1、 毕业设计(论文) 第 37 页 本科生毕业论文(设计)多路温湿度显示与控制系统设计院系名称姓名学号专业指导教师 1 绪 论1.1系统背景在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域：消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测。温度检测系统应用十分广阔。1.2功能要求1.1 温度分辨率为0.1-0.01; 1.2 传感器与单片机采用串行数据传送。2 方案论证;本温度计的设计采用美
2、国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测量温度范围是-55125，最大分辨率可达0.0625。DS18B20可直接读出被测量温度值，而采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。本系统为多路温湿度显示，DS18B20采用外面供电方式，理论上可以在一根数据总线上挂256个DS18B20,但时间应用中发现，如果连接25个以上的DS18B20仍旧有可能产生功耗问题。在这种情况下，我们可以采取分组的方式，用单片机的多个I/O来驱动多路DS18B20。 按照系统设计功能要求，确定系统由三个模块组成：主控制器、测温电
3、路及显示电路。总体电路结构框图如图1.1所示。AT89C2051主控制器显示电路DS18B20扫描驱动图2.1数字温度计电路结构框图3 系统硬件电路的设计 温度计电路设计原理图如图3.1所示，控制器使用单片机AT89C2051，温度传感器使用DS18B20，用四位共阳LED数码管以动态扫 描法实现温度显示。 3.1主控制器 单片机AT89C2051具有低电压供电和体积小的特点，两个端口刚好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，系统可用两节电池供电。3.2显示电路 显示电路采用4位共阳LED数码管，从P1口输出段码，列扫描使用P3.0P3.3口来实现，列驱动用9012三极管。3
4、.3温度传感器工作原理 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，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读书方式。4 主要元器件介绍4.1 温度传感器DS18B20 美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 一线总线接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。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全新概念。现在，新一代的DS18B2
5、0体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。4.1.1 DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内（5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0
6、.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快（8）测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 图4.1 DS18B20外部结构4.1.3 DS18B20引脚定义 (1)DQ为数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地； (3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 图4.2 工作程序框图 DS18B20的读写时
7、序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器
8、值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。 图4.3 DS18步测温原理图（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位
9、转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。 表4.1 DS18B20温度值格式表这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度 表4.2 DS18B20温度与测得值对应表例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。（
10、3）DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。 （4）配置寄存器 该字节各位的意义如下： 表4.3 配置寄存器结构 TMR1R011111低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位） 表4.4 温度分辨率设置 R1 R0分辨率温度最大转换时间 0 0 9位93.75ms 0 1 10位 1
11、87.5ms 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms4.2 主控器AT89C205电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、集成电路到大（超大）规模集成电路共四个阶段，即通常所说的第一代、第二代、第三代和第四代计算机。现代广泛使用的微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，因此他属于第四代计算机，而单片机则是微型计算机的一个分支。从1971年微型计算机面世一来，由于实际应用的需要，微型计算机向着两个不同的方向发展：一个是向高速度、大容量、高性能的高档微机方向发展；而另一个则是向稳定可靠，体积小，价格廉的方向发展，但两者在原理和技术上是紧密联系的。单片机因将其主要组成部分集成在一个
12、芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统等主要微型机部件集成在一个芯片上。虽然单片机只有一个芯片，但是从组成和功能是看，他已经具有了一个计算机的属性。但是单片机通常是指芯片本身,它是由芯片制造商生产的,它上面集成了一些作为基本组成部分的运算器电路、控制器电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等。一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，例如组成谐振电路，和复位电路的石英晶体、电阻、电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。此外，在实际应用中常常需要扩展外围电路和外围芯片。所以单片机和单片机系统是有差别的。即
13、：单片机只是一个芯片，但单片机系统是在单片机芯片的基础上扩展其他电路或芯片构成具有一定应用功能的计算机系统。通常所说的单片机系统都是为了实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组成的计算机系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件系统。4.2.1 MCS-51单片机系列 本设计所用到的89C2051单片机是MCS-51的一种。 MCS-51是一个单片机的系列产品，具有多种型号。具体说，按其内部资源的不同，MCS-51可以分为两个子系列和四个类型。按资源配置的数量,MCS-51分为51和52两个子系列,其中51系列是基本型,52系列是增强型,以芯片的型
14、号的最末数字“1”和“2”作为标志。89C2051单片机是在8951芯片的基础上发展起来的，因此兼容，改进和增强将是我们对89C2051和8951进行比较的内容。首先，与8951的兼容是对89C2051的基本要求，以确保8位单片机MCS-51系列的继承和发展。兼容包括指令、引脚信号、总线等多个方面，指令兼容能保证两者之间不存在指令障碍以维持软件的可移植性，而引脚信号和风状以及总线的兼容则确保两者在系统扩展的接口方向的一致性。有利于系统4.2.2 单片机芯片的硬件结构既然单片机是要在一个极小的芯片是集成这么多的电路，而且要求结构简单灵活。工作稳定可靠。因此单片机必须采用精巧的设计。以克服芯片尺寸有限带来的许多制约。以MCS-51为例，单片机系统逻辑如图3.6所示： 图4.4 MCS-51系列单片机结构框图其中中央处理器（CPU）是单片机的核心，完成运算和控制操作。内部数据存储器用语存放可读写数据，通常所说的内部数据存储器是指前128个单元。内部程序存储器用语
