1、 溫度智能測量技術的研究 院 、 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 陳勇 指導教師： 曹才開 職稱 教授 劉沖 職稱 副教授 專 業： 自動化 班 級： 自本1002班 完成時間： 2014年5月30日 摘 要隨著現代社會科技的發展及進步，人們對信息參數的準確度和精確度都有了更高的要求，而如何準確而又迅速的獲得這些參數是現在面臨的問題。在信息技術的三大基礎中，傳感器技術屬于信息技術的頂級產品，尤其是溫度傳感器技術，在我國已經滲透到社會的各個領域，人民的生活與溫度密切相關，在工業和農業生產中，溫度的檢測是非常重要的。知道多種測量溫度的方法有也同樣顯得尤為重要。本課題是一個以單片機AT89S5

2、2為核心設計的溫度智能檢測系統，描述了怎樣利用數字溫度傳感器DS18B20建立測溫系統，對傳感器與單片機相關的硬件電路連接，軟件編程以及一些主要模塊進行了分析。最后用Proteus軟件進行仿真調試。該系統可以實現溫度采集和顯示，并可根據需要任意設定上下限報警溫度，它使用起來比較方便，具有精度高、體積小等一些優點，適合于我們日常生活需要和工、農業生產中的溫度測量，也可以作為一個溫度檢測的模塊接入到其它系統中，提供輔助擴展。DS18B20與AT89S52建立的最簡溫度檢測系統，系統結構簡單，抗干擾能力強，功耗低，有廣泛的應用前景。 關鍵詞：傳感器技術；單片機；低功耗；溫度；仿真IABSTRACT

3、With modern social development and progress of science and technology, the parameters of accuracy and precision of information to the people have higher demands, and how to accurately and quickly obtain these parameters is now facing the problem. In the three basis of information technology, sensor

4、technology belong to the top product of information technology, especially the temperature sensor technology, in our country has penetrated into every field of society, people's life is closely related to the temperature, in the industrial and agricultural production, the temperature detection i

5、s very important. Know that there are also a variety of ways to measure temperature is particularly important. This topic is a single-chip microcomputer AT89S52 as the core design of the intelligent temperature detecting system, describes how to use digital temperature sensor DS18B20 temperature mea

6、suring system, related to sensor and single chip microcomputer hardware circuit connection, software programming and some main modules are analyzed. The system can realize temperature acquisition and display, and can use either set the upper and lower alarm temperature, it is more convenient to use,

7、 which have some advantages such as high precision, small volume, suitable for our daily life need and the temperature measurement in industrial and agricultural production, also can be used as a temperature detection module access to other systems, provide auxiliary extension. DS18B20 and AT89S52 d

8、evices to establish the minimalist temperature detection system, the system structure is simple, strong anti-jamming capability, low power consumption, have broad application prospects. Keywords: Sensor technology;Single chip microcomputer;Low power consumption;The temperature;The simulation目 錄1 緒論1

9、2 溫度傳感器類型與測溫原理32.1 溫度傳感器的分類32.2 幾種常用溫度傳感器的基本原理32.2.1 熱電阻測溫原理32.2.2 熱電偶測溫原理32.2.3 智能溫度傳感器測溫原理42.2.4 熱敏電阻測溫原理42.2.5 紅外測溫原理52.3 常用溫度傳感器比較52.4 溫度傳感器的發展63 智能溫度測量電路設計73.1 設計要求73.2 溫度顯示方案的選擇73.3 溫度傳感器的選擇73.4 測溫電路總設計83.4.1 測溫電路設計方案83.4.2 設計電路分析94 核心元器件104.1 單片機AT89S52104.1.1 單片機AT89S52內部機構104.1.2 AT89S52引腳功

10、能介紹114.2 智能溫度傳感器18B20134.3 DS18B20測溫電路及工作原理164.4 LCD1602液晶顯示芯片174.4.1 LCD1602的結構及電路174.4.2 LCD1602的讀寫時序表184.5 蜂鳴器報警電路195 系統軟件設計及仿真215.1 程序流程圖215.2 讀取溫度程序215.3 計算溫度與顯示數據刷新程序225.4 用Keil進行程序編譯235.5 測溫系統的仿真245.6 設計課題的誤差分析26結束語27參考文獻28致謝29附錄 DS18B20溫度測量源程序301 緒論現代社會溫度和人類生活、工農業生產以及科學研究有著越來越強的關系。隨著科學技術水平的不

11、斷提高，溫度測量技術也得到了不斷的發展，溫度的測量是生產生活中時常需要的工作。二十一世紀以后，溫度傳感器在功能、精度上面得到了很大的提高。為了測量結果的準確一致, 在生產生活和科學研究項目中,經常需要對物體的冷熱程度作定量描述。所以, 衡量物體的冷熱程度可以用于科學地描述物體各種性能隨溫度變化的關系，同時也可以建立適當的標尺來實現。通過借助隨著溫度變化而變化的物理量去定義溫度的數值，這是溫標的定義，也是溫度數值直觀表示的方法。各種形式的溫度計數值都是溫標決定的，因此溫標即為溫度的標尺，也是表示溫度數值的規則,它同時明確的規定了溫度的單位。沒有溫標這個概念就無談溫度測量,正是這樣，溫標才成為溫度

12、測量的參照標準。溫度傳感器作為傳感器中的重要一類，占整個傳感器總需求量的40%以上。溫度傳感器是利用NTC的阻值隨溫度變化的特性，將非電學的物理量轉換為電學量，從而可以進行溫度精確測量與自動控制的半導體器件。溫度傳感器用途十分廣闊，可用作溫度測量與控制、溫度補償、流速、流量和風速測定、液位指示、溫度測量、紫外光和紅外光測量、微波功率測量等而被廣泛的應用于廚房設備、空調、電腦彩色顯示器、切換式電源、熱水器、電冰箱、汽車等不同的領域。近年來汽車電子、消費電子行業的快速增長帶動了我國溫度傳感器需求的快速增長。在國外對溫度控制技術研究較早，始于二十世紀七十年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現場信息并

13、進行指示、記錄和控制。隨著全球性的溫度測控技術發展飛快，一些國家和地區在已經實現了自動化的基礎，正朝著完全的自動化、無人化方向發展。我們國家對于測溫技術的研究較發達國家晚，始于二十世紀八十年代。溫度測控設施計算機應用，在技術上，以單片機控制的單參數單回路系統居多，具有廣大的發展前景。我國的溫度傳感器朝著數字化、集成化和自動化的方向發展；將精度和可靠性的提高作為重要任務；不斷研發新的產品，同時在研究節省稀有金屬材料的熱電阻，研發各種非接觸式溫度傳感器；發展適應各種苛刻環境下的溫度傳感器，超高溫與超低溫傳感器。溫度測量方法很多，也有多種分類，由于測量原理的多樣性，很難找到一種完全理想的分類方法。按

14、其原理可分為：接觸式和非接觸式溫度傳感器。按其測量溫度的范圍可分為：超高溫用、高溫用、中高溫用、中溫用、低溫用、極低溫用傳感器等。按其測量溫度的特性可分為：線性型、指數函數型、開關特性型。按其測定精度可分為：溫度標準用、絕對值測定用、管理溫度測定用。另外，部分研制出的溫度傳感器已獲得應用，有的尚在研制中。大多數金屬導體的電阻率隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數，這就是熱電阻測溫的基礎。作為溫度測量材料的一種，熱電阻應具有以下特性：電阻隨溫度變化系數大，電阻率大，熱容量要小；在其測溫范圍內要具有穩定的物理性質及化學性質；電阻和溫度之間的關系最好呈線性，或者是平滑的一條曲線；并且要易加工，復制性好

15、，價格便宜。由于熱電偶是測溫技術中最廣泛的傳感器元件。除了具有測溫范圍廣、結構簡單，精確度高，輸出信號是電信號，便于在遠傳或信號轉換等方面應用外，還能在測量流體的溫度、固體及其壁面溫度上廣泛應用。微型熱電偶甚至可以用于快速及動態的溫度測量技術上。智能溫度傳感器的總線技術已實現了標準化、規范化。DS18B20是一種典型的基于1-Wire總線的智能溫度傳感器。DS18B20具有更高的溫度轉換速率，其數字溫度輸出只用9位二進制，分辨率固定為0.5，擁有電源反接保護電路。2 溫度傳感器類型與測溫原理2.1 溫度傳感器的分類隨著科技的進步，溫度傳感器種類越來越多。溫度傳感器的分類方式有多種。按其原理可分

16、為：接觸式溫度傳感器、非接觸式溫度傳感器。按其測溫范圍可分為：超高溫用傳感器（1500以上）、高溫用傳感器（10001500）、中高溫用傳感器（5001000）、中溫用傳感器（0500）、低溫用傳感器（2500）、極低溫用傳感器（270250）等。按其測溫特性可分為：線性型（測溫范圍寬）、指數函數型（輸出小、測溫范圍窄）、開關特性型（輸出大的特定溫度）。按其測定精度可分為：溫度標準用（測定精度±0.1±0.5）、絕對值測定用（測定精度±0.5±5）、管理溫度測定用（相對值±1±5）。按其名稱可分為：熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵

17、氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器等。2.2 幾種常用溫度傳感器的基本原理2.2.1 熱電阻測溫原理電阻是利用物體在感受外界環境溫度的變化而引起的相應變化來表示。當被測物體溫度發生變化時，熱電阻所測得的溫度是該物體的平均溫度。金屬熱電阻和半導體熱敏電阻是目前主要應用的兩類。金屬熱電阻阻值和溫度可以用近似關系式表示，即：式中為溫度在時的電阻；為溫度（通常）時的電阻值；是溫度系數。半導體的熱敏電阻阻值和溫度可以用關系式表示：式中為溫度在時的電阻；、是關于半導體材料的常數。2.2.2 熱電偶測溫原理熱電偶是將兩種不同材料導

18、電體A、B(熱電極)的一端焊接或絞接于一起而構成的，如圖1所示。測溫時置于被測溫度場中的結點稱為測量端(亦稱工作端或熱端)，另一結點一般處于某一恒定溫度場，稱為參考端(亦稱自由端或冷端)。設測量端溫度、參考端溫度分別為T和T0(不妨令T>T0)，則在導電體A、B的兩接觸處將分別產生接觸電勢UAB(T)、UAB(T0)，在導電體A、B的兩端將分別產生BA+測量端 T參考端 T0 圖1 熱電偶及熱電效應接觸電勢UAB(T)接觸電勢UAB(T0)溫差電勢UB(T，T0)溫差電勢UA(T，T0)熱電勢UAB(T，T0)AB-+-+-溫差電勢UA(T，T0)、UB(T，T0)。接觸電勢亦稱珀爾貼電

19、勢，它是由相互接觸的兩種不同導體內自由電子密度不同引起電子擴散而造成的；單一導體兩端由于溫度不同而在其兩端產生的電勢為溫差電勢(也叫湯姆遜電勢)，由于高溫端自由電子的動能大于低溫端自由電子的動能，高溫端自由電子的擴散速率高于低溫端自由電子的擴散速率，從而在單一導體兩端形成了電位差。由接觸電勢UAB(T)、UAB(T0)和溫差電勢UA(T，T0)、UB(T，T0)構成了熱電偶的熱電勢UAB(T，T0)。將冷端與顯示儀表連接，顯示出熱電偶所產生的熱電動勢，通過查詢熱電偶分度表，即可得到被測介質溫度。2.2.3 智能溫度傳感器測溫原理最常見智能溫度傳感器的是DS18B20，它的的集成度較高，其內部結

20、構相對來說較為復雜。主要由64位光刻ROM、溫度傳感器、溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器等四部分組成。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例說明溫度高低字節存放形式及計算：12位轉化后得到的12位數據

21、，存儲在DS18B20的高低兩個8位的RAM中，二進制中的前面5位是符號位。如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘于0.0625才能得到實際溫度。2.2.4 熱敏電阻測溫原理熱敏電阻作為開發較早，且種類多，發展成熟的敏感元件之一，其材料組成主要是半導體陶瓷，主要原理是：溫度變化引起阻值變化。設電子的濃度為、空穴的濃度為,對應遷移率為、，則其半導體電導可表示為：因為、是溫度的函數，所以是關于溫度的函數，可由電導推算出溫度的變化，并可畫出電阻和溫度的特性曲線，這就是半導體熱敏電阻的工作原理。熱電阻包

22、括PTC（正系數）和NTC（負溫度系數），以及臨界溫度熱敏電阻（CTR）。熱敏電阻的主要特點是：靈敏度高，它的電阻溫度系數比金屬的大10-100倍，能檢測出很小的溫度變化；測溫范圍廣，常用器件適用于-55C315C；體積小，能夠勝任測量微小難測的溫度，例如腔體及活體動物內臟的溫度；使用輕巧方便，電阻值可選擇范圍大，在0.1100K；易加工成復雜的形狀，可大批量生產，穩定性好，過載能力強。2.2.5 紅外測溫原理 紅外測溫技術是通過檢測物體表面能量來檢測物體溫度的。近年來，在溫度檢測技術領域，多種新的檢測原理與技術的開發應用，已經取得了重大進展。新一代溫度檢測元件正在不斷出現和完善化。因為存在的

23、任何溫度高于絕對零度的物體，一直不停地向周圍空間輻射出紅外線。根據物體所發出的紅外輻射能量的大小和它的按波長的分布，利用科學算法算出輻射的能量與它的表面溫度的關系。紅外測溫所依據的客觀基礎就是通過對物體發出的紅外能量進行測量，就能準確地測量物體的溫度。 2.3 常用溫度傳感器比較隨著溫度傳感器種類的多樣化，每一種溫度傳感器都有他合適的使用范圍。熱電偶可將溫度量經過轉換變成電量進行檢測，以及對溫度信號的放大、變換等都很方便，結構簡單，制造容易，價格便宜，惰性小，準確度高，測溫范圍廣，能適應各種測量環境，如點溫和面溫的測量，適于遠距離測量和控制。但測量準確度不是很高，一定要有參考端，并且溫度要保持

24、不變。在高溫或長期使用時，因受被測介質影響或氣氛腐蝕作用而發生劣化。熱電阻準確度相對熱電偶來說要高，準確度最高，可達。輸出信號大，靈敏度較高。在相同條件下，即使靈敏度比較高的K型熱電偶，其熱電動勢變化也只有40V左右。由此可見，熱電阻的靈敏度較熱電偶高一個數量級。在振動小而適宜的環境下，可在很長時間內保持0.1以下的穩定性。而且還不需要參考點，溫度值可由測得的電阻值直接求出。采用細金屬絲的熱電阻元件，它的抗機械沖擊與振動性能差。其結構也比較復雜，熱響應時間長。因此不適合測量體積狹小和溫度變化快的場合。紅外測溫儀能接收多種物體自身發射出的不可見紅外輻射能量，紅外輻射是電磁頻譜的一部分,紅外線的波

25、長位于可見光和無線電波之間。當紅外測溫工作時,測溫儀的光學系統將被測物體輻射出來的紅外輻射能量在探測器上轉為電信號,并通過紅外測溫儀的顯示部分顯示出被測物體的表面溫度。紅外測溫儀有以下優點:非接觸式測量,靈敏度高，測溫范圍廣,響應速度快。缺點是不能測得物體真實的溫度,所測量的是物體表面溫度。 現在，各種集成的溫度傳感器的功能越來越專業化。比如，美國DALLAS公司繼DS1820后推出的改進產品DS18B20，供電電壓擴大至+3.0V+5.5V，在-10+85范圍內，測量誤差不超過±0.5，在-55+125范圍內，測量誤差也不超過±2，而且用戶可定義報警設置。2.4 溫度傳感

26、器的發展從上世紀以來，溫度傳感器得到了很大的發展。傳統的分立式溫度傳感器熱電偶傳感器能夠與被測對象直接接觸, 不因中間介質的變化而改變, 具有較高的精確度；測量范圍廣,因此它是工業測量中應用非常廣泛的一種溫度傳感器 。同時提高溫度傳感器的精度和可靠性，研制家用電器、汽車及農畜業所需要的價廉的溫度傳感器，發展新型產品，擴展和完善管纜熱電偶與熱敏電阻；發展薄膜熱電偶；研究節省鎳材和貴金屬以及厚膜鉑的熱電阻；研制系列晶體管測溫元件、快速高靈敏CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器，已經成為發展的趨勢。目前, 國際上已開發出多種智能溫度傳感器系列產品。其發展的新趨勢為：提高測溫精度和分辨力，增加測試功

27、能，總線技術的標準化與規范化，可靠性及安全性設計，虛擬溫度傳感器和網絡溫度傳感器。在高度發達的科技文明社會，智能溫度傳感器將越來越受人類的重視，最終將逐步取代傳統溫度傳感器的位置。3 智能溫度測量電路設計3.1 設計要求（1）采集測溫范圍為-55+125 。（2）溫度精度在0.1 ；誤差±0.2以內。（3）顯示模塊，采用LCD液晶顯示。（4）有設置、加、減共三個按鍵，用來調整報警溫度上、下限。3.2 溫度顯示方案的選擇方案一：用8位數碼管動態顯示，使用兩個共陽極數碼管組成，段控接單片機的P0口，位控接單片機的P2口，顯示電路的主要功能是顯示溫度結果，采用數碼管顯示能夠及時顯示，速度快

28、。此方法所使用的數碼管價格成本較低，但是顯示比較單一，且功耗偏大。方案二：用液晶屏進行顯示，使用LCD1602液晶屏內部的控制器共有11條控制指令，內部自帶字符發生存儲器，通過執行指令的方式可以完成液晶的功能控制。同時它是是標準16針插座，此方法能完成更多的信息顯示，且價格成本也不高。綜合分析，采用方案二，使用LCD液晶屏。3.3 溫度傳感器的選擇方案一：采用模擬溫度傳感器由于本課題是溫度的檢測技術的研究，因此溫度傳感器的選擇顯得尤為重要。可以使用熱敏電阻的感溫效應，對被測物體溫度的變化通過電壓或電流的形式進行信息采集，然后經過A/D轉換，最后用單片機對采集的信息進行數據的分析處理，將被測溫度

29、通過顯示電路顯示出來，這種設計需要A/D轉換電路，設計A/D轉換電路較為復雜。方案二：采用數字溫度傳感器數字溫度計具有讀數方便，顯示直觀，測溫范圍廣，測溫精確，適用范圍廣泛等優點。首先想到的數字溫度傳感器是DS18B20，DSl8B20讀取被測溫度信息經過處理送入單片機，進行數據轉換，該器件的性能較穩定，線性度較好，在-55125最大線性偏差小于0.1。該器件能將采集的信息轉化成數字信號直接向單片機傳輸，從而簡化數據傳輸與處理過程。在單片機電路設計中，為了簡化電路，采用集成度高的溫度傳感器DS18B20，相對于模擬溫度傳感器要好。 綜合分析，采用方案二，使用數字溫度傳感器。3.4 測溫電路總設

30、計3.4.1 測溫電路設計方案智能溫度傳感器測溫的整體設計框圖如圖2所示。主要包括單片機復位電路、時鐘振蕩電路、溫度傳感器電路，、LCD顯示電路，以及有報警作用的蜂鳴器電路。主 控 制 芯 片LCD顯 示溫 度 傳 感 器復位電路時鐘振蕩超限報警圖2 測溫電路設計框圖 （1）設計思路：溫度只要在所設定的上下溫度界限內，就會在顯示設備中精確的顯示出來，如果溫度超過了所設定的溫度界限，就發出報警聲。能夠及時向溫度監控人員發出溫度超限信息。便于溫控人員及時的調整與控制。另外此溫度控制器操作簡單，體積小，靈敏度高，精度高。 （2）工作原理：當該電路上電工作以后，首先刷新顯示（LCD），然后，溫度傳感器

31、采集溫度送單片機檢查溫度的高低，再由單片機送出信號經過驅動電路送往顯示電路或報警電路。 （3）設計說明：如圖2所示，該測溫系統包括五大主要模塊。單片機的最小系統包括時鐘振蕩電路和按鍵復位電路，時鐘電路是由外接的晶振以及兩個電容構成。晶振的兩個引腳分別接在單片機的X1和X2引腳。本課題設計的復位電路是按鍵電平復位電路，由單片機的RST引腳外接的電阻電容以及一個復位按鍵構成。當按鍵按下時，復位端經電阻與VCC電源接通，只要按鍵時間在兩個機械周期以上，就能夠實現復位。同時加裝蜂鳴器擴展電路，用于高溫報警。3.4.2 設計電路分析根據測量電路框圖主控電路包括主芯片AT89C52、復位和時鐘電路，溫度傳

32、感器電路，LCD顯示電路，以及有報警作用的蜂鳴器電路。主要功能是主控制器讀取18B20的數據，然后送到顯示電路進行數據的顯示，時鐘和復位電路的主要作用是向單片機提供正常工作所需基準頻率。電路設計原理圖如圖3。圖3 智能溫度測量電路圖主芯片AT89S52為8 位通用微處理器，有四十個引腳，工作時需要晶振電路來提供時鐘脈沖信號，晶振有兩種，即為有源晶振和無源晶振，晶振的作用是在電路產生震蕩電流,發出時鐘脈沖信號。它是時鐘電路中最重要的部件，它的作用是向單片機提供工作所需基準頻率，若是晶振頻率不穩定就會造成單片機工作頻率不穩定，從而造成怎個電路不穩定。但是隨著制造工藝的變好，現在晶振的基本技術指標都

33、有了很大的提高，基本上不會出現故障。復位電路的功能是為保證單片機系統中電路穩定可靠工作不可或缺的重要組成部分，當電路出現故障或程序跑飛時，通過復位電路產生復位信號。在經過RST引腳送入單片機進行復位操作。一般微機電路正常工作需要供電電源為5V，由于單片機電路正常工作需要穩定的時鐘信號，因此在電源接通時，當VCC在5V左右時，同時晶體振蕩器穩定工作，復位信號才被撤除，單片機電路開始正常工作。單片機有兩種復位方式：上電復位和手動復位。上電復位是通過電源的充放電實現的，只要電源VCC的上升時間不超過一毫秒，就能實現上電復位。手動復位是通過按鍵實現的，有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過使復位

34、端經電阻于VCC電源接通來實現的。而脈沖復位則是利用RC微分電路產生的正脈沖實現的。4 核心元器件4.1 單片機AT89S524.1.1 單片機AT89S52內部機構 主控制器模塊使用AT89S52,它是一種功耗較低、性能較強的8位微控制器，具有8K內部程存儲器。主要常用管腳有：XTAL1和XTAL2為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振形成晶振電路。RST為復位信號輸入端口，外接電阻和電容形成復位電路。VCC和VSS為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0P3 共32個引腳，為并行I/O口，其功能用途由芯片下載的軟件定義。芯片AT89S52的內部結構如圖4所示。圖4 AT89S52內部

35、結構圖單片機AT89S52任然保持著經典計算機的結構體系，由十大基本部分組成。包括：（1） 中央處理器CPU：CPU是單片機的核心，用于完成運算和控制操作。中央處理器包括運算器和控制器兩部分電路。（2） 內部數據存儲器RAM：包括RAM和RAM地址地址寄存器，用于存放可讀/寫的數據。（3） 內部程序存儲器ROM：包括ROM和程序地址寄存器，用于存放程序和原始數據。 （4）定時器/計數器：共有兩個16位的定時器/計數器，用于實現定時或計數功能，并以其結果對單片機進行控制。 （5）并行I/O口：共有4個8位并行I/O口，以實現數據的并行輸入/輸出。 （6）串行口：有一個全雙工串行口，以實現單片機和

36、其他數據設備之間的串行數據傳送。該串行口功能較強，既可以作為全雙工異步通信收發器使用，也可以作為同步移位器使用。 （7）中斷控制電路：單片機的中斷功能較強，共有五個中斷源，即外中斷兩個，定時/計數中斷兩個，串行中斷一個。全部中斷分為高、低級兩個優先級。 （8）時鐘電路：芯片內部有時鐘電路，但石英晶體和微調電容需外接，時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列。 （9）位處理器：也叫布爾處理器，單片機有較強的位處理功能，因此，位處理器是它的重要組成部分。 （10）內部總線：上述這些部件通過總線連接起來，才能構成一個完整的計算機系統。芯片內的地址信號、數據信號、控制信號都是通過總線傳送的。總線結構減少了單片

37、機的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。4.1.2 AT89S52引腳功能介紹 芯片AT89S52的引腳排列如圖5。 圖5 AT89S52單片機引腳圖 單片機芯片AT89S52為40引腳雙列直插式封裝。其各引腳功能介紹如下： （1） +5V電源VCC。 （2） 地線GND。 （3） P0口一共有八個引線端口，地址為80H。功能主要有兩種：一種是作為通用I/O口進行數據的傳送，另一種是作為該系統的地址/數據線使用。 （4） P1口一共有八個引線端口，地址為90H。P1口與P0口的內部電路結構有一定的區別，只可以當作數據I/O口使用。 （5） P2口一共有八個引線端口，地址為A0H。P2口與P0口的

38、邏輯電路非常相似，同樣有兩種功能：第一種是當作系統高位地址線使用，第二種是當作通用I/O口傳送數據。 （6） P3口一共有八個引線端口，地址為B0H。P3口是最為特殊的，能作為通用I/O口使用，還有一個更廣泛的應用是它的第二功能信號。P3口的第二功能信號的具體作用如表1所示。表1 P3口的特殊功能端口名稱第二功能符號功能描述P3.0RXD進行串行數據接收P3.1TXD進行串行數據發送P3.2INT0外部中斷0申請P3.3INT1外部中斷1申請P3.4T0定時器/計數器0外部輸入P3.5T1定時器/計數器1外部輸入P3.6WR外部數據存儲器寫選通P3.7RD外部數據存儲器讀選通 （7） 復位信號

39、RST：要想實現單片機的，輸入的復位信號至少要續兩個機器周期的高電平。 （8） 地址鎖存控制信號ALE：在系統擴展時，ALE用來把P0口的低八位地址鎖存在鎖存器里，這樣用來進行低位地址和數據的分時傳送。此外由于ALE是以1/6晶振頻率的輸出的脈沖，所以也能作為時鐘脈沖和定時脈沖使用。 （9） 外部程序存儲器讀選通信號PSEN：在由外部ROM時，PSEN為低電平有效，以此時單片機對外部ROM進行讀操作。 （10） EA：也叫訪問程序存儲器控制信號，若是EA為低電平時，對ROM的讀操作是針對外部程序存儲器的；而當EA信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內部程序存儲器開始，并可延續至外部程序存儲器。

40、（11）外接晶體引線端XTAL1/XTAL2：當使用芯片內部時鐘時，XTAL1/XTAL2用于外接石英晶體諧振器和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接入外部時鐘脈沖信號。4.2 智能溫度傳感器18B20智能溫度傳感器DS18B20外接電路接線簡單，所成電路可用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。其內部結構和引腳框圖如圖6。圖6 DS18B20內部結構其內部結構主要有七大部分組成：寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM、高速暫存器(便箋式RAM)、高低觸發寄存器、8位循環冗余碼發生器和存儲控制電路。向外有UDD、GND、I/O三個引腳，UDD是可供選用的外部+5V電源端，不用時接地，GND為接地

41、腳，I/O為漏極開路數據輸入/輸出腳。具有以下特點：（1）DS18B20技術性能DS18B20接口方式非常獨特，為單口的，當它與單片機進行雙向通訊時，與單片機只要連接一條口線即可。它的測溫范圍比較廣，為55+125，它的分辨率只有0.1。（2） DS18B20的主要數據部件 光刻ROM中的64位序列號就是DS18B20的地址序列碼。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 配置寄存器，該字節中對應寄存器如表2。 表2 配置寄存器結構位序號76543210寄存器TMR1R011111該寄存器低五位全部是1 ，最高位TM是測試模式位

42、，最高位可以設置DS18B20的模式狀態。DS18B20采用912位的可編程數字溫度輸出，通過編程便箋式RAM中CONFIG寄存器的可編程溫度分辨力位R0、R1，可設置不同分辨力及最大轉換時間，如表3所示。表3 溫度值分辨率設置表 R1R0分辨率溫度最大轉換時間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms溫度傳感器DS18B20采集溫度信息，它的工作過程以12位轉化為例：溫度傳感器轉化后得到12位數據，立即將該數據存儲在DS18B20的兩個數據存儲器中，二進制中的前5位即為符號位，若是測得的溫度大于0，則前5位為0，此時將0.0625去乘測到的數值的結

43、果就是實際溫度；若是溫度小于0，則前5位為1，將0.0625乘以測到的數值取反加1就是實際溫度，如下表4。表4 DS18B20溫度數據表TEMPERATUREDIGITAL OUTPUT(Binary)DIGITAL OUTPUT(Hex)+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1

44、100 1001 0000FC90H （3）高速暫存存儲器 它包括九個字節，具體組成如表5所示。當執行溫度轉換指令后，經轉換所得的溫度值以二字節補碼形式分別存放在溫度值低位和溫度值高位，即第0和第1字節。而單片機通過數據I/O口接收導數據，最后通過顯示屏顯示結果。第九個字節是CRC檢驗字節。 表5 DS18B20暫存寄存器分布寄存器內容字節地址溫度值低位0溫度值高位1高溫限值TH2低溫限值TL3配置寄存器4 續表5寄存器內容字節地址保留5保留6保留7CRC檢驗8 根據DS18B20的通訊協議，溫度傳感器內部電路控制完成溫度轉換有三個步驟：第一步，對DS18B20在讀寫數據之前復位；第二步，復位

45、成功后發送一條程序存儲指令；第三步，發送一條數據存儲指令，經過這三個步驟，DS18B20即完成了溫度的轉換。復位要求主控制器將數據線下拉500微秒，之后復原，DS18B20收到信號后需要等待一定時間，大概在1660微秒左右，然后發出60240微秒的存在低脈沖，若是CPU能接收到信號證明復位成功。其復位時序圖如圖7所示。圖7 DS18B20復位時序圖由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，因此系統讀寫時序是尤為重要的。對DS18B20的各種操作嚴格按協議進行。主要流程說明如下： 初始化：單總線的所有處理均從初始化開始。初始化過程是主機通過向作為從機的DS18B20芯片發一個有時間寬度要求的初

46、始化脈沖實現的。初始化后，才可進行讀寫操作。 ROM操作命令：總線主機檢測到DS18B20的存在便可以發出ROM操作命令之一。4.3 DS18B20測溫電路及工作原理使用DS18B20的測溫系統主要有如下流程，首先，單片機和主板電路初始化，DS18B20進入工作狀態，準備讀取溫度；然后，DS18B20將讀取的溫度進行轉化，將數據送到單片機；最后，單片機將數據送給液晶屏進行顯示。使用智能溫度傳感器設計的電路如圖8。圖8 溫度傳感器電路（1）主程序的功能是要操作整個測溫系統，首先要將溫度傳感器的DQ拉高，通過單片機P1口的按鍵控制18B20的工作狀態。若開啟鍵按下，則做好讀溫度的準備，接著是先讀低

47、位的溫度值，再讀高位的溫度值，然后將所讀的二進制溫度值轉換成十進制的溫度值，并將溫度值送往液晶屏顯示。（2）DS18B20初始化過程中有復位和存在脈沖的問題，因此需多次改變DQ的狀態并延時等待。首先要將DQ拉為高電平。其次將DQ拉為低電平，控制器Tx“復位脈沖”延時480-960us。接著又將DQ拉為高電平等待60us，最后延時讓DS18B20輸出存在脈沖。并且延時到足夠長的時間，等待脈沖輸出完畢。（3）做好讀溫度準備子程序，單總線的所有處理均從初始化開始。初始化過程是主機通過向作為從機的DS18B20芯片發一個有時間寬度要求的初始化脈沖實現的。初始化后，才可進行讀寫操作。當總線主機檢測到DS

48、18B20的存在，便可以發出ROM操作命令之一即可。Skip ROM就是ROM操作指令中的一個，其代碼為CCH。存儲器命令中的Convert T命令的作用是開啟溫度轉換，其代碼是44H，單線總線發出協議后，表示18B20處在讀溫度忙狀態。最后是數據處理情況。（4）讀溫度子程序中要注意控制器讀數的時間間隙。根據DS18B20的讀時序圖可以得知，首先應將DQ拉為高電平，一個機器周期后將其拉為低電平，然后將數據線"人為"拉高,為單片機檢測DS18B20的輸出電平作準備，接著開始讀溫度。利用讀溫度程序，將值從低位到高位讀出，讀一位則二進制數右移一位，即可讀完所測溫度八位數的值。讀的

49、過程中要給控制器足夠的采樣時間。最后延時，給機器較長的反應時間。（5）寫溫度子程序與讀溫度的子程序類似，只需將讀溫度子程序中所讀得的值一位一位寫入。同樣是先將DQ拉為高電平，再拉低，然戶開始從低位到高位依次寫入。由于兩個寫時序間至少需要1us的恢復期，所以位與位之間至少延時2us時間。最后稍作延時，給機器反應時間。 數據處理流程圖如圖9所示，程序見附錄3437頁。圖9 數據處理流程圖4.4 LCD1602液晶顯示芯片4.4.1 LCD1602的結構及電路 本次設計的顯示電路采用LCD1602芯片，其電路圖如圖10所示。設計電路非常簡單。圖10 LCD顯示電路 LCD液晶顯示屏是一種應用非常廣泛

50、的點陣式 LCD。分為帶背光和不帶背光兩種，本課題選用的是帶背光的液晶顯示屏，有十六只引腳，其引腳功能說明如表6。表6 LCD引腳功能說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數據2VDD電源正極10D3數據3VL液晶顯示偏壓11D4數據4RS數據/命令選擇12D5數據5R/W讀/寫選擇13D6數據6E使能信號14D7數據7D0數據15D8背光源正極8D1數據16D9背光源負極4.4.2 LCD1602的讀寫時序表液晶顯示屏相對于數碼管顯示來說要慢，執行指令步驟比較多。在執行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志的狀態，若為低電平，則表示不忙，否則此指令失效，不能執行。要顯示字符時要

51、先輸入顯示字符地址，然后找到改地址執行程序，最后通過顯示屏顯示該字符。LCD1602液晶模塊內部結構復雜，包括控制器共有11條控制指令，這些的指令可以完成液晶的讀時序控制、寫時序控制、工作方式式設置以及數據顯示等。 LCD1602的讀時序圖如圖11。圖11 LCD1602的讀時序圖 LCD1602的寫時序圖如圖12。圖12 LCD1602的寫時序圖4.5 蜂鳴器報警電路 本設計具有溫度檢測報警部分，設計電路如圖13。圖13 報警電路 該系統能實時采集周圍的溫度信息進行顯示，并且硬件電路設置有三個鍵分別為設置、增、減。通過按鍵可以調整報警溫度的上下限，在不同的環境下所需要的報警溫度可調整不同的上

52、下限溫度值。該報警電路實現了對溫度的實時監測，能夠及時反映溫度狀態，在工業領域里具有廣泛的應用。5 系統軟件設計及仿真5.1 程序流程圖以單片機為核心的系統都需要下載程序，然后執行程序以實現所需要實現的功能。以下介紹主程序、讀取溫度程序、計算溫度程序和數據刷新程序等。 主程序的主要功能是負責執行整個程序，調用各個子程序來完成整個程序所要實現的功能。程序初始化后，調用子程序得到DS18B20的測量的當前溫度值，然后進行判斷1S到了就再調用執行一次子程序。實現每秒刷新一次溫度數據， 通過調用溫度轉換程序和顯示程序，得到所要測得的溫度結果。其程序流程如圖14所示。程序見附錄第36、37頁。 圖14

53、主程序流程圖 5.2 讀取溫度程序 讀取溫度程序首先是發DS18B20復位命令，表示溫度傳感器開始采集溫度信息。讀取溫度信息后，通過檢查校驗，將數據保存在溫度寄存器里，這樣程序就完成了溫度讀取的工作。讀取溫度程序流程圖如15所示，程序見附錄第36頁。圖15 讀取溫度流程圖5.3 計算溫度與顯示數據刷新程序 顯示數據刷新子程序主要是對分離后的溫度顯示數據顯示數據進行刷新操作，當標志位為1時將符號顯示位移入第一位。計算溫度子程序將RAM中讀取值進行BCD碼的轉換運算，并進行溫度值正負的判定，程序流程圖如圖16、17所示。程序見附錄第37、38頁。 圖16 計算溫度流程圖 圖17 顯示數據刷新流程5

54、.4 用Keil進行程序編譯Keil 軟件是一個有著極大的庫函數和功能非常強大的軟件編程工具。非常方便供給開發人員對源程序的編寫，然后進行編譯、仿真。利用keil編寫程序非常方便，編寫好程序之后，可以對程序進行語法錯誤檢查，然后再進行編譯，生成所需要的目標文件。最后轉換成.Hex文件，.HEX可以下載到Proteus等仿真軟件里的芯片中去。對電路進行仿真調試。本次課題程序編譯用Keil軟件，編寫完程序。運用keil軟件編譯C語言程序，其結果如下圖18所示，圖18 keil編輯框圖 將程序編寫好后進行保存，然后進行調試，此程序編譯運行后若顯示“wendu.hex”-0 Error(s),0 warning(s)。說明該源程序無語法錯誤。可以將此程序生成的.hex下載到硬件電路主芯片中進行調試仿真。如圖19。圖19 編譯運行結果5.5 測溫系統的仿真 Proteus是非常好用的軟件，從最初的原理圖布圖，到程序代碼調試，最后把程序代碼下載到單片機進行仿真， Proteus軟件包括電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件等三大模塊，其支持的處理器模型越來與豐富。在編譯方面，PROTEUS支持多種編譯器。本次課題用的是keil編譯器。PROTEUS可將許多單片機實例功能模擬出來，模擬的效果非常接近實物結果，它的元器件、連接線路等卻和傳統的單片機實驗硬件高度對應。這在一