基于温度传感器的数字温度计的设计.docx

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基于温度传感器的数字温度计的设计

毕业设计论文

基于温度传感器的数字温度计

摘要

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。

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，更加可以通过单跳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。

更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。

本文主要介绍了一个基于89C51单片机和DS18B20的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析,该系统可以方便的实现实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上下限报警温度，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量。

关键词：

AT89C51单片机、温度传感器DS18B20

Abstract

　Temperaturecontrolsystemiswidelyappliedinvariousfieldsofsociallife,suchashouseholdappliances,automobiles,materials,powerelectronics,thecommonlyusedcontrolcircuitaccordingtotheapplicationsandtherequiredperformanceindicatorsisdifferent,intheindustrialenterprise,howtoimprovetheperformanceofthetemperaturecontrolobjecthasbeencontrolpersonnelandtheon-sitetechnicalpersonneltosolvetheproblem.Thiskindofcontrolobjectinertiabig,seriouslagphenomenon,therearemanyuncertainfactors,itisdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel,whichcanleadtopoorperformancecontrolsystem,andevencontrolinstability,outofcontrolphenomenon.Thetraditionalrelaythermalcontrolcircuitissimpleandpractical,butbecausetherelayactionisfrequent,itmayaffectbybadcontactofthenormalwork.ControlfieldisalargenumberoftraditionalPIDcontrolmethod,butmodelofPIDcontrolobjectisdifficulttoestablish,andwhenthedisturbancefactorsisnotclear,inconvenientparameteradjustmentisstillacommonproblem.

WithdigitaltemperaturesensorDS18B20,becauseofitsinternalintegrationA/Dconverter,makethecircuitstructuremoresimple,andreducetheprecisionoftemperaturemeasurementconversionloss,makemoreaccuratetemperaturemeasurement.DigitaltemperaturesensorDS18B20apincanonlycommunicatewithMCU,greatlyreducingthewiringtrouble,thisismoreextensibility.DuetotheminiaturizationofDS18B20chips,morecanandmaincircuitcanjumpthroughsinglecableconnection,therefore,canmakedigitaltemperaturesensorDS18B20aprobe,intoanarrowplace,increasesthepracticability.BettercombinationofmultipledigitaltemperaturesensorDS18B20isusedtodetecttherangeoftemperature.

Thispapermainlyintroducesatemperaturemeasurementsystembasedon89c51MCUandDS18b20,describesindetailusingdigitaltemperaturesensorDS18b20temperaturemeasurementandcontrolsysteminthedevelopmentprocess,focusingonsensorunderthesinglechipmicrocomputerhardwareconnection,softwareprogrammingandtheflowdiagramofeachmodulesystemhascarriedonthedetailedanalysis,thesystemcaneasilyrealizetemperatureacquisitionanddisplay,andcanuseeithersettheupperandloweralarmtemperature,suitableforourdailylifeandtemperaturemeasurementinindustrialandagriculturalproduction.

[Keywords]STC89C52microcontroller、DS18B20

摘要………………………………………………………………………………..1一、工作原理………………………………………………………………………..4

二、设计方案…………………………………………………………………………..4

三、单片机…………………………………………………………………….………5

四、温度传感器………………………………………………………………….....7

五、显示模块和报警模块………………………………………………………….....8

1、报警模块…………………………………………………………………8

2、温度显示模块………………………………………………….....……9六、C语言程序和注解………………………………………………………………9

七、仿真图…………………………………………………………………………...15

1、整体仿真图……………………………………………………………16

2、各仿真模块……………………………………………………………17八、总结………………………………………………………………………………17

九、参考文献…………………………………………………………………………18

一、工作原理

采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。

便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。

该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。

在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。

DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输。

该系统利用AT89C51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。

温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度，单片机AT89S51获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。

当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备（压缩制冷器），当采集的温度经处理后低于设定温度的下时,单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备（加热器）。

当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。

系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据，以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。

二、设计方案

采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。

便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。

且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。

在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。

DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。

这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。

采用51单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

既可以单独对多DS18B20

控制工作，还可以与PC机通信上传数据，另外AT89S51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

该系统利用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。

该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。

本设计由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度并将转换后的结果送入单片机。

然后通过A89C51单片机驱动LCD显示测量温度值，当达到温度上限或下限时报警。

如附录中本设计硬件电路图所示，本电路主要有DS18B20温度传感器芯片，LCD1602液晶显示器，AT89C51单片机及相应外围电路组成。

三、单片机

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM）32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

由于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控芯片。

主控模块采用单片机最小系统是由于AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为0～24MHz,并且价格低廉,批量价在10元以内。

主要特性如下：

●与MCS-51兼容

●4K字节可编程闪烁存储器

●寿命：

1000写/擦循环

●数据保留时间：

10年

●全静态工作：

0Hz-24Hz

●三级程序存储器锁定

●128*8位内部RAM

●32可编程I/O线

●两个16位定时器/计数器

●5个中断源

●可编程串行通道

●低功耗的闲置和掉电模式

●片内振荡器和时钟电路

四、温度采集模块

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围－55～＋125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个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。

从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。

综上，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。

该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。

在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。

该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。

温度芯片DS18B20可以并用

DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。

DS18B20的电源供电方式有2种:

外部供电方式和寄生电源方式。

工作于寄生电源方式时,VDD和GND均接地,他在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用,原理是当1Wire总线的信号线DQ为高电平时,窃取信号能量给DS18B20供电,同时一部分能量给内部电容充电,当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。

但寄生电源方式需要强上拉电路,软件控制变得复杂（特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PROM时）,同时芯片的性能也有所降低。

外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。

因此本设计采用外部供电方式。

如下图所示：

DS18B20使用中的注意事项

DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

●DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示85。

●较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

●当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

五、显示模块和报警模块

1、显示模块

采用的是工业字符型液晶1602液晶，具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的特征，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。

能够同时显示16x02即32个字符，（16列2行）可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。

特性：

或5V工作电压，对比度可调；内含复位电路；提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有80显示数据存储器；内建有192个5X7的字型的字符发生器；8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

管脚和模型如下：

2、报警模块

本设计采软件处理报警，利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。

当所测温度超过获低于所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出。

（也可采用发光二级管报警电路，如过需要报警，则只需将相应位置1，当参数判断完毕后，再看报警模型单元ALARM的内容是否与预设一样，如不一样，则发光报警）报警电路硬件连接见图

六、C语言程序和注解

C语言程序

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unsignedcharcodedigit[10]={"09"};;

单片机基础》北京航空航天大学出版社，2001（07）.

[2]蔡美琴,张为民等.《MCS-51系列单片机系统及其应用》高等教育出版社，2004（06）.

[3]张毅刚,等.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社,1997.

[4]刘瑞星,胡健等.《ProtelDXP实用教程》机械工业出版社，2003（04）.

[5]于海生.《计算机控制技术》机械工业出版社2007（05）.

[6]谭浩强.《C程序设计》清华大学出版社.

[7]康华光.《电子技术基础模拟部分》高等教育出版社1998（08）.

[8]余锡存.《单片机原理与接口技术》西安电子科技大学出版社，2003.