基于單片機(jī)的單總線多點溫度測控系統(tǒng)

1、課程設(shè)計報告書題目: 基于51單片機(jī)的多點溫度測量 課 程：單片機(jī)課程設(shè)計 專 業(yè)： 電子 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 2016年 5月 5 日信息工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）設(shè)計題目基于51單片機(jī)的溫度測量設(shè)計技術(shù)參數(shù)本設(shè)計是心AT89C51為單片機(jī)作為控制核心，提出了一種基于DS18B20的單總線多點溫度測控系統(tǒng)，多個溫度傳感節(jié)點通過單總線與單片機(jī)相聯(lián)形成分布式系統(tǒng)。單片機(jī)通過實時監(jiān)控溫度的變化，通過LCD1602字符型液晶顯示各節(jié)點溫度的數(shù)值，當(dāng)溫度值超出所設(shè)定的值時，報警器開始報警，從而遠(yuǎn)程實現(xiàn)對整個溫度系統(tǒng)的管理和控制。這種分布式溫度測量系統(tǒng)具有成本低廉、傳感

2、精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定、易于管理等優(yōu)點。設(shè)計要求測試溫度：0100攝氏度。（模擬多點不同溫度值環(huán)境）測試儀器:，溫度計0100攝氏度，keil 51軟件。測試方法：目測。參考資料1何立民，單片機(jī)高級教程.北京航空航天大學(xué)出版社.2004.72 粟世明，劉湘濤.單片機(jī)原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.2006.83 何立民，單片機(jī)中級教程.北京航空航天大學(xué)出版社.1999.124 李華，MCU-51系列單片機(jī)實用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.65 陳光東，單片機(jī)微型計算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版).武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.46 徐淑華，程退安，姚萬生.單片機(jī)微型機(jī)原理及應(yīng)用.哈

3、爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999. 6.7 鍛九州，放大電路實用設(shè)計手冊.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.58 馬田華等，可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B2的原理與應(yīng)用.電子質(zhì)量，2004.79 于永學(xué)等，1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20及應(yīng)用.電子產(chǎn)品世界，2003.1210 張勝全，D18B20數(shù)字溫度計在微機(jī)溫度采集系統(tǒng)中的序編制. 南京：南京大學(xué)出版社1998. 311 周晗曉，袁慧梅.單片機(jī)系統(tǒng)的印制板設(shè)計與抗干擾技術(shù).電子工藝技術(shù)，2004.6 2016年 5月 5日 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 專業(yè)（班級） 課程設(shè)計題目： 基于51單片機(jī)的多

4、點溫度測量 成績： 年 月 日摘 要本課題主要介紹基于AT89C51單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器的多點溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用AT89C51單片機(jī)分別采集各個溫度點的溫度，實現(xiàn)溫度顯示、報警等功能。它以AT89C51單片機(jī)為主控制芯片,采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)多路溫度的檢測,測量精度可以達(dá)到0.5。該系統(tǒng)采用了LCD1602A液晶顯示模塊，LCD1602A作為顯示器 ,形象直觀的顯示測出的溫度值。本文首先在緒論中介紹了此系統(tǒng)的背景以及功能。第二章確定設(shè)計方案。在第三章論述了總體的設(shè)計過程，確定了技術(shù)指標(biāo)及器件的選擇并且描述了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、硬件設(shè)計框圖及所使用的各種芯片功

5、能與特性。第四章重點剖析了軟件設(shè)計的過程。最后一章中具體論述了系統(tǒng)的調(diào)試軟件及調(diào)試中出現(xiàn)的問題?；贏T89C51單片機(jī)的單總線多點溫度測控系統(tǒng)具有硬件組成簡單、多點溫度檢測、讀數(shù)方便、精度高、測溫范圍廣等特點，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度傳感器，AT89C51單片機(jī)，單總線第1章 緒 論21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科技的進(jìn)步帶動了測量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的信息時代，測量技術(shù)也成為當(dāng)今科技的一個主流，廣泛地深入到研究和應(yīng)用工程的各個領(lǐng)域。溫度是一個和人們生活環(huán)境有著密切關(guān)系的物理量，也是一種在生產(chǎn)、科研、生活中需

6、要測量和控制的重要物理量，是國際單位制七個基本量之一。溫度的變化會給我們的生活、工作、生產(chǎn)等帶來重大影響，因此對溫度的測量至關(guān)重要。其測量控制一般使用各式各樣形態(tài)的溫度傳感器。隨著現(xiàn)代計算機(jī)和自動化技術(shù)的發(fā)展，作為各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸相處理的功能器件，溫度傳感器的作用日顯突出，已成為自動檢測、自動控制系統(tǒng)和計量測試中不可缺少的重要技術(shù)工具，其應(yīng)用已遍及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 方案設(shè)計方案一：該案由單片機(jī)、模擬溫度傳感器AD590、運算放大器、AD轉(zhuǎn)換器、4×4鍵盤、LCD顯示電路、集成功率放大器、報警器組成。本方案采用模擬溫度傳感器AD

7、590作為測溫元件，傳感器將測量的溫度變換轉(zhuǎn)換成電流的變化，再通過電路轉(zhuǎn)換成電壓的變化，使用運算放大器交將信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳給給單片機(jī)，單片機(jī)將溫度值進(jìn)行處理之后用LCD顯示 ，當(dāng)溫度值超過設(shè)置值時，系統(tǒng)開始報警。如圖1-1所示:圖1-1方案一溫度測量系統(tǒng)方案框圖方案二：該方案使用了AT89C51單片機(jī)作為控制核心,以智能溫度傳感器DS18B20為溫度測量元件，采用多個溫度傳感器對各點溫度進(jìn)行檢測，通過4×4鍵盤模塊對溫度進(jìn)行上、下限設(shè)置，超過其溫度值就報警。顯示電路采用LCD1602模塊，使用8550三極管為中心組成的報警電路。如圖1

8、-2所示溫度傳感器溫度傳感器溫度傳感器溫度傳感器單片機(jī)4×4鍵盤LCD液晶顯示電路報警電路圖1-2 方案二溫度測量系統(tǒng)方案框2.2 方案論證方案一采用模擬溫度傳感器，轉(zhuǎn)換結(jié)果需要經(jīng)過運算放大器和AD轉(zhuǎn)換器傳送給處理器。它控制雖然簡單，但電路復(fù)雜，不容易實現(xiàn)對多點溫度進(jìn)行測量和監(jiān)控。由于采用了多個分立元件和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，容易出現(xiàn)誤差，測量結(jié)果不是很準(zhǔn)確，因此本方案并不可取。方案二采用智能溫度傳感器DS18B20，它直接輸出數(shù)字量，精度高，電路簡單，只需要模擬DS18B20的讀寫時序，根據(jù)DS18B20的協(xié)議讀取轉(zhuǎn)換的溫度。此方案硬件電路非常簡單，但程序設(shè)計復(fù)雜一些，但是在課外對DS18B

9、20、字符型液晶顯示、4×4鍵盤的程序有所了解，而且曾經(jīng)在網(wǎng)上看到過此類程序程序設(shè)計，并且我們已經(jīng)使用開發(fā)工具KEIL用C語言對系統(tǒng)進(jìn)行了程序設(shè)計，用仿真軟件PROTEUS對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。由此可見，該方案完成具有可行性，體現(xiàn)了技術(shù)的先進(jìn)性，經(jīng)濟(jì)上也沒有任何問題。綜上所述，本課題應(yīng)當(dāng)采用方案二對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。第3章 系統(tǒng)設(shè)計3.1工作原理 基于單片機(jī)的單總線多點溫度測控系統(tǒng)以AT89C51為中心器件，以KEIL為系統(tǒng)程序開發(fā)平臺，用C語言進(jìn)行程序設(shè)計，以PROTEUS作為仿真軟件設(shè)計而成的。系統(tǒng)主要由溫度傳感器電路、液晶顯示電路、鍵盤電路、報警電路組成，電路原理圖如

10、附錄一所示。DS18B20是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采用數(shù)字量，通過單總線，接收主機(jī)發(fā)送的命令，根據(jù)DS18B20內(nèi)部的協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)值以串口形式發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)按照通信協(xié)議用一個IO口模擬DS18B20的時序，發(fā)送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）給DS18B20，并讀取溫度值，在內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理，用字符型液晶模塊顯示各點的溫度。在系統(tǒng)啟動之時，可以通過4×4鍵盤設(shè)置各點溫度的上限值和下限值，當(dāng)某點溫度超過設(shè)置值時，報警器開始報警，從而實現(xiàn)了對各點溫度的實時監(jiān)控。3.2 單元電路設(shè)計3.2.1 DS18B20與單片機(jī)接口電路設(shè)計(1) DS18

11、B20與單片機(jī)的接口技術(shù)如圖3-1所示：DS18B20與單片機(jī)的接口電路非常簡單。DS18B20只有三個引腳，一個接地，一個接電源，一個數(shù)字輸入輸出引腳接單片機(jī)的I/O口，電源與數(shù)字輸入輸出腳間需要接一個4.7K的電阻。 圖3-1 DS18B20與單片機(jī)接口電路 (2)DS18B20的工作原理 DS18B20數(shù)字溫度傳感器概述DS18B20數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的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)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。TO92封裝的DS18B20的引腳排列見右圖，其引腳功能描述見表：序號名

12、稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)字輸入輸出引腳,開漏單總線接口引腳,當(dāng)使用寄生電源時,可向電源提供電源3VDD可選擇的VDD引腳,當(dāng)工作于寄生電源時,該引腳必須接地表3-2DS18B20詳細(xì)引腳功能描述功能命令：主機(jī)通過功能命令對DS18B20進(jìn)行讀/寫Scratchpad存儲器，或者啟動溫度轉(zhuǎn)換。DS18B20的功能命令如表3-7所示。3.2.2鍵盤電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計任務(wù)書中要求實現(xiàn)的功能，我選擇了4X4=16個鍵盤的矩陣鍵盤來設(shè)置溫度的上、下限值，此鍵盤設(shè)計符合系統(tǒng)設(shè)置要求，所以我選擇此鍵盤完成本設(shè)計。矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)：鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的集合，平時按鍵開關(guān)總是處于斷開狀態(tài)，當(dāng)按下鍵時

13、它才閉合。矩陣鍵盤又稱行列式鍵盤，這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效的提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口的利用率。它的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的波形如圖3-11所示。圖3-11鍵盤結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的波形圖矩陣鍵盤工作原理：在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖3-12所示。3.2.3顯示電路設(shè)計溫度顯示工作原理：LCD1602可以采用兩種方式與單片機(jī)連接，一種是采用8位數(shù)據(jù)總線D0D7，和RS、R/W、EN三個控制端口；另一種是只用D4-D7作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。本實驗將使用并采用八位數(shù)據(jù)方式來控制1602顯示，如圖3-13所示:圖3-13 AT89C51與LCD1602接口電路圖進(jìn)行LC

14、D設(shè)計主要是LCD的控制/驅(qū)動和外界的接口設(shè)計。控制主要是通過接口與外界通信、管理內(nèi)/外顯示RAM，控制驅(qū)動器，分配顯示數(shù)據(jù)；驅(qū)動主要是根據(jù)控制器要求，驅(qū)動LCD進(jìn)行顯示?？刂破鬟€常含有內(nèi)部ASCII字符庫，或可外擴(kuò)的大容量漢字庫。3.2.4 報警電路設(shè)計電路板上的550(Q1)三極管驅(qū)動一個無源蜂鳴器，構(gòu)成一個簡單的音響電路，該電路利用單片機(jī)的一個引腳作為驅(qū)動來源，經(jīng)Q1驅(qū)動后發(fā)聲，這一引腳是P1.1腳。由于采用了無源蜂鳴器，所以P1.1輸出低電平時，蜂鳴器不會發(fā)聲，需要輸出一個脈沖信號蜂鳴器才會發(fā)聲，脈沖信號的頻率決定了蜂鳴器發(fā)出的聲音的音調(diào)的高低。：第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 軟件設(shè)計總

15、體思路及主程序流程圖本系統(tǒng)采用C語言編寫，主程序主要由四部分構(gòu)成,系統(tǒng)通電后首先初始化系統(tǒng),依次完成溫度采集、溫度處理、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤處理等四項功能。溫度采集部分主要完成4個溫度測試點的溫度數(shù)據(jù)采集任務(wù)；溫度處理部分主要是將采集到的溫度數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定的各點上下限溫度值進(jìn)行比較處理，并判斷是否超出設(shè)定的上下限值，如果超出則蜂鳴器報警；數(shù)據(jù)顯示部分主要實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示，顯示方式根據(jù)設(shè)計要求支持1到4個溫度測試點的輪流循環(huán)顯示和固定顯示兩種方式；鍵盤處理部分主要實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，結(jié)合顯示部分，實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的人機(jī)接口。系統(tǒng)軟件主流程如圖4-1所示： 開始系統(tǒng)初始化溫度采集溫度處理數(shù)據(jù)顯

16、示鍵盤處理圖4-1 系統(tǒng)軟件總流程圖 4.2 溫度的采集每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中，主機(jī)在進(jìn)入操作程序前必須逐一接入DSl8B20，用讀ROM(33H)命令將該DSl8B20的序列號讀出并登錄。當(dāng)主機(jī)需要對眾多在線DSl8B20的某一個進(jìn)行操作時首先要發(fā)出匹配ROM命令(55H)，緊接著主機(jī)提供64位序列(包括該DSl8B20的48位序列號)之后的操作就是針對該DSl8B20的，而所謂跳過ROM命令即為之后的操作，是對所有DSl8B20的框圖中先有跳過ROM即是啟動所有DSl8B20進(jìn)行溫度變換之后通過匹配ROM再逐一地讀回每個DSl

17、8B20的溫度數(shù)據(jù)在DSl8B20組成的測溫系統(tǒng)中主機(jī)在發(fā)出跳過ROM命令之后再發(fā)出統(tǒng)一的溫度轉(zhuǎn)換啟動碼44H就可以實現(xiàn)所有DSl8B20的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換再經(jīng)過1s后就可以用很少的時間去逐一讀取這種方式，使其T值往往小于傳統(tǒng)方式。由于采取公用的放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器只能逐一轉(zhuǎn)換，顯然通道數(shù)越多這種省時效應(yīng)就越明顯。4.3 顯示模塊流程圖開始初始化LCD1602寫顯示地址寫顯示字符子程序返回圖4-4 LCD1602A操作流程圖4.4 鍵盤掃描流程圖按鍵處理程序通過掃描按鍵情況，讀取鍵值。主要完成各點溫度傳感器上下限報警參數(shù)設(shè)置和顯示模式設(shè)置。（1）通過掃描鍵盤讀取鍵值，流程圖如圖4-5所示：YN鍵盤掃

18、描有鍵閉合延時去鍵抖動動掃描鍵盤找到閉合鍵計算鍵值閉合鍵釋放建立有效標(biāo)志返回建立無效標(biāo)志NYNY圖4-5 鍵盤掃描程序流程圖第5章 元器件安裝及調(diào)試5.1元器件安裝（1）在安裝元件前要先認(rèn)識和檢測元件，一些常見元件的認(rèn)識與檢測如下：5.2產(chǎn)品調(diào)試5.2.1測試環(huán)境及工具測試溫度：0100攝氏度。（模擬多點不同溫度值環(huán)境）測試儀器:，溫度計0100攝氏度，keil 51軟件。測試方法：目測。5.2.2溫度檢測部分測試用蠟燭放在DS18B20附近，一支溫度計同時放在附近，然后通電，將DS18B20測到的溫度顯示到LCD上。將兩者測到的溫度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者溫度相近，然后用杯子裝冷水放在DS18B20附近，再次比較，發(fā)現(xiàn)二者溫度差距，通過測試可知溫度檢測部分電路工作正常。采用溫度傳感器和溫度計同時測量多點溫度變化情況（取溫度值不同的多點），目測顯示電路是否正常。并記錄各點溫度值，與實際溫度值比較，得出系統(tǒng)的溫度指標(biāo)。5.2.3電路主板測試我們將電路主板通電后，用Easy 51Pro軟件檢測發(fā)現(xiàn)無器件。我們又測量AT89C