测温报警器设计.docx
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测温报警器设计
测温报警器设计
【摘要】本次论文设计的内容是基于智能化温度传感器的测温报警器的设计。
首先对该设计进行整体思路分析。
现在市场上有多种优良的温度传感器，经过各方面的考虑和分析，选择DALLAS公司的智能化一线传感器DS18B20作为核心温度传感器。
因为它价格低廉、使用方便、接口简单、易于推广。
控制器选用基于51内核的AT89系列单片机，其价格便宜、功能齐全、易于扩展。
在显示方面，采用普通的LED即可满足该设计的要求，显示方式为动态扫描显示方式。
报警装置采用三极管驱动蜂鸣器发声报警，此电路连接方便，简单耐用。
本文主题设计分为两个部分，第一部分为硬件设计部分，主要讲述了硬件各部分的接口和驱动电路，电路主要分为四个部分：
数据采集模块、显示模块、辅助电路、报警电路。
第二部分为软件设计部分，这部分重点讲解各模块的功能的软件实现，用程序流程图简洁的表达了程序的思路和实现过程。
同时介绍了所使用的软件开发平台——Uvision2.0。
经过测试发现，该设计完全可以胜任—55到125摄示度的温度测量，测量误差小，反应灵敏，显示方便，适合粮仓、家具城、酒店、智能化大厦等温度测量需求较大的场合。
【关键字】：
DS18B20；单片机；测温报警；一线；
temperaturealarmdesign
【Abstract】:
Thispaperisatemperaturealarmdesignbasedonintelligenttemperaturesensor.Firstonthedesignanalysisoftheoverallidea.Therearenowawiderangeoftemperaturesensors,afterallconsiderationsandanalysis,choicetheIntelligentSensorofDALLASCoasacoretemperaturesensor.Becauseitischeap,easytouse,simpleinterface,easytopromote.ControllersBasedontheselectionofthe51kernelAT89microcontroller,it’scheap,multifunctionalandeasytoexpand.Ondisplay,ordinaryLEDcanbedesignedtomeettherequirementsofdisplaymodefordynamicscanningformats.AlarmDeviceDriverusedtriodeaudiblealarmbuzzer,thecircuitconnectingconvenientandsimpledurability.Inthispaperthedesignthemeisdividedintotwoparts,thefirstpartisthehardwaredesign,describingthehardwarecomponentsoftheinterfaceanddrivercircuit,circuitconsistsoffourparts:
dataacquisitionmodule,displaymodule,auxiliarycircuit,alarmcircuit.Thesecondpartwillbepartofsoftwaredesign,whichfocusesonthefunctionofeachmoduleofthesoftware,simpleflowchartwiththeexpressionofideasandprocedurestoachieveprocess.Alsointroducestheuseofthesoftwaredevelopmentplatform--Uvision2.0.Aftertestsrevealedthatthedesignfullycompetentto-55to125degreesperturbationthetemperaturemeasurementhavelittlemeasurementerror,showsconvenientand,andit’sresponsive,suitableforsilosFurnitureCity,hotels,intelligentbuildings,andsoongreaterdemandfortemperaturemeasurementoccasions.
【keyWords】:
DS18B20；MCU；Temperaturealarm；Singlewire;
第一章绪论
本文设计了一个基于智能化温度传感器的测温报警器，它具有不同于传统的测温器，具有快速、灵敏、误差小、智能化等优点。
文章将通过硬件设计和软件设计两方面来介绍这个设计。
1.1温度测量的意义
温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，随着人们生活水平的不断提高，对生活质量的要求不断提升，自然会更加关注跟人身体健康紧密联系的温度；同时在工业生产过程中经常需要实时测量温度，尤其是在高危生产行业，如花炮生产、煤矿行业等。
但依靠人工检测既浪费时间、物力、人力， 又有一定的危险性，且测量的数据也不准确；在农业生产中也离不开温度的测量，各种农作物的生长都跟温度有直接的关系，掌握了温度的变化就可以更好的控制农作物的生长。
因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
1.2温度传感器的原理及发展现状
温度的测量离不开各种传感工具，下面就谈一谈温度传感器的分类及发展现状。
1.2.1温度传感器的发展过程
（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）;主要是能够进行非电量和电量之间转换。
（2）模拟集成温度传感器/控制器;
（3）智能温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
1.2.2温度传感器的分类
传感器分类方法很多，常用的有2种:
一种是按被测的参数分，另一种是按变换原理来分。
通常按被测的参数来分类，可分为热工参数:
温度、比热、压力、流量、液位等;机械量参数:
位移、力、加速度、重量等;物性参数:
比重、浓度、算监度等;状态量参数:
颜色、裂纹、磨损等。
温度传感器属于热工参数。
温度传感器按传感器于被测介质的接触方式可分为2大类:
一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器，接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。
这种测温方法精度比较高，并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布，但对于运动的、热容量比较小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。
非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。
目前最常用的是辐射热交换原理。
此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。
1.2.3温度传感器的原理及发展
（一）传统的分立式温度传感器—热电偶传感器
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度;测量范围广，可从-50℃-1600℃进行连续测量，特殊的热电偶如金铁-镍铬，最低可测到-269℃，钨-铼最高可达2800℃。
热电偶传感器主要按照热电效应来工作。
将两种不同的导体A和B连接起来，组成一个闭合回路，即构成感温元件。
当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象即称为热电效应，也叫温差电效应。
热电偶就是利用这一效应进行工作的。
热电偶的一端是将A、B两种导体焊接在一起，称为工作端，置于温度为t的被测介质中。
另一端称为参比端或自由端，放于温度为t0的恒定温度下。
当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。
热电偶两端的热电势差可以用下式表示:
Et=E（t）-E（t0）
式中:
Et—热电偶的热电势
E（t）—温度为t时的热电势
E（t0）—温度为t0时的热电势
当参比端的温度t0恒定时，热电势只于工作端的温度有关，即Et=f（t）。
当组成热电偶的热电极的材料均匀时，其热电势的大小与热电极本身的长度和直径无关，只与热电极的成分及两端的温度有关。
（二）集成（IC）温度传感器
1.模拟集成温度传感器
模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控测，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
目前在国内外仍是普遍应用的一种集成传感器。
2.智能温度传感器
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）;并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化和谐也取决于软件的开发水平。
（三）智能温度传感器发展的新趋势
21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
1.提高测温精度和分辨力
21世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。
目前，国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。
为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。
以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。
2.增加测试功能
温度传感器的测试功能也在不断增强。
例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。
DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。
另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。
传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。
对某些智能温度传感器而言，主机（外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率（典型产品为MAX6654），分辨力及最大转换时间（典型产品为DS1624）。
3.总线技术的标准化与规范化
智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用总线主要有单线（1-Wire）总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线。
温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。
4.可靠性及安全性设计
D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。
新型智能温度传感器（例如TMP03/204、LM74、LM83）普遍采用了高性能的∑-Δ式A/D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低;由于采用数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。
这种智能温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。
为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队（faultqueue）”计数器，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。
仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n（n=1～4）时，才能触发中断端。
若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。
这意味着假定n=3时，那么偶然受到一次或两次噪声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。
76型智能温度传感器增加了温度窗口比较器，非常适合设计一个符合ACPI（AdvancedConfigurationandPowerInterface，即“先进配置与电源接口”）规范的温控系统。
这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控笔记本电脑和服务器中CPU及主电路的温度。
微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算机一般为75℃，高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃。
一旦CPU或主电路的温度超出所设定的上、下限时，INT端立即使主机产生中断，再通过电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。
此外，当温度超过CPU的极限温度时，严重超温报警输出端（T_CRIT_A）也能直接关断主电源，并且该端还可通过独立的硬件判断电路来切断主电源，以防主电源控制失灵。
上述三重安全性保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。
为防止因人体静电放电（ESD）而损坏芯片。
一些智能温度传感器还增加了ESD保护电路，一般可承受1000～4000V的静电放电电压。
通常是将体等效于由100pF电容1.2kΩ电阻串联而成的电路模型，当人体放电时，TCN75型智能温度传感器的串行接口端、中断/比较器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的静电放电电压。
LM83型智能温度传感器则可随4000V的静电放电电压。
最新开发的智能温度传感器（例如MAX6654、LM83）还增加了传感器故障检测功能，能自动检测外部晶体管温度传感器（亦称远程传感器）的开路或短路故障。
MAX6654还具有选择“寄存阻抗抵消”（ParasiticResistanceCancellation，英文缩写为PRC）模式，能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差，即使引线阻抗达到100Ω，也不会影响测量精度。
远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。
5.虚拟温度传感器和网络温度传感器
虚拟传感器是基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的。
利用软件可完成传感器的标定及校准，以实现最佳性能指标。
最近，病因B&K公司已开发出一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘，软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据。
使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。
1.3本课题主要研究内容
虽然现在温度的测量已经走向成熟化和智能化，但是传统的温度测量装置要不存在着读取麻烦，反应时间慢，要不存在着测量误差大，设备复杂等等弊端，针对以上弊端本文设计了基于DS18B20测温报警器，主要功能：
1.利用温度传感器测取温度信息。
2.使用单片机与传感器进行通信，读取温度信息并且写入控制信息（如温度上下限，温度分辨率等）。
3.温度显示功能，将单片机采集的温度信息送往显示模块电路进行实时显示。
4.温度报警功能，当温度超过设定上下限温度时，发出声音报警
第二章硬件的设计
2.1器件的选择
本章主要研究硬件器件的选择及各种器件之间的接口电路设计。
由于是利用单片机控制智能温度传感器进行温度的测量，综合考虑设计成本，电路结构及其功能。
控制芯片采用了51单片机。
对于传感器的选择，选用美国Dallas公司的单线数字温度传感器芯片，DS18B20作为温度传感器。
与传统的热敏电阻有所不同，DS18B20可直接将被测物的温度转化为串行数字信号，以供单片机处理，它还具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。
显示装置采用常用的数字显示工具：
八段数码管。
LED驱动选用MOTOROLA公司的LED硬件译码驱动器MC14499。
温度报警装置采用普通的有源蜂鸣器，利用三级管驱动。
下图为本设计的整体结构图。
图1整体结构图
2.2芯片的结构和工作原理
2.2.1单片机AT89C52
（1）引脚说明
51单片机的引脚分布如下图2所示
1.电源引脚VCC和GND
VCC（40脚）：
电源端，为+5V
GND（20脚）：
接地端。
2.时钟电路引脚XTALO和XTAL1
XTAL0（18脚）：
接外部晶体的一端。
在51单片机内，它是振荡电路反向发大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。
若需要采用外部时钟电路，该引脚输入外部时钟脉冲，要检查振荡电路是否正确工作，可用示波器查看X2端是否有脉冲信号输出。
XTAL1（19脚）：
接外部晶体的另一端。
在51单片机内，它是振荡电路反向放大器的输入端。
采用外部时钟时，该引脚必须接地。
3.控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA
RST（9脚）：
RST是复位信号输入端，高电平有效。
当此引脚保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。
RST引脚的第二功能是备用电源输入端，当主电源VCC发生故障时，降低到低电平规定值时，单片机自动将+5V电源接入RST端，为随机存储器RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不会丢失，使其复电后能继续正常工作。
图2单片机引脚图
ALE/PROG（30脚）：
地址锁存允许信号。
51单片机上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
CPU访问片外存储器时，ALE输出信号做为锁存低8位地址的控制信号。
CPU访问片外数据存储器时，会丢失一个脉冲。
平时不访问片外存储器时，ALE端也以1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因此ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。
ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL。
使用第二功能PROG时，此引脚用于向片内带有EPROM的51单片机提供编程脉冲输入。
PSEN（29脚）：
程序存储允许输出信号端。
在访问片外存储器时，此端定时输出脉冲作为读片外程序存储器的选通信号。
此引脚接EPROM的OE端，PSEN端有效，即允许读出EPROM/ROM中的指令码。
CPU从外部EPROM/ROM取指令期间，PSEN信号在每个机器周期（12个时钟周期间）中两次有效。
不过，在访问片外RAM时，要少产生2次PSEN负脉冲信号。
PSEN端同样可以驱动8个LS型TTL。
要检查一个小型8051系统上电后CPU能否正确到EPROM/ROM中读取指令码，可用示波器观测PSEN端有无脉冲输出，如有，说明基本上工作正常。
EA/VPP（31脚）：
外部程序存储器地址允许输入端固化编程电压输入端。
当EA脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM，并执行内部程序存储器中的指令，但在PC（程序计数器）的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。
当EA脚为低电平（接地）时，CPU只访问外部EPROM/ROM，并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。
对于无片内ROM的8031或8032，需要外扩EPROM，此时必须将EA接地。
此引脚的第二功能VPP是在对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压（一般为21伏）的输入端。
4.I/O（输入/输出）端口P0、P1、P2和P3
P0口（P0.0～P0.7,39～32脚）：
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。
作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS行TTL负载。
当PO口作为输入口使用时，应先向锁存器（地址80H）写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。
作输入口使用时要先写1，这是准双向的含义。
在CPU访问片外存储器时，P0口是分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。
在此期间，P0口内部上拉电阻有效。
对于8751单片机，因不需要外扩EPROM，所以P0口可作为一个数据输入/输出口，此时若P0口用做输入，则需外接上拉电阻。
P1口（P1.0～P1.7，1～8脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端。
P1口的每一位能驱动（吸收或输出电流）4个LS行TTL负载。
在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器（地址90H）写入全1，此时P1口引脚由内部上拉电阻接成高电平。
P2口（P2.0～P2.7，21～28脚）：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。
P2口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。
P3口（P3.0～P3.7，10～17脚）：
P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。
P3口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。
P3口与其他I/O端口有很大区别，除作为一般准双向I/O口外，每个引脚还具有专门的功能。
如下表所示：
表1P3口特殊功能
P3口
第二功能
注释
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
INT0
外部中断0输入（低电平有效）
P3.3
INT1
外部中断1输入（低电平有效）
P3.4
T0
计数器0计数输入
P3.5
T1
计数器1计数输入
P3.6
WR
外部数据RAM写选通（低电平有效）
P3.7
RD
外部数据RAM读选通（低电平有效）
（2）中央处理器CPU
51单片机最为核心的部分是中央处理器CPU，它有运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）。
运算器以算术逻辑单元ALU为中心，还包括累加器ACC、暂存寄存器、B寄存器和程序状态存储器PSW。
ALU是单片机中必不可少的数据处理单元之一，可以对数据进行加、减、乘、除等算术运算和“与”、“或”“异或”等逻辑运算，以及位操作运算。
累加器A:
这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器,有重复累加数据的功能。
暂存存储器：
为ALU提供运算数据,或保留运算中间或最终的结果。
程序状态字PSW是一个逐字定义的8位寄存器，其内容的主要部分是ALU单元的输出，用来寄存本次运算的的特征信息。
PSW是一个程序可访问的寄存器，而且可以按位访问。
格式如下：
表2PSW寄存器格式信息
CY
AC
FO
RS1
RS0
OV
——
P
其中，P为奇偶标志位，每个指令周期都由硬件置位或清除，表示累加器中值为1的个数是奇数还是偶数。
若累加器值为1的个数是奇数，P置位（奇校验），否则P清除。
PSW.1是保留位，不作使用。
PSW.2（OV）溢出标志位，运行运算指令时由硬件置位或清除，指示运算是否产生溢出。
OV置位表示运算结果超出了目的寄存器A所
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