基于单片机的温度测量专业系统设计项目说明.doc
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1、基于51单片机温度测量控制系统设计摘 要伴随科技不停进步,在工业生产中温度是常见被控参数,而采取单片机来对这些被控参数进行控制已成为当今主流。温度传感器DS18B20含有性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便等优点,广泛应用于冰箱、空调器、粮仓等日常生活中温度测量和控制。本文采取51单片机来实现对温度测量和控制。它关键组成部分有:AT89S52单片机最小系统,DS18B20测温电路,按键电路、LCD1602显示电路,蜂鸣器报警电路。它能够实时地检测和显示温度,能够设定温度范围,实现对温度报警和自动控制。关键词:温度;51单片机;DS18B20;测量和控制。 ABSTRACTTemperat
2、ure sensor DS18B20 has a lot of advantages,such as stable performance,high sensitivity,strong anti-interference capability,convenience of use,etc. And it was widely used for the measurement and control of temperature in refrigerators, air conditioners, barn and other daily life in the measurement an
3、d control of temperature. In this article ,We used a single chip for realizing temperature measurement and alarm. It was mainly component of AT89S52 chip, DS18B20, keyboard and display circuit , temperature alarm and control circuit. It realize not only real-time detection and display temperature, b
4、ut also setting the temperature range and the measurement and control of temperature.Key words: Temperature; 51 MCU; DS18B20; Measurement and control目录1 引言11.1 温度测量控制系统设计背景、发展历史及意义11.2 温度测量控制系统目标11.3 温度测量控制系统完成功效12 总体设计方案22.1 方案一22.2 方案二23 DS18B20温度传感器介绍73.1 温度传感器历史及介绍73.2 DS18B20工作原理73.2.1 DS18B20工
5、作时序73.2.2 ROM操作命令83.3 DS18B20测温原理93.3.1 DS18B20测温原理93.3.2 DS18B20测温步骤104 硬件电路设计114.1 单片机最小系统设计114.1.1时钟电路114.1.2复位电路124.1.3电源电路124.2 测温电路设计134.3 显示电路设计134.4 键盘输入电路144.5 蜂鸣器报警电路145 系统软件设计155.1 主程序模块155.2 读温度值模块165.3 中止模块195.4 温度设定、报警模块205.5 液晶显示模块226 系统调试和测试246.1硬件调试246.2软件调试246 总结25参考文件26附录1原理图- 28
6、-附录2程序代码291 引言1.1 温度测量控制系统设计背景、发展历史及意义 温度是生产过程和科学试验中普遍而且关键物理参数,伴随社会发展,科技进步,和测温仪器在各个领域应用,智能化已是现代温度控制系统发展主流方向。尤其是多年来,温度控制系统已应用到大家生活各个方面,但温度控制一直是一个未开发领域,却又是和大家息息相关一个实际问题。针对这种实际情况,设计一个温度控制系统,含有广泛应用前景和实际意义。温度是一个关键物理量,它反应了物体冷热程度,和自然界中多种物理和化学过程相联络。在工、农业生产和日常生活中,各个步骤全部和温度紧密相联,温度正确监测及控制占据着极其关键地位。比如,发电厂锅炉温度必需
7、控制在一定范围之内;很多化学反应工艺过程必需在合适温度下才能正常进行等。没有适宜温度环境,很多电子设备就不能正常工作,粮仓储粮就会变质霉烂,酒类品质就没有保障。可见,温度测量和控制是很关键。伴随电子技术和微型计算机快速发展,单片机在电子产品中应用已经越来越广泛。利用单片机对温度进行控制技术也随之而生,并日益发展和完善,且越来越显示出它优越性。1.2 温度测量控制系统目标本设计内容是温度测试控制系统,控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛,比如温室、水池、发酵缸、电源等场所温度控制。而以往温度控制是由人工完成而且不够重视,其实在很多场所温度全部需要监控以预防发生意外。针对此问题
8、,本系统设计目标是实现一个可连续高精度调温温度控制系统,它应用广泛,功效强大,小巧美观,便于携带,是一款既实用又廉价控制系统。1.3 温度测量控制系统完成功效本设计是对温度进行实时监测和控制,设计温度控制系统实现了基础温度控制功效:当温度低于设定下限温度时,蜂鸣器报警,同时红灯亮,模拟加热过程,使温度上升;当温度高于设定上限温度时,蜂鸣器报警,同时绿灯亮,模拟制冷过程,使温度下降;温度在上下限温度之间时,蜂鸣器和红绿灯不动作;LCD1602实时时显示温度,正确到小数点一位;经过独立按键能够设置温度控制范围。2 总体设计方案2.1 方案一测温电路设计,能够使用热敏电阻之类器件利用其感温效应,在将
9、随被测温度改变电压或电流采集过来,进行A/D转换后,就能够用单片机进行数据处理,在显示电路上,就能够将被测温度显示出来,这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路比较麻烦。2.2 方案二考虑使用温度传感器,结合单片机电路设计,采取一只DS18B20温度传感器,直接读取被测温度值,以后进行转换,依次完成设计要求。比较以上两种方案,很轻易看出,采取方案二,电路比较简单,软件设计轻易实现,故实际设计中拟采取方案二。在本系统电路设计方框图图2.1所表示,它由五部分组成:AT89S52单片机DS18b20温度测量电路用户按键LCD1602显示蜂鸣器报警电路 图21 温度计电路总体设计方案1. 控制部分单片
10、机AT89S52含有低电压供电和体积小等特点,它所含有资源能足够满足此次电路系统设计需要,而且很适合便携手持式产品设计使用。2. 显示部分显示电路采取LCD1602,第一行显示目前温度,第二行显示控制温度范围。3. 用户按键用户按键采取4位独立按键,能够对温度上下限进行设置。4. 蜂鸣器报警电路目前温度超出设定温度上下限时,蜂鸣器报警。5. 温度测量电路DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体企业最新推出一个改善型智能温度传感器,和传统热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温。这一部分关键完成对温度信号采集和转换工作,由DS18B20数字温度传感器及其和单片机接口部分组成。数字温度传
11、感器DS18B20把采集到温度经过数据引脚传到单片机P1.4口。此部分只用到DS18B20和单片机,硬件很简单。(1) DS18B20性能特点以下9:1) 独特单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;2) 多个DS18B20能够并联在惟一三线上,实现多点组网功效;3) 无须外部器件;4) 可经过数据线供电,电压范围为3.05.5V;5) 零待机功耗;6) 温度以3位数字显示;7) 用户可定义报警设置;8) 报警搜索命令识别并标志超出程序限定温度(温度报警条件)器件;9) 负电压特征,电源极性接反时,温度计不会因发烧而烧毁,但不能正常工作。 (2) DS18B20内部结构DS18B20采取3脚PR3
12、5封装,图1.2所表示;DS18B20内部结构,图3所表示。图22 DS18B20封装(3) DS18B20内部结构关键由四部分组成5:1) 64位光刻ROM。开始8位是产品类型编号,接着是每个器件惟一序号,共有48位,最终8位是前56位CRC校验码,这也是多个DS18B20能够采取一线进行通信原因10。64位闪速ROM结构以下.表21 ROM结构8b检验CRC48b序列号8b工厂代码(10H) MSB LSB MSB LSB MSB LSB图23 DS18B20内部结构2) 非挥发温度报警触发器TH和TL,可经过软件写入用户报警上下限值。3) 高速暂存存放,能够设置DS18B20温度转换精度
13、。DS18B20温度传感器内部存放器还包含一个高速暂存RAM和一个非易失性可电擦除E2PRAM。高速暂存RAM结构为8字节存放器,结构图1.3所表示。头2个字节包含测得温度信息,第3和第4字节TH和TL拷贝,是易失,每次上电复位时被刷新。第5个字节,为配置寄存器,它内容用于确定温度值数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中分辨率转换为对应精度温度数值。它内部存放器结构和字节定义图1.3所表示。低5位一直为,TM是工作模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。 表22 DS18B20内部存放器结构Byte0温度测量值LSB(50H)Byte1温度测量值MSB(50H)E2PRO
14、MByte2TH高温寄存器-TH高温寄存器Byte3TL低温寄存器-TL 低温寄存器Byte4配位寄存器-配位寄存器Byte5预留(FFH)Byte6预留(0CH)Byte7预留(IOH)Byte8循环冗余码校验(CRC)2) 非挥发温度报警触发器TH和TL,可经过软件写入用户报警上下限值。3) 高速暂存存放,能够设置DS18B20温度转换精度。DS18B20出厂时该位被设置为0,用户要去改动,R1和R0决定温度转换精度位数,来设置分辨率,图1.4。图23 DS18B20字节定义TM R1R0 1 1 1 1 1由表1.1可见,分辨率越高,所需要温度数据转换时间越长。所以,在实际应用中要将分辨
15、率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM第6、7、8字节保留未用,表现为全逻辑1。第9字节读出前面全部8字节CRC码,可用来检验数据,从而确保通信数据正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后,开始开启转换。转换完成后温度值就以16位带符号扩展二进制补码形式存放在高速暂存存放器第1、2字节。单片机能够经过单线接口读出该数据,读数据时低位在先,高位在后,数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时,表示测得温度值为正值,能够直接将二进制位转换为十进制;当符号位S1时,表示测得温度值为负值,要先将补码变成原码,再计算十进制数值。 表1.2是一部分温度值对应二进制温度数据6。表24 DS18B
16、20温度转换时间表R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750表25一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H续表25-10.1251111
17、 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H4) CRC产生 在64 b ROM最高有效字节中存放有循环冗余校验码(CRC)。主机依据ROM前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20中CRC值做比较,以判定主机收到ROM数据是否正确。另外,因为DS18B20单线通信功效是分时完成,它有严格时隙概念,所以读写时序很关键。系统对DS18B20多种操作按协议进行。操作协议为:初使化DS18B20(发复位脉冲)发ROM功效命令发存放器操作命令处理数3 DS18B20温度传感器介绍3.1
18、 温度传感器历史及介绍温度测量是从金属(物质)热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是多种温度测量计量标准。可是它缺点是只能近距离观察,而且水银有毒,玻璃管易碎。替换水银有酒精温度计和金属簧片温度计,它们即使没有毒性,但测量精度很低,只能作为一个概略指示。不过在居民住宅中使用已可满足要求。在工业生产和试验研究中为了配合远传仪表指示,出现了很多不一样温度检测方法,常见有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型、光纤式及石英谐振型等。它们全部是基于温度改变引发其物理参数(如电阻值,热电势等)改变原理。伴随大规模集成电路工艺提升,出现了多个集成数字化温度传感器。3.2 DS18B20工作原理3.2.1 DS18B
19、20工作时序依据DS18B20通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必需经过三个步骤:1. 每一次读写之前全部必需要对DS18B20进行复位;2. 复位成功后发送一条ROM指令;3. 最终发送RAM指令,这么才能对DS18B20进行预定操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,DS18B20收到信号后等候1560微秒左右后发出60240微秒存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。其工作时序包含初始化时序、写时序和读时序,具体工作方法图2.1,2.2,2.3所表示。(1) 初始化时序 图31 初始化时序总线上全部传输过程全部是以初始化开始,主机响应应答脉冲。应答脉冲使主机
20、知道,总线上有从机设备,且准备就绪。主机输出低电平,保持低电平时间最少480us,以产生复位脉冲。接着主机释放总线,4.7K上拉电阻将总线拉高,延时1560us,并进入接收模式,以产生低电平应答脉冲,若为低电平,再延时480us12。(2) 写时序图32 写时序 写时序包含写0时序和写1时序。全部写时序最少需要60us,且在2次独立写时序之间最少需要1us恢复时间,全部是以总线拉低开始。写1时序,主机输出低电平,延时2us,然后释放总线,延时60us。写0时序,主机输出低电平,延时60us,然后释放总线,延时2us8。(3) 读时序 图33 读时序总线器件仅在主机发出读时序是,才向主机传输数据
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