单片机的多点温度测量系统设计方案.docx

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单片机的多点温度测量系统设计方案

南开大学滨海学院

本科生毕业设计

中文题目：

基于单片机的多点温度测量系统设计

英文题目：

Designofbasedonthemicroprocessormultipointtemperaturemeasurementsystem

学号：

?

姓名：

?

年级：

/

专业：

电子信息科学与技术

系别：

电子科学系

指导教师：

/

完成日期：

/

南开大学滨海学院毕业设计诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计，题目《基于单片机的多点温度测量系统设计》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。

除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

本人完全意识到本声明的法律结果。

毕业设计作者签名：

庞子博

2018年5月1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

Abstract

WithusingthemeasuringprincipleandcharacteristicsofthenumericaltemperaturesensorofDS18B20,makinguseofspecialcharacteristicsofsinglelineasthetotalline,andcombinetogetherwithAT89C51torealizeseveralpointstemperaturemeasuring.AlsothispapergivestheexampleoftheC51programwhichisusedtooperatetotheDS18B20.Makesystemhavecharacteristicsofsimple,highaccuracy,stronganti-interferenceability,stableworketc.

ThisdesignintroducedAT89C51monolithicintegratedcircuittemperaturecontrolsystemdesignfromthehardwareandthesoftwaretwoaspects.AmultipointtemperaturemeasurementsystembasedonDS18B20andAT89C51microcontrollerisdesignedandsimulatedbyProteusinthispaper,includingsoftwareandhardwaredesignofthissystem.Thesystemhassuchadvantagesasnovelcircuitdesign,quickmeasurementspeed,highmeasurementaccuracy,andgoodpracticality.

Keywords:

SCM；DS18B20；Proteussimulation；C51program

第一章绪论

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。

第二章　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[1]是在一块半导体上集成了微处理器

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。

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

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:

图2-1AT89C51方框图

2.2单片机的基本结构

1.微处理器

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

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

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

5.并行I/O口

MCS-51单片机共有4个8位的I/O口

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

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

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

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。

第三章数字温度传感器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[2]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

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。

18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：

ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码

数据在出产时设置不由用户更改。

DS18B20共64位ROM。

RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM<常用于温度报警值储存）的镜像。

在上电复位时其值将被刷新。

第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。

第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。

我们在每一次读温度之前都必须进行复杂的且精准时序的处理，因为DS18B20的硬件简单结果就会导致软件的巨大开消，也是尽力减少有形资产转化为无形资产的投入，是一种较好的节约之道。

3.5单片机对DS18B20的操作流程[3]

1.复位：

首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器<单片机）给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。

当18B20接到此复位信号后则会在15~60uS后回发一个芯片的存在脉冲。

2.存在脉冲：

在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60uS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240uS的低电平信号。

至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。

如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。

3.控制器发送ROM指令：

双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。

ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。

其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。

诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令<注意：

此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。

4.控制器发送存储器操作指令：

在ROM指令发送给18B20之后，紧接着<不间断）就是发送存储器操作指令了。

操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。

存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。

5.执行或数据读写：

一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。

如执行温度转换指令则控制器<单片机）必须等待18B20执行其指令，一般转换时间为500uS。

如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。

单支DS18B20若要读出当前的温度数据我们需要执行两次工作周期，第一个周期为：

复位、跳过ROM指令[CCH]、执行温度转换存储器操作指令[44H]、等待500uS温度转换时间。

紧接着执行第二个周期为：

复位、跳过ROM指令[CCH]、执行读RAM的存储器操作指令[BEH]、读数据<最多为9个字节，中途可停止，只读简单温度值则读前2个字节即可）。

3.6DS18B20与单片机的接口

DS18B20只需要接到控制器<单片机）的一个I/O口上，由于单总线为开漏所以需要外接一个4.7K的上拉电阻。

如要采用寄生工作方式，只要将VDD电源引脚与单总线并联即可。

但在程序设计中，寄生工作方式将会对总线的状态有一些特殊的要求。

3.7DS18B20芯片ROM指令表[4]

ReadROM<读ROM）[33H]<方括号中的为16进制的命令字）

这个命令允许总线控制器读到DS18B20的64位ROM。

只有当总线上只存在一个DS18B20的时候才可以使用此指令，如果挂接不止一个，当通信时将会发生数据冲突。

MatchROM<指定匹配芯片）[55H]

这个指令后面紧跟着由控制器发出了64位序列号，当总线上有多只DS18B20时，只有与控制发出的序列号相同的芯片才可以做出反应，其它芯片将等待下一次复位。

这条指令适应单芯片和多芯片挂接。

SkipROM<跳跃ROM指令）[CCH]

这条指令使芯片不对ROM编码做出反应，在单芯片的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。

如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。

SearchROM<搜索芯片）[F0H]

在芯片初始化后，搜索指令允许总线上挂接多芯片时用排除法识别所有器件的64位ROM。

AlarmSearch<报警芯片搜索）[ECH]

在多芯片挂接的情况下，报警芯片搜索指令只对符合温度高于TH或小于TL报警条件的芯片做出反应。

只要芯片不掉电，报警状态将被保持，直到再一次测得温度什达不到报警条件为止。

3.8DS18B20芯片存储器操作指令表[5]

WriteScratchpad<向RAM中写数据）[4EH]

这是向RAM中写入数据的指令，随后写入的两个字节的数据将会被存到地址2<报警RAM之TH）和地址3<报警RAM之TL）。

写入过程中可以用复位信号中止写入。

ReadScratchpad<从RAM中读数据）[BEH]

此指令将从RAM中读数据，读地址从地址0开始，一直可以读到地址9，完成整个RAM数据的读出。

芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。

CopyScratchpad<将RAM数据复制到EEPROM中）[48H]

此指令将RAM中的数据存入EEPROM中，以使数据掉电不丢失。

此后由于芯片忙于EEPROM储存处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。

在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持10MS，来维持芯片工作。

ConvertT<温度转换）[44H]

收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入RAM的第1、2地址。

此后由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。

在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持500MS，来维持芯片工作。

RecallEEPROM<将EEPROM中的报警值复制到RAM）[B8H]

此指令将EEPROM中的报警值复制到RAM中的第3、4个字节里。

由于芯片忙于复制处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。

另外，此指令将在芯片上电复位时将被自动执行。

这样RAM中的两个报警字节位将始终为EEPROM中数据的镜像。

ReadPowerSupply<工作方式切换）[B4H]

此指令发出后发出读时间隙，芯片会返回它的电源状态字，“0”为寄生电源状态，“1”为外部电源状态。

3.9DS18B20复位及应答关系及读写隙

每一次通信之前必须进行复位，复位的时间、等待时间、回应时间应严格按时序编程。

DS18B20的数据读写是通过时间隙处理位和命令字来确认信息交换的。

写时间隙：

写时间隙分为写“0”和写“1”，时序如图7。

在写数据时间隙的前15uS总线需要是被控制器拉置低电平，而后则将是芯片对总线数据的采样时间，采样时间在15~60uS，采样时间内如果控制器将总线拉高则表示写“1”，如果控制器将总线拉低则表示写“0”。

每一位的发送都应该有一个至少15uS的低电平起始位，随后的数据“0”或“1”应该在45uS内完成。

整个位的发送时间应该保持在60~120uS，否则不能保证通信的正常。

读时间隙：

读时间隙时控制时的采样时间应该更加的精确才行，读时间隙时也是必须先由主机产生至少1uS的低电平，表示读时间的起始。

随后在总线被释放后的15uS中DS18B20会发送内部数据位，这时控制如果发现总线为高电平表示读出“1”，如果总线为低电平则表示读出数据“0”。

每一位的读取之前都由控制器加一个起始信号。

注意：

必须在读间隙开始的15uS内读取数据位才可以保证通信的正确。

在通信时是以8位“0”或“1”为一个字节，字节的读或写是从高位开始的，即A7到A0.字节的读写顺序也是如图2自上而下的。

第四章系统硬件设计

4.1系统结构设计思路

当一线制总线[6]上仅有一个DS18B20器件时