基于单片机的温度检测和报警系统.docx
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基于单片机的温度检测和报警系统
毕业设计说明书（论文）的有关要求
对毕业设计说明书（论文）的有关要求如下：
一、说明书（论文）的编写格式。
说明书（论文）的编写格式一般应包括下述七个部分：
1毕业设计（论文）题目
2目录
3摘要
在正文前应有200字左右的论文摘要，提倡用英文书写（不用也可）。
4前言
前言应说明选题的题目，提出选题的依据，进行题目调查与资料收集过程，研究该题目的背景，选题状况简介，以及协作人员和其他应说明的问题；
5正文
正文是毕业设计说明书（论文）的主体部分，包括所选题目的
（1）系统设计思想
a原理框图
b原理概述
（2）系统硬件设计
a硬件电路图
b硬件电路图说明（包括其中所用特殊芯片功能及使用说明）
（3）系统软件设计
a程序流程图
b程序清单
（4）系统软硬件调试注意事项与要点。
6结论
结论一般包括研究成果、建议和建议被采纳的可能性；
7参考文献
参考文献应列出撰写论文时参考了哪些主要书刊、资料，包括书刊名称、作者、出版单位及时间等。
二、说明书（论文）的规格
说明书（论文）一律要求用统一规格的16开白纸打印。
图表要清晰，卷面要整洁，封面和插页格式要符合我院的统一规定。
字数不能少于1.5万字。
特别要注意标题层次标识规范
科技论文的各层次标题一律用阿拉伯数字连续编码，不同层次的2个数字之间用下圆点“.”分隔开，末位数字后面不加点号。
如“1”，“1.2“3.5.1”等；各层次的标题序号均左顶格排写，最后一个序号之后空一个字距接排标题。
示例如下。
0引言
1长途运输的试验
1.1试验方案
1.1.1运输工具的选择
三、说明书（论文）的编排
卷首要有目录及编号，卷本用小四号字体，卷本应附有参考文献和资料清单。
大量的表格和计算结果也可作为附录附后。
四、说明书（论文）的装订
说明书（论文）装订自上而下依次为论文封面、毕业设计（论文）任务书、毕业设计（论文）目录、论文摘要、毕业设计（论文）正文、参考书目。
绘制的图纸如面积超标折叠后装订在毕业设计（论文）中。
五、说明书（论文）的存档
毕业答辩后，学生将毕业设计（论文）电子版、毕业设计（论文）一起装入专用袋中存档。
目录
论文摘要........................................................................................6
前言...............................................................................................8
1.任务分析………………………………………………………….10
2.单片机的概况...........................................................................14
2.1单片机的发展历史..................................................................14
2.2单片机的应用........................................................................15
2.2.1单机用..........................................................................16
2.2.2多机用..........................................................................17
2.3MCS-51系列单片机的主要产品.................................................17
3.传感器概况................................................................................18
2.1传感器机概述..........................................................................18
2.2传感器工作原理.......................................................................20
2.3驱动电路................................................................................20
4原理分析.................................................................................20
4.1、DS18B20的主要特性..............................................................21
4.2、DS18B20的外形和内部结构…………………………………..21
4.3、DS18B20工作原理…………………………………………….22
4.4DS18B20有4个主要的数据部件:
……………………………...22
4.5高速暂存存储器.…………………………………………….24
5.系统硬件设计......................................................................25
5.1硬件电路图（图4）...................................................................25
5.2原理图................................................................................25
5.3DS18B20集成温度传感器的结构及原理.....................................26
5.3.1结构.…………………………………………………26
5.3.2DS1820使用中注意事项................................................29
5.59S51系列单片机的内部结构…………………………………315.5.19S51的工作原理…………………………………………….31
原理图………………………………………………..316软件程序…………………………………………………………33
6.1软件设计流程图……………………………………………….33
6.2程序清单（c语言）…………………………………………..33
7.系统软硬件调试…………………………………………………37
7.1系统的硬件调试………………………………………………..38
7.1.1常见的硬件故障…………………………………………..387.1.2操作时序.....................................................................39
7.1.3DS18B20的操作模块………………………………407.1.4FPGA与CPU的接口……………………………………43
7.2系统的软件调试…………………………………………………44
7.2.1常见的软件错误……………………………………………44
7.2.2软件调试方法……………………………………………….44
7.2.3DS18B20温度传感器程序详解 …………………………. 46
总结................................................................................................52
参考文献.........................................................................................53
论文摘要
本次毕业设计的主要内容是，采用89S51或MotorlaAVR等8位单片机,传感器采用TMP03或DS18B20集成温度传感器;实现对-20-+80摄氏温度范围之内的物体温度检测及超温报警
本仪表最多可配接96支DS18B20温度传感器形成多点测量系统，适用于仓储（粮库、仓库）、楼宇、农业大棚等的温度测量、报警、记录。
1、-55℃～+125℃测量范围，0.06℃测温分辨率。
-20～80℃范围内基本测量精度±0.5℃。
具有标定、修正功能。
2、多重保护、隔离设计，抗干扰能力强、可靠性高。
3、丰富的软件功能及方便的操作界面。
4、完善的网络通讯功能。
与计算机进行高速、高效的双向数据交换。
具备远程调试、诊断、数据采集能力。
5、良好的软件平台，具备二次开发能力，以满足特殊的功能要求。
6、可自动识别传感器数量，并自动为传感器排序，并保持顺序不变，大大方便系统维护。
技术指标输入：
通道数：
2～96通道。
DS18B20数字温度传感器精度：
测量精度：
-10～85℃范围内基本测量精度±0.5℃ 设定精度：
与显示值一致无相对误差。
显示：
2位LED通道号显示4位LED测量值显示各通道报警状态指示灯报警：
4种测量报警方式。
2点公用报警继电器输出传感器故障继电器输出。
（扩展功能）多点控制继电器输出（扩展功能）输出继电器触点容量，AC250V、2A（阻必负载）电源：
V0：
AC90~260VAC 耗电量10VA以下电压：
V1：
DC20~28V耗电量8VA以下环境：
温度：
0~50℃特点：
1.体积小,安装方便2.可联网,方便分散点测量3.三线/二线连接方式，本仪表采用三线方式4.测量范围-55℃～+125℃5.测量精度:
±0.5℃6.分辨率0.0625℃本仪表每组测量输入可配接32支DS18B20温度传感器
前言
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20测温原理如图所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－20℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程用于修器值。
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-20C~+80C范围内,精度为0.5C。
DS1822的精度较差为2C。
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。
与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小。
DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为0.5C。
可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。
分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
DS18B20的性能是新一代产品中最好的！
性能价格比也非常出色！
DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。
省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为2C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。
继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。
DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
一、任务分析
1本仪表最多可配接96支DS18B20温度传感器形成多点测量系统，适用于仓储（粮库、仓库）、楼宇、农业大棚等的温度测量、报警、记录。
1、-20℃～+80℃测量范围，0.06℃测温分辨率。
具有标定、修正功能。
2、多重保护、隔离设计，抗干扰能力强、可靠性高。
3、丰富的软件功能及方便的操作界面。
4、完善的网络通讯功能。
与计算机进行高速、高效的双向数据交换。
具备远程调试、诊断、数据采集能力。
5、良好的软件平台，具备二次开发能力，以满足特殊的功能要求。
6、可自动识别传感器数量，并自动为传感器排序，并保持顺序不变，大大方便系统维护。
2、技术指标输入：
通道数：
2～96通道。
DS18B20数字温度传感器精度：
测量精度：
-10～85℃范围内基本测量精度±0.5℃ 设定精度：
与显示值一致无相对误差。
显示：
2位LED通道号显示4位LED测量值显示各通道报警状态指示灯报警：
4种测量报警方式。
2点公用报警继电器输出传感器故障继电器输出。
（扩展功能）多点控制继电器输出（扩展功能）输出继电器触点容量，AC250V、2A（阻必负载）电源：
V0：
AC90~260VAC 耗电量10VA以下电压：
V1：
DC20~28V耗电量8VA以下环境：
温度：
0~50℃湿度：
20~90%RH
3DS18B20的内部结构
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。
DS18B20的管脚排列如下:
DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
光刻ROM中的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。
64位光刻ROM的排列是：
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（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
4.DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。
第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
该字节各位的意义如下：
TMR1R011111
低五位一直都是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。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
分辨率设置表:
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
根据DS18B20的通讯协议，主机控制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进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
5.DS1820使用中注意事项
DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。
（2）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
（3）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。
试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞
线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。
这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
（4）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
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。
二、单片机的概况
2.1单片机的发展历史
在微型计算机的大家庭中，单片机以其独特的魅力异军突起，并且发展迅速。
美国Fairchild公司在年生产出了第一台8位单片机；Intel公司在1976年9月又推出了MCS-48系列单片机。
而后断断几十年中，单片机如雨后春笋般涌现出来，其中比较典型的有GI公司、Rockwell公司、Intel公司、Zilog公司、Motorola公司、NEC公司等世界上几大计算机公司推出的系列产品。
它们从原来的4位单片机已经发展到现在的8位和16位单片机，甚至位超大规模集成电路单片机（如T414）也开始投入使用。
同时单片机的性能也在不断提高。
如Intel公司的8096单片机，它拥有16的CPU和8KB的片内ROM、256B的
片内RAM；它可以进行加、减、乘、除运算和8级中断嵌套，且中断源多达21个；它的时钟频率为12MHz，并具有8个模拟量输入通道、10位A/D转换器、全双工异步通信接口和4个16位可编程定时器。
2.2单片机的应用
单片机具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、低功耗、低电压、低价格等优点，因此在许多行业得到了广泛应用在航天航空、地质石油、冶金采矿、机械电子等许多领域中，单片机发挥了巨大作用。
单片机主要应用于控制领域中单片机应用的意义不仅限于它广泛的应用范围以及所带来得经济效益。
更重要的意义在于它从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。
这种以软件取代硬件的控制技术，称之为微控制技术。
随着单片机技术的发展和应用的普及，微控制技术在智能化方面早已不是硬件控制所能比拟的，它带来了一场对控制技术的革命。
据统计，我国单片机年产量已达
亿片，且每年以大约16﹪的速度增长但相对于国际市场的占有率还不到1﹪。
这说明单片机的应用在我国有着广阔的前景对于从事自动控制的技术人员来说，掌握单片机原理及其应用已经成为必不可少的知识和技能。
2.2.1单机应用
在一个应用系统中，只用一个单片机，这是目前应用最多的方式，主要应用领域为：
测控系统用单片机可构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。
例如，温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、气轮机电液调节系统、车辆检测系统、机器人轴处理器等。
⑵智能仪表用单片机改造原有的测量、控制仪表、能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。
如温度、压力、流量、浓度等的测量、显示、及仪表控制。
通过采用单片机软件编程技术，使测量仪表中长期存在的误差修正、线形化处理等难题迎刃而解。
⑶机电一体化产品单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品的结构简化，控制智能化。
这类产品如：
简易数控机床，电脑绣花机，医疗器械等。
⑷智能接口在计算机控制系统特别是较大型的工业控制系统中，普遍采用单片机进行接口控制与管理，因单片机与主机是并行工作的，故大大提高了系统的运行速度。
例如：
在大型系统采样系统中，用单片机对ADC接口进行控制不仅可以提高采集速度，而且还能对数据进行预处理，如数字滤波、线形化处理、误差修正等。
⑸智能民用产品在家用电器玩具游戏机声像设备电子称收银机办公设备厨房设备等产品中引用单片机不仅使产品的功能大大加强而且获得了良好的使用效果
2.2.2多机应用
单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。
⑴功能集散系统多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。
例如：
一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统坐标系统、状态监视、伺服驱动等机构。
⑵并行多控制系统并行多控制系统主要解决工程应用系统的快速问题，以便构成大型实时工程应用系统。
典型的有快速并行数据采集、处理系统、实时图象处理系统等。
⑶局部网络系统单片机网络系统的出现，使单片机应用进入了一个新的水平。
目前该网络系统主要是分布式监控系统，单片机主要用于系统中的通信控制，以及构成各种测控子级系统。
典型的分布测控系统有两种类型：
树状网络系统与总线网络系统。
2.3、MCS-51的系列单片机的主要产品
MCS-51系列单片机是美国Intel公司的产品。
自推出8位单片机MCS-48系列以来，该公司已经相继推出了3个系列几十种产品。
由于MCS-48系列单片机逐步趋于淘汰，而MCS-51的系列单片机基本上可以满足用户
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