1、xx 大学学士学位论文- I -基于单片机的温度检测系统摘要随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。单片机在温度检测方面得到广泛应用。本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，提出一种基于单片机并采用数字化温度测控系统应用于室温检测的设计方案，该方案是利用温度传感器将室内温度的变化，变换成电压的变化，其值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，显示室内的实际温度。该系统具有温度上、下限报警功能。本文从硬件和软件两方面详细叙述了基于 AT89C51 的温度检测系统，该系统以 DS18B20 为温度检测装置，并附加了温度显示和超温报
2、警功能。温度采集传感器 DS18B20 直接以单线连接的方式进行信号传输，采用数字化数据传送方式大大提高了系统的抗干扰性。因此，数字化单总线器件 DS18B20 适合于各种环境的现场温度测量。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较以前的温度传感器都有了很大的改进，系统具有结构简单，运行可靠，误差小，且成本低廉等特点。本文还对 AT89C51 及 DS18B20 进行了详细的叙述，并对系统原理进行了仔细分析。关键词 单片机；传感器；温度测量xx 大学学士学位论文- II -Based on single-chip temperature detection systemAbstract
3、With the progress and development, single-chip technology has spread to our lives, work; research in various fields has become a relatively mature technology. Single-chip temperature testing is widely used. This article will introduce the single-chip microcomputer-based control of a digital thermome
4、ter, and a single-chip digital-based temperature measurement and control system used in the design of room temperature detection program, which is the use of the indoor temperature sensor to temperature change, transform into changes in voltage, and its value from single-chip processing, and finally
5、 by the single-chip microcomputer to control the digital display shows actual room temperature. The system has a temperature, the lower limit alarm function.In this paper, both hardware and software described in detail the temperature AT89C51-based detection system to DS18B20 device for temperature
6、detection and temperature display and an additional over-temperature alarm function. Acquisition sensors temperature DS18B20 connect directly to the way one-way signal transmission, the use of digital data transmission system greatly enhanced the anti-interference. Therefore, the number of single-bu
7、s device DS18B20 environment suitable for all kinds of temperature measurements at the scene. In the temperature measurement accuracy, conversion time, transmission distance, resolution, etc. than before the temperature sensor has a lot of improvement, the system has a simple structure, reliable ope
8、ration, the error small, and characteristics of low-cost. In this paper, AT89C51 and DS18B20 also carried out a detailed description of the system conducted a careful analysis of Principle.Keywords Single-chip;Sensor;Temperature measurementxx 大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.
9、2 国外温度测量技术的发展情况 .11.3 国内温度测量技术的发展情况 .21.4 论文研究内容 .2第 2 章 传感器及相关器件介绍 .42.1 温度传感器的选择 .42.1.1 DS18B20 温度传感器简介 .42.1.2 DS18B20 的性能特点 .52.1.3 DS18B20 的管脚排列 .52.1.4 DS18B20 的内部结构 .62.1.5 DS18B20 的测温原理 .82.1.6 DS18B20 的时序 .92.1.7 DSl8B20 使用中的注意事项 .102.2 单片机概述 .102.2.1 AT89C51 芯片主要性能 .112.2.2 AT89C51 芯片的内部结
10、构框图 .122.2.3 AT89C51 芯片的引脚说明 .122.2.4 使用 AT89C51 编程时需注意事项 .162.3 显示电路的组成器件 .172.3.1 LED 显示器的介绍 .172.3.2 74LS164 芯片的介绍 .172.4 本章小结 .19第 3 章 系统硬件电路设计 .213.1 系统硬件电路构成 .213.1.1 系统整体电路及测温原理 .213.1.2 DS18B20 的控制方法 .233.1.3 显示电路的连接 .253.2 系统主要技术指标 .263.3 本章小结 .26第 4 章 系统软件的设计 .274.1 主程序设计 .274.2 测温子程序 .28x
11、x 大学学士学位论文- IV -4.3 显示子程序 .294.4 本章小结 .29结论 .30致谢 .31参考文献 .32附录 A .33附录 B .38附录 C .41附录 D .42xx 大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景在工农业生产中，温度检测及其控制占有举足轻重的地位，随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现 ，能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件、多路模拟开关、A/D 转换器及单片机等组成的系统。传统方法精度不高，不稳定、成本高等问题，又需要后续信号处理电路 ，而且热敏电阻的可靠性相对较差 ，测量
12、温度的准确度低 ，检测系统的精度差。要达到较高的测量精度需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差等问题，使温度检测复杂化。模拟信号在长距离传输过程中，抗电磁干扰时令设计者伤脑筋的问题，对于多点温度检测的场合，各被检测点到监测装置之间引线距离往往不同，此外，各敏感元件参数的不一致，这些都是造成误差的原因，并且难以完全清除。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、基于单片机的温度测控系统在室内的设计与实现模
13、糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活发挥越来越大的作用。因此，单片机对温度的控制问题是一个工农业生产及生活中常会遇到的问题。基于此，本课题围绕应用于室内的基于单片机的温度检测系统展开应用研究工作 1。1.2 国外温度测量技术的发展情况温度检测技术的关键是温度传感器，传感器是一种把非电量转变的电信号的器件，而检测仪表在
14、模拟电路情况下，一般是包括传感器、检测点取样设备及放大器( 进行抗干扰处理及信号传输)，当然还有电源及现场显示部分(可选择)，电信号一般分连续量、离散量两种，实际上还可分成模拟量、开关量、脉冲量等，模拟信号传输采用统一信号。数字化过程中，检测仪表变化比较大，经过几个阶段，近来多采用 ASIC 专用集成电路，而且把传感器和微处理器及网络接口封装在一个器件中，完成信息获取、处理、传输、存贮等功能。在自动化仪表中经常把检测仪称为变送器。随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，xx 大学学士学位论文- 2 -大致包括以下几种方法：利用
15、物体热胀冷缩原理制成的温度计；利用热电效应技术制成的温度检测元件；利用热阻效应技术制成的温度计；利用热辐射原理制成的高温计；利用声学原理进行温度测量；利用红外测温技术。近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化，例如：晶体管温度检测元件，集成电路温度检测元件，核磁共振温度检测器，热噪声温度检测器，石英晶体温度检测器，光纤温度检测器，激光温度检测器，微波温度检测器，纯贵金属热电偶的研究，信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表 2。国外的温度检测技术从普通的室温监测到高温监测技术，从遥感监测到各种极限环境的内部监测技术，
16、正随着新技术的出现在不断的更新及完善 4。1.3 国内温度测量技术的发展情况因为传感器用于各行各业，加之这些年来，家用电器、汽车、信息产业三方面的飞速发展，对传感器需求大增，所以传感器制造业发展很快，形成独立的产业，这就拉动了工业设备，特别是半导体、设备制造业的发展，所以中国特别关注传感器产业。 传感器产品品种多，采用的科学原理多，技术密集，具有多样性、边缘性、综合性和技艺性，需要多学科、多种高新技术配合，虽然具有高附加效益，但本身价格不高，所以要推动传感器产业的发展，是有难度的。 国内温度检测技术的发展方向主要集中在以下几个方面：扩展测温范围、扩大测温对象、发展新型产品、适应特殊环境下的测温
17、、显示数字化和标定自动化。根据以上情况根，国内温度仪表制造商将向以下几方面发展：继续生产量大面广的传统的温度检测元件，如:热电偶、热电阻、热敏电阻等；加强新原理、新材料、新加工工艺的开发，如近来已经开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等；向智能化、集成化、适用化方向发展，新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展，向机电一体化方向发展。但总的来说，国内的技术还是落后国外技术一节。例如，在烘炉内温度检测问题上，我国采用的一般是定点测量，即在炉壁上留出测量孔，传感器通过测量孔伸到炉膛内，对温度进行测量。这种测量
18、方法的缺点一是测量孔多了将影响烘炉的保温性能，二是它测量的温度，在烘炉长度区间分布上，不是连续的量和存在测量死区，另外它无法测量烘炉内产品自身的温度。我国在此方而的技术与国外相比有很大的差距。虽然我国在理论方面紧跟国外的步伐，但研究的方向是针对专门的行业，技术的应用没有普遍性。1.4 论文研究内容本文主要研究的内容是基于单片机的温度检测系统设计，通过对温度传感器的介绍以及对多点温度测量的系统设计工作的研究，实现以单片机为控制器的室内环境温度实时检测系统。论文主要研究的内容包括：温度传感器、单片xx 大学学士学位论文- 3 -机、显示系统，使整个温度检测系统能够对室内的温度进行采集，将采集的信号
19、传输到单片机，再由显示电路显示环境的实际温度。并可以通过比较，对环境的温度是否超过温度限制进行分析。如果超过我们设定的温度限制，温度报警系统将进行报警，提醒人们进行控制。这种设计方案实现了温度实时测量、显示和超温报警。该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温度测控系统可应用于对温度有要求的实验室，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，是一个具有较高精度、能够实现远距离多点温度检测系统，以满足小型环境温度监测需要的系统。相对于其他的温度检测系统，本课题注意了温度检测系统的性能的提高，注重温度检测的远程化，合理考虑系统的制作成本和使用的方便性。
20、xx 大学学士学位论文- 4 -第 2 章 传感器及相关器件介绍2.1 温度传感器的选择测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展主要大体经过了三个阶段，第一阶段为传统的分立式温度传感器(含敏感元件)，第二阶段为模拟集成温度传感器/控制器，第三阶段为智能温度传感器。模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片成温度传感器。模拟集成温度传感器是在 20 世纪 80 年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适
21、合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有 AD59O、AD592、TMP17、LM135 等。模拟集成温度控制器主要包括温控开关和可编程温度控制器，典型产品有 LM56、AD22105和 MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如 TC652/653)中还包含了 D 转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处 5。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在 20 世纪 90 年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶
22、。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、刀D 转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器 (CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器 (ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向飞速发展。智能温度传感器 DS18B20 正是朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络
23、传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。基于以上，本文选定 DS18B20 温度传感器为应用芯片。2.1.1 DS18B20 温度传感器简介DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种数字化单总线器件，属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9-12 位的数字值读数方式。可以分别在 93.75ms 和 750ms 内完成 9位和 12 位的数字量，并且从 DSl8B20 读出的信息或写入 DSl8B20 的信息仅需要一根口线(单线接口) 读写，温度变换功率来
24、源于数据总线，总线本身也可以向xx 大学学士学位论文- 5 -所挂接的 DS18B20 供电，而无需额外电源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。同时其一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入了全新的概念。DS18B20 一线总线数字化温度传感器支持一线总线接口，测量温度范围为-55-125 ，在-10 -85范围内，精度为土 0.5。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，用符号扩展的 16 位数字方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。因此，数字化单总线器件 DS18B20 适合于恶劣环境的现场温度测量，如:环境控制、设备或过程控
25、制、测温类消费电子产品等。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 DSl820 都有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果。可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。2.1.2 DS18B20 的性能特点DS18B20 的性能特点如下：1.采用 DALLAS 公司独特的单线接口方式:DS18B20 与微处理器连接时。需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。2.在使用中不需要任何外围元件。3.可用数据线供电，供电电压范围：+3.0 到+5.5V，零待机功耗。4.测温范围：-55到+l25。固有测温分辨率为 0.5。当在-
26、10 到+85 围内，可确保测量误差不超过 0.5，在-55 到+125 范围内，测量误差也不过2。5.通过编程可实现 9-12 位的数字读数方式。6.用户可自设定非易失性的报警上下限值。7.支持多点组网功能，多个 DSI8B20 可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。8.负压特性，即具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保DS18B20 不会因发热而烧毁。但此时芯片无法正常工作。9.DS18B20 的转换速率比较高，进行 9 位的温度转换仅需 93.75ms。10.适配各种单片机或系统。2.1.3 DS18B20 的管脚排列DS18B20 采用 3 脚 PR-35 封装或 8 脚
27、SOIC 封装。其管脚排列如图 2-1 所示。I/O 为数据输入/输出端( 即单线总线 )，它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD 是可供选用的外部电源端，不用时接地，GND 为地，NC 空脚。xx 大学学士学位论文- 6 -1GND2I/O3UDDDS18B208 VCC7 NC6 NC5 NC1I/O2GND3NC4NCDS18B20图 2-1 DS18B20 管脚图2.1.4 DS18B20 的内部结构DS1SB20 的内部结构框图如下图所示，它主要包括 7 部分：1.寄生电源；2.温度感器；3.64 位激光(loser)ROM 与单线接口；4.高速暂存器，即便筏式
28、RAM，用于存放中间数据；5.TH 触发寄存器和 TL 触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上下限值；6.存储和控制逻辑；7.8 位循环冗余校验码(CRC)发生器。图 2-2 DS18B20 内部结构图64 位 ROM 的结构开始 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 位是前面 56 位的 CRC 检验码，这也是多个 DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器 TH 和 TL，可通过软件写入户报警上下限。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 EERAM。高速暂存 RAM 的结构为 8 字节的存储器。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C64 位ROM和单线接口高速缓存存储器温度传感器高温触发器TH低温触发器 TL配置寄存器8 位 CRC 发生器Vdd
