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1、分类号 密级 UDC 毕 业 设 计基于DS18B20AT89S51的数字温控器设计 学生姓名 学号 指导教师 系（中心） 信息工程系 专 业 电子信息工程 年级 论文答辩日期 年 月 日 中 国 海 洋 大 学 青 岛 学 院基于DS18B20AT89S51的数字温控器设计 完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 摘 要在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而
2、且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛用于现代工业控制中。本论文侧重介绍“单片机温度控制系统”的软件设计及相关内容。论文的主要内容包括：采样、滤波、键盘、LED显示和报警系统，加热控制系统等。作为控制系统中的一个典型实验设计，单片机温度控制系统综合运用了微机原理、自动控制原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识，是对所学知识的一次
3、综合测试。关键词：单片机；数字控制；温度计；DS18B20；AT89S51Design of digital temperature controller based on DS18B20 & AT89S51 AbstractIn industrial production, current, voltage, temperature, pressure, and flow rate, velocity, and the switch quantity are common main accused of parameters. Among them, the temperature cont
4、rol is becoming more and more important. In many areas of industrial production, people need to all kinds of heating furnace, heat treatment furnace, reactor and boiler temperature of inspection and control. Adopts single-chip microcomputer control of temperature has not only control convenient, sim
5、ple and flexible, and advantages of could increase the technical indexes of accused of temperature, which can greatly improve the quality and quantity of products. Therefore, the monolithic integrated circuit to the control of the temperature is an issue that we often encounter industrial production
6、 control problem.SCM is a kind of set the CPU, RAM, ROM, I/O interface and interrupt system parts in one of the devices, only require additional power and can be realized vibration of digital information processing and control. Therefore, microcontroller is widely used in modern industrial control.T
7、his thesis focuses on introducing single-chip microcomputer temperature control system software design and related content. The main contents include: paper sampling, filtering, keyboard, LED display and alarm system, heating control system, etc. As a control system of a typical experiment design, S
8、ingle-chip microcomputer temperature control system comprehensive using microcomputer principle, automatic control principle, analog electronic technology, digital control technology, keyboard display technology of many aspects, such as knowledge, is a learned knowledge of comprehensive test.Keyword
9、s: Microcontroller; Digital control; Thermometers; DS18B20; AT89S51目 录1 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 相关技术的发展概况12 总体设计方案32.2 设计思路32.2 数字温控器设计方案论证32.3 方案选择42.4 总体设计框图43 主要芯片概述53.1 单片机AT89S5153.2 数字温度传感器DS18B2063.3 二四译码器84 硬件电路设计94.1主模块94.2温度采集模块104.3温度传感与单片机的连接104.4 显示模块114.5报警电路114.6复位电路及电源电路125 软件程序分析135.1 系
10、统软件算法分析135.2 主程序135.3 读出温度子程序135.4 温度转换命令子程序155.5 计算温度子程序155.6 显示数据刷新子程序16结束语17参考文献18致 谢19附 录20III基于DS18B20&AT89S51的数字温控器设计1 绪论1.1 课题的背景及意义温度控制系统在国内各行各业的应用虽然己经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并
11、广泛应用的控制仪表较少.随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家，企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。目前，温度控制器产品从模拟、集成温度控制器发展到智能数码温度控制器。智能温控器（数字温控器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结合，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段正朝着高精度高质量的方向发展,相信以我国的实力，温控技术在不久的将来一定会为于世界前列！本文重点对该系统的硬件、软件进行
12、分析设计。在硬件上对各部分电路一一进行了理论分析与方案论证进行了设计，介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机下的硬件连接及软件编程，并给出了软件流程图，最终设计完成了该系统的硬件电路。在软件设计上根据硬件电路和该温度采集系统所需要实现的功能，经过反复的模拟运行、调试、修改，最终完成了该系统的软件设计。通过硬件与软件的密切配合，最终设计完成达到了题目所要求的功能。本设计采用的是AT89S51单片机，对多点温度进行采集。通过集成温度传感器DS18B20将温度值转换为电量输出。通过键盘实现增加或减少温度上下限模式的切换，可以利用小键盘设定温度的最大值和最小值，当温度高于设定的上限值时，单片机停止
13、加热器加热，同时点亮红色发光二极管，当温度低于设定的下限时，单片机启动加热器加热，同时点亮绿色发光二极管。在软件上进行主程序和子程序的编程，使该温度控制系统实现智能化发展，精度更高。1.2 相关技术的发展概况单片机诞生于20世纪70年代，象fairchid公司研制的F8单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(Center Processing Unit,也即常称的CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越
14、来越强大，应用更广泛。 20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。 1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程
15、碑。 在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。 80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越
16、来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。 单片机发展趋势 现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 1.低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功
17、耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2.微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片
18、机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。3.主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，
19、ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。2 总体设计方案2.2 设计思路：AT89S51为核心、DS18B20为温度传感元件。只要在所设定的上下温度界限内，就会在显示设备中精确的显示出来，如果
20、温度超过了所设定的温度上下限，就会自动发出报警信号。另外此温度控制器操作简单，灵敏度高，测温范围宽，一般能满足日常测温的需求，用四位7段数码管显示故具有直观的特点。2.2 数字温控器设计方案论证1.2.1 方案一 进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。1.2.2 方案二由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就
21、可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦2.3 方案选择从以上两种方案，很容易看出，采用方案一，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案一。2.4 总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如图2-1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用四位7段数码管实现温度显示。显示电路报警电路测温电路复位电路AT89S51单片机图2-1总体设计方框图3 主要芯片概述3.1 单片机AT89S511AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写
22、1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。2功能特性：兼容MC
23、S-51指令系统 32个双向I/O口，2个16位可编程定时/计数器，全双工UART串行中断口线，2个外部中断源，中断唤醒省电模式，看门狗（WDT）电路，灵活的ISP字节和分页编程，4k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM，4.5-5.5V工作电压，时钟频率0-33MHz128x8bit内部RAM，低功耗空闲和省电模式，3级加密位软件设置空闲和省电功能。3.系统中所用一些引脚的简介 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时
24、，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.
25、2 数字温度传感器DS18B201、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0.56、可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温7、在9位分辨率时最
26、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。 2、DS18B20的外形和内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图: 图3-1 DS18B20 引脚图DS18B20 的管脚排列如下:DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地; VDD为外接供电电源输
27、入端。图3-2 DS18B20内部结构图3、DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与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
28、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，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3-3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。斜率累加器计数器1比较=0=预置低温度系数晶振计数器2=0高温度系数晶振预置温度寄存器停止加1LSB置位清楚置图3-3 DS18B20测温原理框3.3 二四译码器译码的的含义就是把输入的二进制代码的特定含义翻译成被编码的信息。译码器是以一种常见的组合逻辑电路，它的输入代码组合会在某一个输出端产生特定的信号。译码器按照用途可分为3类：变量译码器、码制编码器和显示译码器。本系统用
29、到了变量译码器，所以在这里我们只介绍变量译码器。变量译码器有n个输入端，m个输出端，它们的关系应满足：m0;i-) / 8次一个字节 DQ = 0; /脉冲信号Date=1; /右移一位DQ = 1; /脉冲信号if(DQ)date|=0x80;delay(4); / 延时return(date); / 返回读取温度数据其程序流程图5.4 温度转换命令子程序温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图5-3所示发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命
30、令 结束图5-3 温度转换流程5.5 计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图5-4所示。 开始温度零下?温度值取补码置“”标志计算小数位温度BCD值 计算整数位温度BCD值 结束置“+”标志NY图5-4计算温度流程图5.6 显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图5-5。温度数据移入显示寄存器十位数0？百位数0？十位数显示符号百位数不显示百位数显示数据（不显示符号） 结束NNYY图5-5显示数据刷新流程图结束语短短两周的毕业设计已
31、经结束了，通过这次的毕业设计锻炼了我们的实践能力，也是对我们以后的实际工作能力的具体训练和考察过程。现在是一个高科技的时代，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说是无处不在的。因此对于我们这一专业的同学来说，学好单片机，并正确应用单片机是非常重要的。此次单片机课程设计，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两个星期里，学到了很多的东西。同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且还学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己
32、的实际动手能力和独立思考的能力。这次的课程设计还让我学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻言放弃。设计过程，好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。我们通过查阅大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心
33、，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富。单片机课程设计虽然结束了，但通过设计所学到的东西将长久存在。相信这次设计带给我们的严谨的学习态度和一丝不苟的科学作风将会给我们未来的工作和学习打下一个更坚实的基础。参考文献1王志刚.现代电子线路M.第四版.北京：清华大学出版社，2008:150-1762高西全,丁玉玉.数字信号处理M.第三版.西安电子科技大学出版社，2008:146-1803王伟.Veri Log HDL程序设计与应用
34、M.北京：人民邮电出版社，2005:80-984陈松,金鸿.电子设计自动化技术M.南京：东南大学出版社，2003:58-645章锡鹤,盛鸿宇.印制电路板电路设计实训教材M.北京：科学出版社，2005:120-1546徐欣,于红旗,易凡，卢启中.基于FPGA的嵌入式系统设计M.北京：机械工业出版社，2005：82-987陈曾平,刘平,马云.电子设计基础与专用系统构成M.北京：科学出版社，2006,55-708余发山.单片机原理及应用技术M.徐州:中国矿业大学出版社，2003:56-709陈龙三.8051单片机C语言控制与应用M.北京：清华大学出版社，2001:88-10010李银,汪泳.电子线路设计指导M.北京：北京航空航天大学出版社，2005:105-12511李广弟.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社.2006:178-23512吴颖.数字式温度传感器与分布式温度测量系统J.传感技术学报,2001,(1):26-3113张萌,和湘,姜斌.单片机应用系统开发M.北京:清华大学出版社,2007：98-10
