基于单片机的温度自动检测系统设计课程设计

基于单片机的温度自动检测系统设计课程设计内容摘要：

DS18B20 引脚功能： •GND 电压地 •DQ 单数据总线 •VDD 电源电压 •NC 空引脚 DS18B20 工作原理： DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。 其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。 在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20 的内部存储器资源。 18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是： ROM 只读存储器，用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8位是单线系列编码（ DS18B20 的编码是 19H），后面 48 位是芯片唯一的序列号，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 码（冗余校验）。 数据在出产时设置不由用户更改。 DS18B20 共 64位 ROM。 RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失， DS18B20 共 9个字节 RAM，每个字节为 8 位。 第 2 个字节是温度转换后的数据值信息，第 4 个字节是用户 EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。 在上电复位时其值将被刷新。 第 5 个字节则是用户第 3个6 EEPROM 的镜像。 第 8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。 第 9 个字节为前 8个字节的 CRC码。 EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限 温度报警值和校验数据， DS18B20 共 3位 EEPROM，并在 RAM 都存在镜像，以方便用户操作。 我们在每一次读温度之前都必须进行复杂的且精准时序的处理，因为 DS18B20 的硬件简单结果就会导致软件的巨大开消，也是尽力减少有形资产转化为无形资产的投入，是一种较好的节约之道。 控制器对 DS18B20 操作流程： 复位：首先我们必须对 DS18B20 芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给 DS18B20单总线至少 480uS 的低电平信号。 当 18B20 接到此复位信号后则会在 15~60uS 后回发一个芯片的存在脉冲。 存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在 15~60uS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个 60~240uS 的低电平信号。 至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与 18B20 间的数据通信。 如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。 控制器发送 ROM 指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了， ROM 指令共有 5 条，每一个工作周期只能发一条， ROM 指令分别是读 ROM 数据、指定匹配芯片、跳跃 ROM、芯片搜索、 报警芯片搜索。 ROM 指令为 8 位长度，功能是对片内的 64 位光刻 ROM 进行操作。 其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。 诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的 ID 号来区别，一般只挂接单个 18B20 芯片时可以跳过 ROM 指令（注意：此处指的跳过 ROM 指令并非不发送 ROM 指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。 ROM 指令在下文有详细的介绍。 控制器发送存储器操作指令：在 ROM 指令发送给 18B20 之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。 操作指令同样为 8 位，共 6 条，存储器操 作指令分别是写 RAM 数据、读 RAM 数据、将 RAM 数据复制到 EEPROM、温度转换、将 EEPROM 中的报警值复制到 RAM、工作方式切换。 存储器操作指令的功能是命令 18B20 作什么样的工作，是芯片控制的关键。 执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。 如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待 18B20 执行其指令，一般转换时间为 500uS。 如执行数据读写指令则需要严格遵循 18B20 的读写时序来操作。 显示器的选择 由于设计中要求同 时显示测试温度、温度上限、温度下限和开机时间，因此显示屏首先要能够一次性容纳这些字符。 工作电压不能太高，与单片机的连接方式需要简单，显示准确。 本设计中采用的是 1602 型 LCD 液晶屏能够很好的满足这些要求。 此液晶属于工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32个字符。 LCD 液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要 2～ 3 伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码 LED 显示器显示的界面有了质的提高。 在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。 1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 7 第 1脚： VSS 为电源地 ； 第 2脚： VCC 接 5V电源正极 ； 第 3脚： V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高(对比度过高 时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 )。 第 4脚： RS 为寄存器选择，高电平 1时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 第 5脚： RW 为读写信号线，高电平 (1)时进行读操作，低电平 (0)时进行写操作。 第 6脚： E(或 EN)端为使能 (enable)端 ,高电平 (1)时读取信息，负跳变时执行指令。 第 7～ 14脚： D0～ D7 为 8位双向数据端。 第 15～ 16 脚：空脚或背灯电源。 15脚背光正极， 16 脚背光负极。 图 331 LCD1602 引脚图 图 332 LCD1602 实物图 1602 拥有很多出色的优点： 1）显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。 2）数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很方便。 3）体积小、重量轻 ,液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 4）功率消耗小，相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动 IC 上，因而耗电量比其他器件要小很多。 虽然 LCD 显示器的价格比数码管要贵，但它的显示效果好，是当今显示器的主流，所以采用 LCD 作为显示器。 4 电路原理 8 整个设计的电路包括了最小系统电路、温度控制电路、温度显示电路、按键电路和报警电路五部分电路组成。 晶振电路与复位电路 晶振电路和复位电路与单片机连接构成最小系统电 路 ，如图 411，如何选取合适的引脚，选取何种连接方式都至关重要。 图 411 最小系统电路 在晶振电路中，主要用到了 XTAL1 和 XTAL2 两个引脚。 （ 1） XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 （ 2） XTAL2：来自反向振荡器的输出。 在晶振电路中， AT89S52 具有两种晶振方式，一种是片内时钟振荡方式，但需要在引脚外接石英晶体和振荡电容，振荡电容的值一般取 1030pf。 另一种是外部时钟方式，即将 XTAL1接外部时钟， XTAL2 脚悬空。 单片机的晶振频率采用 ，加两个 30pF 电容。 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出，外接石英晶体和振荡电容，构成了片内时钟振荡方式。 而振荡周期指的就是单片机外接石英晶体振荡器的周期。 当时钟起振后，产生一定的频率的时钟信号，单片机的 CPU 在时钟信号的控制下能一步一步完成自己的工作，同时与整个系统相关的周期还有振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期。 电容 C1 和 C2主要用于校正波形，振荡器的作用主要是产生时钟振荡。 而整个电路的作用则是为了产生自激振荡。 对于复位电路， AT89S52 有两种复位方式，分别是上点复位 和按键复位。 本设计采用的是按键复位，即利用一个复位电容和按键的组合使得复位变得更加直接和简单。 引脚 RST 作用是复位输入。 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。 在按下按键后，系统自动复位，十分方便。 在复位电路中添加按键主要是为了能够使得复位更加方便，电容主要是在复位后进行充电，而上拉电阻起到限流的作用，保护了电路。 温度采集电路 温度控制电路主要运用到了 DS18B20 和 AT89S52，如图 421。 如何使两者连接实现功能是温度控制电路的主要设计目的。 9 图 421 温度采集电路 在硬件上， DS18B20 与单片机的连接有两种方法，一种是 VCC 接外部电源， GND 接地， I/O与单片机的 I/O 线相连；另一种是用寄生电源供电，此时 UDD、 GND 接地， I/O 接单片机 I/O。 内部寄生电源 I/O 口线要接 5KΩ左右的上拉电阻。 这里采用的是第一种连接方法 ,如图所示 : 传感器数据采集电路主要指 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路。 DS18B20 可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时 DS18B20 的 1 脚接地， 2 脚作为信号线， 3 脚接电源。 另一种是寄生电源供电方式考虑到实际应 用中寄生电源供电方式适应能力差且易损坏，此处采用电源供电方式， I/O 口接单片机的 口 显示电路 液晶显示器是一种将液晶显示器件 ,连接器件 ,集成电路 ,PCB 线路板 ,背光源 ,结构器件装配在一起的组件。 图 431 显示电路 在显示电路中， VSS 接地， VDD 接 5V正电源， VEE 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，为了获得最佳对比度，。