仓库多点DS18B20温度采集与监控实现Word下载.docx
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Thesystemusesasingle-busdigitaltemperaturesensorDS18B20asthedetectioncomponent,thetemperaturemeasurementrangeis-55~125oC,thehighestresolutioncanreach0.0625oC.DS18B20candirectlyreadthemeasuredtemperaturevalue,andisconnectedtothesingle-chipmicrocomputerinasinglebussingleportform.Atthesametime,thesinglebuscanexternallyconnectmultiplesensors,whichreducestheexternalhardwarecircuit,andhasthecharacteristicsoflowcostandeasytouse.
ThispaperintroducesaDS18B20-basedmulti-pointtemperaturemeasurementmonitoringsystemdesign.TheAT89C52single-chipmicrocomputerisusedasthemaincontrollertocontinuouslyreadandrecordfoursetsofDS18B20（T1、T2、T3andT4）temperaturedata.Atthesametime,theLCD1602liquidcrystalcycleisusedtodisplaythetemperaturevaluesofeachgroupandthesetoffoursets.Theupperandlowerlimitsofthetemperaturecanbeset,andtheupperandlowerlimitsofthetemperaturealarmandthemodeoftheliquidcrystaldisplay（cyclicdisplaymodeandmanualswitchingdisplaymode）canbesetbypressingthebutton.Ifthetemperaturevalueofthecurrentgroupisnotwithinthesetrange,thebuzzerwillalarmandthecorrespondingLEDwilllight;
thespecificprocessis:
thetemperatureishigherthantheupperlimit,theredLEDislit;
thetemperatureislowerthanthelowerlimit,blueThecolorLEDlightsup.
Keywords:
AT89C52singlechipmicrocomputer;
temperaturemeasurementmonitoring;
DS18B20;
LCD1602;
buttonmodule
1.绪论
1.1研究背景
目前，在许多场景下，都需要对环境的温度进行多点测量监控，包括人的生活工作环境、仪器设备的工作环境以及动植物的生长环境等。
如果环境温度超过或者低于限制值，必定对所处环境的人或设备造成影响，甚至给个人和社会造成巨大的损失。
因此，在某些特定环境内使用多组温度报警器来对温度进行多点实时监控并做到超温报警，而使用单片机实时控制多组温度报警器则是其中的一种重要方式。
设计目的主要是了解单片机实时控制的多点温度测量监控系统的历史与现状，根据现实生活的需要以及已掌握的理论知识，制定出基于DS18B20的多点温度测量监控系统硬件、软件的设计方案，利用51单片机循环读取4组传感器的温度值，辅以一些其他外围电路，让它实现对环境温度的多点探测、循环显示、并且具有按键设置、超高温、低温报警等功能，最终调试验证方案的可行性，完成设计。
1.2内容及要求
本文主要介绍了用51单片机循环读取4组数字温度传感器DS18B20数值的方法来实现温度的多点测量与监控，以单片机AT89C52最小系统为核心，辅以4组DS18B20组建的小型温度传感器网络、LCD1602液晶显示模块、按键设置模块以及报警模块，构成了一个单片机的多点温度监控系统。
该装置适用于人民的日常生活和工、农业生产过程中的多点温度测量与报警，实现对温度的监测。
主要研究内容包括两方面，一是对系统硬件部分的设计，包括4组温度的循环采集、LCD显示、按键设置和LED、蜂鸣器报警；
二是对软件部分的设计，应用C语言实现温度的采集与显示。
通过对本课题的设计能够熟悉数字温度测量监控系统的工作原理及过程，了解各功能器件（单片机、DS18B20、LCD1602）的基本原理与应用，掌握各部分电路的硬件连线与程序编写，最终完成多点温度测量监控系统的总体设计。
其具体的要求如下：
1、根据设计要求，选用AT89C52单片机为核心器件；
2、温度检测器件采用4组DS18B20构成小型温度传感器网络，以单总线单端口的形式与单片机的P3.0口连接；
3、显示电路采用LCD1602液晶显示器接P0口并行循环/手动切换显示4组温度值;
4、按键电路采用独立按键模式，用于设置温度报警的上下限值和切换液晶的显示模式；
5、报警电路由LED指示灯和蜂鸣器组成，当测取的温度值不在设定上下限值内，报警电路工作；
2.传感器方案论证
2.1热敏电阻
由于本设计实现的是多路测温电路，首先我们可以使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应，将其随被测温度变化的电压或电流值采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，通过显示电路就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路为并行传输，占用IO端口较多，浪费硬件资源。
因此，这里引出数字温度传感器测温。
2.2数字温度传感器
利用数字式温度传感器DS18B20测温，此传感器采用单根信号线，即可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输时是双向的，因此这种单线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉。
每个DS18B20内部均有一个独立的64位序列号，单片机通过序列号可以对一条总线上的多支DS18B20进行控制，读取他们的温度。
单总线本身也可以向所挂接的多个DS18B20供电，而无需额外电源，使用DS18B20可使系统结构更加简单、可靠性更高。
4组温度传感器连接方式如图2.2所示。
图2.24组DS18B20温度传感器连接方式
以上两种方案都完全能够满足设计需要，但很容易看出，采用数字温度传感器测温，电路简单，可靠性高，成本低廉，故采用此设计方案。
3.系统方案概述
由DS18B20和AT89C52单片机以及相关外围电路组成的高精度、多点温度测量监控系统的结构框图如图3所示。
系统采用4组DS18B20构成的小型温度传感器网络，通过串行连接方式连接到单片机的通用I/O端。
单片机获取各组温度信息后，通过算法处理，将各组温度数据、设定的上下值发送给LCD显示端循环显示，同时，实时检测是否有按键输入，温度值是否在设定范围内，否则启动报警功能。
图3系统结构框图
4.硬件系统设计
4.1单片机最小系统
4.1.1AT89C52简介
AT89C52是一款低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，其与另一款单片机80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。
其主要工作特性是：
1.片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；
2.片内数据存储器内含256字节的RAM；
3.具有32根可编程I/O口线；
4.具有3个可编程定时器；
5.中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；
6.串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；
7.具有一个数据指针DPTR；
8.低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；
9.具有可编程的3级程序锁定位；
10.AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，其典型值为5V；
11.AT89C52最高工作频率为24MHz；
AT89C52各引脚分布如图4.1.1所示。
图4.1.1AT89C52单片机引脚分布图
其功能及管脚电压介绍如下所示：
•VCC:
电源电压
•GND:
接地线
•P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也是地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为共阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
•P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平.对P1端口写"
1"
时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用.作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流（IIL）.此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）,具体如下表4.1.1所示。
在Flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时/计数2外部计数脉冲输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）
表4.1.1P1.0和P1.1的第二功能
•P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平.对P2端口写"
时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用.作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流（IIL）.在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时,P2口送出高八位地址.在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1.在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号.
•P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平.对P3端口写"
时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用.作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流（IIL）。
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时，计数器1）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
•RST:
复位输入.晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位.看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平.特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效.DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
•ALE/PROG:
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲.在flash编程时,此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲.在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用.然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过.如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置"
ALE操作将无效.这一位置"
ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效.否则,ALE将被微弱拉高.这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
•PSEN:
外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号.当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
•EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号.为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND.为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在Flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
•XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
•XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
4.1.2晶振电路
单片机的工作过程要对各种指令在时间上有明确的次序，这种时间次序也叫做时序，所以单片机要连续不断的产生时钟信号。
晶振电路如图4.1.2所示。
图4.1.2晶振电路
产生时钟信号的方式是：
在XTAL1（18脚）和XTAL2（19脚）引脚接入一个振荡电路。
用两个22pF电容的作用是开启振荡器和调节振荡频率。
接入12M晶振来确定时钟周期，此时产生的信号为单片机最基本的时间单位，即时钟周期，用振荡频率的的倒数代表它的大小（1/fosc）。
4.1.3复位电路
复位电路在单片机设计中是一个必不可少的部分。
单片机在刚开始运行的时候需要进行一次复位，以确保整个系统电路在要开始运行时保持一种最初状态，保证一开始的运行正常。
AT89C52单片机的第九引脚RESET，当这个引脚接收到两个机器周期（24个振荡脉冲周期）的高电平时，就会发生复位。
复位电路的实现方式有很多种方式。
常见的方式有上电、手动和自动复位三种。
电路连接图如图4.1.3所示：
图4.1.3复位电路
4.1.4排阻电路
AT89C52单片机P0口内部结构与其他三个I/O口（P1口、P2口和P3口）不同，由于P0口内部没有上拉电阻，当它用于通用I/O口使用时，其输出驱动级为漏极开路，不能正常的输出高低电平，因此必须外接上拉电阻。
一般我们选择接入阻值为10K的上拉电阻。
如图4.1.4所示。
图4.1.4排阻电路
4.2DS18B20温度传感器
4.2.1DS18B20简介
单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的单线器件，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
其温度测量范围为-55～+125摄氏度，可编程为9位～12位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；
其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；
多个传感器可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图4.2.1所示。
其中，DQ为数据输入/输出引脚，也可用作开漏单总线接口引脚，当被用在寄生电源工作方式下，可以向器件提供电源；
GND为地信号；
VDD为可选择的电源引脚，当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
图4.2.1各种封装的DS18B20传感器
DS18B20的性能特点如下：
（1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条总线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的单总线上，实现组网多点测温；
（3）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；
（4）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
（5）测温范围-55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃；
（6）零待机功耗；
（7）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；
（8）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；
（9）用户可定义报警设置；
（10）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
（11）测量结果直接输出数字温度信号，以"
单总线"
串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；
（12）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；
以上特点使DS18B20非常适用与多点、远距离温度检测系统。
4.2.2DS18B20内部结构
DS18B20内部结构框如图4.2.2所示，其主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。
图4.2.2DS18B20内部结构图
其中，64bit闪速ROM的结构如下图4.2.3所示：
图4.2.364bit闪存ROM
开始的8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
主机操作ROM的命令有六种，如图4.2.4所示。
温度传感器DS18B20的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图4.2.5所示。
图4.2.5高速暂存RAM结构图
其中，前2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
暂存存储器的第5个字节是配置寄存器，可以通过相应的写命令进行配置，其内容如下表所示：
MSB
R1
R2
1
LSB
其中R0和R1是温度值分辨率位，可按表4.2.2进行配置。
R0
分辨率
最大转换时间（ms）
9位
93.75ms（tconv/8）
10位
183.50ms（tconv/4）
11位
375ms（tconv/2）
12位
750ms（tconv）
表4.2.2温度分辨率对应最大转换时间
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。
单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前、高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。
温度值格式如表4.2.3。
低
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
高
S
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