單片機水溫控制器設計1.doc

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1、摘 要隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，單片機技術應用已經(jīng)成為高、新科學技術的重要內容和標志之一，它在國民經(jīng)濟的各個領域正在發(fā)揮著引人注目的作用。本系統(tǒng)設計熱水器溫度控制系統(tǒng)是以單片機AT89S52為核心，通過3個數(shù)碼管顯示溫度和4個按鍵實現(xiàn)人機對話，使用單總線溫度轉換芯片DS18B20實時采集溫度并通過數(shù)碼管顯示，并提供各種運行指示燈用來指示系統(tǒng)現(xiàn)在所處狀態(tài)，如：溫度設置、加熱、停止加熱等，整個系統(tǒng)通過四個按鍵來設置加熱溫度和控制運行模式，可以用于熱水器溫度控制系統(tǒng)和飲水機等各種電器電路中。采用單片機的熱水器溫度控制系統(tǒng)不僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高產(chǎn)品的性能比指標，提高產(chǎn)品的

2、質量和數(shù)量。關鍵詞：AT89S52；DS18B20；溫度控制系統(tǒng)AbstractWith the development of the national economy, the application of SCM technology has become one of the important content and symbol of high, new science and technology in all fields of the national economy, it is playing the role of attract sb.s attention.Heate

3、r temperature control system design of the system of hot water is AT89S52 MCU core, the realization of human-computer dialogue temperature and 4 buttons displayed by the 3 digital tube, using a single bus temperature conversion real-time collection of temperature chip DS18B20 and through the digital

4、 tube display, and provide various operation indicator lamps are used to indicate the system present status, such as: temperature setting stop heating, heating, etc., the whole system to set the temperature and control mode of operation through the four buttons, can be used for the water heater temp

5、erature control system and water dispensers and other electrical circuit.The water heater temperature control system based on single chip is not only easy to control, simple and flexible and other advantages, and can greatly improve the performance index of the product, improve the quality and quant

6、ity of products.Keywords：AT89S52; DS18B20; temperature control system目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1 選題的目的和意義11.2 國內外研究狀況及發(fā)展11.3 論文研究的主要內容1第2章 系統(tǒng)總體設計32.1 系統(tǒng)需求及可行性分析32.2 硬件總體設計32.3 軟件總體設計4第3章 硬件系統(tǒng)設計53.1 設計思想53.2 AT89S5253.3 單片機最小系統(tǒng)電路73.4 鍵盤電路73.5 數(shù)碼管及指示燈顯示電路73.6 溫度采集電路93.7 存儲電路設計123.8 電源電路153.9 報警電路設計16

7、3.10 加熱管控制電路設計16第4章 系統(tǒng)軟件設計184.1 主程序流程圖184.2 各個模塊的流程圖194.2.1 讀取溫度DS18B20模塊的流程194.2.2 鍵盤掃描處理流程214.2.3 報警處理流程21第5章 系統(tǒng)調試235.1 硬件電路調試235.2 軟件調試235.3 系統(tǒng)操作說明245.4 數(shù)據(jù)測試24結 論25致 謝26參考文獻27附錄A28附錄B32-IV-第1章 緒 論1.1 選題的目的和意義溫度控制系統(tǒng)可以說是無所不在，熱水器系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、冰箱、電煲電風扇等家電產(chǎn)品以至手持式高速高效的計算機和電子設備，均需要提供溫度控制功能。以計算機為例，當中的中央處理器的運行速

8、度愈快，所耗散的熱量便愈多，為免計算機系統(tǒng)過熱而受損，有關系統(tǒng)必須加強溫度過高保護功能。傳統(tǒng)的溫度采集電路相當復雜，需要經(jīng)過溫度采集、信號放大、濾波、AD轉換等一系列工作才能得到溫度的數(shù)字量，并且這種方式不僅電路復雜，元器件個數(shù)多，而且線性度和準確度都不理想，抗干擾能力弱?，F(xiàn)在常用的溫度傳感器芯片不但功率消耗低、準確率高，而且比傳統(tǒng)的溫度傳感器有更好的線性表現(xiàn)，最重要的一點是使用起來方便。自動控制儀器儀表總的發(fā)展趨勢是高性能、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡化。智能溫度控制系統(tǒng)的設計是為了滿足市場對成本低、性能穩(wěn)定、可遠程監(jiān)測、控制現(xiàn)場溫度的需求而做的課題，具有較為廣闊的市場前景。目前，測溫控溫系

9、統(tǒng)得到快速的發(fā)展，國外的測量控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品也較多。近兩年，國內也出現(xiàn)了許多高精度的溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)品，但相對于用戶來說，價格還是偏高。而由于競爭越來越激烈，現(xiàn)在企業(yè)發(fā)展的趨勢是如何最有效的提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。尋求性能可靠、價格低廉，且應用廣泛的元器件是生產(chǎn)過程的首先要考慮的問題，因此設計一種控制簡單、精度較高、價格低廉的控制系統(tǒng)會有很好的發(fā)展前景。1.2 國內外研究狀況及發(fā)展1. 國外溫度測控系統(tǒng)研究國外對溫度控制技術研究較早，始于20世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

10、的多因子綜合控制系統(tǒng)。現(xiàn)在世界各國的溫度測控技術發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。2. 國內溫度測控系統(tǒng)研究我國對于溫度測控技術的研究較晚，始于20世紀80年代。我國工程技術人員在吸收發(fā)達國家溫度測控技術的基礎上，才掌握了溫度室內微機控制技術，該技術僅限于對溫度的單項環(huán)境因子的控制。我國溫度測控設施計算機應用，在總體上正從消化吸收、簡單應用階段向實用化、綜合性應用階段過渡和發(fā)展。在技術上，以單片機控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，與發(fā)達國家相比，存在較大差距。我國溫度測量控制現(xiàn)狀還遠遠沒有達到工廠化的程度，生產(chǎn)實際中仍然有許

11、多問題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化程度低，環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點。1.3 論文研究的主要內容本設計利用單片機結合傳感器技術而開發(fā)設計了這一溫度控制系統(tǒng)，文中傳感器與單片機實際應用有機結合，簡單講述了利用新型芯片探測環(huán)境溫度的過程，以及實現(xiàn)模數(shù)轉換的原理過程。1. 功能實現(xiàn)本設計的目的是以單片機為核心設計出一個溫度采集系統(tǒng)。通過本課題設計，綜合運用單片機及接口技術、微機原理、微電子技術，鍛煉動手操作能力。綜合運用能力，學習論文的寫作方法和步驟。設計的溫度控制器有以下功能：(1) 測溫范圍：-55+125；(2) 測溫分辨力：=0.5；(3) 測溫準確度：

12、=0.5；(4) 溫度顯示：采用6個7段數(shù)碼管；(5) 溫限可經(jīng)鍵盤實現(xiàn)簡單的人機互動，靈活設定溫度范圍；(6) 超溫度范圍報警。2. 方案設計本系統(tǒng)采用了單片機AT89S52，利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20對環(huán)境進行測溫，同時采用MAX7219驅動六位7段共陰極數(shù)碼管，同時還采用EEPROM對溫度上下限進行存儲，此外還有鍵盤設備來實現(xiàn)溫度上下限值的設置，紅綠燈報警溫度的越線，繼電器和電機對溫度進行調整等來實現(xiàn)該溫度控制器的智能化。總體硬件結構框圖如圖1-1所示。AT89S52EEPROM按鍵繼電器電機驅動LED顯示報警電路溫度傳感器DS18B20MAX7219圖1-1 系統(tǒng)硬件結構第2章

13、系統(tǒng)總體設計當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號的輸入通道，由計算機拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準確獲得被測信號是其核心任務；而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。2.1 系統(tǒng)需求及可行性分析溫度傳感器 DS18B20 從設備環(huán)境的不同位置采集溫度，單片機 AT89S5獲取采集的溫度值，經(jīng)處理后得到當前環(huán)境中一個比較穩(wěn)定的溫度值，再根據(jù)當前設定的溫度上下限值，通過加熱和降溫對當前溫度進行調整。當采集的溫度經(jīng)處理后超過設定溫度的上限時，單片機通過三極管驅動繼電器開啟降溫設備(壓縮制冷器)，當采集的溫度經(jīng)處理后低于設定溫度的下時，單片機通

14、過三極管驅動繼電器開啟升溫設備(加熱器)。當由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導致在一段時間內不能將環(huán)境溫度調整到規(guī)定的溫度限內的時候，單片機通過三極管驅動揚聲器發(fā)出警笛聲。2.2 硬件總體設計設計并制作一個基于單片機的熱水器溫度控制系統(tǒng)的電路，其結構框圖如圖2-1所示：電源單片機AT89S52數(shù)碼管顯示繼電器溫度傳感器DS18B20報警鍵盤指示燈圖2-1 系統(tǒng)結構框圖硬件系統(tǒng)子模塊(1) 單片機最小系統(tǒng)電路部分(2) 鍵盤掃描電路部分(3) 數(shù)碼管溫度顯示和運行指示燈電路部分(4) 溫度采集電路部分(5) 繼電器控制部分(6) 報警部分2.3 軟件總體

15、設計良好的設計方案可以減少軟件設計的工作量，提高軟件的通用性，擴展性和可讀性。本系統(tǒng)的設計方案和步驟如下：(1) 根據(jù)需求按照系統(tǒng)的功能要求，逐級劃分模塊。(2) 明確各模塊之間的數(shù)據(jù)流傳遞關系，力求數(shù)據(jù)傳遞少，以增強各模塊的獨立性，便于軟件編制和調試。(3) 確定軟件開發(fā)環(huán)境，選擇設計語言，完成模塊功能設計，并分別調試通過。(4) 按照開發(fā)式軟件設計結構，將各模塊有機的結合起來，即成一個較完善的系統(tǒng)。首先接通電源系統(tǒng)開始工作，系統(tǒng)開始工作后，通過按鍵設定溫度值的上限值和下限值，確定按鍵將設定的溫度值存儲到指定的地址空間，溫度傳感器開始實時檢測，調用顯示子程序顯示檢測結果，調用比較當前顯示溫度

16、值與開始設定的溫度值比較，如果當前顯示值低于設定值就通過繼電器起動加熱裝置，直到達到設定值停止加熱，之后進行保溫，如果溫度高于上限進行報警。第3章 硬件系統(tǒng)設計3.1 設計思想本設計是基于單片機對數(shù)字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號，和A/D模擬數(shù)字轉換芯片的性能，本設計了以51單片機基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)，其中包括A/D轉換、單片機、復位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等。本次設計主要思路是通過對單片機編程將由溫度傳感器DS18B20采集的溫度外加驅動電路顯示出來，包括對繼電器的控制，進行升溫，當溫度達到上下限蜂鳴器進行報警。P1.7開關按鈕是

17、用于確認設定溫度的，初始按下表示開始進入溫度設定狀態(tài)，然后通過P1.5和P1.6設置溫度的升降，再次按下P1.7時，表示確認所設定的溫度，然后轉入升溫或降溫。P2.3所接的發(fā)光二極管用于表示加熱狀態(tài)，P2.5所接的發(fā)光二極管用于表示保溫狀態(tài)。P2.3接繼電器。P3.1是溫度信號線。整個電路都是通過軟件控制實現(xiàn)設計要求。3.2 AT89S52AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng) 可編程，亦適于常規(guī)編程器

18、。在單芯片上，AT89S52擁有靈巧的8 位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。采用40引腳雙列直插封裝(DIP)的AT89S52單片機引腳分配如圖3-1所示。圖2-1 AT89S52引腳分配圖1. 主要性能參數(shù)(1) 與MCS51兼容；(2) 1000次擦寫壽命；(3) 工作電壓為4.0V5.5V；(4) 全靜態(tài)工作：024MHz；(5) 3級程序安全加密保護；(6) 2568位內部RAM；(7) 32個可編程I/O端口；(8) 3個16位定時器/計數(shù)器；(9) 8個中斷源；(10) 支持低功耗及掉電模式；(11) 支持中斷從

19、掉電模式喚醒；(12) 內置看門狗 。2. 引腳功能(1) P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫 “1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。(2) P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫 “1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外

20、部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流(TTL)。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入。P2口：P2 口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL 邏輯電平。對P2端口寫 “1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流(TTL)。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行MOVX A,DPTR)時，P2口送出高八位地址。P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P3輸出緩沖器能驅動4個TTL 邏輯電平。

21、對P3 端口寫 “1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流(TTL)。RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。如有必要，可通過對特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，

22、該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。PSEN：程序儲存允許(PSEN)輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH)，EA端必須保持低電平(接地)。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平(接Vcc端)，CPU則執(zhí)行內部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vp

23、p，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。3.3 單片機最小系統(tǒng)電路單片機最小系統(tǒng)有復位電路和振蕩器電路。值得注意的一點是單片機的31腳必須接高電平，否則系統(tǒng)將不能運行。因為該腳不接時為低電平，單片機將直接讀取外部程序存儲器，而系統(tǒng)沒有外部程序存儲器，所以必須接VCC。在按鍵兩端并聯(lián)一個電解電容，濾除交流干擾，增加系統(tǒng)抗干擾能力。 3.4 鍵盤電路鍵盤是單片機應用系統(tǒng)中的主要輸入設備，單片機使用的鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤采用硬件線路來實現(xiàn)鍵盤的編碼，每按下一個鍵，鍵盤能夠自動生成按鍵代碼，并有去抖功能。因此使用方便，但硬件較復雜。非編碼鍵盤僅僅提供鍵開關狀態(tài)，由程序來識別

24、閉合鍵，消除抖動，產(chǎn)生相應的代碼，轉入執(zhí)行該鍵的功能程序。非編碼鍵盤中鍵的數(shù)量較少，硬件簡單，在單片機中應用非常廣泛。圖為按鍵和AT89S52的接線圖，檢測儀共設有4個按鍵，每個按鍵由軟件來決定其功能，4個按鍵功能分別為：(1) SW1：設定按鍵(設定按鍵)(2) SW2：加法按鍵(當前位加5)(3) SW3：減法按鍵(當前位減5)(4) SW4：退出設置鍵(系統(tǒng)初始化) 圖3-1 單片機最小系統(tǒng)3.5 數(shù)碼管及指示燈顯示電路1. 數(shù)碼管顯示說明各個數(shù)碼管的段碼都是單片機的數(shù)據(jù)口輸出，即各個數(shù)碼管輸入的段碼都是一樣的，為了使其分別顯示不同的數(shù)字，可采用動態(tài)顯示的方式，即先只讓最低位顯示0(含點

25、)，經(jīng)過一段延時，再只讓次低位顯示1，如此類推。由視覺暫留，只要我們的延時時間足夠短，就能夠使得數(shù)碼的顯示看起來非常的穩(wěn)定清楚，過程如表3-1所示。表3-1 數(shù)碼管編碼表段碼位碼顯示器狀態(tài)08H01H0abH02H112H04H222H08H3a1H10H424H20H504H40H6aaH80H7本論文中使用了3個數(shù)碼管，其中前兩位使用動態(tài)掃描顯示實測溫度，在設置加熱溫度的時候，兩個數(shù)碼管是閃爍，以提示目前處在溫度設置狀態(tài)。第三位數(shù)碼管靜態(tài)顯示符號“”。(2) 運行指示燈說明本熱水器溫度控制系統(tǒng)中共使用到3個LED指示燈和3個數(shù)碼管。右上角的紅色LED是電源指示燈；數(shù)碼管右邊的紅色LED是加

26、熱指示燈，當剛開機或溫度降到設定溫度5以下時，該燈會亮，表示目前處于加熱狀態(tài)；當溫度上升到設定溫度時，該LED滅，同時數(shù)碼管右邊的綠色LED亮，表示目前處于保溫狀態(tài)，用戶可以使用熱水器；當溫度再次下降到設定溫度5以下時，綠色LED滅，紅色加熱的LED燈亮，不斷循環(huán)。圖3-2 LED數(shù)碼管顯示電路圖3.6 溫度采集電路(1) DS18B20介紹Dallas最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡介新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟。Dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡

27、，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。DS18B20、DS1822 “一線總線”數(shù)字化溫度傳感器同DS18B20一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 -55+125，在-10+85范圍內，精度為0.5。DS1822的精度較差為2?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。其DS18B20的管腳配置和封裝結構如圖3-3所示。 圖3-3 DS18B20封裝引腳定義： DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端； GND為電源地； VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。 (2) DS18B20的單線(1wire bus)系統(tǒng)單線總線結構是DS18B20的突

28、出特點，也是理解和編程的難點。從兩個角度來理解單線總線：第一，單線總線只定義了一個信號線，而且DS18B20智能程度較低(這點可以與微控制器和SPI器件間的通信做一個比較)，所以DS18B20和處理器之間的通信必然要通過嚴格的時序控制來完成。第二，DS18B20的輸出口是漏級開路輸出，這里給出一個微控制器和DS18B20連接原理圖。這種設計使總線上的器件在合適的時間驅動它。顯然，總線上的器件與(wired AND)關系。這就決定：(1) 微控制器不能單方面控制總線狀態(tài)。之所以提出這點，是因為相當多的文獻資料上認為，微控制器在讀取總線上數(shù)據(jù)之前的I/O口的置1操作是為了給DS18B20一個發(fā)送數(shù)

29、據(jù)的信號。這是一個錯誤的觀點。如果當前DS18b20發(fā)送0，即使微控制器I/O口置1，總線狀態(tài)還是0;置1操作是為了是I/O口截止(cut off)，以確保微控制器正確讀取數(shù)據(jù)。(2) 除了DS18B20發(fā)送0的時間段，其他時間其輸出口自動截止。自動截止是為確保：1時，在總線操作的間隙總線處于空閑狀態(tài)，即高態(tài)。2時，確保微控制器在寫1的時候DS18B20可以正確讀入。由于DS18B20采用的是1Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對AT89S52單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。 DS

30、18B20的復位時序，如圖3-4所示：圖3-4 DS18B20的復位時序圖 DS18B20的讀時序對于DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18B20的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。DS18B20的讀時序圖如圖3-5所示。圖3-5 DS18B20的讀時序 DS18B20的寫時序對于DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18

31、B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內就得釋放單總線。如圖3-6所示。圖3-6 DS18B20的寫時序圖(3) DS18B20的供電方式在圖3-7中示出了DS18B20的寄生電源電路。當DQ或VDD引腳為高電平時，這個電路便“取”的電源。寄生電路的優(yōu)點是雙重的，遠程溫度控制監(jiān)測無需本地電源，缺少正常電源條件下也可以讀ROM。為了使DS18B20能完成準確的溫度變換，當溫度變換發(fā)生時，DQ線上必須提供足夠的功率。有兩種方法確保 DS18B20 在其有效變換期內得到足夠的電源電流。第一種方法是發(fā)生溫度變換時，在 DQ

32、 線上提供一強的上拉，這期間單總線上不能有其它的動作發(fā)生。如圖3-8所示，通過使用一個 MOSFET 把 DQ 線直接接到電源可實現(xiàn)這一點，這時DS18B20 工作在寄生電源工作方式，在該方式下 VDD 引腳必須連接到地。圖3-7 DS18B20供電方式1另一種方法是 DS18B20 工作在外部電源工作方式，如圖 3-8 所示。這種方法的優(yōu)點是在 DQ 線上不要求強的上拉，總線上主機不需要連接其它的外圍器件便在溫度變換期間使總線保持高電平，這樣也允許在變換期間其它數(shù)據(jù)在單總線上傳送。此外，在單總線上可以并聯(lián)多個 DS18B20，而且如果它們全部采用外部電源工作方式，那么通過發(fā)出相應的命令便可以

33、同時完成溫度變換。圖3-8 DS18B20供電方式2(4) DS18B20設計中應注意的幾個問題DS18B20具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用接口線少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題：較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送。因此，在對DS18B20 進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在DS18B20 有關資料中均未提及1Wire上所掛DS18B20數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS18B20，在實際應用中并非如此。當1Wire上所掛DS18B20超過8個時，就需要考慮微處理器的總線

34、驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。實際應用中，測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接VCC 和地線，屏蔽層在源端單點接地。本文以廣泛應用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20為例，說明了1Wire總線的操作過程和基本原理。事實上，基于1Wire總線的產(chǎn)品還有很多種，如1Wire總線的E2PROM、實時時鐘、電子標簽等。他們都具有節(jié)省I/O資源、結構簡單、開發(fā)快捷、成本低廉、便于總線擴展等優(yōu)點，因此有廣闊的應用空間，具有較大的推廣價值。本設計將溫度傳感器DS18B20與單片機TXD引腳相連，讀取溫度傳感器的數(shù)值。

35、DS18B20與單片機連接圖如圖所示3-9所示。圖3-9 DS18B20與單片機連接圖3.7 存儲電路設計系統(tǒng)通過AT24C02存儲溫度信息，AT24C02內部存儲地址0 x00和0 x01分別存儲溫度上下限數(shù)據(jù)信息；溫度上下限數(shù)據(jù)可通過外部按鍵進行修改，并通過數(shù)碼管實時顯示。數(shù)據(jù)存儲格式如表3-2所示。表3-2 數(shù)據(jù)存儲格式地址0 x000 x010 x020 x030 xFF數(shù)據(jù)溫度上限溫度下限1. 存儲芯片簡介CAT24WC02是一個2K位串行CMOS EPROM內部含有256個8位字節(jié)CATALYST公司的先進CMOS技術實質上減少了器件的功耗,CAT24WC02有一個16字節(jié)頁寫緩沖

36、器該器件通過C總線接口進行操作有一個專門的寫保護功能。2. 特性(1) 與400KHz IC總線兼容；(2) 1.8到6.0伏工作電壓范圍；(3) 寫保護功能當WP為高電平時進入寫保護狀態(tài)；(4) 頁寫緩沖器；(5) 自定時擦寫周期；(6) 1,000,000編程/擦除周期；(7) 可保存數(shù)據(jù)100年。2. 極限參數(shù)(1) 工作溫度工業(yè)級 -55+125；(2) 貯存溫度-65+150；(3) 各管腳承受電壓-2.0V+2.0V；(4) Vcc管腳承受電壓-2.0V+7.0V；(5) 焊接溫度(10秒)300；(6) 輸出短路電流100mA。3. AT24C02管腳結構AT24C02管腳結構如

37、圖3-10所示。圖3-10 管腳結構1. 管腳描述：SCL：串行時鐘CAT24WC02串行時鐘輸入管腳用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時鐘這是一個輸入管腳。SDA：串行數(shù)據(jù)/地址CAT24WC01/02/04/08/16雙向串行數(shù)據(jù)/地址管腳用于器件所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收SDA是一個開漏輸出管腳可與其它開漏輸出或集電極開路輸出進行線或wire-OR。A0、A1、A2：器件地址輸入端這些輸入腳用于多個器件級聯(lián)時設置器件地址當這些腳懸空時默認值為0。使用24WC02時最大可級聯(lián)8個器件，如果只有一個24WC02被總線尋址這三個地址輸入腳A0、A1、A2可懸空或連接到Vss。WP：寫保護如果WP管腳連

38、接到Vcc所有的內容都被寫保護只能讀當WP管腳連接到Vss或懸空允許器件進行正常的讀/寫操作。Vcc：+1.8V6.0V工作電壓。Vss：接地。2. 工作原理只有在總線非忙時才被允許進行數(shù)據(jù)傳送。在數(shù)據(jù)傳送時，當時鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線必須為固定狀態(tài)，不允許有跳變。時鐘線為高電平時，數(shù)據(jù)線的任何電平變化將被當作總線的啟動或停止條件。3. 啟始條件：起始條件必須在所有操作命令之前發(fā)送。時鐘線保持高電平期問，數(shù)據(jù)線電平從高到低的跳變作為IC總線的啟動信號。CAT24C02一直監(jiān)視SDA和SCL電平信號直到條件滿足時才響應。4. 停止條件：時鐘線保持高平期問，數(shù)據(jù)線電平從低到高的跳變作為IC總線的停止

39、信號。操作結束時必須發(fā)送停止條件。5. 器件地址的約定：主器件在發(fā)送啟動命令后開始傳送，主器件發(fā)送相應的從器件的地址(見表3-3)，8位從器件地址的高4位固定為1010。接下來的3位無意義。最后一位為讀寫控制位。“1”表示對從器件進行讀操作，“0”表示對從器件進行寫操作。在主器件發(fā)送啟動命令和發(fā)送一字節(jié)從器件地址后，如果從器件地址相吻合，CAT24C02發(fā)送一個應答信號(通過SDA線)。然后CAT24C02再根據(jù)讀/寫控制位進行讀或寫操作。表3-3 從器件尋址1010A2A1A0R/6. 時序圖CAT24C02工作時序包括起始/停止時序、應答時序、寫時序和讀時序。圖3-11 起始/停止時序圖圖

40、3-12 應答時序圖圖3-13 時序圖圖3-14 讀時序圖7. 存儲電路A0、A1、A2接地，SDA、SCL與單片機I/O口連接，通過程序軟件模擬I C時序，WP引腳接地，如圖3-15所示。圖3-15 硬件連接圖3.8 電源電路采用L7805穩(wěn)壓塊，輸出為5V。電子組件要正常運作都需要電源電壓供電，一般常用的電源電壓為+5V或+12V，因為數(shù)字IC(Ingegrated Circuit：集成電路)所供給的電壓為+5V，而CMOS IC所供給的電壓為+12V，7805是一個穩(wěn)壓塊。7805穩(wěn)壓管把高電壓轉換到低電壓，7805穩(wěn)壓管具有保護單片機的作用。L7805輸出端要并聯(lián)上一個電解電容，濾除交

41、流電干擾，防止損壞單片機系統(tǒng)。本設計采用兩種供電方式，一種為DC718V直流穩(wěn)壓電源變換成5V的直流電；另一種為四節(jié)干電池共6V經(jīng)二極管加壓后得到將近5V的直流電源，電源配以開關和指示燈，以方便使用。黃色發(fā)光二極管表示保溫，紅色的表示加熱狀態(tài)。圖3-16 系統(tǒng)電源設計圖3.9 報警電路設計同時可以在系統(tǒng)里設定溫度上限值，由于加熱停止后，加熱管還有余熱當采集到的外界溫度高于當前所設定溫度上限值時，程序就會進入報警子程序，觸發(fā)蜂鳴器進行報警。報警電路原理圖如圖3-17所示。圖3-17 報警電路圖3.10 加熱管控制電路設計繼電器是常用的輸出控制接口，可以做交直流信號的輸出切換。它具有控制系統(tǒng)(又稱

42、輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路)，通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。繼電器控制接點操作說明如下：COM：Common，共同點。輸出控制接點的共同接點。NC：Normal Close常閉點。以Com為共同點，NC與COM在平時是呈導通狀態(tài)的。NO：Normal Open常開點。NO與COM在平時是呈開路狀態(tài)的，當繼電器動作時，NO與COM導通，NC與COM則呈開路狀態(tài)。當89S52的P2.5輸出高電平時，繼電器不導通，反之當輸出低電平時，繼電器導通，這樣就激活了連接回路。第4章 系統(tǒng)軟件設計本

43、系統(tǒng)采用的是循環(huán)查詢方式，來顯示和控制溫度的。主要包括四段程序的設計：DS18B20讀溫度程序，數(shù)碼管的驅動程序，鍵盤掃描程序，以及抱經(jīng)處理程序。4.1 主程序流程圖圖4-1 主程序流程圖4.2 各個模塊的流程圖4.2.1 讀取溫度DS18B20模塊的流程由于DS18B20采用的是一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對AT89S52單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念。因此系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20(發(fā)復

44、位脈沖)發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)DS18B20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點， DS18B20必須首先調用啟動溫度轉換函數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊上對應轉換時間來超作，如為12位轉換，則應該是最大750mS，另外在對DS18B20超作時，時序要求非常嚴格，因此最好禁止系統(tǒng)中斷。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序

45、開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20的讀時序：(1) 對于DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。 (2) 對于DS18B20的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內就得釋放單總線,以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。DS18B20的寫時序：(1) 對于DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。 (2) 對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18

46、B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內就得釋放單總線。系統(tǒng)程序設計主要包括三部分：讀出溫度子程序、溫度轉換命令子程序、顯示溫度子程序。圖4-2 讀取溫度DS18B20模塊的流程圖程序代碼為：GET_TEMPER:SETBDQ;讀出轉換后的溫度值LCALLINIT_1820;先復位DS18B20JBFLAG1,TSS2RET;判斷DS1820是否存在?若DS18B20不存在則返回TSS2:MOVA,#0CCH;DS18B20已經(jīng)被檢測到!跳過ROM匹配LCALLWRITE_1820MOVA,#44H;發(fā)出溫度轉換命

47、令LCALLWRITE_1820LCALL DISPLAY;這里通過調用顯示子程序實現(xiàn)延時一段時間,等待AD轉換結束,12位的話750微秒LCALLINIT_1820;準備讀溫度前先復位MOVA,#0CCH;跳過ROM匹配LCALLWRITE_1820MOVA,#0BEH;發(fā)出讀溫度命令LCALLWRITE_1820LCALLREAD_18200;將讀出的溫度數(shù)據(jù)保存到35H/36HRET4.2.2 鍵盤掃描處理流程此流程為鍵盤掃描處理，CPU通過檢測各數(shù)據(jù)線的狀態(tài)(0或1)就能知道是否有按鍵閉合以及哪個按鍵閉合。鍵盤管理程序的功能是檢測是否有按鍵閉合，如果有按鍵閉合，消除抖動，根據(jù)鍵號轉到相

48、應的鍵處理程序，按鍵流程圖如圖4-3所示。圖4-3 鍵盤掃描子程序流程圖4.2.3 報警處理流程運行程序后，溫度傳感器DS18B20即可對環(huán)境進行溫度采集，并送LED數(shù)碼管顯示。我們可以在程序里設定溫度上限值，當采集到的外界溫度高于當前所設定溫度上限值時，程序就會進入報警子程序，觸發(fā)蜂鳴器進行報警。其程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4 報警子程序流程圖第5章 系統(tǒng)調試5.1 硬件電路調試仔細檢查所接電路，按照硬件原理圖接線，理論上是能實現(xiàn)的，如果數(shù)碼管不顯示，則應該檢查線路是否正確，或是因為單片機沒有工作，還有集電極和發(fā)射極是否接對。如果只顯示兩個八，則可能是DS18B20沒有接正確，檢查上拉

49、電路是否接好。另外要注意的是，由單片機輸出的控制信號比較小，需要進行放大才能驅動繼電器工作，否則就不能實現(xiàn)升溫過程，通常選用8550三極管來進行放大。還有220V交流電綠色接頭和加熱管黃色接頭必須接正確，否則導致電路燒壞。蜂鳴器是低電平有效。如果能注意這些問題，電路基本不會出錯。5.2 軟件調試如果硬件電路檢查后，沒有問題卻實現(xiàn)不了設計要求，則可能是軟件編程的問題，首先應檢查初始化程序，然后是讀溫度程序，顯示程序，以及繼電器控制程序，對這些分段程序，要注意邏輯順序，調用關系，以及涉及到了標號，有時會因為一個標號而影響程序的執(zhí)行，除此之外，還要熟悉各指令的用法，以免出錯。還有一個容易忽略的問題就

50、是，源程序生成的代碼是否燒入到單片機中，如果這一過程出錯，那不能實現(xiàn)設計要求也是情理之中的事。本人在設計的時候在偉福仿真軟件進行調試，通過此軟件進行調試可以很方便的觀察單片機內部各個寄存器及內部存儲器變化情況，以方便進行調試。圖為單片機功能調試圖。圖5-1 單片機功能調試圖硬件與軟件調試相結合，仔細檢查各個模塊的設計，舊能順利完成任務，實現(xiàn)設計要求，在調試過程中必須認真耐心，不能有一點馬虎，否則遺漏一個小的問題就會導致整個設計的失敗。5.3 系統(tǒng)操作說明本系統(tǒng)上電后數(shù)碼管顯示當前測量溫度，此時加熱指示燈和保溫指示燈均不點亮；若此時按“自動加熱”鍵，則單片機自動將預加熱溫度設置為80并開始加熱，

51、送出一個加熱信號，并點亮加熱指示燈；若按“溫度設置”鍵，則進入預加熱溫度設置界面，此時數(shù)碼管閃爍顯示預設置溫度，此時通過按鍵“”和“”進行設置溫度，預設置溫度按“5”遞增或遞減，設置好溫度后再按一次“溫度設置”鍵確定，單片機保存預設置溫度，并開始加熱。此時單片機通過數(shù)碼管顯示實時檢測的溫度并和預設置溫度進行對比，如果實測溫度大于或等于預設置溫度，則單片機發(fā)出停止加熱信號并熄滅加熱指示燈，點亮保溫指示燈，且當超過預設溫度時發(fā)出報警；當溫度下降到預設置溫度以下5度時，單片機再次發(fā)出加熱信號，同時熄滅保溫指示燈，點亮加熱指示燈，依次循環(huán)控制。5.4 數(shù)據(jù)測試1. 靜態(tài)數(shù)據(jù)測試取一桶凈水，改變它的溫度

52、，觀察數(shù)碼管上顯示的溫度值，并用溫度計進行測溫，記錄兩組數(shù)據(jù)，比較差異。記錄表如下：表5-1 靜態(tài)溫度數(shù)據(jù)測試表溫度123456顯示溫度234763778490測量溫度244763808491有測試數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)測溫結果與溫度計測溫基本一致，能滿足設計，證明了設計的合理性。2. 動態(tài)數(shù)據(jù)測試進行溫度設定，通過設定溫度值(75)，觀察加熱管的加熱情況，以及數(shù)碼管的顯示值，再用溫度計測量水溫，每隔一段時間記錄一次數(shù)據(jù)，將兩組值進行比較。記錄表如下：(設定前溫度為25)表5-2 靜態(tài)溫度數(shù)據(jù)測試表組數(shù)分組12345678910111213顯示溫度25293439424853586267707375

53、測量溫度25283438424953596367717475通過上表可看出在加熱的過程中，顯示的溫度與實測的溫度近似一樣，說明系統(tǒng)的設計達到精度要求，但還是略有偏差，基本不影響設計結果。整個測試過程表明設計達到了任務書的要求，證明了該方案是合理可行的，順利完成了設計，達到了預想結果。結 論通過本次的設計，使我們不僅對單片機這門課程有了更深刻的認識，懂得了如何運用課本知識結合實際來完成定時器的顯示和編程方法以及數(shù)碼顯示電路的驅動方法，使我們能夠很快的適應現(xiàn)代控制技術發(fā)展的需求，同時也提高了我們的思維能力和實際操作能力，為以后更好的走上工作崗位奠定了堅實的基礎。另外，這次的設計還讓我更進一步的認識

54、了關于AT89S52等芯片的引腳功能以及使用方法，使我學會了應用不同的芯片來配合完成整個設計的操作。在做硬件電路的這段時間里，從思考設計到對電路的調試經(jīng)過了許多困難。同樣在對軟件進行設計時，也可為一路坎坷。但是通過對軟硬件不斷撞墻，不斷思考解決問題的過程中，我學會了很多東西，同時對單片機也有了更深的認識。在做設計的時候，很需要耐心和對事物的細心，很多時候一個簡單問題的一個簡單的疏忽就會導致整個電路的不工作，只有不斷的檢查不斷的調試，才能真正完成一個設計的制作。只有不斷的發(fā)現(xiàn)問題解決問題，才能從問題中改變自己，提升自己對單片機的能力。此設計雖然能夠完成溫度的顯示和控制，但功能和精度有待于進一步提

55、高。以后可以通過加入PID算法優(yōu)化控制功能，并通過液晶顯示屏實時顯示溫度。致 謝時間如梭，轉眼畢業(yè)在即。回想在大學求學的四年，心中充滿無限感激和留戀之情。感謝母校為我們提供的良好學習環(huán)境，使我們能夠在此專心學習，陶冶情操。謹向我的論文指導老師多智華教授致以最誠摯的謝意！老師不僅在學業(yè)上言傳身教，而且以其高尚的品格給我以情操上的熏陶。本文的寫作更是直接得益于他的悉心指點，從論文的選題到體系的安排，從觀點推敲到字句斟酌，無不凝聚著他的心血。滴水之恩，當以涌泉相報，師恩重于山，師恩難報。我只有在今后的學習、工作中，以鍥而不舍的精神，努力做出點成績，以博恩師一笑。另外，我必須感謝我的父母。焉得諼草，言

56、樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報。作為他們的孩子，我秉承了他們樸實、堅韌的性格，也因此我有足夠的信心和能力戰(zhàn)勝前進路上的艱難險阻；也因為他們的日夜辛勞，我才有機會如愿完成自己的大學學業(yè)，進而取得進一步發(fā)展的機會。最后，我必須感謝我的朋友，正是因為他們在電腦技術上的無私指引，我才能得以順利完成該論文。參考文獻1 樂建波.溫度控制系統(tǒng).化學工業(yè)出版社, 2003;2 Ken C.Pohlmann.數(shù)字音頻原理及應用.電子工業(yè)出版社,2005年6月;3 謝自美.電子線路設計實驗測試.華中科技大學出版社,2000;4 陳東光.單片微型計算機原理及C語言程序設計.華中科技大學出版社,2004年4月;5 武慶生

57、,仇梅.單片機原理與應用.電子科技大學出版社,1998年2月;6 譚浩強.C程序設計.清華大學出版社,2007;7 華中理工大學電子學教研室編.電子技術基礎模擬部分.高等教育出版社, 2009年7月;8 華中理工大學電子學教研室編.電子技術基礎數(shù)字部分.高等教育出版社,2008年10月;9 趙晶.電路設計與制版Protel 99se 的高級應用.人民郵電出版社,2000年1月;10 王彬,任艷穎.Digital IC System Design.西安電子科技大學出版社,2005年9月;11 趙麗娟,邵欣.基于單片機的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).人民大學出版社,2008;12 郭炳坤.簡單的恒溫箱

58、溫控電路.電子工業(yè)出版社,1991;13 Guiyun Tian.Foundation and Application of Microcontraller.高等教育出版社,2004.附錄AIntroductions to SCMThe single chip microcomputer referred to as SCM, is typical of embedded micro-controller (Microcontroller Unit), the commonly used letters of the abbreviation MCU MCU, it was first use

59、d in the field of industrial control. Master microcontroller technology to enable more people in the industry, students, enthusiasts, product developers, the question arose due to the extensive application of SCM in the field of industrial control, microcontroller development board, the more famous

60、such as e-DZR-01A microcontroller development board . SCM evolved by the only dedicated processor CPU chip.The first design concept by a large number of peripherals and CPU integrated in a single chip, the computer system is smaller, more easily integrated into complex and require strict control equipment on the volume. INTEL Z80 is the first processor designed in accordance with this idea, since then, the development of microcontroller and dedicated processor have grown apart. Early microcontrollers are 8 or 4. One of the most successful is the INTEL 8031, because the simple and reliable pe