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1、基于 51 单片机的温度测量控制系统设计摘摘 要要随着科技的不断进步，在工业生产中温度是常用的被控参数，而采用单片机来对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。温度传感器 DS18B20 具有性能稳定、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的测量和控制。本文采用 51 单片机来实现对温度的测量和控制。它的主要组成部分有：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。它可以实时地检测和显示温度，可以设定温度范围，实现对温度的报警和自动控制。关键词关键词：温度；51 单片机；DS18B20；
2、测量和控制。 ABSTRACTTemperature 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 lif
3、e in the measurement and 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
4、 display temperature, but also setting the temperature range and the measurement and control of temperature.Key words: Temperature; 51 MCU; DS18B20; Measurement and control目录目录1 引言 .1 1.1 温度测量控制系统设计的背景、发展历史及意义 .1 1.2 温度测量控制系统的目的 .1 1.3 温度测量控制系统完成的功能 .1 2 总体设计方案 .2 2.1 方案一 .2 2.2 方案二 .2 3 DS18B20 温度传
5、感器简介 .7 3.1 温度传感器的历史及简介 .7 3.2 DS18B20 的工作原理 .7 3.2.1 DS18B20 工作时序 .7 3.2.2 ROM 操作命令 .8 3.3 DS18B20 的测温原理.9 3.3.1 DS18B20 的测温原理 .9 3.3.2 DS18B20 的测温流程 .10 4 硬件电路设计 .11 4.1 单片机最小系统设计 .11 4.1.1 时钟电路 .11 4.1.2 复位电路 .12 4.1.3 电源电路 .12 4.2 测温电路设计 .13 4.3 显示电路设计 .13 4.4 键盘输入电路 .14 4.5 蜂鸣器报警电路 .14 5 系统软件设计
6、 .15 5.1 主程序模块 .15 5.2 读温度值模块 .16 5.3 中断模块 .19 5.4 温度设定、报警模块 .20 5.5 液晶显示模块 .22 6 系统调试与测试 .24 6.1 硬件调试 .24 6.2 软件调试 .24 6 总结 .25 参考文献 .26 附录 1 原理图.- 28 - 附录 2 程序代码 .291 引言1.1 温度测量控制系统设计的背景、发展历史及意义 温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数，随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但
7、温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。温度是一个重要的物理量，它反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。在工、农业生产和日常生活中，各个环节都与温度紧密相联，温度的准确监测及控制占据着极其重要地位。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等。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。可见，温度的测量和控制是非常重要的。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，单片机在电子
8、产品中的应用已经越来越广泛。利用单片机对温度进行控制的技术也随之而生，并日益发展和完善，且越来越显示出它的优越性。1.2 温度测量控制系统的目的本设计的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、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。1.3 温度测量控制系统完成的功能本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了
9、基本的温度控制功能：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，精确到小数点一位；通过独立按键可以设置温度的控制范围。2 总体设计方案2.1 方案一测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，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，感温电路比较麻烦。2.2 方案二考虑使用
10、温度传感器，结合单片机电路设计，采用一只 DS18B20 温度传感器，直接读取被测温度值，之后进行转换，依次完成设计要求。比较以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计容易实现，故实际设计中拟采用方案二。在本系统的电路设计方框图如图 2.1 所示，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. 控制部分单片机 AT89S52 具有低电压供电和体积小等特点，它所具有的资源能足够满足此次电路系统的设计需要，并且很适合便携手持式产品的设计使用。2. 显示部分显示电路采用 LCD1602，
11、第一行显示当前温度，第二行显示控制温度范围。3. 用户按键用户按键采用 4 位独立按键，能够对温度上下限进行设置。4. 蜂鸣器报警电路当前温度超出设定的温度上下限时，蜂鸣器报警。 5. 温度测量电路 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温。这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由 DS18B20 数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。数字温度传感器 DS18B20 把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的 P1.4 口。此部分只用到 DS18B20 和单片机，硬件很简单。(1) D
12、S18B20 的性能特点如下9 ：1) 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2) 多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；3) 无须外部器件；4) 可通过数据线供电，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过程序限定温度（温度报警条件）的器件；9) 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。 (2) DS18B20 的内部结构DS18B20 采用 3 脚 PR35 封装，如图1.2所示；DS18B20 的内部结构，如图 3 所示。引脚说明： 地 数
13、据线 可选图 22 DS18B20 封装(3) DS18B20 内部结构主要由四部分组成5：1) 64 位光刻 ROM。开始 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 56 位的 CRC 校验码，这也是多个 DS18B20 可以采用一线进行通信的原因10。64 位闪速 ROM 的结构如下.表 21 ROM 结构8b 检验 CRC48b 序列号8b 工厂代码（10H）MSB LSB MSB LSB MSB LSB内部电源 探测位 和 单线端口位 产生器暂存器下限触发上限触发温度传感器存储器和控制逻辑图 23 DS18B20 内部结构2) 非挥发的温度报
14、警触发器 TH 和 TL，可通过软件写入用户报警上下限值。3) 高速暂存存储，可以设置 DS18B20 温度转换的精度。DS18B20 温度传感器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 E2PRAM。高速暂存 RAM 的结构为 8 字节的存储器，结构如图1.3所示。头 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。它的内部存储器结构和字节定义如图1.3所示。低 5 位一直为
15、，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 内部存储器结构Byte0温度测量值 LSB（50H）Byte1温度测量值 MSB（50H）E2PROMByte2TH 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) 非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL，可通过软件写入用户报警上下限值。3) 高速暂存存储，可以设置 DS18B20 温度转换的精度。 DS18B20 出厂时
16、该位被设置为 0，用户要去改动，R1 和 R0 决定温度转换的精度位数，来 设置分辨率,如图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，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存 RAM 的第 6、7、8 字节保留未用，表现为全逻辑 1。第 9 字节读出前面所有8 字节的 CRC 码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。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。单片机可以
17、通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，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位 S1 时，表示测得的温度值为负值，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的二进制温度数据6。表 24 DS18B20 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 0000
18、0550H+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 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H4) CRC 的产生在 64 b ROM 的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC） 。主机根据 ROM 的
19、前 56位来计算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比较，以判断主机收到的 ROM 数据是否正确。另外，由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对 DS18B20 的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）发 ROM 功能命令发存储器操作命令处理数3 DS18B20 温度传感器简介3.1 温度传感器的历史及简介温度的测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是只能近距离观测，而且水银有毒，玻璃管易碎。代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然
20、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。在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示，出现了许多不同的温度检测方法，常用的有电阻式、热电偶式、PN 结型、辐射型、光纤式及石英谐振型等。它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值，热电势等)的变化的原理。随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。3.2 DS18B20的工作原理3.2.1 DS18B20工作时序 根据 DS18B20 的通讯协议，主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤：1. 每一次读写之前都必须要对 DS18B20 进行复位；2. 复位成功后发送一条
21、ROM 指令；3. 最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒，然后释放，DS18B20 收到信号后等待1560 微秒左右后发出 60240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，具体工作方法如图 2.1，2.2，2.3 所示。(1) 初始化时序响应脉 冲60240等待15-60主机最小480 主机复位脉冲 最小480US图 31 初始化时序总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，主机响应应答脉冲。应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。主机输出低电平，保
22、持低电平时间至少 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，并进入接受模式，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时 480us12。(2) 写时序采 样1545采 样154511主机写“1“时序主机写“0“时序图 32 写时序写时序包括写 0 时序和写 1 时序。所有写时序至少需要 60us，且在 2 次独立的写时序之间至少需要 1us 的恢复时间，都是以总线拉低开始。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) 读时序主机采样
23、主机采样454511主机写“1“时序主机写“0“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，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取总线当前电平，然后延时50us43.2.2 ROM操作命令 当主机收到DSl8B20 的响应信号后，便可以发出ROM 操作命令之一，这些命令如表2.
24、2：ROM操作命令。3.3 DS18B20 的测温原理 3.3.1 DS18B20的测温原理 每一片 DSl8B20 在其 ROM 中都存有其唯一的 48 位序列号，在出厂前已写入片内 ROM 中。主机在进入操作程序前必须用读 ROM(33H)命令将该 DSl8B20 的序列号读出。程序可以先跳过 ROM，启动所有 DSl8B20 进行温度变换，之后通过匹配 ROM，再逐一地读回每个 DSl8B20 的温度数据。DS18B20 的测温原理如图 2.4 所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所
25、产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器 2 计数到
26、0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图 2.3 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值. 表 31 ROM 操作命令指令约定代码功 能读 ROM33H读 DS18B20 ROM 中的编码符合 ROM55H发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单线总线上与该编码相对应的 DS18B20 使之作出响应，为下一步对该 DS18B20 的读写作准备搜索 ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上 DS18B20 的个数和识别 64位 ROM 地址，为操
27、作各器件作好准备跳过 ROM0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 发温度变换命令，适用于单片工作。续表 31告警搜索命 令0ECH执行后，只有温度超过设定值上限或者下限的片子才做出响应温度变换44H启动 DS18B20 进行温度转换，转换时间最长为 500MS，结果存入内部 9 字节 RAM 中读暂存器0BEH读内部 RAM 中 9 字节的内容写暂存器4EH发出向内部 RAM 的第 3，4 字节写上、下限温度数据命令，紧跟读命令之后，是传送两字节的数据复制暂存器48H将 E2PRAM 中第 3，4 字节内容复制到 E2PRAM 中重调 E2PRAM0BBH将 E2PRA
28、M 中内容恢复到 RAM 中的第 3，4 字节读 供 电方 式0B4H读 DS18B20 的供电模式，寄生供电时 DS18B20 发送“0” ，外接电源供电 DS18B20 发送“1”另外，由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对 DS18B20 的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发 ROM 功能命令发存储器操作命令处理数据。减法计数器斜坡累加器减到 0减法计数器预 置低温度系数 振 荡 器高温度系数 振 荡 器计数比较器预 置温度寄存器减到 0图 34 测温原理内部装置 3.3.2 DS18B20的测
29、温流程初始化 DS18B20跳过 ROM 匹配温度变换延时 1S跳过 ROM 匹配读暂存器转换成显示码数码管显示图 35 DS18B20 测温流程4 硬件电路设计4.1 单片机最小系统设计单片机最小应用系统，是指用最少的原件组成的单片机可以工作的系统。对 51 系列单片机来说，最小系统应包括单片机、晶振电路、复位电路。下面介绍 51 单片机的最小系统电路图。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.5/M OSI6P1.6/M ISO7P1.7/SC K8R ESET9P3.010P3.111P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616P3.717XTAL218X
30、TAL119VSS20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30EA31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VC C40U689s52VC CVC C12Y130pF C 530pFC 61uFC 4100KR 7VC CS1 SW -PBF100FQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7R SR WE图 4.1 单片机最小系统单片机的最小系统是由电源、复位、时钟，下面介绍一下每一个组成部分。 4.1.1 时钟电路XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入
31、端，XTAL2 则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频率就为 6MHz。晶振的频率可以在 1MHz-24MHz 内选择。电容取 30PF 左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外
32、接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为 22F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。单片机复位电路如下图 4.2 所示：12Y1 12M30pFC 130pFC 2GNDXTAL1XTAL2图 4.2 时钟电路 4.1.2 复位电路在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51 芯片便循
33、环复位。复位后 P0P3 口均置 1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 ROM 的 00H 处开始运行程序。复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的 S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。当时钟频率选用 6MHz 时，C 取 22F，Rs 约为 200，Rk 约为 1K。复位操作不会对内部 RAM有所影响。常用的复位电路如下图所示：100KR 1k ey11uFC 3