機 電 專 業 課 程 設 計 溫度檢測系統 學生姓名 李 曉 曉 學 院 中國礦業大學 年級專業 2011 機電專本 指導教師 孫 長 青 完成日期 2012 年 6 月 前言前言 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業生產和自動控制中最常見的工 藝參數之一，生產過程中常常需要對溫度進行檢測和監控。在傳統的溫度測控 系統設計中，往往采用模擬技術進行設計，這樣就不可避免地遇到諸如傳感器 外圍電路復雜及抗干擾能力差等問題;而其中任何一環節處理不當，就會造成整 個系統性能的下降。采用數字溫度傳感器與單片機組成的溫度檢測系統進行溫 度檢測、數值顯示和數據存儲，體積減小，精度提高，抗干擾能力強，并可組 網進行多點協測，還可以實現實時控制等技術，在現代工業生產中應用越來越 廣泛。 本設計就采用以 51 單片機為核心，和單總線數字式溫度傳感器 DS18B20 模擬出一溫度控制系統，當溫度沒有超過預設溫度時數碼管顯示當前溫度，此 本系統就是一個溫度計。當溫度超過預設溫度時電路中的發光二極管就會閃爍 報警，當溫度降下時就停止閃爍，此時本系統就是一個溫度監控器。以 DS18B20 為代表的新型單總線數字式溫度傳感器集溫度測量和 A/D 轉換于一體, 直接輸出數字量，與單片機接口電路結構簡單，廣泛使用于距離遠、節點分布 多的場合，具有較強的推廣應用價值。 目錄目錄 前 言. 1 1 總體設計方案.3 1.1 設計的目的及意義 .3 1.2 總體設計思路 .3 1.3 總體設計方案設計 .3 2 系統的硬件結構設計.4 2.1 器件的選擇 .4 2.2 電路設計及功能 .8 2.3 單片機的內部資源 .9 2.4 芯片 DS18B20 器件介紹 .10 3 系統的軟件設計.13 3.1 設計的流程圖 .13 3.2 系統部分程序的設計和分析 .14 結 論.16 附錄 程序設計.17 附錄 參考文獻.21 附錄 結束語.22 附錄 實物照片.23 1 1 總體方案設計總體方案設計 1.11.1 設計目的及意義設計目的及意義 （1）在學習了三年的課程后，為了加深對理論知識的理解，學習理論知識 在實際中的運用，培養動手能力和解決實際問題的經驗。 （2）通過實驗提高對單片機的認識，通過實驗提高焊接、布局、電路檢查 能力。 （3）通過實驗提高軟件調試能力。 （4）進一步熟悉和掌握單片機的結構及工作原理，通過課程設計，掌握以 單片機核心的電路設計的基本方法和技術。 （5）通過實際程序設計和調試，逐步掌握模塊化程序設計方法和調試技術。 （6） 熟悉水箱溫度控制的工作原理，選擇合適的元件，繪制系統電路原理 圖，運用單片機原理及其應用，進行軟硬件系統的設計和調試，加深對單片機 的了解和運用，進而提高自己的應用知識能力、設計能力和調試能力。 1.21.2 總體設計思路總體設計思路 本設計以單片機為基礎，溫度監控系統大致上可以分為以下幾個步驟： 1.2.1 系統分析過程 （1）根據系統的目標，明確所采用溫度監控系統的目的和任務。 （2）確定系統所在的工作環境。 （3）根據系統的工作要求，確定系統的基本功能和方案。 1.2.2 系統設計內容 (1）構思設計溫度監控系統的工作流程。 （2）對要求設計的系統進行功能需求分析，考慮多種設計方案，比較各方 案的特點，并確定合理可行的方案，并設計相應的功能結構。 （3）根據系統的控制要求，選擇合適型號的芯片及元器件。 (4) 設計以單片機為核心的控制程序。 (5) 電路板及其結構的設計。 (6) 進行系統的調試，完成最終的設計。 1.31.3 總體設計方案設計總體設計方案設計 1.3.1 系統框圖 本設計為無線電控制電路，系統框圖如下所示： 圖 1-1 系統框圖 1.3.2 系統功能 此設計以單片機為核心的溫度監控系統，其功能是：平常狀態下可以做溫 度計使用。當溫度超過預設溫度時二極管會閃爍報警，當溫度降下時二極管則 停止閃爍。 2 2 系統的硬件結構設計系統的硬件結構設計 2.12.1 器件的選擇器件的選擇 在本設計系統中用到的主要器件有單片機核心控制器、溫度傳感器、數碼 管顯示器。選擇合適的器件完成設計任務，目前各半導體公司、電氣商都向市 場上推出了形形色色的器件，如何選擇合適的器件使系統最大的簡單化，功能 優異化，可靠性強，成本低廉，成為了器件選擇的重中之重。一般來說，選擇 器件要考慮一下幾個方面： （1）芯片的封裝形式。如 DIP（雙列直插）封裝及表面貼附等。 （2）器件的基本性能參數。如單片機執行速度、程序儲存器容量、I/O 口 引腳數量等。 （3）芯片的功耗。如單片機選擇能滿足低功耗的要求。 （4）供貨渠道是否暢通，價格是否低廉。 STC89C516RD+系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/ 高速/ 低 功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統 8051 單片機，12 時鐘 / 機器周期和 6 時鐘/機器周期可任意選擇，最新的 D 版本內部集成 MAX810 專用復位電路， 根據本系統的實際情況，選擇 STC89C516RD+單片機。溫度傳感器選擇 DS18B20，顯示選擇共陰極數碼管。 2.1.1 單片機(STC89C516RD+)的引腳功能圖 圖 2-1 STC98C16RD+引腳圖 2.1.2 各引腳及功能說明 （1）電源引腳： Vcc：40 腳 正電源腳，工作電壓為 5V。 GND：20 腳 接地端。 （2）單片機 I/O 口： P0 口：P0 口為一個 8 位漏極開路雙向 I/O 口。P0 口能用于外部程序數據 存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在 FLASH 編程時，P0 口作為原 碼輸入口，當 FALSH 進行校驗時，P0 口輸出原碼，此時 P0 口外部必須被拉高。 P1 口: P1 口是 一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P1 口管腳寫 入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出 電流。在 FALSH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 P2 口：P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。當 P2 口被寫入 “1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。P2 口當用于外部程序存 儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。P2 口 在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內部上拉為高電平并用作輸入。 P3 口除作 I/O 口使用外，還有特殊功能如圖所示： 表 P3 口的特殊功能 P3 引腳兼用功能 P3.0串行通訊輸入（RXD） P3.1串行通訊輸出（TXD） P3.2外部中斷 0（ INT0） P3.3外部中斷 1（INT1） P3.4定時器 0 輸入(T0) P3.5定時器 1 輸入(T1) P3.6外部數據存儲器寫選通 WR P3.7外部數據存儲器寫選通 RD （3） RST復位： 當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。復位可 分為上電復位和手動復位兩種，如圖所示： 圖2-2 復位電路 (4) 晶振電路： XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 晶振電路如圖所示： 圖2-3 晶振電路 (5) ALE/PROG： 當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。 在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周 期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈 沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一 個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行 MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外 部執行狀態ALE禁止，置位無效。 (6) /PSEN： 外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周 期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不 出現。 (7) /EA/VPP： 當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH） ，不管 是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端 保持高電平時，此間內部程序存儲器。 2.1.3 單片機 最小系 統如圖 所示： 圖2-4 單片機最小系統 2.22.2 電路設計及功能電路設計及功能 本設計大體可分為三個部分，即溫度采集，數碼顯示，報警電路。溫度采 集部分利用DS18B20進行溫度采集，感知溫度，后數碼顯示出溫度，若溫度超過 了預設溫度報警電路則啟亮發光二極管，閃爍。整體電路圖如下所示： 圖2-5 溫度監控系統電路圖 2.32.3 單片機的內部資源單片機的內部資源 51單片機給用戶提供了豐富的內部資源，如定時/計數器，串行口等，而 沒有中斷就無法用到單片機提供的資源。再者，中斷可以提高單片機的工作效 率，由于本設計中用到了中斷程序，所以我們先介紹一下中斷系統。 2.3.1 中斷系統: 在8位單片機中， 51單片機是中斷功能較強的一種，它提供了5個中斷請求 源和兩個中斷優先級控制。 在計算機運行過程中要處理很多問題，既有主機內部也有外部的，既有預 定的也有外設的，面對復雜多變的情況，CPU要從容的完成各種任務，必須有中 斷功能。中斷系統解決了計算機與外圍設備交換信息時，慢速工作的外圍設備 與快速工作的CPU之間的矛盾，設置了中斷就可以提高CPU的工作效率，具有實 時處理功能，使CPU能很快做出反應解決現場的各種參數和狀態的變化，還具有 故障處理功能，處理工作時故障的中斷服務程序，此外還有實現分時操作、程 序調試、多機連接等方面。 運行過程如下： 現行程序現行程序 中斷斷點中斷斷點 繼續執行繼續執行 中斷中斷 服務程序服務程序 圖2-6 中斷控制過程 不同的單片機的中斷源是不同的，在此系統中的單片機有五個中斷源，具 有兩個中斷優先級，可以實現二級中斷服務程序嵌套。每個中斷源可以編程為 高優先級或低優先級中斷，允許或禁止CPU請求中斷。與中斷系統有關的特殊功 能寄存器有中斷允許寄存器IE、中斷優先寄存器IP、中斷源寄存器 （TCON、SCON） 。 從中斷響應過程可以看出在執行一種中斷服務程序時，另一個同級中斷不 能被響應，必須在執行RET1指令后，在執行一條其他條令，CPU才能響應。利用 這一特點，可以實現單步操作。其實現過程如下：設置中斷P3.2為電平觸發方 式，高優先級中斷，CPU外部中斷0開中斷，即應執行以下指令： CLR IT0, SETB EA, SEB EX0 . 在中斷服務程序結尾增加以下指令： K0:jnb P3.2,K0 ；P3.2變高前原地等待 K1：jb P3.2,K1 ；P3.2變低前原地等待 RETI ；中斷返回 若P3.2為低電平就進入外中斷0的中斷服務。由于上述幾條指令的存在，程 序將在JNB出原地等待，當P3.2端出現一個正脈沖，程序就往下進行，在執行 RET1和返回后的一條其他指令后，又立即進入外部中斷P3.2服務程序，以等待 P3.2端出現下一個脈沖，這樣P3.2端沒出現一次正脈沖就執行一條新的指令實 現了單步操作。 GATE： 定時/計數器門控制位，用于設定定時/計數器的啟動是否受外部中斷請求 信號的控制。GATE1時，T0和T1的啟動分別受芯片引腳/INT0(P3.2)和 /INT1(P3.3)的控制。GATE0時，定時/計數器的啟動與引腳/INT0、/INT1無關。 51單片機定時/計數器工作模式： 51單片機的定時/計數器有4種工作模式，由TMOD寄存器的M0、M1兩位確定。 這些在前邊已經提到過了，而本次設計采用的是工作模式1所以在此具體介紹這 一種，至于其他幾種，由于本次設計用的定時器中斷是T1所以不能選用模式3， 而模式2的技術值太小，所以一般也不是經常運用，模式0的計數比模式1復雜， 技術值也不如它大，所以選用模式1是最好的方案。 將TMOD的M1、M0位分別設為0、1，定時/計數器工作模式1下。此時定時/計 數器是一個16位定時/計數器，TLX組成定時/計數器低8位，THX組成定時/計數 器的高8位，TLX溢出后向THX進位，最大計數值位65536。 2 16 2.42.4 芯片芯片DS18B20DS18B20器件介紹器件介紹 DSl820數字溫度計提供9位溫度讀數，指示器件的溫度。信息經過單線接口 送入DSl820或從DSl820送出，因此從中央處理器到DSl820僅需連接一條線（和 地） 。讀、寫和完成溫度變換所需的電源可以由數據線本身提供，而不需要外部 電源。因為每一個DSl820有唯一的系列號（silicon serial number） ，因此多 個DSl820可以存在于同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度靈 敏器件。此特性的應用范圍包括HVAC環境控制，建筑物、設備或機械內的溫度 檢測，以及過程監視和控制中的溫度檢測。管腳圖如下： 圖2-7 DS18B20管腳圖 2.4.1 DS18B20的主要性能特點 (1) 只需一個端口即可實現通信。 (2) 可用數據線供電，電壓范圍：3.0V5.5V。 (3) 實際應用中不需要外部任何元器件即可實現測溫。 (4) 測溫范圍：-55+125，在-10+85時精度為0.5。 (5) 可編程的分辨率為 9 12 位，對應的分辨溫度為 0.5、0.25、 0.125和 0.0625。 (6) 負壓特性：電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常 工作。 (7) 內部有溫度上、下限告警設置。非易失性溫度報警觸發器 TH 和 TL。 可通過軟件寫入用戶報警上下限值。 (8) 每個芯片唯一編碼，支持聯網尋址，零功耗等待。 2.4.2 DS18B20的結構 DS18B20 的引腳排列采用3腳PR-35封裝或 8 腳 SOIC 封裝。I/O 為數據輸 入/輸出端(即單線總線)，屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后常態下呈高電平。 UDD是可供選用的外部+5V 電源端，不用時需接地。GND 為地，NC 為空腳。 DS18B20的內部結構框圖： 圖2-8 DS18B20內部結構圖 2.4.3 DS18B20的工作時序 （1）DS18B20的復位時序 圖2-9 DS18B20復位時序圖 （2）DS18B20的讀時序 對于 DS18B20 的讀時序分為讀 0 時序和讀 1 時序兩個過程。對于 DS18B20 的讀時序是從主機把單總線拉低之后，在 15s 之內就得釋放單總 線，以讓 DS18B20 把數據傳輸到單總線上。DS18B20 在完成一個讀時序過程， 至少需要 60s才能完成。 圖2-10 DS18B20讀時序圖 （3） DS18B20的寫時序 對于 DS18B20 的寫時序仍然分為寫 0 時序和寫 1 時序兩個過程。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 60s，保證 DS18B20 能夠在 15s45s 之間能夠正確地采樣 IO 總線上的“0”電平，當要寫 1 時序時，單總線被拉低之后，在 15s 之內就 得釋放單總線。 圖2-11 DS18B20寫時序圖 3 3 系統的軟件結構設計系統的軟件結構設計 3.13.1 設計的流程圖設計的流程圖 3.23.2 系統部分程序設計及分析系統部分程序設計及分析 3.2.1 復位子程序 (1)主機將信號線置為低電平，時間為 480-960uS。 (2)主機將信號線置為高電平，時間為 15-60uS。 (3)DS18B20 發出 60-240uS 的低電平作為應答信號，主機收到此信號才操 作。 復位子程序如下所示： char fuwei(void) unsigned char i; s=0; for(i=255;i0;i-); s=1; for(i=200;i0;i-); 3.2.2 讀子程序 (1)主機將信號線從高電平拉至低電平 1uS 以上，再升為高電平，產生讀起 始信號。 (2)從主機將信號線從高電平拉至低電平 15-60uS 的時間內，DS18B20 將數 據放到信號線上,完成 1 個讀周期。 (3)在開始另一個讀周期前，必須有 1uS 以上的高電平恢復期。 讀子程序如下所示： unsigned char duchu(void) unsigned char i,j,t=0,w=1; for(i=0;i1; s=0; _nop_(); _nop_(); s=1; for(j=10;j0;j-); if(s=1) t=t|0 x80; else t=t|0 x00; for(j=100;j0;j-); return(t); 3.2.3 寫子程序 (1)主機將信號線從高電平拉至低電平，產生寫起始信號。 (2)從信號線的下降沿開始，在 15-60uS 的時間內，DS18B20 對信號線檢測， 如高則寫 1，低則寫 0，完成 1 個寫周期。 (3)在開始另一個寫周期前，必須有 1uS 以上的高電平恢復期。 寫子程序如下所示： unsigned char xieru(unsigned char o) char i,j; for(i=0;i0;j-); s=1; else s=0; for(j=2;j0;j-); s=1; for(j=33;j0;j-); o=o1; 3.2.4 其他程序 本設計中除了上述三個子程序外，還涉及到顯示程序，數據處理程序，中 斷程序和延時程序等，由于篇幅原因不作具體介紹，詳見附錄。 結 論 通過這次畢業設計，提升了我的自學能力，通過不斷的查閱資料，通過老 師的不斷講解，來解決其中遇到的困難，比如如何解決DS18B20控制問題，如何 解決報警問題等。 本文所討論的設計采用了宏晶科技的 STC89C516RD+單片機作為系統的中央 控制單元，DS18B20 作為溫度采集器，并結合軟件編程，實現溫度傳感電路與 單片機的結合。 該系統具有更高速、更靈敏、更簡捷地獲取被分析、檢測、控制對象的溫 度信息的能力，同時具有良好的抗干擾及環境適應能力（測溫范圍-55 + 125 ）。因其體積小，使用方便，封裝形式多樣 ，適用于各種狹小空間設 備數字測溫和控制領域 ，且系統結構較為簡單，可大規模的采用，成本低廉。 附錄附錄 程序設計程序設計 #includereg51.h #includeintrins.h /匯編語句的 C 語言調用接口 unsigned char g=0,a=0,b=0,c=0,d=0,e=0,t; Unsigned char m=0 xfa,0 x82,0 xd9,0 xcb,0 xa3,0 x6b,0 x7b,0 xc2,0 xfb,0 xeb; sbit s=P11; /DS18B20 的與單片機連接的 I/O 口 sbit z=P16; /發光二極管 char fuwei(void) /復位程序 unsigned char i; s=0; for(i=255;i0;i-); s=1; for(i=200;i0;i-); unsigned char xieru(unsigned char o) /寫入 18B20 子程序 char i,j; for(i=0;i0;j-); s=1; else s=0; for(j=2;j0;j-); s=1; for(j=33;j0;j-); o=o1; unsigned char duchu(void) /讀出 18B20 子程 序 unsigned char i,j,t=0,w=1; for(i=0;i1; s=0; _nop_(); _nop_(); s=1; for(j=10;j0;j-); if(s=1) t=t|0 x80; else t=t|0 x00; for(j=100;j0;j-); return(t); void display(void) /顯示程序 unsigned char i, j; for(i=0;i10;i+) P2=0 x00; P0=0 x04; P2=ma; for(j=0;j160;j+); P2=0 x00; P0=0 x02; P2=mb|0 x04; for(j=0;j160;j+); P2=0 x00; P0=0 x01; P2=mc; for(j=0;j4; t=n14; t=t t=t|k; a=t%100/10; b=t%10; w=n0 w=w*1000/16; c=w/100; d=w%100/10; main() /主程序 z=1; TMOD=0 x01; EA=1; ET0=1; TH0=(65535-4000)/256; TL0=(65535-4000)%256; while(1) fuwei(); xieru(0 xcc); xieru(0 x44); TR0=1; while(1) display(); void t0(void)interrupt 1 /中斷程序 TH0=(65535-4000)/256; TL0=(65535-4000)%256; smzh(); display(); fuw