基于AT89C51单片机和DS18B20数字温度传感器的温度测量系统设计.doc
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1、摘 要近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月益更新。而智能温度控制系统的设计是为了满足市场对成本低,性能稳定,可远程监测,控制现场温度的需求而做的课题,具有较为广阔的市场前景。此硬件系统主要介绍基于AT89C51单片机和DS18B20数字温度传感器的温度测量系统。利用AT89C51单片机采集温度点的温度,实现温度显示和报警等功能。该系统主要包含了温度检测电路,报警电路,电源电路,显示电路。其中,温度检测电路采用DS18B20,它具有直接输出数字量的特点。报警电路则由蜂鸣器、发光二级管、限流电阻和三极管组成。电源电路主要由LM7805构成。
2、显示电路则采用体积小、功耗低的1602液晶显示器。基于AT89C51单片机的单总线温度测控系统具有硬件组成简单、读数方便、精度高、测温范围广等特点,在实际工程中得到广泛应用。关键词:数字温度传感器 AT89C51单片机 温度测量AbstractIn recent years,with the penetration of computer in the social sector,MCU application is continuously going deerper and deeper, and promote the traditional control test developme
3、nt day and night. Intelligent temperature control system is designed to meet the market for low cost,stable performance,remote monitoring and control the temperature,and it has a broad market prospect.This system of hardware mainly introduces a measuring system based on AT89C51 single-chip microcomp
4、uter and digital temperature sensor DS18B20 temperature. AT89C51 single-chip microcomputer is used for collection of the temperature of temperature points,temperature display, alarm functions. The system mainly includes temperature detection circuit, alarm circuit, the power supply circuit, show cir
5、cuit. While, the temperature detection circuit choose DS18B20, it has the characteristics of the digital quantity output. The alarming circuit consist of the buzzer, leds, current limiting resistor and the transistor.Power supply circuit is mainly made by the LM7805. Display circuit used the 1602 LC
6、D monitor,which is small size, low power consumption.Temperature measurement and control system based on AT89C51 MCU has the characteristics of simple constructure, easy reading, high precision and temperature measuring range , which is widely used in practical engineering.Key words: digital tempera
7、ture sensor AT89C51 microcontroller temperature measure目 录摘要IAbstractII绪论11 方案设计与论证31.1 方案设计31.2 方案论证32 系统设计42.1 AT89C51单片机42.1.1 中央处理器AT89C51简介42.1.2 特性概述42.1.3 AT89C51管脚说明52.2 温度检测电路72.2.1 DS18B20技术性能描述72.2.2 DS18B20的内部结构82.2.3 DS18B20的工作原理92.2.4 DS18B20的信号方式102.3 报警电路132.3.1 报警系统蜂鸣器的特性132.3.2 报警系
8、统工作原理142.4 电源电路152.4.1 电路功能与特点152.4.2 电路工作原理152.5 显示电路162.5.1 液晶主要技术参数162.5.2 1602型液晶引脚162.5.3 基本操作时序172.5.4 写/读操作时序173 硬件调试193.1 测试环境及工具193.2 温度检测部分测试193.3 硬件调试方法19结论21致谢22参考文献23附录 硬件电路图2421绪 论二十一世纪是科技高速发展的信息时代,电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛,伴随着科学技术和生产的不断发展,需要对各种参数进行温度测量。因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多,与之相对应的,温度控制和测
9、量也成为了生活生产中频繁使用的词语,同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。如在日趋发达的工业之中,利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。在农业中,用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。温度是表征物体冷热程度的物理量,温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性,温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展,温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要1。在单片机温度测量系统中的关键是测量温度,控制温度和保持温度,温度测量是工业对象
10、中主要的被控参数之一。因此,单片机温度测量则是对温度进行有效的测量,并且能够在工业生产中得到了广泛的应用,尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中,担负着重要的测量任务。在日常生活中,也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量,如果采用适当的技术和元件,将模拟的温度量转化为数字量虽不困难,但电路较复杂,成本较高。自动控制仪器仪表总的发展趋势是高性能、数字化、集成化、智能化和网络化。智能温度控制系统的设计是为了满足市场对成本低、性能稳定、可远程监测、控制现场温度的需求而做的课题,具有较为广阔的市场前景2。近年来随着计算机在
11、社会领域的渗透, 工业控制是计算机的一个重要应用领域,计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术,它主要研究如何将计算机技术通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程,并设计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用,以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月益更新3。本课题名称为基于单片机的温度控制报警系统,主要进行基于AT89C51单片机和DS18B20数字温度传感器的温度测量系统的设计。该系统利用AT89C51单片机采集温度点的温度
12、,实现温度显示、报警等功能。它以AT89C51单片机为主控制芯片,采用数字温度传感器DS18B20实现温度的检测,测量精度可以达到0.5。该系统采用1602显示模块,形象直观的显示测出的温度值。基于AT89C51单片机的单总线温度测控系统具有硬件组成简单、读数方便、精度高、测温范围广等特点,在实际工程中得到广泛应用。1 方案设计与论证1.1 方案设计该硬件设计方案主要由DS18B20传感器,AT89C51单片机,1602液晶显示电路,报警电路组成。AT89C51单片机是整个系统控制核心。DS18B20的主要作用是对环境温度测量,然后与预先设定好的温度上下限值就行比较,超过则报警。显示电路采用的
13、是1602液晶模块。报警电路则主要由二极管,电阻和蜂鸣器组成。图1-1 温度测量系统方案框1.2 方案论证DS18B20数字温度传感器接线方便,封装成后可应用于多种场合。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温,高炉水循环测温,锅炉测温,弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。按照DS18B20的通信协议,由主机向DS18B20发送命令,读取DS18B20转换的温度,从而实现对环境的温度的测量,当温度超过一定的值时,报警器开始报警。基于直接输出数字量,精度高,电路简单的各方面优点来考虑
14、,温度传感器DS18B20是最佳选择,除此之外DS18B20的读写时序,根据DS18B20的协议读取转换的温度4。Protel软件是此次硬件设计要用到的软件,由于对此软件有所掌握,而且在课余时间,通过书刊、杂志、网络对DS18B20、字符型液晶显示有所了解,此外曾经在网上看到过此类程序程序设计,更重要的是已经使用过开发工具KEIL用C语言对系统进行了程序设计,用单片机开发板对系统进行了测试,可以达到预期的目的。由此得知,不管从经济上还是技术上,该方案是具有可行性。2 系统设计2.1 AT89C51单片机 此次温度控制报警系统设计的核心部件就是AT89C51。该器件是INTEL公司生产的MCS-
15、51系列单片机中的基础产品,采用了可靠的CMOS工艺制造技术,具有高性能的8位单片机,属于标准的MCS-51的CMOS产品。不仅结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,而且继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易
16、失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案5。2.1.1 中央处理器AT89C51简介(1) 与MCS-51 兼容 (2) 4K字节可编程FLASH存储器 (3) 寿命:1000写/擦循环 (4) 数据保留时间:10年 (5) 全静态工作:0Hz-24MHz (6) 三级程序存储器锁定 (7) 1288位内部RAM, 片内振荡器和时钟电路 (8) 32可编程I/O
17、线, 可编程串行通道 (9) 两个16位定时器/计数器 (10) 5个中断源, 低功耗的闲置和掉电模式2.1.2 特性概述AT89C51 提供以下标准功能:4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O 口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。因为只有该口能直接用于对外部
18、存储器的读/写操作6。2.1.3 AT89C51管脚说明图2-1 AT89C51单片机最小系统图VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输
19、出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。 表2-1 AT89C51单片机P3口的第二功能端口引脚各个功能P3.0RXD (串行口输入端)P3.1TXD (串行口输出端)P3.2INTO (外部中断0)P3.3INT1 (外部中断1)P3.4T0 (记时器0外部输入)P3.5T1 (记时器1外部输入)P3.6WR (外部数据存储器写选通)P3.7RD (外部数据存储器读选通)P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的
20、管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3还有第二功能,具体功能如表2-1所示7。 2.2 温度检测电路P
21、2端口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O,其输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对该端口写“1”,可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平,此时可作为输入口使用,这是因为内部存在上拉电阻,某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。其中P2.7是单片机的高位地址线,DS18B20数字温度传感器的单总线(1-Wire)与单片机的P2.7连接。2.2.1 DS18B20技术性能描述(1) 采用单总线专用技术,既可通过串行口线,也可通过其他I/O口线与微机接口,无须经过其他变换电路,直接输出被测量值(9位二进制数,含符号位)。(2) 测温范围为-55到+125之间,测量分辨率为0.06
22、25。实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。(3) 内含64位经过激光修正的只读存储器ROM。数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。(4) 适配各种单片机或系统机。(5) 用户可分别设定各路温度的上下限。(6) 内含寄生电源。表2-2 DS18B20各引脚功能描述序号名称 引脚功能描述1GND地信号2DQ数字输入输出引脚,开漏单总线接口引脚,当使用寄生电源时,可向电源提供电源3VDD可选择的VDD引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必须接地DS18B20数字温度传感器接线是十分方便的,其封装成后可应用于多种场合,如不锈钢封装式,管道式,螺纹式,磁铁吸附式,型号多种多样,有LTM887
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