单片机设计的远程实时温度监控系统方案.docx
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单片机设计的远程实时温度监控系统方案
单片机课程设计报告
----远端温控报警及实时温度显示
学院:
电控学院
班级:
自动化0704
姓名:
樊徽
学号:
0706050412
远端温控报警及实时温度显示
摘要
本设计采用的是STC89C51单片机,该单片机采用的MCU51内核,因此具有很好的兼容性,最突出特点是具有串口下载功能,使得烧写程序更加方便。
温度检测采用DALLAS公司的数字化温度传感器,该芯片采用的是独特的“一线总线”的方式与单片机进行通信,一线总线独特而且经济的特点,是用户可以轻松的组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新的概念。
实时温度采用一线总线的方式传输大大的提高了信号的抗干扰性,分辨率可通过软件设置,其小巧的体积为各种环境下测量温度提供了方便。
显示器件采用数码管显示方便,完全能满足温度的显示要求。
系统中增加了串口通信功能,可以远端控制,
通过此次设计能够更加牢固的掌握单片机的应用技术,增强动手能力、硬件设计能力以及软件设计能力。
1.设计题目选择
设计的最初想法是由于实际需要,夏天风扇一直开着,但晚上温度降低时已经没有人去关掉风扇了,既费电又容易感冒。
所以是本着实际需要的想法去设计这个系统的。
2.系统设计思路及原理框图
2.1设计思路
用STC89C51单片机及DS18B20等元器件,设计制作一个远端温控风扇的系统。
硬件材料利用以前制作的单片机实验板。
尽量做到不乱投资,充分利用所学知识和手头资源,做出一个有意义的东西。
该系统可对环境温度实时显示,测温范围-55~125℃。
甲机做数据采集用,放置在人所在出。
温度低于设置温度时,发送命令到下位机,触发继电器动作,关闭模拟风扇模块。
2.2系统原理框图
3.硬件电路设计
3.1温度采集模块
温度检测的方法很多,可以用热电阻测温,但还需要附加模数转换单元,增加硬件开销。
所以我们选择了可以直接将温度转化为数字量的数字温度传感器,
3.1.1数字温度传感器DS18B20介绍
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。
DS18B20的主要特性
(1)适应电压范围更宽,电压范围:
3.0~5.5V,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-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃
(6)可编程的分辨率为9~12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。
3.1.2DS18B20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1:
DS18B20引脚定义:
(1)DQ为数字信号输入/输出端;
(2)GND为电源地;
(3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
DS18B20内部结构图
3.1.3DS18B20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测温原理是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。
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。
DS18B20有4个主要的数据部件:
(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0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位。
表1:
DS18B20温度值格式表
这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20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0.0625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0.0625即可得到实际温度。
(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下:
表2:
配置寄存器结构
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
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,如下表所示:
(DS18B20出厂时被设置为12位)
表3:
温度分辨率设置表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
3.1.4高速暂存存储器
高速暂存存储器由9个字节组成,其分配如表5所示。
当温度转换命令发布后,经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。
单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式如表1所示。
对应的温度计算:
当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变为原码,再计算十进制值。
表2是对应的一部分温度值。
第九个字节是冗余检验字节。
表4:
DS18B20暂存寄存器分布
寄存器内容
字节地址
温度值低位(LSByte)
0
温度值高位(MSByte)
1
高温限值(TH)
2
低温限值(TL)
3
配置寄存器
4
保留
5
保留
6
保留
7
CRC校验值
8
根据DS18B20的通讯协议,主机(单片机)控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,当DS18B20收到信号后等待16~60微秒左右,后发出60~240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。
表5:
ROM指令表
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS1820温度传感器ROM中的编码(即64位地址)
符合ROM
55H
发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应,为下一步对该DS1820的读写作准备。
搜索ROM
0FOH
用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。
为操作各器件作好准备。
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址,直接向DS1820发温度变换命令。
适用于单片工作。
告警搜索命令
0ECH
执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。
表6:
RAM指令表
指令
约定代码
功能
温度变换
44H
启动DS1820进行温度转换,12位转换时最长为750ms(9位为93.75ms)。
结果存入内部9字节RAM中。
读暂存器
0BEH
读内部RAM中9字节的内容
写暂存器
4EH
发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令,紧跟该命令之后,是传送两字节的数据。
复制暂存器
48H
将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中。
重调EEPROM
0B8H
将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节。
读供电方式
0B4H
读DS1820的供电模式。
寄生供电时DS1820发送“0”,外接电源供电DS1820发送“1”。
3.1.5、DS18B20的应用电路
DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。
1、DS18B20寄生电源供电方式
独特的寄生电源方式有三个好处:
1)进行远距离测温时,无需本地电源
2)可以在没有常规电源的条件下读取ROM
3)电路更加简洁,仅用一根I/O口实现测温
2、DS18B20寄生电源强上拉供电方式
为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应,当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时,用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流,在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后,必须在最多10μS内把I/O线转换到强上拉状态。
在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题,因此也适合于多点测温应用,缺点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。
3、DS18B20的外部电源供电方式
在外部电源供电方式下,DS18B20工作电源由VDD引脚接入,此时I/O线不需要强上拉,不存在电源电流不足的问题,可以保证转换精度,同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。
注意:
在外部供电的方式下,DS18B20的GND引脚不能悬空,否则不能转换温度,读取的温度总是85℃。
我们采用了这种接线方式。
、
3.1.6设计原理图
3.2两单片机之间串行通信的设计
两个单片机之间采用串口通信,由于单
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