基于51单片机的DS18B20温度传感器的应用毕业设计论文 精品.docx

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基于51单片机的DS18B20温度传感器的应用毕业设计论文精品

毕业设计（论文）

题目：

基于51单片机的DS18B20温度

传感器的应用

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

摘要

温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。

在许多场合，及时准确获得目标的温度是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。

温控系统通过传感器检测温度将温度数据输入到处理器处理，可以在数码管或LCD等显示出来。

然后由控制器可以控制加热或者制冷，从而达到控温的目的。

本毕业设计就是利用STC89C52单片机和DS18B20温度传感器对目标温度进行检测，使用了单位数码管对检测到温度的显示，通过串口和上位机进行通信，利用VB软件显示温度数据，从而对各空间温度进行远程实时监控，使用LED灯闪烁进行模拟加热和制冷。

本文对各部分的硬件原理图进行了分析，还对各功能程序进行概述。

通过51单片机控制DS18B20检测温度，具有硬件电路简单，编程容易，测温准确，稳定等优点。

而且可以多点检测（本毕设只是单点测温），几个传感器连接也很简单。

关键词：

单片机；温控；传感器

Abstract

Temperaturemeasurementandcontrolofhumandailylife,industrialproduction,weatherforecast,materialstorageandsoonallplayaveryimportantrole.Onmanyoccasions,timelyandaccuratetoobtainthetemperatureofthetargetisveryimportant,inrecentyears,thetemperaturemeasurementandcontrolfieldisdevelopingrapidly,andwiththedevelopmentofdigitaltechnology,thecorrespondingtemperaturemeasurementandcontrolchipmountedonthestageofhistory,canbewidelyusedinindustry,agricultureandsoonvariousareas.Temperaturecontrolsystemthroughthetemperaturesensortodetecttemperaturedatainputtoprocessing,canbeinthedigitaltubeorLEDdisplay,etc.Andthenbythecontrollertocontroltheheatingorcooling,soastoachievethepurposeoftemperaturecontrol.

ThisgraduationdesignistheuseofSTC89C52MCUandDS18B20temperaturesensortotesttheroomtemperature,fortestingtemperatureusingdigitaltubedisplay,throughaserialportandPCcommunication,usingVBsoftwaredisplaytemperaturedata,thustoremotereal-timemonitoringoftheroomtemperature,useLEDlightstosimulatetheheatingandcooling.By51singlechipmicrocomputercontroltemperatureDS18B20detection,ithasasimplehardwarecircuit,programmingeasily,temperaturemeasurementaccuracy,stability,etc.Andcanbemoretesting（thisprojectisonlyasinglepointtemperaturemeasurement）,severalsensorconnectionisalsoverysimple.

Keywords:

MCU；temperaturecontrol；sensor

引言....................................................................1

1绪论................................................................2

1.1单片微机的发展.......................................................2

1.2温度检测的意义及发展形势.............................................2

1.3温控系统设计的核心...................................................2

2单片机的简述.......................................................3

2.1单片机的特点及引脚介绍...............................................3

2.2单片机的电平特性.....................................................5

2.3C51复位电路.........................................................6

2.4时钟电路.............................................................6

3温控系统的硬件设计................................................7

3.1温度检测模块.........................................................7

3.1.1温度传感器的概述...................................................7

3.1.2DS18B20的工作原理及工作时序图.....................................9

3.2显示模块.............................................................12

3.3温超报警模块.........................................................14

3.4串口通信模块.........................................................15

4软件设计............................................................17

4.1系统整体设计.........................................................17

4.2温度获取并转换.......................................................19

4.3温度控制.............................................................20

5单片机与上位机通信..................................................21

总结...................................................................23

谢辞...................................................................24

参考文献................................................................25

附录1电路原理图.......................................................26

附录2完整C程序代码..................................................28

附录3模块调试代码....................................................34

引言

上世纪90年代以来，单片机就进入了一个高速发展的阶段，大部分半导体厂商都注重新型单片机的研制、生产和推广。

单片机已经深入到我们生活的每一个细节，由于单片机的微型电子产品到处都是，尤其是ARM的广泛应用，使我们的生活变得更丰富多彩。

随着电子技术的发展，现在温度控制系统的功能越来越强大，也越来越稳定可靠，而且精度也越来越高，各种环境对温控系统的要求也越来越高。

温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。

这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。

传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。

控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。

而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。

数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。

由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单条数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

还能串接多个数字温度传感器DS18B20进行多点的温度检测。

温度自动控制系统主要是由温度采集、显示、扬声器报警、加热制冷模块和上位机显示模块组成。

本毕设就是讲述以上模块的温控系统的应用。

1绪论

1.1单片微机的发展

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit）常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

单片机它最早是被用在工业控制领域。

由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

Intel的8080是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是Intel的8051，此后在8051上发展出了MCS-51系列单片机系统。

因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到现在基于8051的单片机还在广泛的使用。

在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。

事实上单片机是世界上数量最多的处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

1.2温度检测的意义及发展形势

温度是一个非常重要的物理量，因为它会影响很多物理及化学变化的过程，例如，燃烧，发酵，烘烤，煅烧，结晶，浓度，空气流动，以及蒸馏等等。

因此对温度的检测以及控制的意义越来越大。

在工业生产的过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产得以顺利的进行，产品的质量才能够充分的保证。

使用自动温控系统可以对生产的温度进行自动控制，保证生产自动化、智能化且能够顺利，安全的进行，从而提高企业的生产效率。

温控采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。

嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价格、可靠性，都无法满足广大用户对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统慢慢走上了芯片化道路。

本毕设将叙述STC89C52和传感器芯片DS18B20设计的温度控制系统。

1.3温控系统设计的核心

设计工业现场的温度控制系统。

采用DS18B20温度传感器，采集现场温度，通过数码管显示，具有报警，开启加热/制冷，和加大加热/制冷，以及通过串口线和上位机通信的功能。

性能稳定，成本低廉，可连续工作，精度高，可靠性强等优点。

温度控制系统，具体的要求如下：

（1）在当前三个数码管上显示当前采集到的目标温度（00~99.9℃）

（2）当目标温度低于26℃时，蜂鸣器开始报警，并且DBJ发光二极管闪烁（模拟开启制热设备）；当目标温度继续降低，并低于24℃时，蜂鸣器的报警声频率加快，同时DBJ和DJD一起闪烁（模拟加大制热设备制热功率）。

（3）当目标温度高于28℃时，蜂鸣器开始报警，同时GBJ闪烁（模拟开始制冷设备），当目标温度继续升高，并高于30℃时，蜂鸣器加快报警声频率，同时GBJ和GJD一起闪烁（模拟制冷设备加大制冷功率）。

（4）用串口将采集到的温度数据实时的发送到上位机，在上位机软件上实时的显示当前的温度值。

下面温控系统的组成请看图1-1

数据显示DS18B20输入

高/低温度报警电源

变频器变频器

制冷制热

图1-1温控系统组成图

2单片机的简述

2.1单片机的特点及引脚简介

单片机的特点：

1.采用哈佛体系结构

2.采用面向控制的指令系统

3.引脚功能服用

4.片内RAM作寄存器

5.类型齐全

6.功能通用

7.具有三高优势（集成度高、可靠性高、性价比高）。

[1]多功能

单片机利用当今先进的半导体器件制造技术，尽可能多地把各种计算机部件、存储器和各种类型的输入/输出端口都集成在一块芯片内。

因此，一个单片机所能实现的功能是很多的。

[2]高性能

由于单片机的制造技术和系统结构的完善，单片机的运行速度和执行效率大大提高。

集成度的提高，不但使各种各样的输入和输出接口可以集成在单片机内，而且使存储器的寻址范围也大大扩大，因此，单片机的性能比同类微型计算机的性能有明显的优势。

[3]体积小

正因为单片机的集成度高，使所有硬件集中在一块半导体芯片上，所以，单片机体积较之于同类微处理器小得多。

因此，系统中控制部分的体积也随之大大缩小，单片机将成为微电子嵌入式系统中的理想部件。

[4]低功耗

目前，许多单片机都能在低电压、低功耗下工作，有的单片机可在2.2V，甚至能在0.9V下工作，并且，电流也低到微安级。

[5]产品设计周期短

用单片机进行产品设计，由于它的功能强，体积小，使硬件设计简化；又因各种仿真器的问世，使用户的编程和调试变的非常方便，大大减少了用户系统的软件设计和调试的时间。

本毕设所用单片机位STC89C52其引脚，如图2-1

如左图，STC89C52有40个引脚，这种封装形式叫做DIP40封装。

VCC,GND--单片机电源脚。

VCC是电源输入引脚，GND是接地信号引脚。

XTAL1，XTAL2—外接时钟引脚。

XTAL1为片内震荡电路输入端，XTAL2为片内震荡电路输出端。

8051的时钟方式有两种，一种是片内时钟震荡方式，需要在这两个引脚外接石英晶体和震荡电容，震荡电容的值一般取10P~30P；另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信图2-1STC89C52引脚图　　号从XTAL2脚接入。

RST—复位引脚，需要输入连续两个机器周期以上的高电平才有效。

用来完成单片机的复位初始化操作，复位后程序计数器PC=0000H，即复位后程序从头开始执行。

--全称是程序存储器允许输出控制端。

（由于如今单片机程序存储器有足够的内部ROM，此处略讲）

　　ALE/

-在单片机扩展外部RAM时，ALE用于控制把P0口的输出低8位送地址锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

/Vpp--接高电平时，单片机读取内部程序存储器。

当扩展有外部ROM时，读完内部ROM后自动读取外部ROM。

接低电平时，单片机直接读取外部（ROM）。

8031

没有单片机没有内部ROM所以接低电平。

本文使用89C52所以接高电平。

　　I/O口引脚—P0，P1，P2，P3。

　　P0—双向8位三态I/O口，每个口可独立控制。

　　P1—准双向8位I/O口，每个口可独立控制，内带上拉电阻（若想了解全面可查相关资料），这种口输出没有高阻态，输入不能锁存，故不是真正的双向I/O口。

P2口与P1口相似。

P3—准双向8位I/O口，每个口可独立控制，内带上拉电阻。

此口第一功能当做普通I/O口。

第二功能定义如下：

P3.0：

RXD串行口输入P3.1：

TXD串行口输出

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外部输入P3.5：

T1定时器1外部输入

P3.6：

WR外部写控制P3.7：

RD外部读控制

2.2单片机的电平特性

　　单片机是数字集成芯片，所以其工作是由数字电平控制方式。

数字电路只有两种电平，高

（1）和低（0）。

常用逻辑电平有TTL,CMOS,LVTTL,ECL,PECL等等很多，我们用的最多的是TTL和CMOS。

5VTTL和5VCMOS是通用的逻辑电平。

TTL电平信号用的最多，这是因为，数据表示通常采用二进制，+5V等价于逻辑1,0V等价于逻辑0.这被称为TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部之间通信的标准技术。

TTL型通信大多数情况下是采用并行数据传输方式。

　　CMOS电平VCC可达12V，CMOS电路输出高电平约为0.9VCC，而输出低电平约为0.1VCC。

CMOS电路中不使用的输入端不能悬空，否则会造成逻辑混乱。

另外CMOS集成电路电源电压可以在较大的范围内变化，因而对电源的要求不像TTL那么严格。

TTL和CMOS的逻辑电平关系如下：

VOH-----逻辑电平1的输出电压

VOL-----逻辑电平0的输出电压

VIH-----逻辑电平1的输入电压

VIL-----逻辑电平0的输入电压

TTL临界值：

VOHmin=2.4V,VOLmax=0.4V。

VIHmin=2.0V,VILmax=0.8V

TTL电平范围0~5V。

CMOS电平临界值：

（1）VOHmin=4.99V,VOLmax=0.01V。

（2）VIHmin=3.5V,VILmax=1.5V

TTL和CMOS逻辑电平的转换：

CMOS电平能驱动TTL电平，但TTL电平不能驱动CMOS电平，需加上拉电阻。

2.3C51复位电路

单片机复位电路由主要有两种：

（1）上电复位

RC上电复位电路，在单片机上电后，对复位电路的电容充电。

如图2-2所示。

在上电瞬间，RST端的电位与Vcc相同，随着充电电流的减少，RST的电位逐渐下降。

只要保证RST为高电平的时间大于2个机器周期，就能正常复位。

电路中的电容和电阻取值可根据晶振的频率而定，我们使用11.0592MHZ，所以应该使用10uF电容和8.2K电阻（本毕设使用10K）。

图2-2RC上电复位电路图2-3按键复位电路

（2）按键复位

按键复位又称手动复位，按键电平复位相当于RST端通过电阻与电源接通实现的。

该电路除具有上电复位功能外，如果要在程序运行中复位，只需要按下如图2-3的那个键，此时电源被R1，R2分压，在RST端产生一个复位的高电平，从而达到复位作用。

2.4时钟电路

8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟震荡方式，另外一种是外部时钟方式。

（1）内部时钟方式

MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。

在XTAL1和XTAL2之间跨接晶振和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的内部时钟电路。

如图2-4

图2-4内部时钟电路图2-5HMOS型单片机外部时钟电路

（2）外部时钟方式

对于HMOS型单片机（8051），可用来输入外部脉冲信号,XTAL1接地，XTAL2接外部时钟，由于XTAL2的逻辑电平与TTL电平不兼容，所以应接一个上拉电阻。

如图2-5。

对于CHMOS单片机（80C51），外部时钟要由XTAL1引入，而XTAL2引脚应悬空。

3温控系统的硬件设计

3.1温度检测模块

3.1.1温度传感器的概述

温度传感器是各种传感器中最常用的一种，早期使用的是模拟温度传感器，比如热敏电阻，随着温度的变化，它的阻值也发生了类似线性的变化，通过处理器采集电阻两端的阻值，再通过某个公式就可计算出当前的温度。

随着科技的进步，现代的温度传感器已经走向数字化。

DALLAS半导体公司推出的数字化温度传感器DS18B20采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个I/O口，无须任何的外部元件，直接将环境温度转化为数字信号，以数字码的方式串行输出。

DS18B20是DALLAS公司推出的第一片支持“一总线”接口的的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。

（1）DS18B20的特性：

1　适应电压范围宽，电压范围在3.0~5.5V，在寄生电源方式下可以由数据线供电。

2　独特的单线接口方式，它与处理器连接时仅需要一个I/O口就可以和微处理器双向通信。

3　支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一单总线上，实现组网多点测温。

4　负压特性。

电源极性接反时不会因为发热而烧坏，但是不能正常工作。

5　测量范围在-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃时精度为±0.5℃。

6　在使用中不需要任何外围的元件，全部传感元件和转换电路都集成在一个三极管的集成电路