基于at89c51、ds18b20温度传感器的电锅炉温度控制系统

基于at89c51、ds18b20温度传感器的电锅炉温度控制系统内容摘要：

8B20 可以程序设定 9~12位的分辨率，及把用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存。 DS18B20 的性能是新一代产品中最好的。 性价比也非常出色。 DS18B20 开辟了温度传感器技术的新概念， DS18B20 的电压、特性及封装有更多的选择。 DS18B20 内部结构主要由四部分组成： 64 位光刻 ROM、温度传感器、温度报警触发器 TH和 TL、配置寄存器。 DQ 为数字信号输入 /输出端； GND 为电源地；VDD 为外接供电的电源输入端，内部结构图如图 33所示。 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。 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。 温度传感器模块采用 DS18B20，主要功能是实时将水温温度数据返回单片机，将模拟信号转换为数字信号，便于数据处理与决策，由于此模块直接决定整个系统能否正常运行，所以是系统的核心模块。 产品的特点 （ 1）只要求一个端口即可实现通信。 （ 2）在 DS18B20 中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （ 3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （ 4）测量温度范围在－ 55。 C到＋ 125。 C之间。 （ 5） 数字温度计的分辨率用户可以从 9位到 12位选择。 （ 6）内部有温度上、下限告警设置。 DS18B20 的引脚介绍 TO－ 92封装的 DS18B20 的引脚排列见图 5，其引脚功能描述见表 1。 图 5 底视图 表 1 DS18B20 详细引脚功能描述 序号 名称 引脚功能描述 1 GND 地信号 2 DQ 数据输入 /输出引脚。 3 VDD 可选择的 VDD 引脚。 4． DS18B20 的使用方法 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对 STC89C52 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。 DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。 该协议定义了几种信号的时序：初始化时 序、读时序、写时序。 所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。 而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。 数据和命令的传输都是低位在先。 DS18B20 的读时序分为读 0 时序和读 1时序两个过程，如图 7所示。 对于 DS18B20 的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15秒之内就得释放单总线，以让 DS18B20 把数据传输到单总线上。 DS18B20 在完成一个读时序过程，至少需要 60us 才能完成。 DS18B20 的写时序分为写 0 时序和写 1时序两个过程，如图 8所示。 对于 DS18B20 写 0 时序和写 1时序的要求不同，当要写 0时序时，单总线要被拉低至少 60us，保证 DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 IO总线上的“ 0”电平，当要写 1 时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线。 DS18B20 的 4 个主要部件 （ 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位转化为例：用16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 ℃ /LSB 形式表达，其中 S为符号位，温度格式如表 2 所示： 表 2 DS18B20 温度值格式表 这是 12位转化后得到的 12 位数 据，存储在 DS18B20 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 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 即可得到实际温度。 例如 +125℃的数字输出为 07D0H， +℃的数字输出为 0191H，℃的数字输出为 FF6FH， 55℃的数字输出为 FC90H。 DS18B20 温度数据如表 3所示： 表 3 DS18B20 温度数据表 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 LS Byte Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit 9 Bit 8 MS Byte 22 23 21 20 21 22 23 24 S S S S S 26 25 24 （ 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表 4所示： 表 4 配置寄存器结构 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，如表 5 所示： 表 5 温度值分辨率设置表 R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9 位 0 1 10 位 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms 由表 5可见，设定的分辨率越高，所需要的温度转换时间就越长。 因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑，视设备的实际需要来选择分辨率。 TEMPERATURE DIGITAL OUTPUT (Binary) DIGITAL OUTPUT (Hex) +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0h +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550h +℃ 0000 0001 1001 0001 0191h +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2h +℃ 0000 0000 0000 1000 00008h 0℃ 0000 0000 0000 0000 00000h ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8h ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5Eh ℃ 1111 1110 0110 1111 FE6Eh 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90h The power –on reset value of the temperature resister is +85℃ THE TM R1 R0 1 1 1 1 1 温度采集模块电路图 本设计采用数字传感器 DS18B20， DS18B20 是一种可组网的单线数字温度传感器，它采用单线总线结构，集温度测量和 A/D 转换于一体，直接输出数字量，用 一根 I/O 线就可以传送数据与命令，其温度测量范围为 55℃ ~+125℃，精度为+/℃，使用中无需外部器件，可利用数据线或外部电源提供电能，供电电压范围为 ~，通过编程实现 9~12 位分辨率读出温度数据。 使用时，将 DS18B20 的数据 DQ 与单片机的一位具有三态功能的双向口连接就可以实现数据传输，为保证在有效的时钟周期内提供足够电流，采用外部电源单独供电，在数据线上加一个。 具体接线如图 9所示： 图 9 温度采集模块电路图 高速暂存存储器包含了 8个连续字节，前两个字节是 测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。 第三个和第四个字节是 TH、 TL 的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。 第六、七、八个字节用于内部计算。 第九个字节是冗余检验字节。 DS18B20 暂存寄存器各字节意义如表 所示： 表 DS18B20 暂存寄存器分布 采用数字温度传感 器进行多点温度采集控制系统的设计，只需要将多个温度传感器并联到单总线上，即可以完成硬件电路的设计，单总线要求接一个约 欧姆的上拉电阻，这样单总线的闲置状态就为高电平了。 温度 LSB 温度 MSB TH用户字节 1 TL用户字节 2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC 但是当单总线上所挂 DS18B20 超过 8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，在进行多点测温系统设计时这是一个非常重要的因素。 连接 DS18B20 的总线电缆的长度不是无限制的，当采用普通信号电缆传输长度超过 50 米时，读取的测温数据将发生错误。 当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离可达 150 米，当采用每米绞合次数更多的双绞线带 屏蔽电缆时，正常通信的距离进一步加长。 这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。 因此，在用 DS18B20 进行长距离测温系统设计时，要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 人机交互与串口通信单元设计 人机交互的主要功能是辅助控制、方便调试。 在当今的各种实时自动控制和智能化仪器仪表中，人机交互是不可缺少的一部分。 一般而言，人机交互是由系统配置的外部设备来完成，其实现方式有两种：一种是由 MCU 的 I/O 口驱动专用芯片实现，如键盘显示控制芯片，串行数据传输数码显示驱动芯片等，来实现人机交互功能。 另 一种就是 MCU 本身具有驱动功能，它通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式或 I/O 设备的访问形式来控制键盘和 LCD 实现人机交互。 键盘输入 按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的 I/O 口状态，来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的。 键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段。 键盘分两大类：编码键盘和非编码键盘。 编码键盘：由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。 每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一个选通脉冲通知微处理器，一般还具 有反弹跳和同时按键保护功能。 这种键盘容易使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重的情况，采用 8279 可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。 非编码键盘：只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如按键的识别，决定按键的读数等都靠软件完成，故硬件设计较为简单，但占用 CPU 较多时间，非编码键盘有：独立式按键结构、矩阵式按键结构两种。 矩阵式按键结构适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。 矩阵键盘工作的原理：行线通过上拉电阻接到 +5V 上。 无按键，行线处于高电平状态，有键按下 ，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。 列线电平为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。 矩阵式按键结构的优点就是节约单片机 I/O 口，适用于按键比较多的场合。 独立式按键结构，独立式按键就是按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O 口线，每根 I/O 口线的按键的工作状态，不会影响其他 I/O口线上的工作状态。 各按键开关均需要采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各 I/O 有确定的高电平。 当输入口线内部已有上拉电阻，外电路的上拉电阻可省去。 因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断是哪个按键被按 下了。 优点：电路配置灵活，软件结构简单。 缺点：每个按键需占用一根 I/O 口线，在按键数量较多时， I/O 口浪费大，电路结构显得复杂。 因此，此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。 在本设计当中，由于只需要四个按键，所以采用独立式键盘结构。 液晶显示屏输出 液晶显示屏具有微功耗、体积。