基于单片机的多点温度测量系统设计doc.docx

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基于单片机的多点温度测量系统设计doc

课程设计（论文）

题目名称基于单片机的多点温度测量系统设计

课程名称单片机原理及应用

学生姓名刘道文

学号1241403034

系、专业魏源国际学院，12电气班

指导教师尹进田

2014年7月4日

摘要

通过运用DS18B20数字温度传感器的测温原理和特性，利用它独特的单线总线接口方式，与AT89C51单片机相结合实现多点测温。

并给出了测温系统中对DS18B20操作的C51编程实例。

实现了系统接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳定等特点。

本文介绍基于AT89C51单片机、C语言和DS18B20传感器的多点温度测量系统设计及其在Proteus平台下的仿真。

利用51单片机的并行口，同步快速读取8支DS18B20温度，实现了在多点温度测量系统中对多个传感器的快速精确识别和处理，并给出了具体的编程实例和仿真结果。

关键词：

单片机；DS18B20数字温度传感器；Proteus仿真；C51编程

1绪论

1.1温度智能测控系统的研究背景与现状分析

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、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，同时它也是一种最基本的环境参数。

人民的生活与环境温度息息相关，物理、化学、生物等学科都离不开温度。

在工业生产和实验研究中，在电力、化工、石油、冶金、机械制造、大型仓储室、实验室、农场塑料大棚甚至人们的居室里经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对环境温度进行控制。

比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行。

炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分流才能得到汽油、柴油、煤油等产品；没有合适的温度环境，许多电子设备不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。

可见，研究温度的测量具有重要的理论意义和推广价值。

随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日益突出，成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。

本设计就是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方面的需求。

本设计要求系统测量的温度的点数为4个，测量精度为0.5℃，测温范围为-20℃～+80℃。

采用液晶显示温度值和路数，显示格式为:

温度的符号位,整数部分,小数部分,最后一位显示℃。

显示数据每一秒刷新一次。

21世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于生产的各个领域。

对于本次设计，其目的在于：

1.掌握数字温度传感器DS18B20的原理、性能、使用特点和方法，利用C51对系统进行编程。

2.本课题综合了现代测控、电子信息、计算机技术专业领域方方面面的知识，具有综合性、科学性、代表性，可全面检验和促进学生的理论素养和工作能力。

3.本课题的研究可以使学生更好地掌握基于单片机应用系统的分析与设计方法，培养创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，提高电子产品研发素质、增强针对实际应用进行控制系统设计制作的能力。

至单片机AT89C51的8个通用I/O端口。

单片机获得温度信息后，通过特定的算法，将处理后的温度信息通过LED显示出来，同时通过串行口送上位机处理。

每个端口只连接一个温度传感器件，也即一条一线制总线上仅有一个DS18B20。

并在Keil环境下编辑应用软件程序，通过Proteus和Keil的联合实现该多点温度测量系统的设计、调试和仿真。

1.2温度智能测控系统的工作原理

课题采用由Dallas公司生产的智能数字温度传感器DS18B20和Atmel公司推出的单片机AT89C51以及相关外围电路实现高精度、多点温度测量系统。

同时本设计在单片机系统设计主流EDA软件Proteus环境下完成，能够及时观察效果和修改软硬件。

本系统采用8片DS18B20构成小型温度传感器网络，通过并行连接方式连接至单片机AT89C51的8个通用I/O端口。

单片机获得温度信息后，通过特定的算法，将处理后的温度信息通过LED显示出来，同时通过串行口送上位机处理。

每个端口只连接一个温度传感器件，也即一条一线制总线上仅有一个DS18B20。

并在Keil环境下编辑应用软件程序，通过Proteus和Keil的联合实现该多点温度测量系统的设计、调试和仿真。

2单片机简介

单片微型计算机自20世纪70年代问世以来，以对人类社会产生了巨大的影响。

尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在世界范围内已经得到广泛的普及和应用。

而且随着以MCS-51单片机基本内核为核心的各种扩展型、增强型的新型单片机不断推出，MCS-51系列仍是我国单片机应用领域的主流机型。

目前在工业控制、智能仪器仪表、办公室自动化、家用电器等诸多领域，到处都可看见单片机的踪影，单片机技术开发和应用高水平已成为一个国家工业化水平的标志之一。

2.1单片机的定义

单片机是在一块半导体上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM、ROM、EPROM）和各种输入、输出接口（定时计数器，并行IO口，串行口，A/D转换器以及脉宽调制器PWM等），这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因此被称为单片微型计算机，简称单片机。

单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，单片机以小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、应用温度范围宽等优点。

图2.1AT89C51方框图

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

功能强大AT89C51单片机可提供高性价比的应用场合，可灵活运用与各种控制领域。

AT89C51方框图2.1。

2.2单片机的基本结构

1.微处理器（CPU）

MCS-51单片机中有1个8位的CPU，包括运算器和控制器两大部分，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。

例如：

位处理、查表、状态检测、中断处理等。

2.内部数据存储器（RAM）

单片机芯片共有256个RAM单元，其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。

因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。

地址范围为00H~FFH（256B）。

片外最多可外扩64KB。

RAM是一个多用多功能数据存储器，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址等空间。

3.内部程序存储器（ROM）

单片机内部有4KB的ROM，用于存放程序、原始数据或表格。

因此称之为程序存储器，简称内部RAM。

地址范围为0000H~FFFFH（64KB）。

片外最多可外扩64KB。

4.定时器/计数器

单片机共有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。

定时时靠内部分频时钟频率计数实现，做计数器时，对P3.4（T0）或P3.5（T1）端口的低电平脉冲计数。

5.并行I/O口

MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）以实现数据的输入输出。

6.串行口

MCS-51单片机有一个全双工的串行口，具有4种工作方式，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。

该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为移位器使用。

RXD（P3.0）脚为接收端口，TXD（P3.1）脚为发送端口。

7.中断控制系统

MCS-51单片机的中断功能较强，以满足不同控制应用的需要。

共有5个中断源，即外中断2个，定时中断2个，串行中断1个，全部中断分为高级和低级共二个优先级别。

8.时钟电路

MCS-51单片机芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。

时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。

系统允许的晶振频率为12MHZ等。

9.特殊功能寄存器（SFR）

特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。

实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

2.3单片机执行指令的过程

单片机执行程序的过程，实际上就是执行所编制程序的过程。

即逐条指令的过程。

计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。

即取指令-----分析指令-----执行指令。

取指令的任务是：

根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。

分析指令阶段的任务是：

将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。

如指令要求操作数，则寻找操作数地址。

计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令可循环等待指令。

2.4单片机的特点

单片机应用在检测控制领域中，具有如下特点：

1.小巧灵活、成本低、易于产品化。

2.可靠性好，适应温度范围宽。

3.易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。

4.可以很方便的实现多机和分布式控制系统。

5.具有优异的性能价格比。

6.存储器ROM和RAM是严格分工的。

7.采用面向控制的指令系统。

8.输入/输出（I/O）端口引脚通常设计有多种功能。

9.品种规格的系列化。

10.功率消耗低。

所以从工业自动化、智能仪器仪表、消费类电子产品、通信方面、家用电器方面等，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。

综观单片机几十年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内存储器容量增加和Flash存储器化方向发展。

可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成的和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便。

此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。

3数字温度传感器DS18B20原理

3.1概述

温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。

超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。

对于我们普通的电子爱好者来说，DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。

了解其工作原理和应用可以拓宽您对单片机开发的思路。

DS18B20器件具体的封装形式如图3.1所示：

图3.1DS18B20器件具体的封装形式图

3.2主要特征

DS18B20的主要特征：

*全数字温度转换及输出。

*先进的单总线数据通信。

*最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。

*12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。

*可选择寄生工作方式。

*检测温度范围为–55°C~+125°C（–67°F~+257°F）

*内置EEPROM，限温报警功能。

*64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。

*多样封装形式，适应不同硬件系统

3.3引脚功能

•GND电压地

•DQ单数据总线

•VDD电源电压

•NC空引脚

•DQ一线制总线（输入/输出）

3.4工作原理及应用

　　DS18B2