存放高温度和低温度的触发器TH、TL和结构寄存器。
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。
高速暂存RAM的结构为9字节的存储器，结构图如图5所示。
头2个字节包含测得的温度信息。
第3、4字节是TH和TL的拷贝，每次上电复位时被刷新。
第5字节为配置寄存器，用于确定温度值的数字转换分辨率。
第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。
第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
第5字节配置寄存器各位的定义如图6所示；
低5位一直为1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式；
R1和R0决定温度转换的精度位数（即设置分辨率），定义方法见表1。
图5高速缓存RAM结构
图6配置寄存器
表1DS18B20分辨率的定义规定
R1
R0
分辨率/位
温度最大转换时间/ns
1
9
10
11
12
93.75
187.5
375
750
9位分辨率时，精度为0.5℃/LSB；
10位分辨率时，精度为0.25℃/LSB；
11位分辨率时，精度为0.125℃/LSB；
12位分辨率时，精度为0.0625℃/LSB。
转换精度越高所需转换时间越长。
为了达到本系统的技术指标，选择12位分辨率。
（3）DS18B20供电方式
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。
在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证测量精度。
所以本系统采用外部电源供电方式。
在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。
外部电源供电方式如图7所示。
在外部供电方式下，DS18B20的GND引脚必须接地，不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。
图7DS18B20外部电源供电
2.1.2温度采集电路结构
温度采集电路结构如图8所示。
图中给出了2路温度采集电路，2只智能温度传感器DS18B20的信号输出端都连接到单片机的P1.7端，电阻R6作为上拉电阻。
如果需要增加，可以在P1.7端再连接更多的智能温度传感器DS18B20。
工作时，由程序控制读取某智能温度传感器DS18B20采集的温度数据，送单片机处理。
图8多点温度采集电路
2.2单片机控制电路设计
单片机控制电路核心是单片机芯片，其加上工作基本电路，就可以展开控制工作。
2.2.1单片机芯片选择
MCS8031和AT89C51[2]都具有4个8位I/O接口，但MCS8031没有内部程序存储器，需要外接，增加了电路的复杂性；
AT89C2051和AT89C51都具有FlashROM，可以省去外接程序存储器；
但AT89C2051接口少，不利于功能扩展；
故选用AT89C51。
AT89C51单片机内部结构及主要性能特点：
40个引脚，双列直插式封装；
有4个8位I/O接口；
有全双工增强型UART,可编程串行通信；
2个16位定时/计数器；
5个中断源，2个中断优先级；
有片内时钟振荡器（全静态工作方式，0～24MHz）；
有128字节内部RAM，4KBFlashROM（可以擦除1000次以上，数据保存10年）；
电源控制模式灵活（时钟可停止和恢复，空闲模式，掉电模式）。
2.2.2AT89C51单片机工作基本电路设计
AT89C51单片机正常工作，必须连接基本电路。
基本电路包括晶振电路[3]和复位电路[4]。
（1）晶振电路
单片机的时钟信号通常有两种产生方式：
一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。
内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号。
外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。
本设计采用内部时钟方式，电路如图9中所示。
在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号。
C1和C2可以稳定振荡频率，并使快速起振。
本电路选用晶振12MHz，C1=C2=30pF。
（2）复位电路
复位是使单片机处于某种确定的初始状态。
单片机工作从复位开始。
在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机就执行复位操作。
复位操作有两种基本方式：
一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。
本设计采用后一种复位电路。
电路如图9中所示。
当RST获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。
若该高电平能保持足够2个机器周期，就可以实现复位操作。
选择C3=10µ
F，R1=10KΩ。
综上所述，单片机控制电路如图9所示。
图9单片机控制电路
2.3输入控制电路设计
输入控制电路由按键及其接口构成，键盘是单片机最简单的输入设备。
常用键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘。
本系统的输入控制简单，采用独立式键盘及接口电路[5]。
输入电路由2个按钮开关、2个10欧的限流电阻组成；
键扫描识别采用软件查询的方法。
电路如图10所示，各键功能如表2所示。
图10按键输入控制电路
表2各键功能
按键
键名
功能
S1
第一路温度
按键按下，LED数码显示管显示第一路温度。
S2
第二路温度
按键按下，LED数码显示管显示第二路温度。
2.4显示电路设计
显示电路采用LED数码管显示。
LED数码显示管有静态显示方式和动态显示方式，本系统采用串行输出[6]的静态显示方式。
利用4片串转并芯片74LS164将控制器输出的串行数据转换成并行数据输出，用来驱动4位LED数码显示管显示数据。
2.4.1LED数码显示管静态显示工作原理
LED显示器工作于静态显示方式时，各位的阴极（或阳极）选择线连接在一起并接地（或+5V）；
每位的段码线分别与1个8位的锁存器输出连接。
各LED显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止，直到送入另一个字符的段码为止。
静态显示可以得到较高的显示亮度。
静态显示有并行输出和串行输出两种方式。
并行输出显示的十进制位数多时，需要并行I/O接口芯片的数量较多。
串行输出可以大大节省单片机的内部资源。
2.4.2显示电路结构
显示电路由单片机AT89C51的P3.0端作数据输出，连接到低位74LS164的数据输入引脚端，其余3片74LS164的数据输入端分别接到它前面一位74LS164的数据输出端的最高位引脚端。
单片机AT89C51的P3.1、P1.4端分别接到一个与门电路的输入端，与门电路的输出端分别与每片74LS164的输出允许控制端相连接。
每片74LS164的输出端分别连接到一个数码显示管。
显示电路结构图如图11所示。
图11显示电路图
2.4.3显示电路工作过程
AT89C51单片机工作在串行口方式0下（移位寄存器方式），P3.0（RXD）为数据输出端，P3.1（TXD）为移位脉冲输出端，P1.4为74LS164允许输出控制端。
串行口发送缓冲区的数据在移位脉冲的作用下，一位一位地从P3.0口移入到74LS164中，并在控制信号的控制作用下，通过LED数码显示管显示。
2.5报警控制电路设计
报警控制电路采用压电式蜂鸣器作发声体，用三极管对蜂鸣器发声进行控制。
2.5.1报警控制电路结构
报警控制电路由单片机AT89C51的P3.7端作输出，通过一个限流电阻与三极管C945的基极相连接。
三极管C945集电极连接压电蜂鸣器（BUZZER）的一端。
压电蜂鸣器的另一端连接电源。
报警控制电路如图12所示。
图12报警工作电路
2.5.2报警控制电路工作过程
（1）压电蜂鸣器工作原理
压电蜂鸣器以压电陶瓷制作而成。
压电陶瓷是一类有将压力与电流相互转换能力的特殊陶瓷。
当压电陶瓷在一定方向上受到一个压力使其晶体结构发生形变时，它就会在内部产生一个电流，电流的变化与压力的变化密切相关。
反之，当在压电陶瓷上加上一定频率的电压，就会在内部产生一定频率的电流，从而就会引起压电陶瓷微小形变，这一形变带动空气发生振动。
如果频率适当，就产生蜂鸣声，可以被人耳所听见。
（2）报警控制电路工作过程
报警控制信号由单片机AT89C51的P3.7端输出，通过一个限流电阻加到三极管C945的基极。
当P3.7端的输出信号发生变化时，则三极管C945将交替的工作于截止、饱和状态，形成高低电平的波，从而使压电蜂鸣器发出声音。
2.6电源电路设计
电源电路[7]由变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和三端稳压电路构成。
其电路图如图13所示，图中“output”端输出为+5V。
图13电源电路
电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。
三端式稳压器只有输入、输出和公共引出端，由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。
在本系统中，要求电源电压为+5V，由于三端式稳压器输出电压固定，故在设计中选择三端式稳压器L7805。
三端式稳压器的输入与输出之间电压差为2～3V，整流桥的输出电压是输入电压（有效值）的1.2倍，根据有效值与峰-峰值的关系选择220V/6V的变压器。
由于L7805的最大输出电流为1A，电压为稳定的+5V，输出功率为5W，加上三端式稳压器L7805的消耗，故本系统选择降压比为220V/6V、功率为10W的变压器。
图13中C4、C5为低频滤波电容，根据经验选择电解电容，其容值分别为C4=220μF、C5=47μF；
C6、C7为高频滤波电容，均选0.1μF的无极性电容。
发光二极管用于指示电源是否接通，选择FG1112004发光二极管，根据FG1112004正向电流为5mA及管压降为+2V，选择限流电阻R5=680Ω。
2.7数字式多路温度采集系统元件清单
数字式多路温度采集系统元件清单，见附录
（1）。
2.8数字式多路温度采集系统电路图
数字式多路温度采集系统原理图，见附录
（2）（图14）
数字式多路温度采集系统印刷电路板图，见附录（3）（图15）
3数字式多路温度采集系统程序设计
3.1主程序设计
主程序[8]主要功能是控制调用子程序，实现温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值（温度测量每1s进行一次）。
其程序流程图如图16所示。
图16数字式多路温度采集系统主程序流程图
3.2子程序设计
3.2.1DS18B20的通信协议
根据DS18B20的通讯协议[7]，主机（单片机AT98C51）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行初始化操作，初始化成功后发送一条存储器操作命令（ROM指令），最后处理数据（发送RAM指令），这样才能对DS18B20进行预定的操作。
所用各ROM、RAM操作指令分别如表3、表4所示。
表3ROM指令表
指令
约定代码
读ROM
33H
读DS18B20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DS18B20使之做出响应,为下一步对该DS18B20的读写做准备.
搜索ROM
0F0H
用于确定挂接在同一总线上DS18B20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DS18B20发温度变换命令。
适用于单片工作。
告警搜索命令
0ECH
执行后温度超过设定值上限或下限的片子才能做出响应。
表4RAM指令表
温度转换
44H
启动DS18B20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。
3.2.2子程序
（1）键盘扫描子程序
键盘扫描子程序对按下的键进行判断，并转到按下的相应键对应的程序段，执行相应的功能。
其程序流程图如图17所示。
（2）温度转换命令子程序
温度转换命令子程序主要是发送温度转换开始命令。
在发送匹配ROM命令后，紧跟着发送要进行测温的DS18B20的64位ROM序列（这个序列号一般由厂方提供或通过实验的方式获得）。
采用12位分辨率，转换时间约为750ms。
其程序流程图如图18所示。
图17键盘扫描子程序流程图图18温度转换命令子程序流程图
（3）读出温度子程序
读出温度子程序主要功能是读出RAM中的9个字节，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。
其程序流程图如图19所示。
（4）计算温度子程序
从DS18B20读取出的二进制值必须先转换成十进制值，才能用于字符的显示。
在系统采用12位转换精度，温度寄存器里的值是以0.0625为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以0.0625，就是实际的十进制温度值。
通过观察可以发现一个十进制值和二进制值之间有很明显的关系。
低字节的高半字节乘以0.0625恰好就是原整数。
因此，把二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一个字节，这个字节的二进制值化为十进制值后，就恰好是温度值的百、十、个位值；
剩下的低字节的低半字节化成十进制后，就是温度值的小数部分。
小数部分因为是半个字节，所以二进制值范围是0～F，转换成十进制小数值就是0.0625的倍数。
这样需要4位的数码管来显示小数部分，实际应用不必有这么高的精度，采用1位数码管来显示小数，可以精确到0.1℃。
表5就是二进制和十进制小数的近似对应关系。
其程序流程图如图20所示。
表5小数部分二进制和十进制的近似对应关系表
小数部分
二进制数
2
3
4
5
6
7
8
A
B
C
D
E
F
十进制数
图19读出温度子程序流程图图20计算温度子程序流程图
（5）显示数据刷新子程序
显示数据刷新子程序[9]主要是对显示缓冲区中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。
其程序流程图如图21所示。
图21显示数据刷新子程序流程图图22报警控制子程序流程图
（6）报警控制子程序
当设定的最高报警温度值大于显示缓冲区中的数据时，发出报警，提示温度超过设定的最大值。
其程序流程图如图22所示。
3.3数字式多路温度采集系统控制源程序
数字式多路温度采集系统控制源程序，见附录（4）。
4系统调试及性能分析
4.1系统调试
系统调试分为硬件调试和软件调试两步。
（1）硬件调试
硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确及电路中有没有虚焊等问题，然后可用万用表测试或通电检测电路。
（2）软件调试
软件调试以程序为主。
先编写一段显示程序对硬件的正常工作进行检验，然后进行主程序、匹配ROM子程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等的编程及调试。
软件调试到能显示温度值，而且在有温度变化时（例如用手去接触）显示温度能够改变就基本完成软件调试。
由于DS18B20与单片机采用单线串行数据传送，因此，对DS18B20进行读写编程时必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测量结果。
4.2系统性能分析
用制作的测温系统和已有的成品温度计（如水银温度计）来同时测量环境温度，并对测量的结果进行比较分析。
由比较分析及DS18B20的特点可得，用本系统进行测温时，精度很高，误差指标可以限制在0.1℃以内；
另外在-55～+125℃的测温范围内使得该系统完全适合一般的应用场合。
5结束语
数字式多路温度采集系统具有温度采集、显示、简单的人机对话及报警功能。
它的测温范围宽（-55～+125℃），测量精度可通过编程调节，最高精度可达到0.0625℃/LSB。
本系统主要是适用于采集显示温度，不具备控制调节温度功能。
但能够进行硬件和软件功能扩展。
在硬件扩展后，通过软件编程实现控制功能扩展。
例如当环境温度达到一定值时，通过软件编程进行判断，从主控制器的一个I/O端口输出一个控制指令，去驱动外部的控制电路工作，从而调节环境温度，使环境温度达到人们所需的要求。
因此在人们健康意识日益提高的今天有很好的市场推广前景。
参考文献
[1]李光飞．单片机课程设计实例指导[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2004：
105-106．
[2]余永权．ATMEL系列单片机应用技术[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2002：
25-26．
[3]张毅刚．单片机原理及应用[M]．北京：
高等教育出版社，2004：
31-33．
[4]李玉峰．MCS-51系列单片机原理与接口技术[M]．北京：
人民邮电出版社，2004：
26-27．
[5]陈明荧．8051单片机课程设计实训教材[M]．北京：
清华大学出版社，2004：
28-30．
[6]李全利．单片计原理及接口技术[M]．北京：
117-149．
[7]康华光．电子技术基础（模拟部分）[M]．北京：
高等教育出版社，1999：
444、446、455．
[8]周航慈．单片机程序设计基础[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2003．
[9]胡健．单片机原理及接口技术实践教程[M]．北京：
机械工业出版社，2004．
致谢
附录
附录
（1）数字式多路温度采集系统元件清单
编号
元件名称
型号及规格
数量
单片机芯片
AT89
升级会员 