PAGE24第1章緒論1.1選題的背景和意義隨著人們生活水平的不斷提高,單片機(jī)控制無(wú)疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來(lái)的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計(jì)就是一個(gè)典型的例子，但人們對(duì)它的要求越來(lái)越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活提供更好的更方便的設(shè)施就需要從單片機(jī)技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。溫度測(cè)量在物理實(shí)驗(yàn)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品生產(chǎn)等領(lǐng)域，尤其在熱學(xué)試驗(yàn)（如：物體的比熱容、汽化熱、熱功當(dāng)量、壓強(qiáng)溫度系數(shù)等教學(xué)實(shí)驗(yàn)）中，有特別重要的意義。現(xiàn)在所使用的溫度計(jì)通常都是精度為1℃和0.1℃的水銀、煤油或酒精溫度計(jì)。這些溫度計(jì)的刻度間隔通常都很密，不容易準(zhǔn)確分辨，讀數(shù)困難，而且他們的熱容量還比較大，達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間較長(zhǎng)，因此很難讀準(zhǔn)，并且使用非常不方便。本設(shè)計(jì)所介紹的數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對(duì)測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用。目前溫度計(jì)的發(fā)展很快，從原始的玻璃管溫度計(jì)發(fā)展到了現(xiàn)在的熱電阻溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、數(shù)字溫度計(jì)、電子溫度計(jì)等等，溫度計(jì)中傳感器是它的重要組成部分，它的精度、靈敏度基本決定了溫度計(jì)的精度、測(cè)量范圍、控制范圍和用途等。傳感器應(yīng)用極其廣泛，目前已經(jīng)研制出多種新型傳感器。但是，作為應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)系統(tǒng)要求選用適宜的傳感器，并與自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)連接起來(lái)，從而構(gòu)成性能優(yōu)良的監(jiān)控系統(tǒng)。1.2數(shù)字溫度計(jì)的概述隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)．能夠獨(dú)立工作的溫度檢測(cè)和顯示系統(tǒng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻的成本低，但需后續(xù)信號(hào)處理電路，而且可靠性相對(duì)較差，測(cè)溫準(zhǔn)確度低，檢測(cè)系統(tǒng)也有一定的誤差。與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，這里設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫精確，數(shù)字顯示，適用范圍寬等特點(diǎn)。選用AT89C2051型單片機(jī)作為主控制器件，DSl8B20作為測(cè)溫傳感器通過(guò)4位共陽(yáng)極LED數(shù)碼管串口傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫度顯示。通過(guò)DSl8B20直接讀取被測(cè)溫度值，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該器件的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，線性較好，在-55℃~+125℃最大線性偏差小于0．5℃。該器件可直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)處理及控制。另外，該溫度計(jì)還能直接采用測(cè)溫器件測(cè)量溫度，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)傳輸與處理過(guò)程。1.3設(shè)計(jì)思路大多單片機(jī)接口輸入的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，或有帶A／D轉(zhuǎn)換的高端單片機(jī)也可以輸入模擬信號(hào)。由單片機(jī)獲取非電信號(hào)的溫度信息，必須通過(guò)溫度傳感器。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量多以熱敏電阻作為溫度傳感器。但是，熱敏電阻的可靠性較差、測(cè)量溫度精度低，而且還需經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能由單片機(jī)進(jìn)行處理。因此，使用數(shù)字溫度傳感器可簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)、方便單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)、節(jié)約成本。設(shè)計(jì)單片機(jī)數(shù)字溫度計(jì)需要考慮以下3個(gè)方面：(1)溫度傳感器芯片的選擇；(2)單片機(jī)和溫度傳感器的接口電路設(shè)計(jì)；(3)控制溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度信息采集以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖?.4設(shè)計(jì)要求本次設(shè)計(jì)的數(shù)字顯示溫度計(jì)，需滿足以下設(shè)計(jì)要求：（1）用LED數(shù)碼管或LED顯示溫度值；（2）溫度測(cè)量范圍：-55℃--+125℃；（3）溫度精度：±0.5℃；（4）溫度顯示分辨：0.1℃。1.5系統(tǒng)說(shuō)明及使用說(shuō)明本裝置的功能是對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，有溫度傳感器DS18B20對(duì)溫度進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，并與設(shè)定的報(bào)警溫度上、下限值進(jìn)行比較，信息通過(guò)LED顯示出來(lái)。如果實(shí)時(shí)溫度超過(guò)上下限值，一方面由LED顯示信息，并發(fā)出報(bào)警聲；另一方面自動(dòng)控制繼電器接通或者斷開(kāi)，從而控制加熱源的開(kāi)與斷，達(dá)到對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的目的。在這次的設(shè)計(jì)中用的開(kāi)發(fā)工具是PROTUES，由于該開(kāi)發(fā)工具穩(wěn)定，而且操作方便，故選擇了此開(kāi)發(fā)工具。打開(kāi)keil，輸入所編寫(xiě)的源程序并對(duì)程序進(jìn)行編譯，在軟件的幫助下檢查其中的錯(cuò)誤并進(jìn)行反復(fù)修改，直到編譯正確后運(yùn)行，確保沒(méi)有錯(cuò)誤以后對(duì)正確的源程序進(jìn)行保存，保存時(shí)給其命名，以便將來(lái)載入程序時(shí)容易找到。本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，使用時(shí)，只要將其放在需要測(cè)量的地方接通電源就可以了，并且可以根據(jù)季節(jié)來(lái)設(shè)定不同的報(bào)警溫度，設(shè)置時(shí)可以通過(guò)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)：K1為設(shè)定值加減方式選擇鍵；K2為T(mén)H值設(shè)定鍵；K3為T(mén)L值設(shè)定鍵；K4為確定鍵。當(dāng)超過(guò)報(bào)警最高的溫度時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警并接通散熱系統(tǒng)，相反，當(dāng)?shù)陀谧畹蜏囟葧r(shí)，會(huì)接通加熱系統(tǒng)并報(bào)警。實(shí)時(shí)溫度可以在LED上顯示，使用時(shí)，可以將LED接在隨時(shí)都可以看見(jiàn)的地方，便于隨時(shí)掌握實(shí)時(shí)溫度。第2章設(shè)計(jì)方案論證和系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)方案論證2.1.1設(shè)計(jì)方案一利用LM35溫度感應(yīng)器在溫度變化時(shí)轉(zhuǎn)化成電壓的等比例變換，然后通過(guò)數(shù)碼顯示管以數(shù)字的顯示顯示出來(lái)。此電路圖的核心元件是利用ICL7107來(lái)完成功能的轉(zhuǎn)換，CL7107是一塊應(yīng)用非常廣泛的集成電路。它包含31/2位數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，內(nèi)部設(shè)有參考電壓、獨(dú)立模擬開(kāi)關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)調(diào)零功能等。制作時(shí)，數(shù)字顯示用的數(shù)碼管為共陽(yáng)型，2K可調(diào)電阻最好選用多圈電阻，分壓電阻選用誤差較小的金屬膜電阻，其它器件選用正品即可。該電路稍加改造，還可演變出很多電路，如數(shù)顯電流表、數(shù)顯溫度計(jì)等.靜默電流溫度關(guān)系。硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高，精度不高，不適合在高精度場(chǎng)合使用。2.1.2設(shè)計(jì)方案二利用集成溫度傳感器AD590設(shè)計(jì)并制作了一款基于AT89C51的4位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計(jì)，其電路簡(jiǎn)單，軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化，易于實(shí)現(xiàn)。該數(shù)字溫度計(jì)利用AD590集成溫度傳感器及其接口電路完成溫度的測(cè)量并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，然后送到單片機(jī)AT89C51中進(jìn)行處理變換，最后將溫度值顯示在D4、D3、D2、D1共４位七段碼LED顯示器上。系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，加上AD590測(cè)溫電路、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、4位溫度數(shù)據(jù)顯示電路以及外圍電源、時(shí)鐘電路等組成。本設(shè)計(jì)和方案一一樣采用模數(shù)轉(zhuǎn)換。硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高。故溫度計(jì)不穩(wěn)定精度不高，不適合在高精度場(chǎng)合使用。2.1.3設(shè)計(jì)方案三在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要用到溫度的檢測(cè)及控制，傳統(tǒng)的測(cè)溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度，需要比較多的外部硬件支持，硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高。本數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感DS18B20作為檢測(cè)元件，溫度范圍為-55～125℃，最大分辨率在0.0625℃。DS18B20可以直接讀出溫度被測(cè)溫度值，而且采用三線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，確定系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成：主控制器、測(cè)溫電路、顯示電路。數(shù)字溫度計(jì)總體電路結(jié)控制器使用單片機(jī)AT89S52，溫度傳感器使用DS18B20，用4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)溫度顯示。此電路溫度分辨率高、電路簡(jiǎn)單、可靠，可以再較高環(huán)境要求下準(zhǔn)確測(cè)溫，故采用此方案。2.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方框圖溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖2.1所示．控制器采用單片機(jī)AT89S52．溫度傳感器采用DSl8B20．用4位LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度顯示。圖2.1整體設(shè)計(jì)方框圖第3章系統(tǒng)分析3.1AT89S52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89S52是MCS-52系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。AT89S52單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說(shuō)明：其結(jié)構(gòu)如圖3.1。中央處理器：中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)AT89S52內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問(wèn)，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個(gè)，可存放讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 圖3.1AT89S52單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖程序存儲(chǔ)器(ROM)：AT89S52共有4096個(gè)8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時(shí)/計(jì)數(shù)器(ROM)：AT89S52有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(I/O)口：AT89S52共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：AT89S52內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：AT89S52具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。時(shí)鐘電路：AT89S52內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但AT89S52單片機(jī)需外置振蕩電容。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)的形式，即哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTEL的MCS-51系列單片機(jī)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機(jī)則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。AT89S52引腳說(shuō)明：MCS-52系列單片機(jī)中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。現(xiàn)在我們對(duì)這些引腳的功能加以說(shuō)明：如圖3.2所示。圖3.2AT89S52單片機(jī)引腳圖Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)AT89S52通電，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫(xiě)入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，AT89S52的初始態(tài)。AT89S52的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，見(jiàn)下圖3.3。此外，RESET/Vpd還是一復(fù)用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。圖3.3時(shí)鐘電路Pin30:ALE/PROG當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而當(dāng)訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳過(guò)一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間，PROG將用于輸入編程脈沖。Pin29:PESN當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。Pin31:EA/Vpp程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機(jī)，內(nèi)置有4kB的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)，而超過(guò)4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。顯然，對(duì)內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器的8031,EA端必須接地。3.2溫度傳感器DSl8B20簡(jiǎn)介DSl8820是美國(guó)達(dá)拉斯(Dallas)公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片，與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同。DSl8B20可直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)處理。通過(guò)編程，DSl8B20可以實(shí)現(xiàn)9～12位的溫度讀數(shù)，并可分別在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量。其測(cè)溫范圍一55℃一十125℃，最大分辨率為0．0625℃，在一10℃—+85℃范圍內(nèi)其測(cè)溫準(zhǔn)確度為±0.5℃。DSl8B20具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、易與微處理器連結(jié)等特點(diǎn)．而且它無(wú)需任何外圍硬件即可方便地進(jìn)行溫度測(cè)量，與單片機(jī)交換信息僅需要一根I／O口線，其讀寫(xiě)及溫度轉(zhuǎn)換的功率也可來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，而無(wú)需額外電源。另外，每片DSl8B20都設(shè)有唯一的產(chǎn)品序列號(hào)，存放在它的內(nèi)部ROM中，單片機(jī)通過(guò)簡(jiǎn)單的協(xié)議就能識(shí)別這個(gè)序列號(hào)。因此，多個(gè)DSl8B20可以掛接于同一條單線總線上，特別適合構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)。3.2.1DSl8B20性能特點(diǎn)(1)獨(dú)特的單線接口，僅需1個(gè)I／O口引腳即可通信，無(wú)需變換其它電路，直接輸出被測(cè)溫度值的數(shù)字信號(hào)；(2)多點(diǎn)(multidrop)能力使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)化：(3)不需要外部元件；(4)既可用數(shù)據(jù)線供電，也可采用外部電源供電；(5)零待機(jī)功耗，不需備份電源；(6)測(cè)量范圍為一55—+125℃，固有測(cè)溫分辨率為0．5℃；(7)通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)9—12位的數(shù)字讀數(shù)方式；(8)溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間200ms(典型值)；(9)用戶可定義非易失性的溫度告警設(shè)置；(10)警告搜索命令能識(shí)別和尋址溫度在編定的極限之外的器件(溫度警告情況)；(11)應(yīng)用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)類產(chǎn)品、溫度計(jì)或任何熱敏系統(tǒng)。3.2.2引腳排列與功能DSl8B20采用3腳TO一92封裝或8腳SOIC封裝，其外部形狀及管腳圖如圖3.4所示。圖中①GND為地，②DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出端，該腳為漏極開(kāi)路輸出。常態(tài)下呈高電平，③可選用的VDD引腳，不用時(shí)應(yīng)接地。SOIC封裝的NC為空引腳。圖3.4外部形狀及管腳圖3.2.3DSl8B20溫度測(cè)量原理圖DSl8B20測(cè)量溫度使用了DALLAS特有的溫度測(cè)量技術(shù)。DSl8B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)fo，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)fo當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，DSl8B20對(duì)毛計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門(mén)開(kāi)通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性予以補(bǔ)償。測(cè)量結(jié)果暫存于溫度寄存器中，用單片機(jī)可以方便地將其讀出來(lái)。如圖3.5所示圖3.5測(cè)溫原理圖3.2.4運(yùn)用——告警信號(hào)在DSl8B20完成溫度變換之后，溫度值與儲(chǔ)存在TH和TL內(nèi)的告警觸發(fā)值進(jìn)行比較。由于是8位寄存器，所以9～12位在比較時(shí)忽略。TH或TL的最高位直接對(duì)應(yīng)于16位溫度寄存器的符號(hào)位。如果溫度測(cè)量的結(jié)果高于TH或低于TL，那么器件內(nèi)告警標(biāo)志將置位，每次溫度測(cè)量都會(huì)更新此標(biāo)志。只要告警標(biāo)志置位，DSl8B20就將響應(yīng)告警搜索命令，這也就允許單線上多個(gè)DSl8B20同時(shí)進(jìn)行溫度測(cè)量，即使某處溫度越限，也可以識(shí)別出正在告警的器件。3.2.5單總線(single一bus)技術(shù)目前，微機(jī)和外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€常用的有㎡C總線、SPI總線等。其中，㎡C總線采用同步串行兩線(一根時(shí)鐘線、一根數(shù)據(jù)線)方式，而SPI總線采用同步串行三線(一根時(shí)鐘線、一根輸入線、一根數(shù)據(jù)輸出線)方式。美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司推出了一項(xiàng)特有的單線(single—bus)技術(shù)。該技術(shù)與上述總線不同，它采用單根信號(hào)線，既可傳輸時(shí)鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。這種單線技術(shù)具有線路簡(jiǎn)單、便于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。單線技術(shù)適用于單主機(jī)系統(tǒng)，單主機(jī)能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備，它們之間的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線來(lái)完成。主機(jī)和從機(jī)之間的通信主要分為3個(gè)步驟：初始化單線器件、識(shí)別單線器件和單線數(shù)據(jù)傳輸。由于只有一根線通信，所以它們必須是嚴(yán)格的主從結(jié)構(gòu)，只有主機(jī)呼叫從機(jī)時(shí)，從機(jī)才能應(yīng)答，主機(jī)訪問(wèn)每個(gè)單線器件必須嚴(yán)格遵循單線命令序列，如果命令序列混亂，單線器件將不會(huì)響應(yīng)主機(jī)。3.2.6DS18B20的特性DS18B20是一種數(shù)字式的溫度傳感器,在其內(nèi)部使用了在(On-Borad)專利技術(shù)。使其具有以下特性:·單線接口,只需一根口線與CPU連接;·不需要外部元件,不需要備份電源,可用數(shù)據(jù)線供電;·支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能,多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上;·溫度測(cè)量范圍從-50℃～125℃;·通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)1?2～1?16的四級(jí)精度轉(zhuǎn)換;·在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化9位和12位的數(shù)字量;·用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值;·報(bào)警搜索命令可以識(shí)別哪片DS18B20溫度超限;·芯片本身帶有命令集和存儲(chǔ)器3.3顯示器件LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管分共陽(yáng)極與共陰極兩種，其工作特點(diǎn)是，當(dāng)筆段電極接低電平，公共陽(yáng)極接高電平時(shí)，相應(yīng)筆段可以發(fā)光。共陰極LED數(shù)碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極(負(fù)極)短接后作為公共陰極。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平、?端接低電平時(shí)，才能發(fā)光。LED的輸出光譜決定其發(fā)光顏色以及光輻射純度，也反映出半導(dǎo)體材料的特性。常見(jiàn)管芯材料有磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、氮化鎵(GaN)等，其中氮化鎵可發(fā)藍(lán)光。發(fā)光顏色不僅與管芯材料有關(guān)，還與所摻雜質(zhì)有關(guān)，因此用同一種管芯材料可以制成發(fā)出紅、橙、黃、綠等不同顏色的數(shù)碼管。其它顏色LED數(shù)碼管的光譜曲線形狀與之相似，僅入，值不同。LED數(shù)碼管的產(chǎn)品中，以發(fā)紅光、綠光的居多、這兩種顏色也比較醒目。LED數(shù)碼管等效于多只具有發(fā)光性能的PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)，依靠少數(shù)載流子的注人及隨后的復(fù)合而輻射發(fā)光，其伏安特性與普通二極管相似。在正向?qū)ㄖ埃螂娏鹘朴诹悖P段不發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)開(kāi)啟電壓時(shí)，電流就急劇上升，筆段發(fā)光。因此，LED數(shù)碼管屬于電流控制型器件，其發(fā)光亮度L(單位是cd/m2)與正向電流IF有關(guān)，用公式表示：L=KIF即亮度與正向電流成正比。LED的正向電壓U，則與正向電流以及管芯材料有關(guān)。使用LED數(shù)碼管時(shí)，工作電流一般選10mA左右／段，既保證亮度適中，又不會(huì)損壞器件。LED數(shù)碼管的引腳配置與兩種接法如圖3.6。圖3.6LED數(shù)碼管的引腳與接法第4章系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由AT89S52構(gòu)成的溫度計(jì)主要由三部分組成：DSl8820溫度傳感器、單片機(jī)AT89S52、由LED數(shù)碼管構(gòu)成的顯示模塊。其系統(tǒng)原理框圖如圖4－1所示。DSl8820作為單片機(jī)AT89S52的外部信號(hào)源，把所采集到的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)I／O接口傳給C52,C52啟動(dòng)ROM內(nèi)的控制程序驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，通過(guò)I／0接口和數(shù)據(jù)傳送給數(shù)碼管，將采集到的溫度顯示出來(lái)。溫度及原理框圖：圖4-1溫度計(jì)原理框圖4.2主板電路系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路。溫度顯示電路。上下限報(bào)警調(diào)整電路，單片機(jī)主板電路等，如圖4-2所示。系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計(jì)算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。可以根據(jù)所屬程序設(shè)置溫度及上下限報(bào)警設(shè)置。蜂鳴器可以在被測(cè)溫度不在上下限范圍內(nèi)時(shí)。發(fā)出報(bào)警嗚叫聲音，同時(shí)LED數(shù)碼管將沒(méi)有被測(cè)溫度值顯示，這時(shí)可以調(diào)整報(bào)警上下限。從而測(cè)出被測(cè)的溫度值。圖中復(fù)位電路為上電復(fù)位，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。圖4-2單片機(jī)主板電路4.3顯示電路顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優(yōu)點(diǎn)就是使用口資源比較少。只用p3門(mén)的RXD.和TXD．串口的發(fā)送和接收，四只數(shù)碼管采用8個(gè)電阻代替74LS64右移寄存器驅(qū)動(dòng)。圖4.3溫度顯示電路4.4DS18B20與單片機(jī)接口電路DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖4.4所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)MOSFET管來(lái)完成對(duì)總線的上拉。當(dāng)DS18B20處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為10us。采用寄生電源供電方式時(shí)VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫(xiě)命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。圖4.4DS18B20與單片機(jī)的接口電路4.5總電路圖基于AT89S51的溫度測(cè)量系統(tǒng)電路圖把溫度轉(zhuǎn)化成帶符號(hào)的數(shù)字信號(hào)(以十六位補(bǔ)碼形式，占兩個(gè)字節(jié))，若采用帶屏蔽的雙絞電纜線，連線的長(zhǎng)度可以達(dá)到150m，輸出腳I/O直接與單片機(jī)的P3.4相連，R為上拉電阻，傳感器采用外部電源供電。AT89S52是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，內(nèi)含2KB的FLASHRoM，用戶程序存放在這里。顯示器模塊由四位一體的共陽(yáng)數(shù)碼管和四個(gè)9012組成。系統(tǒng)程序分傳感器控制程序和顯示器程序兩部分，傳感器控制程序是按照DSl8B20的通信協(xié)議編制。系統(tǒng)的工作是在程序控制下，完成對(duì)傳感器的讀寫(xiě)和對(duì)溫度的顯示。產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍：一55—+125℃，測(cè)量精度：0.5℃；反應(yīng)時(shí)間小于等于500ms。圖4.5基于AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)第5章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序和顯示刷新子程序等。5.1主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測(cè)量溫度值，溫度測(cè)量每1s進(jìn)行一次。其程序流程圖如圖5.1所示圖5.1主程序流程圖5.2讀出溫度子程序流程圖讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時(shí)需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫(xiě)。其程序流程圖如圖5.2所示：圖5.2讀出子程序流程圖5.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令，當(dāng)采用12位分辨率，時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為750ms。在本程序設(shè)計(jì)中采用1s顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成。其程序流程圖如圖5－3所示。圖5-3溫度轉(zhuǎn)換流程圖5.4計(jì)算溫度子程序計(jì)算溫度子程序?qū)⒅凶x取值進(jìn)行碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖5.4所示：圖5-4計(jì)算溫度子程序流程圖5.5顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對(duì)顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高顯示位為0時(shí)，將符號(hào)顯示位移入下一位。程序流程圖如圖5.5所示圖5.5顯示數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖第6章調(diào)試及性能分析6.1軟件調(diào)試本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的調(diào)試以程序的調(diào)試為主。先編寫(xiě)顯示程序并進(jìn)行硬件的正確性檢驗(yàn)，然后分別進(jìn)行主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等的編程及調(diào)試。由于DS18B20與單片機(jī)采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，對(duì)DS18B20進(jìn)行讀/寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀/寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)量結(jié)果。本程序采用單片機(jī)C語(yǔ)言編寫(xiě)，用KeilC編譯器編程調(diào)試軟件調(diào)試到數(shù)碼管能顯示溫度值，而且在有溫度變化時(shí)（例如改變傳感器的溫度值）顯示溫度能改變。6.2系統(tǒng)調(diào)試軟硬件分別調(diào)試完成以后，將程序下載入單片機(jī)中，電路板接上電源，電源指示燈亮，按下開(kāi)關(guān)按鈕，數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度。用手去碰觸溫度傳感器，溫度顯示值出現(xiàn)變化，顯示當(dāng)前手的溫度值。假如數(shù)碼管不工作，那么檢查溫度傳感器是否牢固的插入底座或者傳感器已損壞，如果不是傳感器的問(wèn)題，那么需要檢查電源開(kāi)關(guān)是否接錯(cuò)，數(shù)碼管或者單片機(jī)是否已損壞。假如數(shù)碼管可以工作但是不能正常顯示，則要檢查數(shù)碼管的位選端和段選端是否與單片機(jī)的連接有誤，或是買(mǎi)錯(cuò)數(shù)碼管的型號(hào)。由于我們?cè)谟密浖抡娴臅r(shí)候，都是假設(shè)所有的元件為理想狀態(tài)，但是在現(xiàn)實(shí)中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理想狀態(tài)，元器件總是或多或少的存在一些問(wèn)題，所以我們的成品有可能與仿真出的結(jié)果有一些差距。但是只要能夠?qū)崿F(xiàn)正常顯示溫度值，那么本次設(shè)計(jì)基本成功。6.3數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)計(jì)完成以后，我們要對(duì)該數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，看其是否能夠達(dá)到預(yù)期的要求。將溫度傳感器與冰水混合物接觸，等待顯示穩(wěn)定以后讀出溫度值，并且記錄，看是否能夠顯示零度以下溫度。再把溫度傳感器放入沸水中，待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后，記下所測(cè)溫度，該溫度計(jì)的量程為-55℃～125℃，讀數(shù)精度為0.1℃，實(shí)際使用一般在0℃～100℃。采用水銀溫度計(jì)作檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)的溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果表明能達(dá)到該精度要求。6.4性能分析性能測(cè)試可用制作的溫度計(jì)和已有的成品溫度計(jì)來(lái)測(cè)量比較。由于DS18B20的精度很高，所以誤差指標(biāo)可以限制在0.1℃以內(nèi)，另外-55至+125℃的測(cè)量范圍使得該溫度完全適合一般的應(yīng)用場(chǎng)合，其低壓供電特性可作為用電池電子溫度計(jì)。第7章結(jié)論在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，所設(shè)計(jì)的多功能數(shù)字溫度計(jì)，與傳統(tǒng)溫度計(jì)比較，其在工作過(guò)程中的可靠性更高，并且策略誤差也更小，同時(shí)還有其他的諸多優(yōu)勢(shì)，如，讀數(shù)非常方便。此溫度計(jì)可被應(yīng)用于多種場(chǎng)所，但是一般這些場(chǎng)所對(duì)于測(cè)溫要求比較高一些。本文所設(shè)計(jì)的溫度計(jì)當(dāng)中，采用的是AT89S52單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智控，其中選擇的溫度傳感器型號(hào)是DSl8B20，可以非常精準(zhǔn)的測(cè)量外界溫度，其所測(cè)得的數(shù)據(jù)信息會(huì)通過(guò)串口通信傳送到處理系統(tǒng)當(dāng)中。此外，選用的是C51程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)對(duì)單片機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行了相關(guān)的編程。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)單片機(jī)的認(rèn)知，并掌握了一些基本的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)。雖然在設(shè)計(jì)當(dāng)中遇到了不少的問(wèn)題，如，對(duì)新元器件有一定的抵觸心理，看不懂電圖，這一切的問(wèn)題都是來(lái)源于自身掌握知識(shí)的欠缺和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏。然而，在持續(xù)不斷地探索過(guò)程中，最后成功的解決了所遇到的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)，給本人的啟發(fā)有：要想解決一個(gè)問(wèn)題，需要努力的去探索，利用網(wǎng)絡(luò)、朋友、老師等資源，來(lái)持續(xù)不斷的進(jìn)行探索，最終問(wèn)題