温度采集系统设计论文文档格式.docx

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是传统现场指针双金属温度计的理想替代产品，广泛应用于各类工矿企业，大专院校，科研院所。

数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即AD转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC机等，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。

这样就完成了数字温度计的基本测温功能。

数字温度计根据使用的传感器的不同，AD转换电路，及处理单元的不同，它的精度，稳定性，测温范围等都有区别，这就要根据实际情况选择符合规格的数字温度计[1]。

本设计是一个基于51单片机的数字温度计可以对温度进行测量。

1.2电路的总体工作原理

温度控制系统采用AT89C51八位机作为微处理单元进行控制。

采用温度传感器把采集的信号通过LED显示出来。

系

AT89C51

LED显示

温度传感器

单片机复位

时钟振荡

统框图如图1.1所示：

图1.1系统框图

根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、显示等功能。

选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样／保持电路、运放、数／模转换电路以及进行长距离传输时的串／并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。

该系统的总体设计思路如下：

温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将温度在显示电路上显示[4]。

2方案论证

本章主要对毕业设计的题目进行了分析，根据要实现的功能，综合比较几种设计方法，提出了实现系统功能的最佳方案。

2.1题目分析

本设计是一个数字温度测量系统，能采集和测量温度。

2.1.1具体要求

根据设计的要求，要利用温度传感器实时温度。

毕业设计的主要任务是能对温度进行采集和测量。

设计中采用单片机来采集和测量温度。

要实现系统的设计要用到的知识点有单片机的原理及其应用，温度传感器的原理和应用，及显示电路的设计等。

2.2温度传感器的选择

2.2.1采用数字单片智能温度传感器

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，它能过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。

可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和2位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以想所挂接DS18B20供电，而无需额外电源，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性高。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果[7]。

而且该传感器才用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路。

DS18B20的性能特点：

（1）DS18B20的供电电压范围为3.0-5.5V。

当在-10℃—+85℃范围内，可确保测量误差不超过0.5℃，在-55—+125℃范围内，测量误差也不超过2℃。

（2）DS18B20的转换速率比较高，进行9位的温度转换仅需93.75ms。

（3）具有电源反接保护电路。

当电源电压的极性反接时，能保护DS18B20不会因发热而烧毁。

但此时芯片无法正常工作。

（4）适配各种单片机或系统。

（5）采用DALLAS公司独特的“单线总线”专有技术。

（6）内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码（CRC）之后，产品序号占48位。

出厂前产品序号存入其ROM中。

（7）用户可自设定非易失性的报警上下限值。

（8）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。

DS18B20采用了3脚PR—35封装或8脚SOIC封装，引脚排列如图2.1所示。

图2.1DS18B20的管脚排列

其引脚功能描述见表2.1。

表2.1DS18B20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。

开漏单总线接口引脚。

当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。

3

VDD

可选择的VDD引脚。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

DS18B20采用3脚PR-15封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.2所示。

C

64

位

R

O

M

和

单

线

接

口

高

速

缓

存

存储器与控制逻辑

高温触发器TH

低温触发器TL

配置寄存器

8位CRC发生器

Vdd

图2.2DS18B20内部结构

64位ROM的结构开始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。

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EERAM。

高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3所示。

头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节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工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。

该字节各位的定义如图2.3所示。

低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。

温度LSB

温度MSB

TH用户字节1

TL用户字节2

保留

CRC

TM

R1

R0

图2.3DS18B20字节定义

由表2.2可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。

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。

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。

当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；

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，再计算十进制数值。

表2.3是一部分温度值对应的二进制温度数据。

表2.2DS18B20温度转换时间表

R1

分辨率/位

温度最大转向时间/ms

9

93.75

10

187.5

11

375

12

750

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。

若T>

TH或T<

TL，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作出响应。

因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。

主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；

高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。

器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就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来决定，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、温度寄存器中，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计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。

其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。

表2.3一部分温度对应值表

温度/℃

二进制表示

十六进制表示

+125

0000011111010000

07D0H

+85

0000010101010000

0550H

+25.0625

0000000110010000

0191H

+10.125

0000000010100001

00A2H

+0.5

0000000000000010

0008H

0000000000001000

0000H

-0.5

1111111111110000

FFF8H

-10.125

1111111101011110

FF5EH

-25.0625

1111111001101111

FE6FH

-55

1111110010010000

FC90H

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，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作按协议进行。

操作协议为：

初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

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AT89S51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的复位时序,如图2.4所示。

图2.4DS18B20的复位时序

DS18B20的读时序,如图2.5所示。

对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。

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。

图2.5DS18B20的读时序

DS18B20的写时序,如图2.6所示。

对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。

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。

图2.6DS18B20的写时序

由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便，是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。

2.3显示器的选择

在显示器的选择上，我选择了LED显示器。

简单的数据显示常采用液晶显示或数码管显示。

液晶显示有耗电低、外形美观的优点，并且，点阵液晶可显示较复杂的字符或图案。

其缺点是通用液晶显示器的显示方案构建不够灵活，在较暗的环境下液晶需要背光，而且，液晶显示成本较高。

相对液晶显示器来讲，由于数码管种类繁多，其显示方案构建灵活，成本较低。

由于本身即是发光体，所以，数码管显示无需额外光源。

数码管的缺点是功耗较大，字符较多时，必须交流供电，而且，数码管不能显示复杂字型。

所以，液晶和数码管两个方案的选择要根据显示的具体情况而定。

根据要求选择8位数码管能够满足温度计显示的要求。

2.31LED数码管

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；

按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；

按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴极数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

数码管的驱动方式如下。

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×

8＝40根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

动态显示驱动。

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

2.4单片机的选择

STC单片机：

STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快8～12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强。

PIC单片机：

是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。

EMC单片机：

是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差。

ATMEL单片机（51单片机）：

ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式;

AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机,也叫AVR单片机。

PHLIPIS51PLC系列单片机（51单片机）：

PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。

HOLTEK单片机：

台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品。

TI公司单片机（51单片机）：

德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合;

MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合。

松翰单片机（SONIX）：

是台湾松翰公司的单片大多为8位机，有一部分与PIC8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMWADC内振内部杂讯滤波。

缺点RAM空间过小，抗干扰较好[2]。

2.4.1采用凌阳单片机

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）等领域。

凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。

它的CPU内核采用凌阳最新推出的µ

’nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）16位微处理器芯片（以下简称µ

’nSP™）。

围绕µ

’nSP™所形成的16位µ

’nSP™系列单片机（以下简称µ

’nSP™家族）采用的是模块式集成结构，它以µ

’nSP™内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。

µ

’nSP™内核是一个通用的核结构。

除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。

借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。

这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。

利用凌阳单片机有一定的好处凌阳的优势是硬件性能，抗干扰能力强，但凌阳单片机我们没有系统的学习，这对于刚接触单片机的我们来说不是很容易上手，其价格也要比89C51昂贵一些，因此我们并没有将其作为首选[3]。

2.4.2采用AT89C51单片机

AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容[18]。

芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。

AT89C51（以下简称89C51）将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比较高[15]。

一、89C51性能及特点：

（1）与MCS－51微控制器产品系列兼容。

（2）片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器（FlashMemory）。

（3）存储器可循环写入／擦除1000次。

（4）空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。

（5）宽工作电压范围：

Vcc可为2.7V～6V。

（6）全静态工作：

可从0Hz至16MHz。

（7）程序存储器具有3级加密保护。

（8）128×

8位内部RAM。

（9）32条可编程I／O线。

（10）两个16位定时器／计数器。

（11）中断结构具有5个中断源和2个优先级。

（12）可编程全双工串行通道。

（13）存储数据保存时间为10年。

二、片内快闪存储器（FlashMemory）

由于EEPROM具有在线改写，并在掉电后仍能保存数据的特点，可为用户的特殊应用提供便利。

但是，擦除和写入对于要求数据高速吞吐的应用还显得时间过长，这是EEPROM芯片的主要缺陷。

表2.4列出了几种典型EEPROM芯片的主要性能数据[16]。

表2.4几种典型EEPROM芯片主要性能

型号

2816

2816A

2817

2817A

2864A

取数时间/ms

250

200/250

擦/写电压/V

21

5

字节擦除时间/ms

9～15

写入时间/ms

由上表可见，所列各种芯片的字节擦除时间和写入时间基本上均为10ms，这样长的时间对于许多实际应用是不能接受的。

因此，为了将存储器集成到微控制器芯片内，设法缩短此类存储器的擦除和写入时间是一个首要的问题。

片内快闪存储器（FlashMemory）的概念就是在这种背景下提出来的。

Flash存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器（简记为FPEROM），这使开发调试更为方便。

在MCS－51系列产品中，凡标有89CXX的芯片均为带有此类存储器的产品系列[11]。

三、AT89C51硬件结构及引脚

图2.7AT89C51内部结构图

AT89C51的内部硬件结构如图2