基于單片機汽車溫度控制系統(tǒng)的設計

1、摘 要本設計采用以單片機為核心的系統(tǒng)對汽車發(fā)動機進行溫度采集、顯示和控制。單片機負責控制溫度采集、顯示和繼電器等。通過溫度傳感器組成的測控系統(tǒng)，單片機接受汽車溫度傳感器采集的所有數(shù)據(jù)，并進行判斷緩存，再將處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)碼管顯示。溫度顯示模塊實時顯示溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)及其變化值。報警模塊對超限的溫度進行報警。繼電器控制模塊對發(fā)動機的開關(guān)進行控制。此外設有按鍵控制模塊，負責對預設溫度及繼電器輸出進行控制。自動與手動控制相結(jié)合，實現(xiàn)溫度控制與發(fā)動機控制?？傮w程序設計和調(diào)試是本次設計的重點。實際運行表明該設計的系統(tǒng)配置方案、軟件設計思想和程序結(jié)構(gòu)是合理有效的。關(guān)鍵詞： 單片機；溫度傳感器；控制

2、ABSTRACT This design uses a microcomputer，as the core microcontroller, to acquire display and control temperature of automotive engine. MCU is responsible for controlling and displaying collected temperature, controlling relay and so on. It accepts all of the collected datas by automotive temperatur

3、e sensor through the system and juges and caches these datas, and then processes and displays them on the digital tube. The temperature display module shows the data that collected by temperature sensors and changes in value. Alarm module will tell the limit temperature. Relay-control module determi

4、nes whether or not starting automative engine. In addition, the key-control module is responsible for pre-set temperature and relay output. Combination of automatic and manual controls achieves determination of temperature and engines work. It focused on the overall program design and debugging. Act

5、ual operation shows that the thought of the software design and the procedure structure of the system is reasonable and effectiveKey Words： MCU; temperature sensor; control目 錄1 引言12 課題任務及方案論證32.1 設計要求32.2 方案的選擇與論證32.2.1 溫度傳感器的選擇32.2.2 單片機的選擇42.3 方案的確定53 系統(tǒng)總體設計63.1 背景63.2 系統(tǒng)主要設計思想及方框圖64 系統(tǒng)硬件電路設計94.1

6、單片機94.2 數(shù)字溫度傳感器DS18B20104.3 繼電器134.4 硬件電路圖135 系統(tǒng)軟件設計206 Protel DXP設計原理圖247 硬件電路制作258 系統(tǒng)調(diào)試27結(jié) 論28參考文獻29附錄：程序清單31致 謝391 引言隨著“信息時代”的到來，作為獲取信息的手段傳感器技術(shù)得到了顯著的進步，其應用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。溫

7、度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初人們開始利用溫度進行測量。在半導體技術(shù)的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。兩種不同材質(zhì)的導體，如在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現(xiàn)電位差1。這個電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點的溫度有關(guān)，和這兩種導體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準確知道加熱點的溫度。溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的

8、溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域中，也為我們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。咨詢公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市

9、場規(guī)模最大，分別占到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年復合年增長率預計會超過25%。目前，全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競爭也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場份額的擴

10、大。由于傳感器能將各種物理量、化學量和生物量等信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，使得人們可以利用計算機實現(xiàn)自動測量、信息處理和自動控制，但是它們都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標，還必須懂得傳感器經(jīng)過適當?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對傳感器應用實例的原理和智能傳感器實例的分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來，適應傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應用。另一方面，傳感器的被測信號來自于各個應用領(lǐng)域，每個領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時效，各自都在開發(fā)

11、研制適合應用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。其發(fā)展速度之快，以及其應用之廣，并且還有很大潛力。為了提高對傳感器的認識和了解，尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設計了本系統(tǒng)。本文利用單片機結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設計了這一溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本設計應用性比較強，設計系統(tǒng)可以作為汽車發(fā)動機溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實驗室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。課題主要任務是完成環(huán)境溫度檢測，利用單片機實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并通過繼電器實施溫度監(jiān)控。設計后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點。本設計系統(tǒng)包括溫度傳感器，報

12、警模塊，輸出控制模塊，電源模塊，溫度顯示模塊和溫度調(diào)節(jié)驅(qū)動電路六個部分。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹。整個系統(tǒng)的核心是進行溫度監(jiān)控，完成了課題所有要求。2 課題任務及方案論證2.1 設計要求（1）基本功能 檢測溫度 顯示溫度 過限報警 預設上下限溫度 控制繼電器輸出（2）主要技術(shù)參數(shù) 溫度檢測范圍 ： -5-+100 測量精度 ： 0.5 顯示方式 ： 溫度：四位顯示 報警方式 ： 三極管驅(qū)動的蜂鳴音報警 報警處理方式： 按鍵控制繼電器開關(guān)2.2 方案的選擇與論證當將汽車發(fā)動機用作被測裝置時，系統(tǒng)總要有被測信號輸入，由單片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

13、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)。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。2.2.1 溫度傳感器的選擇方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件。現(xiàn)應用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測量。鉑的物理、化學性能極

14、穩(wěn)定，耐氧化能力強，易提純，復制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測中高精密測溫和溫度標準。缺點是價格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按IEC標準測溫范圍-200650，百度電阻比W（100）=1.3850時，R0為100和10，其允許的測量誤差A級為（0.15+0.002 |t|），B級為（0.3+0.005 |t|）。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于-50180測溫。方案二：采用DS18B202，它的測溫范圍在-55+125之間，在-10+85C范圍內(nèi)，精度為0.5C。而且

15、精度高。美國Dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-BOARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可以輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念，且價格便宜。現(xiàn)在，新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟、更靈活，可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點。現(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。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V5.5V的

16、電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。2.2.2 單片機的選擇本系統(tǒng)設計采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機3進行控制。at89s52單片機是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準80C51指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器，既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強大，低價at89

17、s52單片機可以提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領(lǐng)域。 at89s52單片機是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)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。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得at89s52單片機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。 at89s52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個

18、16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。2.3 方案的確定（1）電源模塊：采用電池與5V電壓供電兩種電源供應模式，這樣能夠避免電源供應短缺的問題。（2）溫度采集模塊：采用DS18B20溫度傳感器，采集溫度范圍從-55- +125，符合設計要求。（3）顯示模塊：四個共陰數(shù)碼管顯示溫度及預設溫度。（4）繼電器

19、輸出控制模塊：5V繼電器輸出控制，有常閉常開點控制。（5）按鍵控制模塊：共有五個按鍵，其中，一個是單片機復位可控制按鍵，一個是溫度預設控制，一個是預設溫度加控制，一個是預設溫度減控制，最后一個是報警手動控制繼電器輸出。3 系統(tǒng)總體設計3.1 背景發(fā)動機溫度控制系統(tǒng)屬于汽車的電子技術(shù)，07年全球汽車電子市場規(guī)模達到14106美元。未來5年內(nèi)，中國汽車電子市場將持續(xù)保持快速的增長趨勢，市場規(guī)模年均增長25%左右，預計到2010年，中國汽車電子市場規(guī)模將達到近2000億元，其中，車載電子市場的發(fā)展最引人關(guān)注，預計到2010年，中國汽車電子產(chǎn)品市場規(guī)模將達325.7億元。近兩年市場規(guī)模較大的汽車電子產(chǎn)

20、品，依次為發(fā)動機電子控制系統(tǒng)（包括溫度控制系統(tǒng)）（31.6%）、防抱死制動系統(tǒng)（9.1%）、安全氣囊（8.3%）、電子組合儀器儀表（8.3%）、車載娛樂系統(tǒng)（7%）、汽車空調(diào)（7.6%）等，占整個汽車電子產(chǎn)品市場的71.9%；另外，車身控制器、自動變速控制系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、GPS導航系統(tǒng)、車載通信等也占有相當?shù)氖袌龇蓊~。普通人對汽車電子的理解，多是防盜系統(tǒng)、車載GPS、盜車雷達、汽車音響、遙控鎖等。專家解釋說，這與真正的汽車電子概念并不完全一致。實際上，汽車電子包括兩部分：一類是與車輛性能無關(guān)的車載電子裝置；另外一類則是汽車電子控制裝置，包括電子燃油噴射系統(tǒng)、ABS等。相比之下，后者的技術(shù)更復雜

21、、更尖端、更關(guān)鍵。 我國國內(nèi)從上世紀80年代末才開始在這方面的研究和開發(fā)工作，因此，與外國的書評相比，差距十分大，許多西方國家對后者早已經(jīng)開始研制，其技術(shù)已經(jīng)很相當。在與汽車動力如發(fā)動機和變速箱有關(guān)的電子控制方面，國內(nèi)企業(yè)則尚無涉足。 3.2 系統(tǒng)主要設計思想及方框圖1.系統(tǒng)主要設計思想 采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心4。AT89S52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,不需要外部的擴展存儲器，使整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單。數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換部分采用DS18B20傳感器，它改變傳統(tǒng)溫度測試方法,能在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù),并直接將溫度物理量變換

22、為數(shù)字信號并以總線方式傳送到計算機進行數(shù)據(jù)處理,測試溫度范圍為- 55 + 125。可應用于各種領(lǐng)域、各種環(huán)境的自動化測試和控制系統(tǒng),使用方便靈活, 測試精度高,優(yōu)于任何傳統(tǒng)的溫度數(shù)字化、自動化測控設備。設計主體主要有以下三部分：（1）前向通道的設計前向通道的主要作用是負責數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換5，采用DS18B20芯片,通過溫度傳感器將非電信號轉(zhuǎn)變成電信號送給單片機。DS18B20是世界上第一片支持 一線總線接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。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，為測量系統(tǒng)的

23、構(gòu)建引入全新概念?，F(xiàn)在，新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，（2）后向通道的設計汽車發(fā)動機工作工程中溫度是很主要的參數(shù)，也影響著它的性能和壽命，所以檢測出它運行工作中溫度很主要，所以后向通道是整個溫度控制器的執(zhí)行部分，它主要用來控制報警器是否啟動，當溫度高于設定溫度時，單片機發(fā)出控制信號控制后向通道啟動報警器，當溫度低于設定值時，單片機6發(fā)出控制信號不做任何執(zhí)行，從而達到設計的目的。（3）顯示電路在單片機控制中，顯示裝置是一個重要組成部分，主要用來顯示汽車發(fā)動機工作中其內(nèi)部溫度狀況，以便于保護發(fā)動機。常用的顯示器件有顯示記錄儀、發(fā)光二

24、極管顯示器LED、液晶顯示器LCD、大屏幕顯示器和圖形顯示器終端CRT。本設計所用的是LED 八位共陰數(shù)碼管。2系統(tǒng)構(gòu)成方框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3.1所示。由總體框圖中可以看出，單片機是整個系統(tǒng)的核心7通過控制單片機來處理溫度采集信號、數(shù)碼管溫度顯示、報警和繼電器輸出控制以及按鍵輸入控制。單片機數(shù)碼管溫度顯示按鍵控制溫度采集超限報警繼電器輸出控制被控對象（發(fā)動機）圖3.1 系統(tǒng)總體框圖4 系統(tǒng)硬件電路設計4.1 單片機（1）概述AT89S52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(shù)制造，與工業(yè)8

25、0C51 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。在單芯片上，AT89S52擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得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。AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口中斷繼續(xù)工

26、作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止8。（2）特性 兼容MCS-51指令系統(tǒng) 8k可反復擦寫(1000次）ISP Flash ROM 1000次擦寫周期 32個雙向I/O口 4.5-5.5V工作電壓 3個16位可編程定時/計數(shù)器 時鐘頻率0-33MHz 全雙工UART串行中斷口 128x8bit內(nèi)部RAM 低功耗空閑和省電模式9 中斷喚醒省電模式 3級加密位 看門狗（WDT）電路 軟件設置空閑和省電功能 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針4.2 數(shù)字溫度傳感器DS18B20DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的

27、1Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。（1）DS18B20產(chǎn)品的特點 、只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。 、在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號。 、實際應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。 、測量溫度范圍在55。C到125。C之間。 、數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。 、內(nèi)部有溫度上、下限告警設置（2）DS18B20的引腳介紹TO92封裝的DS18B20的引腳排列見圖4.1，其引腳功能描述見表4.1。DALLSDS18B20123圖4.1 DS18B20管腳圖

28、表4.1DS18B20詳細引腳功能描述 序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。（3） DS18B20的使用方法 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。 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

29、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，單總線器件作為從設備。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的復位時序見圖4.2.主機發(fā)出復位脈沖最小值：480us最大值：960usDS18B20發(fā)出應答脈沖 60240us主機接收所需最短時間480us1560usVDDGND圖4.2 DS18B20的復位時序 對于DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程，見圖4.3。

30、主CPU讀0時隙主CPU讀1時隙U23GNDU2DGND主CPU采樣主CPU采樣1us15us15us1us15us30us對于DS18B20的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)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。圖4.3 DS18B20的讀時序 對于DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程，見圖4.4。 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DS18B20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

31、時序時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。主CPU寫0時隙60120us主CPU寫1時隙60120usU23GNDU2DGNDDS18B20采樣區(qū)1us15us15us1us15us30us1usDS18B20采樣區(qū)15us30us圖4.4 DS18B20的寫時序（4）DS18B20使用中注意事項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，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

32、溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對DS18B20操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 在DS18B20的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛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。當單總線上所掛DS18B20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)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10是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離

33、進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 在DS18B20測溫程序設計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS18B20硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。 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。4.3 繼電器繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)，廣泛用于遙控，遙測，通信

34、，自動控制，機電一體化及電力電子設備中，是最重要的控制元件之一。它一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應機構(gòu)（輸入部分）；有能對被控電路實現(xiàn)“通”、“斷”控制的執(zhí)行機構(gòu)（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進行耦合隔離，功能處理和對輸出部分進行驅(qū)動的中間機構(gòu)（驅(qū)動部分）。概括起來，繼電器有如下幾種作用：1) 擴大控制范圍。例如，多觸點繼電器控制信號達到某一定值時，可以按觸點組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路。2) 放大。例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。3) 綜合信號

35、。例如，當多個控制信號按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時，經(jīng)過比較綜合，達到預定的控制效果。4) 自動、遙控、監(jiān)測。例如，自動裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實現(xiàn)自動化運行。繼電器是在自動控制電路中起控制與隔離作用的執(zhí)行部件，它實際上是一種可以用低電壓、小電流來控制大電流、高電壓的自動開關(guān)。在本系統(tǒng)中，繼電器控制的電路和單片機12中程序構(gòu)成溫度自動監(jiān)測電路，實現(xiàn)對汽車發(fā)動機溫度的監(jiān)測和自動控制。4.4 硬件電路圖硬件電路13由單片機控制各模塊，主要芯片前兩節(jié)已經(jīng)介紹，系統(tǒng)原理圖由電源模塊、溫度采集顯示部分、報警、按鍵控制和繼電器控制等模塊組成。（1）電源模塊14如圖4.5所

36、示，其中POWER是外部5V電源輸入口，通過自鎖開關(guān)接入電路。其中兩個電源部分互相獨立，常閉點接入電池備用，常開點接入外部電源。圖4.5 電源模塊原理圖（2）單片機在系統(tǒng)中的應用如圖4.6所示。單片機采用12M晶振，JP1為程序燒錄端口，按鍵ST為復位鍵。RED和GRE兩個發(fā)光二極管分別為報警和顯示正常指示燈。管腳P0是溫度顯示控制端口，P2是外部繼電器和數(shù)碼管共陰控制端口，在管腳處都加了上拉電阻，這與單片機本身的特性有關(guān)。晶振工作時，RST腳持續(xù)2 個機器周期高電平將使單片機復位。看門狗計時完成后，RST 腳輸出96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以

37、使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。 圖4.6 單片機應用原理圖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(qū)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(nèi)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。P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使

38、用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)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(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。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 DPTR）時

39、，P2 口送出高八位地址。在這種應用中，P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內(nèi)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(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。ALE/PRO

40、G：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作將無效。這一位置 “1”，ALE 僅在執(zhí)行MOVX 或MOVC指令時有效。否則，ALE 將被微弱拉高。這個ALE 使能標志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。PSEN:外部程序存儲器選通信號（PSEN）是

41、外部程序存儲器選通信號。當AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。EA/VPP:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H 到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。（3）溫度采集模塊如圖4.7所示。DS1接DS18B20對應管腳15，由單片機P3.7管腳采集數(shù)據(jù)。圖4.7溫度采集模塊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）。光刻ROM中的64位

42、序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S為符號位。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2RAM,

43、后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。暫存存儲器包含了8個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微

44、秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。（4）溫度顯示模塊如圖4.8所示。單片機P0管腳控制數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，MC74HC37316作為緩沖芯片，其內(nèi)部控制屬性符合設計要求，能使輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 圖4.8 溫度顯示模塊373為三態(tài)輸出的八D透明鎖存器,輸出端 O0-O7 可直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端OE為低電平時，O0-O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當OE為高電平時，O0-O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端 LE為高電平時，O隨數(shù)據(jù)D而變

45、。當LE為低電平時，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當 LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV17。數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字0 9、字符A F、H、L、P、R、U、Y、符號“-”及小數(shù)點“.”。數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)。本電路采用的是八位共陰極數(shù)碼管。共陰極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負端）連接在一起。通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當某段驅(qū)動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能提供

46、額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻。（5）按鍵控制和報警模塊如圖4.9所示。按鍵INT0是預設溫度控制鍵，INT1是預設溫度減控制鍵，T0是預設溫度加控制鍵，T1是報警處理鍵。圖4.9 按鍵和報警模塊蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型，在電路中用字母“H”或“HA”（舊標準用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的

47、壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當接通電源后（1.515V直流工作電壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.52.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流18通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。本電路采用電磁式蜂鳴器，通過三極管19的基極控制。（6）繼電器輸出控制模塊如圖4.10所示。J

48、P2中1、2連接即為常閉，2、3連接即為常開。單片機是一個弱電器件,一般情況下它們大都工作在5V甚至更低。驅(qū)動電流在mA級以下。而要把它用于一些大功率場合，比如控制電動機，顯然是不行的。所以，就要有一個環(huán)節(jié)來銜接，這個環(huán)節(jié)就是所謂的功率驅(qū)動。繼電器驅(qū)動就是一個典型的、簡單的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)。在這里，繼電器驅(qū)動含有兩個意思：一是對繼電器進行驅(qū)動，因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件；還有就是繼電器去驅(qū)動其他負載，比如繼電器可以驅(qū)動中間繼電器，可以直接驅(qū)動接觸器，所以，繼電器驅(qū)動就是單片機與其他大功率負載接口。首先把三極管想成一個水龍頭。上面的Vcc就是水池，繼電器是一個水輪機，下面的GND是

49、比水池低的任何一點。剛才說過，三極管就是水龍頭，它的把手就是那個帶有電阻的引腳?，F(xiàn)在，單片機的某一個需要控制這個繼電器電路的輸出引腳就是一只手，當單片機的這個引腳輸出高電平的時候，就像手在打開三極管水龍頭，水就從上往下流，繼電器水輪機就開始轉(zhuǎn)起來了。反之，如果是輸出低電平，手就開始關(guān)水龍頭，繼電器水輪機因為沒有水流下來，就會停止。這就是三極管的開關(guān)作用。圖4.10 繼電器輸出控制模塊5 系統(tǒng)軟件設計程序在Keil環(huán)境下運行完成，應用AVR_Fighter下載，USB下載線連接至單片機下載口進行下載。溫度控制主程序的設計應考慮以下問題：（1）鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示20；（2）溫度采樣，數(shù)字

50、濾波；（3）越限報警和處理；（5）溫度標度轉(zhuǎn)換。通常，符合上述功能的溫度控制程序由主程序和按鍵控制程序兩部分組成。開始定時器設置中斷允許、定時器0中斷允許定時器0開始工作輸出控制清0，指示燈顯示數(shù)碼管顯示預設溫度上下限超限報警判斷定時讀取溫度值圖5.1 主程序流程圖主程序流程圖如圖5.1所示：溫度采集系統(tǒng)上電后先設定定時器初始值，預設為10毫秒采集一次信號。輸出控制端口清零后，指示燈顯示綠色，表示系統(tǒng)正常工作。數(shù)碼管顯示采集的溫度，以及預設的溫度上下限。沒有設置溫度上下限時，系統(tǒng)不產(chǎn)生報警信號。溫度顯示流程圖如圖5.2所示：開始是否為負溫度？是否flag=1flag=0百位顯示百位顯示十位顯示

51、十位顯示個位顯示個位顯示結(jié)束圖5.2 溫度顯示流程圖溫度顯示包括負溫度（零下）顯示和正溫度顯示。進入溫度顯示軟件模塊，首先判斷采集到的溫度是正溫度還是負溫度。根據(jù)18B20芯片內(nèi)部資料可判斷采集的溫度是正溫度還是負溫度，單片機執(zhí)行相應的溫度顯示命令。預設溫度上下限程序中，首先是預設溫度控制鍵觸發(fā)溫度控制命令，首次按下命令選擇鍵時，可預設采集溫度的上限，由溫度加減控制按鍵來預設溫度值。當再次按下命令選擇預設溫度控制鍵時，上限溫度被保存在單片機內(nèi)，下限溫度值可由溫度加減控制按鍵來設定。此時再按預設溫度控制鍵時，下限溫度值保存在單片機中，溫度上下限設置結(jié)束。開始plus_en=1結(jié)束是否plus_e

52、n=0是是顯示負溫度否否顯示正溫度溫度預設鍵按下，且plus_en=0？Plus_add=1,顯示溫度自加1是Plus_add=0是結(jié)束預設為負溫度？溫度預設鍵恢復且plus_en=1？否溫度加預設鍵按下且plus_add=0？溫度加預設鍵恢復且plus_add=0？否結(jié)束否Plus_sub=1,顯示溫度自減1是Plus_sub=0是溫度減預設鍵按下，且plus_sub=0？結(jié)束溫度減預設鍵恢復，且plus_sub=1？否溫度預設鍵按下，且plus_en=0？是否Plus_en=1,預設上限值存儲預設下限值預設下限值存儲結(jié)束圖5.3 預設溫度上下限流程圖預設溫度上下限流程圖如圖5.3所示：開始

53、預設上限0，且quit_en=0否是Flag=1?即判斷讀取的負溫度是超限？是報警否否Flag=0?即判斷讀取的正溫度是不報警否報警處理按鍵按下？報警消除是否結(jié)束結(jié)束結(jié)束圖5.4 報警程序流程圖報警程序流程圖如圖5.4所示：當采集的溫度超過預設溫度上下限時，黃燈閃爍，繼電器敞通電，即常開點吸合、常閉點斷開，揚聲器發(fā)出報警信號。若按報警處理鍵，則回復正常，單片機再次判斷采集的信號，若仍超過預設溫度，繼續(xù)報警。另外，若報警控制鍵沒有及時按下，則報警信號會持續(xù)報警。若溫度在報警控制鍵按下前回到預設范圍內(nèi)，報警自動解除。6 Protel DXP設計原理圖使用Protel進行電路板設計的第一步便是設計原

54、理圖，原理圖決定了整個電路的基本功能，也是接下來生成網(wǎng)絡表和設計印刷電路板的基礎。見圖5.1. 在Protel DXP的初始界面下新建一個設計庫，該數(shù)據(jù)庫用來管理項目。 File-New-改文件名改保存路徑OK 進入設計庫文件中的文件夾Document。 在Document 文件夾中新建原理圖文件和印制板文件。File-New-Schematic Document-Ok-改文件名File-New-PCB Document-Ok-改文件名 打開原理圖文件。 添加原理圖文件庫。Design-Add/Remove Library- 瀏覽所需零件庫Add-Ok 放置電路所需的各種元件，圖件，網(wǎng)絡標號等

55、元器件。Design-Add/Remove Library- 瀏覽所需零件庫Add-Ok從零件庫中調(diào)出元件 Place-part 對原圖元件進行布局，布線，構(gòu)成一個完整的原理圖。 Place-part 編輯和調(diào)整。然后進行輸出存檔。右鍵Properies.Designation-Part-Footrint Save 打印或建立報表。 新建原理圖New-SCH連線元件布局建立網(wǎng)絡報表 Create Netlist添加元件庫Add/Remove Library 調(diào)出元件Find-PlaceCompent設置元件屬性打印輸出報表 Print,Rcport存盤 Save圖6.1 protel設計的流程圖7 硬件電路制作本設計中需要有1個繼電器控制外圍溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，2個LED用來提示報警或者正常狀態(tài)指示，還有一個AT89S52單片機，一個揚聲器，一個有源晶體振蕩器及其外圍電阻電容等。在確定電路的正確性，可行性之后，開始對它進行制作。Protel是一個很好用的電子制作工具，它還可以進行仿真。在畫原理圖的過程中，原理圖中的元件庫中可能找不到自己要找的元件，所以要自己畫元件。在畫原理圖后，選擇將元件自動編號，然后根據(jù)需要更改部分元件的編號。在定好元件編號后，使用TOOLS中的ERC進行檢查，