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1、计算机系统与接口课程设计 设计名称: 温度控制器姓 名： 班 级： 学 号： 指导教师： 2010年 01 月 08 日一、温度控制器的原理及功能如图11所示此多点温度测量电路主要由以下几部分组成：两个温度传感器DS18B20及其选择开关电路，控制器单片机AT89S52、扫描驱动电路、数码管LED显示器、报警电路、报警温度控制电路及电源电路等。单片机AT89S52DS18B20LED显示器 扫描驱动DS18B20温度控制电路报警电路电 源图11 多点温度计组成方框图温度传感器从测试点采集温度，然后把温度转换成电压（或电流），温度传感器输出电压的大小随温度的高低变化而变化，电压值的变化范围从几个
2、微伏到几个毫伏，不同的温度传感器，输出电压的范围也差别很大。单片机AT89S52是多点温度测量电路的控制核心，它将采集到的数字温度电压值，经过计算处理，得到相应的温度值，经扫描驱动送到LED显示器以数字形式显示测量的温度。LED显示器用于显示测量温度的结果。报警温度控制电路用于在不同应用中灵活设定报警温度，在超过设定范围时，报警电路进行报警。二、系统硬件电路的设计2.1 多点温度测量电路多点温度测量电路如图21所示由主控器单片机AT89S52作为多点温度测量电路的核心，温度传感器DS18B20负责从测量点采集温度，四位共阳LED数码管以动态扫描法实现温度显示。2.1.1 DS18B20单线智能
3、温度传感器的工作原理(1) DS18B20单线智能温度传感器的性能特点DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最近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9-12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；无须外接部件；可通过数据供电，电压范围为3.05.5V；零待机功耗；温度以9或12位数字量读出；用户可定义的非易失性温度报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
4、负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧坏，但不能正常工作.(2) DS18B20的内部结构框图如图24 所示，它采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装其管脚封装如图25所示。(3) DS18B20单线智能温度传感器的工作原理64位ROM的位结构如图26 所示。开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个 DS18B20可以采用一线进行通信的原因。非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM。高速暂存RA
5、M的结构为8字节的存储器，结构如图37 所示。CVDDI/O存储器与控制器高速缓存8位 CRC发生器配置寄存器低温触发器TL高温触发器TH温度传感器64位ROM和单线接口 图24 DS18B20内部结构图25 DS18B20的引脚排列头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节是TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如图38所示。低5位一直为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
6、被设置为0，用户不要改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，方法见表33 。8位检验CRC48位序列号8位工厂代码（10H）MSB LSB MSB LSB MSB LSB图26 位64位ROM结构图由表33可见,DS18B20温度转换时间比较长，而且设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。表23 DS18B20分辨率的定义规定R1R0分辨率/位温度最大转换时间/ms00993.750
7、110187.510113751112750 温度LSB 温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC1字节TH用户字节12字节3字节4字节 TL用户字节25字节6字节7字节 EEPROM8字节9字节图37 高速暂存RAM结构图TMR1R011111 图2-8 配置寄存器当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单总线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625/LSB形式表示。温度值格式如图29 所示。当符号位S=0时，表示测得的温度值
8、为正值，可以直接将二进制转换为十进制；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制值。表24 是一部分温度值对应的二进制温度数据。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容做比较。若TTH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令做出响应。因此，可用多只 DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。232221202-12-22-32-4SSSSSSSSLS字节MS字节 图29 温度数据值格式在64位ROM的最高有效字节中存储器循环冗余检验码(CRC)。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18
9、B20的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理如图210所示.图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用它产生的信号作为减法计数器1的脉冲输入；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显变化，所以产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行
10、减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器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就是所测温度值。图210 中的斜率累加器用于温度补偿和修正测温过程中的非线形性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）
11、 发ROM功能命令 发存储器操作命令 处理数据。(4) DS18B20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。另一种是寄生电源方式，如图211 所示。单片机端口接单总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，温度/二进制十六进制表示+1250000 0111 1101 0000 07D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000
12、 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H0.51111 1111 1111 1000FFF8H10.1251111 1111 0101 1110FF5EH25.06251111 1110 0110 1111FE6FH551111 1100 1001 0000FC90H表24 DS18B20温度与测得值对应表 图210 DS18B20测温原理图上拉开始时间最大为10s。采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。由于单线制只有一
13、根线，因此发送接口必须是三态的。图211 DS18B20采用寄生电源的电路图2.2 显示电路1602原理图LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。 LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，
14、阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。 LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。 然而，可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而
15、不加电时被阻断。但由于计算机屏幕几乎总是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。 从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5m均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中
16、，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。 2.3 报警电路温度报警电路采用NPN三极管、电阻和蜂鸣器组成。在设定报警温度后，超出温度范围时，由报警电路实现报警功能。图 314 报警部分电路图以上我们对多点温度测量电路的硬件各部分电路温度测量电路、报警电路等进行了介绍，在下一章我们将
17、对软件部分进行分析。三、 系统软件的设计系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等等。3.1 主程序主程序的主要功能是负责温度的实际显示、读数并处理DS18B20的测量温度值，温度测量每1s进行一次。其程序流程图见图31 。3.2 读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC检验，校验有错时不进行温度数据的改写。写程序流程图如图32 所示。3.3 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位分辨率知转换时间约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
18、度转换命令子程序流程图如图33 所示。3.4 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34 所示。3.5 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将符号显示位移入下一位。程序流程图如图45所示。图 31 温度计主程序流程图 图32 读出温度子程序流程图发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令结束小数部分二进制值0123456789ABCDEF十进制值0011233455667899图33 温度转换命令子程序流程图图34 计算温度子程序流程图 图35 显
19、示数据刷新子程序流程图3.6 温度数据的计算处理方法从DS18B20读取出的二进制值必须先转换成十进制值，才能用于字符显示。因为DS18B20的转换精度为9到12位可选的，为了提高精度选取12位。在采用12位转换精度时，温度寄存器里的值是以0.0625为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以0.0625，就是实际的十进制温度值。通过观察表31可以发现一个十进制值和二进制值之间有很明显的关系，就是把二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一个字节，这个字节的二进制值化为十进制值后，就是温度值的百、十、个位值，而剩下的低字节的低半字节化成十进制后，就是温度值的小数部分。小数部分因为是半
20、个字节，所以二进制值范围是0至F，转换成十进制小数值就是0.0625的倍数（0至15）。这样需要4位的数码管来显示小数部分，实际应用不必有这么高的精度，采用1位数码管来显示小数，可以精确到0.10C。表3-1就是二进制和十进制的近似对应关系表。附录一#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P17;/ds18b20与单片机连接口sbit RS=P24;sbit RW=P25;sbit EN=P26; sbit BEEP = P27; /蜂鸣器驱动线 sbit BEEP1 = P16;/小灯报警驱动线
21、sbit BEEP2 = P34; sbit key0=P30;sbit key1=P31;sbit key2=P36;sbit key3=P37; /加热驱动线unsigned char code str1=TH: TL: ;unsigned char code str2=temp: ; unsigned char code str3=design:wj ;unsigned char code str4= error ;uchar data disdata5;uint tvalue,x=6,y=4,h,m=0x00,n=0x00;/温度值uchar tflag,z;/温度正负标志unsign
22、ed char val ;void delay(uint n) /延时1us while (-n); void speak() / 蜂鸣器响一声 unsigned char i; for (i=0;i200;i+) /喇叭发声的时间循环，改变大小可以改变发声时间长短 delay(100); /数决定发声的频率，估算值 BEEP=!BEEP; /BEEP取反 /if(temp20) break; BEEP=1; /喇叭停止工作，间歇的时间，可更改 delay(10) ; /if(temp20) break; /*lcd1602程序*/ void delay1ms(unsigned int ms)
23、/延时1毫秒（不够精确的） unsigned int i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j0;i-) DQ = 0; /给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; /给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; delay_18B20(10); return(dat); void ds1820wr(uchar wdata)/*写数据*/ unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata=1; read_temp()/*读取温度值并转换*
24、/ uchar a,b; ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);/*跳过读序列号*/ ds1820wr(0x44);/*启动温度转换*/ ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);/*跳过读序列号*/ ds1820wr(0xbe);/*读取温度*/ a=ds1820rd(); b=ds1820rd(); tvalue=b; tvalue=8; tvalue=tvalue|a; if(tvaluex) speak(); BEEP1=0; BEEP2=1; else if(zy) speak(); BEEP1=0; BEEP2=0; else BEEP1=1; wr
25、_com(0x85); wr_dat(flagdat);/显示符号位 wr_com(0x86); wr_dat(disdata0);/显示百位 wr_com(0x87); wr_dat(disdata1);/显示十位 wr_com(0x88); wr_dat(disdata2);/显示个位 wr_com(0x89); wr_dat(0x2e);/显示小数点 wr_com(0x8A); wr_dat(disdata3);/显示小数位 wr_com(0xc4); wr_dat(disdata4); wr_com(0xcb); wr_dat(disdata5); /*主程序*/ void main(
26、) /uchar a,b,c,temp,th=30,tl=20; init_play();/初始化显示 while(1) if(key0=0) while(key0=0); x+=1; m=m+1;if(key1=0) delay(200); while(key1=0); x=x-1;m=m-1; if(key2=0) delay(200); while(key2=0); y+=1; n=n+1;if(key3=0) while(key3=0); y=y-1; n=n-1; if(x=y) speak(); wr_com(0xc0);display(str4);delay(100); wr_c
27、om(0xc0); display(str1); read_temp();/读取温度 ds1820disp();/显示 附录二6 结论由于本设计采用了集成温度传感器，这样不仅减少了硬件电路的设计与调试，并且此温度传感元件的集成性能比传统的元件要优越得多，这样简化了电路的设计难度还降低了产品的价格。如果我们采用传统的元件则在设计中还要加入A/D转换器和模拟开关，这样就增加了电路的设计难度并且感温元件的精度和转换性能也是远不及集成的感温元件DS18B20的。所以在以后的设计过程中应该尽量的采用集成元件。另外，本设计还可以实现高低温报警功能和多点温度测量功能，因此，能够适用于多种场合。 计算机系统与
28、接口课程设计任务书学 院： 信 电 学 院 专 业： 电子信息工程技术 设计题目： 温度控制器1、课程设计的内容和要求内容：1. 熟悉AT89C51/52单片机的硬件资源2. 掌握Keil Vision 单片机集成开发环境的使用，掌握 C/ASM程序的编辑、编译、调试、仿真的方法。3. 掌握单片机常用温度传感器，液晶显示器的使用。4. 了解实际工业温度采集仪表的功能、工作方式和设计流程。要求：1. 在Keil Vision 单片机集成开发环境下实现温度的采集、和温度上下限的设定。2. 编写完整单片机C51程序，生成HEX文件。3. 绘制PROTEUS单片机仿真软件，实现Keil Vision和PROTEUS单片机联合调试和仿真。4. 根据实际工业仪表、仪器的工作功能和流程，在完成基本要求的情况下适当增加软件、硬件功能。（提高要求）2、主要参考文献1. 单片机典型模块设计实例导航 2. 单片机原理与应用及C51程序设计 3. 51单片机C语言常用模块与综合系统设计 3、课程设计进度计划起止时间工作内容备注第17周选题第18周查阅资料、文献，学习相关知识和工业仪表、仪器功能第19周设计硬件电路、编写软件、下载或调试系统功能第20周编写课程设计报告或设计说明书4、考核方式课程设计的考核采取论文评阅、结果演示和答辩相结合的原则。严禁抄袭。指导老师签字： 教研室主任签字：