1、anyang institute of technology 科 畢 業 論 文基于單片機的溫度測量系統系（院）名稱：電子信息與電氣工程學院 專業班級： 09電氣自動化技術1班 學生姓名： 學 號： 指導教師姓名 指導教師職稱： 2012 年 5 月目 錄摘要 關鍵詞1第一章 緒論11.1 單片機溫度測量系統的選題背景11.2 單片機溫度測量系統選題的現實意義21.3 國內外研究現狀及其發展31.3.1 國外溫室環境控制31.3.2 國內溫室控制技術31.3.3 溫室環境控制技術的三個發展階段31.3.4 溫室控制存在的問題41.4 單片機溫度測量系統主要研究的內容5第二章 單片機溫度測量系統

2、總體設計62.1 單片機溫度測量系統的功能設計62.2 單片機溫度測量系統的設計的原則62.3 單片機溫度測量系統的組成與工作原理7第三章 系統硬件電路的設計83.1 系統硬件電路構成及測量原理83.1.1 系統硬件電路構成83.1.2 系統工作原理93.1.3 系統主要技術指標103.2 溫度傳感器的選擇103.2.1 ds18b20的介紹113.2.2 ds18b20的性能特點123.2.3 ds18b20的控制方法133.2.4 ds18b20的測溫原理133.3 單片機的選擇143.3.1 單片機的概述143.3.2 at89c2051芯片的主要性能153.4 輸入通道的設計153.4

3、.1 pt100溫度傳感器153.4.2 a/d轉換163.5 輸出通道設計183.5.1 溫控箱的功率調節方式183.5.2可控硅輸出電路19第四章 系統調試204.1 tks仿真器與集成開發環境keil204.1.1 tks仿真器204.1.2 集成開發環境keil204.2 系統硬件調試224.3 系統軟件調試22結 論24致 謝25參考文獻26基于單片機的溫度測量系統摘要：隨著社會經濟的不斷發展，現代農業生產離不開環境控制，本文在對國內外溫室智能控制進行深入分析的基礎上，針對溫室智能化控制存在的諸多因子，將智能傳感器監測和單片機控制相結合，提出了基于單片機的溫度檢測系統設計方案。本系統

4、采用層次化、模塊化設計，整個系統由數據采集系統、單片機控制系統、計算機監控系統組成。系統以單片機為核心，以多個溫度、濕度傳感器作為測量元件，通過單片機與智能傳感器相連，采集存儲智能傳感器的測量數據。在單片機系統中，還要實現程序的擴展存儲、數據的實時顯示、超限語音報警和數據輔助存儲功能。單片機作為監控計算機與智能傳感器連接的中心。本設計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統的總體設計方案，包括其功能設計；設計原則；組成與工作原理；二是進行智能傳感器的硬件電路設計；包括硬件電路構成及測量原理；溫度傳感器的選擇；單片機的選擇；輸入輸出通道設計；三是進行了調試和仿真，包括硬件仿真和軟件仿真。關鍵詞：a

5、t89c2051 單片機 ds18b20 溫度測量第一章 緒論1.1 單片機溫度測量系統的選題背景我國人多地少，人均占有耕地面積更少。因此，要改變這種局面，只靠增加耕地面積是不可能實現的，因此我們要另辟蹊徑，想辦法來提高單位畝產量。溫室大棚技術就是其中一個好的方法。溫室大棚就是建立一個模擬適合生物生長的氣候條件，創造一個人工氣象環境，來消除溫度對生物生長的約束。而且，溫室大棚能克服環境對生物生長的限制，能使不同的農作物在不適合生長的季節產出，使季節對農作物的生長影響不大，部分或完全擺脫了農作物對自然條件的依賴。由于溫室大棚能帶來可觀的經濟效益，所以溫室大棚技術越來越普及，并且已成為農民增收的主

6、要手段。隨著大棚技術的普及，溫室大棚數量不斷增多，溫室大棚的溫度控制便成為一個十分重要的課題。傳統的溫度控制是在溫室大棚內部懸掛溫度計，通過讀取溫度值來知道大棚內的實際溫度，然后根據現有溫度與額定溫度進行比較，看溫度是否過高或過低。如果過高，就對大棚進行降溫處理；如果過低，就對大棚進行升溫處理。這些操作都是在人工情況下進行的，耗費了大量的人力物力。現在，隨著國家經濟的快速發展，農業產業規模的不斷提高，農產品在大棚中培育的品種越來越多，對于數量較多的大棚，傳統的溫度控制措施就顯現出很大的局限性。大型溫室大棚的建設對溫度檢測技術也提出了越來越高的要求。今天，我們的生活環境和工作環境有越來越多稱之為

7、單片機的小電腦在為我們服務。單片機在工業控制、尖端武器、通信設備、信息處理、家用電器等各測控領域的應用中獨占鰲頭。時下，家用電器和辦公設備的智能化、遙控化、模糊控制化己成為世界潮流，而這些高性能無一不是靠單片機來實現的。采用單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態簡單和靈活性大等優點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數量。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發周期短等優點，成為自動化和各個測控領域中必不可少且廣泛應用的器件，尤其在日常生活中也發揮越來越大的作用。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工農業生產中經常會遇到的問題。基于此，本課題圍繞應

8、用于溫室大棚的基于單片機的溫度測控系統展開應用研究工作。1.2 單片機溫度測量系統選題的現實意義隨著單片機和傳感技術的迅速發展，自動檢測領域發生了巨大變化，溫室環境自動監測控制方面的研究有了明顯的進展，并且必將以其優異的性能價格比，逐步取代傳統的溫度控制措施。但是，目前應用于溫室大棚的溫度檢測系統大多采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關、a心轉換器及單片機等組成的傳輸系統2。這種溫度采集系統需要在溫室大棚內布置大量的測溫電纜，才能把現場傳感器的信號送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，成本也高。同時線路上傳送的是模擬信號，易受干擾和損耗，測量誤差也比較大。為了克服這些缺點，本文參考了一種基于單片機并采用數

9、字化單總線技術的溫度測控系統應用于溫室大棚的設計方案，根據實用者提出的問題進行了改進，提出了一種新的設計方案。數字化單總線技術4是利用dallas公司生產的新型器件實現的。它將系統的地址線、數據線、控制線合為一根導線，允許在這根導線上掛接數百個控制對象，形成多點單總線測控系統。這些測控對象所用的芯片都由該公司提供。采用單總線協議后，可在檢測點將模擬信號數字化。這樣，在單總線上傳輸的便是數字信號。本文介紹的溫度測控系統就是基于單總線技術及其器件組建的。該系統能夠對大棚內的溫度進行采集，利用溫度傳感器將溫室大棚內溫度的變化，變換成電流的變化，再轉換為電壓變化輸入模數轉換器，其值由單片機處理，最后由

10、單片機去控制數字顯示器，顯示溫室大棚內的實際溫度，同時通過比較，對大棚內的溫度是否超過溫度限制進行分析。如果超過我們預先設定的溫度限制，溫度報警系統將進行報警，并同時自動對大棚內的溫度進行控制。這種設計方案實現了溫度實時測量、顯示和控制。該系統抗干擾能力強，具有較高的測量精度，不需要任何固定網絡的支持，安裝簡單方便，性價比高，可維護性好。這種溫度測控系統可應用于農業生產的溫室大棚，實現對溫度的實時控制，是一種比較智能、經濟的方案，適于大力推廣，以便促進農作物的生長，從而提高溫室大棚的畝產量，以帶來很好的經濟效益和社會效益。1.3 國內外研究現狀及其發展1.3.1 國外溫室環境控制國外對溫室環境

11、控制技術研究較早，始于20世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現場信息并進行指示、記錄和控制。80年代末出現了分布式控制系統。目前正開發和研制計算機數據采集控制系統的多因子綜合控制系統。現在世界各國的溫室控制技術發展很快，一些國家在實現自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發展。像園藝強國荷蘭，以先進的鮮花生產技術著稱于世，其玻璃溫室全部由計算機操作。英國倫敦大學農學院研制的溫室計算機遙控技術，可以觀測50km以外溫室內的光、溫、濕、氣和水等環境狀況，并進行遙控。1.3.2 國內溫室控制技術我國對于溫室控制技術的研究較晚，始于20世紀80年代。我國工程技術人員在吸收發達國家溫室控

12、制技術的基礎上，才掌握了人工氣候室內微機控制技術，該技術僅限于溫度、濕度和co2濃度等單項環境因子的控制。我國溫室設施計算機應用，在總體上正從消化吸收、簡單應用階段向實用化、綜合性應用階段過渡和發展。在技術上，以單片機控制的單參數單回路系統居多，尚無真正意義上的多參數綜合控制系統，與發達國家相比，存在較大差距。我國溫室現狀還遠遠沒有達到工廠化農業的境地，生產實際中仍然有許多問題困擾著我們，存在著溫室裝備配套能力差，產業化程度低，環境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點。1.3.3 溫室環境控制技術的三個發展階段從國內外溫室控制技術的發展狀況來看，溫室環境控制技術大致經歷三個發展階段

13、：1.手動控制。這是在溫室技術發展初期所采取的控制手段，其時并沒有真正意義上的控制系統及執行機構。生產一線的種植者既是溫室環境的傳感器，又是對溫室作物進行管理的執行機構，他們是溫室環境控制的核心。通過對溫室內外的氣候狀況和對作物生長狀況的觀測，憑借長期積累的經驗和直覺推測及判斷，手動調節溫室內環境。但這種控制方式的勞動生產率較低，不適合工廠化農業生產的需要。2.自動控制。利用計算機技術及現代控制理論對溫室內的各種環境因子如溫度、光照、濕度、c02濃度和施肥等，進行自動控制和調節成為溫室控制的主要方式。人為創造適宜作物生長最佳環境的自動控制技術手段成為主流。此時的溫室有比較完整的控制系統，有各種

14、傳感器采集溫室環境數據，監控系統實時監測環境變化及控制執行機構的動作，良好的人機界面使種植者的操作過程形象而且簡便。計算機自動控制的溫室控制技術實現了生產自動化，適合規模化生產，勞動生產率得到提高。3.智能化控制。智能化的控制技術將農業專家系統與溫室自動控制技術有機結合，以溫室綜合環境因子作為采集與分析對象，通過專家系統的咨詢與決策，給出不同時期作物生長所需要的最佳環境參數，并且依據此最佳參數對實時測得的數據進行模糊處理，自動選擇合理、優化的調整方案，控制執行機構的相應動作，實現溫室的智能化管理與生產。這種控制方式既能體現作物生長的內在規律，發揮農業專家在農業生產中的指導作用，又可充分利用計算

15、機技術的優勢，使系統的調控非常方便和有效，實現溫室的完全智能化控制。1.3.4 溫室控制存在的問題首先是農業專家系統自身的問題，農業專家系統的技術還不十分成熟。各種專家系統在收集、整理農業專家知識時并沒有把專家是如何學習和獲得這些知識的過程整理出來，這樣開發的專家系統并不具有真正的學習能力。其次是采集數據的束縛，溫室控制技術主要停留在對溫室環境因子的監控上，并沒有考慮溫室作物本身的生理過程。還有就是農業專家系統在溫室實時控制中的應用的局限性，農業專家系統對溫室環境因子進行實時監控，不同于開發單純的農業專家系統，其中涉及與控制系統的“接口”問題。在開發溫室農業專家控制系統時，對農業知識的表達及推

16、理策略等要認真考慮。同時，將更多的農業知識用于溫室生產的實時控制中，不僅僅局限于對環境因子的專家指導。總之，隨著計算機技術、農業應用電子技術、傳感器智能化技術、機械電子一體化技術和計算機網絡技術研究的發展，溫室技術體系己經成為各個國家為合理利用農業資源、提高農產品產量、降低生產成本、保護生態環境、提高農產品在國際市場競爭力的前沿性研究領域。1.4 單片機溫度測量系統主要研究的內容本設計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統的總體功能設計方案；二是進行智能傳感器的硬件電路和軟件系統的設計：三是單片機及通信接口的硬件電路及軟件系統設計；四是對連接單片機的上位管理計算機軟件系統的設計思路、工作原理和

17、實現方法進行了闡述。本文將信息采集技術、信息傳輸技術、信息存儲技術及信息處理技術等相互融合，將溫室環境多種參數監測和單片機控制理論相結合，提出一種切實可行的溫室環境監測系統，可以全面、實時、自動地對監測數據進行自動記錄、存儲和處理，并將有關信息根據現場實際情況，采用最有效方式送入計算機進行處理，并可對監測系統進行遠程控制。滿足了對作物生長狀態實行全面、實時、長期監測的要求。與傳統監測系統相比，本系統具有以下優點：1.傳感器設計成智能型，可以增加系統數據采集速度，減輕監控計算機的負擔。2.增加了輔助存儲功能，在監控計算機不工作的時候，采用多媒體存儲卡存儲采集數據。3.單片機的設計提高了系統的監測

18、速度，系統的可靠性、實時性都有很大提高4.對模擬設備采集到的數據，為防止失真，采用了數據插值算法。5.利用語音芯片，超限報警，實現了人性化管理。第二章 單片機溫度測量系統總體設計2.1 單片機溫度測量系統的功能設計系統要完成的設計功能如下：1.實現對溫室溫濕度參數的實時采集，測量空間多點的溫度和濕度：根據測量空間或設備的實際需要，由多路溫度、濕度傳感器對關鍵溫、濕度敏感點進行測量，由單片機對各路數據進行循環檢測、數據處理、存儲，實現溫濕度的智能、多空間點的測量。2.實現超限數據的及時報警。3.現場監測設備應具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力并具有存儲、遠程通信功能。4.通信系統具有較高的可靠

19、性、較好的實時性和較強的抗干擾能力。與計算機通訊功能，采用rs232串行通訊方式最遠傳輸距離為20米。5.長時間測量數據記錄功能：可以根據需要設置數據記錄時間間隔，數據存入數據存儲器。6.監控計算機軟件設計管理軟件既要具有完成數據采集、處理的功能，其軟件編程應具有功能強大、界面友好、便于操作和執行速度快等特點。要求達到的技術指標：測溫范圍：-20100測溫精度：正負0.5測溫范圍：0100%rh測溫精度：正負2.5%rh2.2 單片機溫度測量系統的設計的原則要求單片機系統應具有可靠性高、操作維護方便、性價比高等特點。l.可靠性高可靠性是單片機系統應用的前提，在系統設計的每一個環節，都應該將可靠

20、性作為首要的設計準則。提高系統的可靠性通常從以下幾個方面考慮：使用可靠性高的元器件；設計電路板時布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進行軟硬件濾波：系統自診斷功能等。2.操作維護方便在系統的軟硬件設計時，應從操作者的角度考慮操作和維護方便，盡量減少對操作人員專用知識的要求，以利于系統的推廣。因此在設計時，要盡可能減少人機交互接口，多采用操作內置或簡化的方法。同時系統應配有現場故障診斷程序，一旦發生故障能保證有效地對故障進行定位，以便進行維修。3.性價比單片機除體積小、功耗低等特點外，最大的優勢在于高性能價格比。一個單片機應用系統能否被廣泛使用，性價比是其中一個關

21、鍵因素。因此，在設計時，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，在系統性能和速度允許的情況下盡可能用軟件功能取代硬件功能等。2.3 單片機溫度測量系統的組成與工作原理以單片機為控制核心，采用溫濕度測量，通信技術，誤差修正等關鍵技術，以溫濕度傳感器作為測量元件，構成智能溫濕度測量系統。該系統，可分為溫度測量電路，濕度測量電路，a/d轉換及濾波電路，數據存儲及顯示電路，語音報警電路。選用的主要器件有：溫度傳感器ds1820，濕度傳感器hsll01，at89s51，a/d轉換器tlco834，數據存儲器at24c04，mmc存儲卡，4數碼管顯示模塊，語音報警芯片isd2560，max2

22、32，集成定時器555芯片等。本系統以單片機atme189s51為核心，數據采集、存儲、顯示、報警以及上傳至計算機進行數據處理都要通過單片機。數據采集通過單總線的智能溫度傳感器ds18b20。和模擬的濕度傳感器hs1101完成；當采集數據超出預警值時，有語音報警芯片isd256o實時報警，然后進行相應處理；數據存儲可以在計算機完成，在計算機不工作時還設置了輔助的多媒體卡mmc存儲；由數碼管實時顯示接收的數值；數據處理主要是上位機完成的數據曲線顯示、數據存儲、數據打印等功能。在整個系統中采用了多種總線、協議技術，如智能溫度傳感器ds1820的單總線技術，存儲擴展的i2c總線技術，mmc的模擬sp

23、i總線技術，單片機和計算機連接的rs232協議技術等。為防止模擬傳感器數據采集的失真，采用了線形插值算法。在這個系統中單片機部分采用語言為匯編和c語言混合編程，計算機部分采用vc+。第三章 系統硬件電路的設計 3.1 系統硬件電路構成及測量原理由于系統要對大棚內部的溫度進行測量和控制，因此采用單片機對單總線系統進行現場長期監控是非常經濟實惠的方案，其硬件連接非常簡單，可用單片機并口p1、p2、p3中的任一位端口與單總線連接來實現雙向數據傳輸，而且還可通過rs232/485轉換器串行口使單片機與上位計算機(pc機)連接，以便在windows平臺上進行高級的軟件管理。3.1.1 系統硬件電路構成本

24、系統以單片機為核心，組成一個集溫度的采集、處理、顯示、自動控制為一身的閉環控制系統，其原理框圖如圖3.1所示。系統硬件電路由溫度傳感器、單片機、rs485串口通信和計算機組成。圖3.1溫度測量系統硬件電路原理圖溫度傳感器的作用是采集大棚內的溫度，并進行判斷和顯示。由于智能溫度傳感器ds18b20既能對溫度進行測量，又能設定所需要控制的溫度，并對溫度值能夠把二進制轉換成十進制，所以本設計系統中選用智能溫度傳感器ds18b20。該傳感器是利用在板專利技術來測量溫度的。傳感器和數字轉換電路都被集成在一起，每個ds18b20都具有唯一的64位序列號。并且dsl8b20只有一個數據輸入/輸出口，因此，多

25、個dsl8b20可以并聯到3或2根線上，cpu只需一根端口線就能與諸多ds18b20進行通信，而它們只需簡單的通信協議就能加以識別，這樣就節省了大量的引線和邏輯電路。用戶還可自設定非易失性溫度報警上下限值，并可用報警搜索命令識別溫度超限的ds18b20。由于該溫度計采用數字輸出形式，故不需要a/d轉換器。單片機主要是對溫度傳感器ds18b20進行編程，讀取溫度傳感器的溫度值，并把溫度值通過串口通信送入計算機。由于at89系列單片機與mcs51系列單片機兼容，所以，本系統中的單片機選用at89c2051。串口通信的作用是把單片機送來的數據送到計算機里，起到傳輸數據的作用。雖然rs232是串行通訊

26、中目前最常用的接口，且在pc機系列中，每臺微機均配有標準的rs232，但是這種共地傳輸，由于受距離與環境的影響，極易受到干擾。因此，rs232方式的通訊，一般應用于速度低于20kb/s，距離20m以內的條件下，不適合于高速、遠距離通訊。而rs485串行通訊是一種多發送器的電路新標準，它采用了差分平衡的電氣接口，利用平衡驅動、差分接收的方法，從根本上消除了地線信號。因此，rs485可用于距離 1200m，速度為100kb/s的高速通訊。由于從大棚到計算機的距離較長，因此，在本課題設計中，需要在pc機側配置rs485轉換器，以達到數據傳輸的目的。計算機主要是進行編程，對溫度進行顯示、報警和控制等。

27、3.1.2 系統工作原理采用單總線技術設計的溫度監測系統，整個系統以at89c2051單片機為主機，其他設備為從設備。單片機通過rs485總線與pc機通訊。pc機作上位機進行實時監控管理，控制器選用max705組成上電復位和看門狗電路。該系統只要一條雙絞線(一根為信號線，一根為地線)從單片機拉向監控現場，然后將各種監控對象(傳感器)掛接在一根總線上就可以了。本系統通過單總線可以掛接很多個智能溫度傳感器ds18b20，用于溫室大棚內不同地方的溫度測量和控制。 該溫度測控系統的工作原理就是進行計算機編程和單片機編程，使智能溫度傳感器ds18b20正常工作，去檢測大棚內實際的溫度，并由數字顯示電路顯

28、示出當時的溫度值。如果采集的溫度值高于上限報警溫度，系統將發出報警，并同時起動制冷設備，把溫度降下來，當溫度降到一定的程度，即低于上限復位值時，立即關閉制冷設備，使制冷設備停止工作。當采集的溫度值低于下限報警溫度值時，系統又發出報警，并同時起動制熱設備，使大棚內的溫度上升，當溫度上升到一定的程度，即高于下限復位值時，立即關閉制熱設備，使制熱設備停止工作從而使溫室大棚的溫度值維持在一定的范圍內。溫室控制系統的執行機構采用開關量控制，本系統選用了可尋址的單總線控制開關ds2405，由它送出1位。或1作為控制碼信息，去勝制報警設備、通風機執行機構(空調)等的開啟與關閉。當單片機發現溫度傳感器 ds1

29、8b20采集到大棚內的實際溫度超過溫度限制時，便讓控制開關ds2405去開啟聲光報警器報警，同時開啟空調機工作。ds2405是dallas公司提供了一種可尋址的開關器件，其主要特性為：1.適用于單總線協議。2.由單總線上的數據作為開關信號，控制漏極開路輸出端的通斷狀態。3.控制信號輸出端pio引腳吸收能力大于4ma/0.4v。4.不用外接電源。5.三種封裝形式：to92三腳塑封；sot223四腳平面封裝和clead六腳表面安裝封裝。ds9502為防靜電保護二極管。為防止處在開路狀態易受靜電等干擾侵入，通常在單總線線路的末端都接上ds9502之類防靜電保護電路。每個與單總線直接相連的測控對象的機

30、構芯片內均有一個64位(bit)的rom，其中存有48位(hit)二進制編碼的序列號，稱之為身份證，以確保芯片掛接在總線上可以被識別出來，這是在單總線上實現定位和尋址通信的關鍵所在。3.1.3 系統主要技術指標 1.測量范圍：-55 +125，2.測量精度：0.5，3.反應時間500ms。3.2 溫度傳感器的選擇測量溫度的關鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發展主要大體經過了三個階段：1.傳統的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；2.模擬集成溫度傳感器/控制器；3.智能溫度傳感器。模擬集成傳感器是采用硅半導體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問

31、世的，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上，可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用ic。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。它是目前在國內外應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產品有ad590、ad592、tmp17、lm135等。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關和可編程溫度控制器，典型產品有lm56、ad22105和max6509。某些增強型集成溫度控制器(例如tc652/653)中還包含了a/d轉換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自

32、成系統，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區別。智能溫度傳感器(亦稱數字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ate)的結晶。目前，國際上已開發出多種智能溫度傳感器系列產品。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、a/d轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產品還帶多路選擇器、中央控制器(cpu)、隨機存取存儲器(ram)和只讀存儲器(rom)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數據及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(mcu)；并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發水平。目前，國際上新型

33、溫度傳感器正從模擬式向數字式、從集成化向智能化和網絡化的方向飛速發展。智能溫度傳感器ds18b20正是朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速發展。因此，智能溫度傳感器ds18b20作為溫度測量裝置己廣泛應用于人民的日常生活和工農業生產中。3.2.1 ds18b20的介紹ds18b20是美國dallas半導體公司繼ds18b20之后最新推出的一種數字化單總線器件，屬于新一代適配微處理器的改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現92位數字值讀數方式。可以分別在9

34、3.75ms和750ms內完成9位和12位的數字量，并且從ds18b20讀出的信息或寫入ds18b20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫，溫度變換功率來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的ds18b20供電，而無需額外電源。因而使用ds18b20可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。同時其“一線總線”獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，為測量系統的構建引入了全新的概念。ds18b20“一線總線”數字化溫度傳感器支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55+125，在-10+85范圍內，精度為正負0.50。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，用符號擴展的16位數字量方式串行輸出

35、，大大提高了系統的抗干擾性。因此，數字化單總線器件ds18b20適合于惡劣環境的現場溫度測量，如：環境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較ds1820都有了很大的改進，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果。可廣泛用于工業、民用、軍事等領域的溫度測量及控制儀器、測控系統和大型設備中。3.2.2 ds18b20的性能特點1.采用dallas公司獨特的單線接口方式：ds18b20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與dsi8b20的雙向通訊。2.在使用中不需要任何外圍元件。3.(3)可用數據線供電，供電電壓范圍：+3.0+5.5v。4

36、.測溫范圍：-55+l25。固有測溫分辨率為0.5。當在-10+85范圍內，可確保測量誤差不超過0.5，在-55+125范圍內，測量誤差也不超過2。5.通過編程可實現912位的數字讀數方式。6.用戶可自設定非易失性的報警上下限值。7.支持多點組網功能，多個 ds18b20可以并聯在唯一的三線上，實現多點測溫。8.負壓特性，即具有電源反接保護電路。當電源電壓的極性反接時，能保護ds18b20不會因發熱而燒毀。但此時芯片無法正常工作。9.ds18b20的轉換速率比較高，進行9位的溫度轉換僅需93.75ms。10適配各種單片機或系統。11.內含64位激光修正的只讀存儲rom，扣除8位產品系列號和8位

37、循環冗余校驗碼(crc)之后，產品序號占48位。出廠前產品序號存入其rom中。在構成大型溫控系統時，允許在單線總線上掛接多片ds18b20。3.2.3 ds18b20的控制方法在硬件上，ds18b20與單片機的連接有兩種方法。一種是將ds18b20的udd接外部電源，gnd接地，其i/0與單片機的i/0線相連；另一種是用寄生電源供電，此時 dsi8b20的udd、gnd接地，其i/0接單片機i/0。無論是內部寄生電源還是外部供電，ds18b20的i/0口線要接5k見左右的上拉電阻。ds18b20有六條控制命令，如表3.1所示：表3.1ds18b20的六條控制命令指令約定代碼操作說明溫度轉換44

38、h啟動在線的ds18b20進行溫度轉換讀存儲器beh讀取溫度寄存器的溫度值寫暫存器4eh將兩個字節的數據寫入溫度寄存器的th、tl字節復制暫存器48h將溫度寄存器的數值拷貝到e2ram中，保證溫度值不丟失重新調 e2ramb8h將e2ram中的數值拷貝到溫度寄存器中讀電源供電方式b4h啟動ds18b30發送電源供電方式的信號給主cpu(“0”為寄生電源，“1”為外部電源）cpu對ds18b20的訪問流程是：先對ds18b20初始化,再進行rom操作命令,最后才能對存儲器操作和對數據操作。ds18b20每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協議。例如主機控制ds18b20完成溫度轉換這一過程，根

39、據ds18b20的通訊協議，必須經歷三個步驟：每一次讀寫之前都要對ds18b20進行復位，復位成功后發送一條rom指令，最后發送ram指令，這樣才能對ds18b20進行預定的操作。3.2.4 ds18b20的測溫原理ds18b20的測溫原理如圖3.2所示。圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器1，高溫度系數晶振的振蕩頻率隨溫度變化而明顯改變，所產生的信號作為減法計數器2的脈沖輸入。圖中還隱含著計數門，當計數門打開時，ds18b20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數，進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首

40、先將-55所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中，減法計數器1和溫度寄存圖3.2ds18b20的內部測溫電路原理圖器被預置在-55所對應的一個基數值。減法計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數器1的預置將重新被裝入，減法計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到減法計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。圖36中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測

41、溫度值，這就是ds18b20的測溫原理。3.3 單片機的選擇3.3.1 單片機的概述單片微型計算機簡稱單片機，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計算機。它把中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器/計數器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，因此，適合應用于工業過程控制、智能儀器儀表和測控系統的前端裝置。正是由于這一原因，國際上逐漸采用微控制器(mcu)代替單片微型計算機(scm)這一名稱。“微控制器”更能反映單片機的本質，但是由于單片機這個名稱已經為國內大多數人所接受，所以仍沿用“單片機”這一名稱。單片機的主要特點有：1.具有優

42、異的性能價格比；2.集成度高、體積小、可靠性高；3.控制功能強；4.低電壓，低功耗。3.3.2 at89c2051芯片的主要性能芯片at89c2051是atmel公司生產的帶zk字節快閃存儲器的8位單片機。它具有如下的一些特性：指令和89c51產品兼容 內含2k字節可重復編程快閃存儲器耐久性1,000寫/擦除周期 2.7v6v的工作電壓范圍全靜態操作0hz24mhz 二級程序存儲器加鎖內含128*8位內部ram 15根可編程i/0引線2個16位的計數器/定時器 6個中斷源帶有可編程串行通訊口 可直接驅動led輸出片內模擬電壓比較器 低功耗空載和掉電方式另外,該單片機還具有體積小,價格低等特點。

43、3.4 輸入通道的設計系統輸入通道的作用是將溫控箱的溫度(非電量)通過傳感器電路轉化為電量(電壓或電流)輸出，本系統就是將溫度轉化為電壓的輸出。由于此時的電量(電壓)還是單片機所不能識別的模擬量，所以還需要進行a/d轉換，即將模擬的電量轉化成與之對應的數字量，提供給單片機判斷和控制。輸入通道由傳感器、a/d轉換等電路組成。3.4.1 pt100溫度傳感器溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構成材料、構成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。因此在不同的應用場合，應選擇不同的溫度傳感器。pt100型鉑電阻，在-200到850范圍內是精度最高的溫度傳感器之

44、一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學性能都非常穩定，尤其是耐氧化能力很強，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強、精度高、穩定性和復現性好的特點。由于在本系統中，測溫范圍較大(在室溫到600之間)，且要求檢測精度高、穩定性好，因此選用pt100鉑電阻作為本溫度控制系統的溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型：標準鉑電阻溫度傳感器和工業鉑電阻溫度傳感器。在測量精度方面，工業鉑電阻的測量穩定性和復現性一般不如標準鉑電阻，這主要有兩個方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴散使其純度受到污染，從而降低了鉑電阻測溫的復現性能，其二是因為高溫條件下

45、的應力退火影響了其復現性能。但是標準鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護起來較為困難等缺點。考慮到成本，故在本系統中采用工業級pt100鉑電阻作為溫度傳感器。鉑電阻測溫電路的工作方式一般分為恒壓方式和恒流方式兩種。按照接線方式的不同又可以分為二線制、三線制和四線制幾種。本系統采用的是恒流四線制接法對pt100鉑電阻進行采樣。3.4.2 a/d轉換在單片機控制系統中，控制或測量對象的有關變量，往往是一些連續變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。但是大多數單片機本身只能識別和處理數字量，因此必須經過模擬量到數字量的轉換(a/d轉換)，才能夠實現單片機對被控對象的識別和處理。完成a/

46、d轉換的器件即為a/d轉換器。a/d轉換器的主要性能參數有：1.分辨率表示a/d轉換器對輸入信號的分辨能力。a/d轉換器的分辨率以輸出二進制數的位數表示；2.轉換時間指a/d轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩定的數字信號所經過的時間。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠；3.轉換誤差表示a/d轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別，常用最低有效位的倍數表示；4.線性度 線性度指實際轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移。目前有很多類型的a/d轉換芯片，它們在轉換速度、轉換精度、分辨率以及使用價值上都各具特色，其中大多數積分型或逐次比較型的a/d轉換器對于高精度測量，其轉換效果

47、不夠理想。溫度控制中a/d轉換是非常重要的一個環節。傳統的電路設計方法是在a/d轉換前增加一級高精度的測量放大器，這樣就增加了成本，電路也較為復雜。綜合考慮，本系統選用ad(analog devices)公司生產的16位ad轉換芯片ad7705作為本溫控系統的a/d轉換器。ad7705是ad公司生產的16位-型a/d轉換器。它包括由緩沖器和增益可編程放大器(pga)組成的前端模擬調節電路、-調制器、可編程數字濾波器等部件組成。能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行a/d轉換。ad7705采用三線串行接口，具有兩個全差分輸入通道，能達到0.003%非線性的16位無誤碼輸出，其增益和輸出更新率均可

48、編程設定，還可以選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統校準方式。工作電壓3v或5v，在3v工作電壓時，器件的最大功耗僅為1mw。ad7705引腳如圖3.3所示。圖3.3 ad7705引腳圖ad7705引腳功能描述如下：1.sclk串行時鐘，將一個外部的串行時鐘加于這一輸入端口，以訪問ad7705的串行數據。該串行時鐘可以是連續時鐘以連續的脈沖串傳送所有數據，反之，它也可以是非連續時鐘，將信息發送給ad7705；2.mclkin為轉換器提供主時鐘信號，能以晶體/諧振器或外部時鐘的形式提供。晶體/諧振器可以接在mclkin和mclkout兩引腳之間，時鐘頻率的范圍為500khz5mhz；3.mclk

49、out，當主時鐘為晶體/諧振器時，晶體/諧振器被接在mclkin和mclkout之間，如果在mclkin引腳處接上一個外部時鐘，mclkout將提供一個反向時鐘；4.cs片選信號，低電平有效；5.reset復位輸入，低電平有效；6.ain2(+)差分模擬輸入通道2的正輸入端；7.ain1(+)差分模擬輸入通道1的正輸入端；8.ain1(-)差分模擬輸入通道1的負輸入端；9.ain2(-)差分模擬輸入通道2的負輸入端；10.refin(+)差分基準輸入的正輸入端，基準輸入是差分的，并規定refin(+)必須大于refin(-)，refin(+)可以取vdd和gnd之間的任何值；11.drdy邏輯

50、輸出，這個輸出端上的邏輯低電平表示可以從ad7705的數據寄存器獲取新的輸出字。完成對一個完全的輸出字的讀操作后，該引腳立即回到高電平。當該引腳處于高電平時，不能進行讀操作，當數據更新后，該引腳又返回低電平；12.dout串行數據輸出端，從片內的輸出移位寄存器讀出的串行數據由此端輸出。根據通信寄存器中的寄存器選擇位，移位寄存器可以容納來自通信寄存器、時鐘寄存器或數據寄存器的信息；13.din串行數據輸入端，向片內的輸入移位寄存器寫入的串行數據由此輸入。3.5 輸出通道設計3.5.1 溫控箱的功率調節方式目前多數溫控系統均采用可控硅來實現功率調節。可控硅的控制模式有兩種：相位控制和零位控制(分配

51、式零位控制、時間比例零位控制)。1.相位控制：作用于每一個交流正弦波，改變正弦波每個正半波和負半波的導通角來控制電壓的大小，進而可以調節輸出電壓和功率的大小。采用相位控制模式的可控硅控制器可以叫做調壓器，它可以方便的調節電壓有效值，可用于電爐溫度控制、燈光調節、異步電機降壓軟啟動和調壓調速等。2.零位控制：在設定的周期tc內，觸發信號使主回路接通幾個周波(幾個完整的正弦波)，再斷開幾個周波，改變可控硅在設定周期內的通斷時間比例，以調節負載上的交流電的平均功率，即可達到調節負載功率的目的。根據輸出電壓分布的不同，零位控制又分為分配式零位控制(在tc周期內根據輸出百分比平均分布周波)和時間比例零位

52、控制(在雙周期內根據輸出百分比連續接通幾個周波，然后在tc周期剩余的時間內連續關斷幾個周波)。它多用于大慣性的加熱器負載，采用這種控制，既實現了溫度控制，又消除了相位控制時帶來的高次諧波污染電網。本系統采用分配式零位控制的模式，控制溫控箱的加熱電阻的平均加熱功率，進而控制溫控箱的溫度。3.5.2可控硅輸出電路可控硅是一種功率半導體器件，簡稱scr，也稱晶閘管。它分為單向可控硅和雙向可控硅，在微機控制系統中，可作為功率驅動器件。可控硅具有控制功率小、無觸點、長壽命等優點，在交流電機調速、調功、隨動等系統有著廣泛的應用。雙向可控硅相當于兩個單向可控硅反向并聯。雙向可控硅與單向可控硅的區別是：1.它

53、在觸發之后是雙向導通。2.在控制極上不管是加正的還是負的觸發信號，一般都可以使雙向可控硅導通。因此雙向可控硅特別適合用作交流無觸點開關。本系統中與可控硅配套使用的是moc3041光電藕合雙向可控硅驅動器，與一般的光藕器件不同之處是moc3041輸出部分是硅光敏雙向可控硅，還帶有過零觸發檢測器，以保證電壓接近零時觸發可控硅。第四章 系統調試4.1 tks仿真器與集成開發環境keil4.1.1 tks仿真器仿真的概念其實使用非常廣，最終的含義就是使用可控的手段來模仿真實的情況。單片機系統開發中的仿真包括軟件仿真和硬件仿真。1.軟件仿真 這種方法主要是使用計算機軟件來模擬實際的單片機運行，因此仿真與

54、硬件無關的系統具有一定的優點。用戶不需要搭建硬件電路就可以對程序進行驗證，特別適合于偏重算法的程序。軟件仿真的缺點是無法完全仿真與硬件相關的部分，因此最終還要通過硬件仿真來完成最后的設計；2.硬件仿真 使用附加的硬件來替代用戶系統的單片機并完成單片機全部或大部分的功能。使用了附加硬件后用戶就可以對程序的運行進行控制，例如單步、全速、查看資源斷點等。在單片機應用系統的開發過程中，程序的設計是最為重要的但也是難度最大的工作，一種最簡單和原始的開發流程是：編寫程序，燒寫芯片并驗證功能，這種方法對于功能簡單的小系統是可以對付的，但在比較大的系統中使用這種方法則是完全不可能的。此時就需要用到仿真器。在本

55、系統軟件設計調試的過程中使用的是tks58型仿真器。tks系列仿真器是廣州致遠電子有限公司推出的高性能實時在線仿真器。可以實時在線仿真philips半導體公司的80c51系列單片機，同時還能夠實時在線仿真atmel和winbond等公司的兼容mcs51內核的標準80c51單片機。徹底解決80c51開發中仿真工具的瓶頸問題。tks系列仿真器在硬件上采用了philips授權的hooks/bondout仿真技術，并加以改進，幾乎支持所有的80c51系列單片機的實時仿真，能保證用戶更加方便的操作和更加真實的仿真效果并能直接或通過簡單的升級支持仿真philips陸續推出的全系列80c51內核單片機，每種

56、型號的仿真器均能支持多種不同型號80c51單片機的仿真。tks系列仿真器還可以同keil調試軟件無縫銜接并得到keil公司的強力技術援助具備強大的調試功能。4.1.2 集成開發環境keilkeil ide vision2集成開發環境是德國keil software inc/keil elektronik gmb開發的基于80c51內核的微處理器軟件開發平臺。它內嵌多種符合當前工業標準的開發工具，可以完成從工程建立和管理、編譯連接目標代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發流程。尤其它的c編譯工具在產生代碼的準確性和效率方面達到了很高的水平，而且可以附加靈活的控制選項，在開發大型項目時非常理想

57、。keil ide vision2集成開發環境主要由以下部分組成：1.u vision2 idevision2 ide包括：一個工程管理器，一個功能豐富并有交互式錯誤提示的編輯器選項設置生成工具，以及在線幫助。使用vision2創建源文件并組成應用工程加以管理。vision2可以自動完成編譯匯編鏈接程序的操作；2.c51編譯器和a51匯編器由vision2 ide創建的源文件可以被c51編譯器或a51匯編器處理生成可重定位的object文件。keil c51編譯器遵照ansi c語言標準支持c語言的所有標準特性，另外還增加了幾個可以直接支持80c51結構的特性。keil a51宏匯編器支持80c51及其派生系列的所有指令集；3.lib51庫管理器l