1、目录1 引言 .11.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义 .21.2 温度控制系统的目的 .21.3 温度控制系统完成的功能 .32 总体设计方案 .32.1 热敏电阻测温方案 .32.2 温度传感器测温方案 .33 DS18B20 温度传感器简介 .73.1 温度传感器的历史及简介 .73.2 DS18B20 的工作原理 .83.3 DS18B20 的测温原理 .104 单片机接口设计 .124.1 设计原则 .124.2 引脚连接 .125 系统整体设计 .135.1 系统硬件电路设计 .135.2 系统软件设计 .176 调试 .227 总结与展望 .23参考文献 .24基于单片
2、机的温度控制系统设计xxx （指导老师：xx xx）（xxx 学院 xxx 学院 中国 xx xxxxxx）摘 要：该文介绍了一种基于DS1820的温度检测控制系统。随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本文旨在介绍一种基于MCS-51系列单片机和DS1820数字温度传感器的温度检测控制系统的开发，包括其开发背景、系统分析、电路原理、以及程序的编写与分析。关键词
3、：单片机；温度控制系统；DS18B20 温度传感器；中图分类号：TP29Temperature Control System Based On Single Chip MicrocomputerAbstract : This paper introduces a kind of based on DS1820 temperature detection and control systems. As people living standard unceasing enhancement, the single chip microcomputer control is undoubtedly
4、 one of the target of the convenience it brings is negative, the digital thermometer is a typical example, but people more and more high to its request, for modern people to work, scientific research, life, and provide better and more convenient facilities need, from the perspective of the number of
5、 single chip microcomputer technology, all toward digital control, intelligent control direction. This article is to introduce a kind of based on MCS - 51 series microcontroller and temperature of the DS1820 digital temperature sensor control system development, including its development background,
6、 system analysis, circuit principle, as well as the preparation and analysis of the program. Key words: Single chip microcomputer; Temperature control system; DS18B20 temperature sensor0基于单片机的温度控制系统设计xxx （指导老师：xx 助教）（xxxx 学院 xxxxx 学院 中国 xx xxxx）1 引言温度是一个永恒的话题和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重
7、要物理量，是国际单位制七个基本量之一。温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量及控制至关重要。其测量控制一般使用各式各样形态的温度传感器。随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其用途已遍及工农业生产和日常生活的各个领域 1。 然而,随着科学测量的发展,数据采集及其应用也受到了人们的关注，数据采集系统得到迅速的发展，被广泛应用于各种领域。数据采集系统起始于 20 世纪 50 年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统。 尽
8、管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。温度是生活及生产中非常基本的物理量，它是物体冷热程度的表征。自然界中一切物理和化学过程都紧密与温度相关联。在我们的日常生活中，温度的测量和控制都直接影响我们的生活环境，以及我们的生产生活，对工业、农业等都
9、用重要的影响。因此，温度的测量和控制在国民经济许多的方面中，均受到了相当程度的重视。在我们实际的生活环境下，由于系统内部与外界的热交换是很难控制的，而且其他热源的干扰也是难以精确的计算，因此温度量的变化，容易受到难以预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换，尽可能的符合人们的要求，我们就需要其他手段来实现这样一1个隔热的目的。例如，可以让目标系统的内部环境与其外部环境的温度同步变化。由热力学第二定律，这两个温度相同的系统之间逐步的达到最终的热平衡，利用这样一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把外界和目标系统完全进行热隔离。另外，在大多数的实际环境中，温度增加要比使温度降低方便得多
10、。因此，对温度的控制精度要求，如果是比较高的情况下，冲现象是不允许出现的，即目标温度的控制不能让实际温度超过。尤其是隔热效果、较好的环境，温度一旦出现过冲，温度是很难被降低下来的。这是因为，很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。道理同样，对于只有冷却，没有加热环节的应用中，目标温度高于实际温度，对控制效果的影响也是非常大的。但生活中同样存在很多的应用，有时在一个环境中要对多个系统进行温度控制。 鉴于上述这些特点，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。同一环境同样可能需要多通道的温度控制系统，下面就简要的讨论一下，自动温度检测与控制技术的发展与现状。1.1 温度
11、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
12、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2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
13、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基本的温度控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降，同时红灯亮。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。三个数码管即时显示温度，精确到小数点一位。2 总体设计方案2.1 热敏电阻测温
14、方案测温电路的设计，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 温度传感器测温方案考虑使用温度传感器，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，它由三部分组成:（1）控制部分主芯片采用单片机 AT
15、89S51；（2）显示部分采用 3 位 LED 数码管以动态扫描方式实现温度显示；（3）温度采集部分采用 DS18B20 温度传感器 2。3单 片 机DS18B20LED 显示指示灯图 2.1 温度计电路总体设计方案1) 控制部分单片机 AT89S51 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用，系统应用三节电池供电。2) 显示部分显示电路采用 3 位共阳 LED 数码管，从 P0 口送数，P2 口扫描。3) 温度采集部分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
16、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 P1.0 口，单片机接受温度并存储。此部分只用到 DS18B20 和单片机，硬件很简单加热继电器电风扇继电器4（1） DS18B20 的性能特点如下 3：1) 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
17、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 4DS18B20 采用 3 脚 PR35 封装，如图 2.2 所示；DS18B20 的内部结构，引 脚 说 明 ：地 数 据 线可 选图 2.2 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 DS1
18、8B20 可以采用一线进行通信的原因。64 位闪速 ROM 的结构如下.表 2.1 ROM 结构8b 检验 CRC 48b 序列号 8b 工厂代码（10H）MSB LSB MSB LSB MSB LSB2) 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 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 2.3 所示。5内 部电 源探 测 位 和单 线 端 口 位产 生 器暂 存 器 下 限 触
19、发上 限 触 发温 度 传 感 器存 储 器 和 控 制 逻 辑图 2.3 DS18B20 内部结构头 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表 2.2 所示。低 5 位一直为，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 2.2 DS18B20 内部存储器结构Byte0 温度测量值 LSB（50H）Byte1 温度测量值 MSB（
20、50H） E2PROMByte2 TH 高温寄存器 - TH 高温寄存器Byte3 TL 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,如表 2.3 。表 2.3 DS18B20 字节定义TM R1 R0 1 1
21、1 1 1由表 2.4 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6中要将分辨率和转换时间权衡考虑。表 2.4 DS18B20 温度转换时间表R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms0 0 9 93.750 1 10187.51 0 113751 1 12750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
22、机可以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 2.5 是一部分温度值对应的二进制温度数据 6。表 2.5 一部分温度对应值表温度/ 二进制表示 十六进制表示+125 0000 0111 1101 0000 07D0H+85 0000 0101 0101 0000 0550H+25.0625 0000 0001 1001 0000 0191H+10.125 0000 0000 101
23、0 0001 00A2H+0.5 0000 0000 0000 0010 0008H0 0000 0000 0000 1000 0000H-0.5 1111 1111 1111 0000 FFF8H4) CRC 的产生 在 64bROM 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7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 DS18
24、B20（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
25、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 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 3.1，3.2，3.3 所示。(1) 初始化时序
