手持温度测量仪设计方案第1章 绪论1.1 温度测量的背景和现代技术温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学实验(如：物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验)中，有特别重要的意义。现在所使用的温度计通常都是精度为1和0.1的水银、煤油或酒精温度计。这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且它们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。DS18B20与传统的温度传感器相比，能够直接读出被测温度。而在传统的远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，数字温度传感器DS18B20是一款性能优异的数字式传感器，具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网、能较好地解决传统测温装置普遍存在的携带不便、易损坏、易受干扰等不足，可广泛的应用于工业控制中的各种温度监控。1.2 研究方法本论文是用单片机的相关知识设计一个实用的手持式温度控制系统。首先，我们查阅了大量的关于温度测量的资料，从而确定了用哪个单片机芯片和用哪类温度传感器，以及用何种液晶显示器。通过研究比较，我们选择89C51芯片，DS18B20温度传感器，以及1602液晶显示器和PQ05RF11的+5V稳压集成电路。为了达到预期的成果，我们首先熟悉和了解了DS18B20的工作原理和于单片机的接口编程，其次我们也熟悉和了解了89C51单片机和1602液晶显示器的工作原理和它的显示编程，并进行硬件连线，并进行调试。1.3 预期结果 经过一段时间的研究和试验，我们在硬件和软件方面，我们取得成功卓越的成果。硬件方面：把DS18B20的测温输入端口和单片机实现了连接，并实现了液晶显示器与单片机的连接并用Protel 99 SE作出硬件连线图。在软件方面：我们成果的实现接口之间的匹配了并用单片机进行精确的温度测量然后把测量结果通过液晶显示器显示出来。从而较好的达到了毕业设计的预期目的。第2章 设计方案及主要技术2.1 设计方案在设计中，我们采取总分总的结构。首先我们介绍了总体的构架即我们是如何做这个设计，用何种方法，如何做的问题。其次，我们分开介绍设计中要用到的各个器件的技术性能描述、应用范围以及它的注意事项，同时我们也进行了硬件的设计和连接，运用Protel 99 SE软件，把硬件的连线图直观的画出来。最后，我们在硬件的基础上进行软件的编程和调试。2.2 89C51单片机中文简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可 擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多 功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.2.1 单片机的主要特性与MCS-51 兼容，4K字节可编程闪烁存储器 ，寿命：1000写/擦循环，数据保留时间：10年，全静态工作：0Hz 24Hz，三级程序存储器锁定，128*8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源 ，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。2.2.2 单片机的管脚说明1 图2-1 AT89C51的示意图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程 序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作 输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻 拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存 储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器 的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。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。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， /EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.2.3 芯片擦除2整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 2.3 温度传感器DS18B203美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板专利技术。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。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。它体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线” 接口，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。DS1822的精度较差为2C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及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！性能价格比也非常出色！DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为2C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择。2.3.1 DS18B20技术性能和应用范围4(1)DS18B20的引脚介绍图2-2 DS18B20的图示 序号 名称 引脚功能描述1 GND 地引号2 DQ 数据输入/输出引脚3 VDD 可选择的VDD引脚(2)DS18B20的主要特性适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。 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。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。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。测温范围55125，在-10+85时精度为0.5。可编程的分辨率为912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。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。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。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)DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1Wire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