摘要 本设计以STC89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、led控制程序。关键词：STC89S51；单片机；DS18B20；温度芯片；LED目录引言11.设计概述21.1 设计目标和要求21.2 设计思路22.系统方案及硬件设计32.1 设计方案32.2 方案的硬件总体方框图32.3 温度传感器DS18B20测温原理42.4 硬件设计92.4.1主控制器电路92.4.2复位电路102.4.3时钟振荡电路102.4.4正相驱动电路112.4.5反相驱动电路112.4.6显示电路12 2.5 软件设计123.系统原理图144.proteus软件仿真结果154.1系统仿真设计154.2仿真结果分析155.结论166.参考文献17引言单片机以其体积小、功能完善、抗干扰能力强、价格低廉等优点而被广泛应用于工业控制、可编程序控制器、通信、家电等领域。89C51系列单片机经过多年的发展，在性能、指令功能、运算速度、控制能力等方面都有很大的提高，已被越来越多的科学工作者所关注。 目前，大学院校相关电子、机电、自动化、计算机等专业都在开设这门课程。单片机课程设计是学生加深理论知识理解、提高实际设计能力的重要环节，从设计电路板，到程序编制与调试，最后完成一个单片机系统的设计，可以使学生体验到成功的快乐。Proteus虚拟单片机仿真软件可以成功地进行绝大部分的单片机硬件仿真，轻松实现程序功能的展示。1.设计概述1.1 设计目标和要求1.用所学的单片机知识设计制作数字温度计；2.测温范围是-50-100；3.误差小于0.5；4.所测的温度值可以由LCD数码管直接显示；5.进一步熟悉proteus,protel,word软件的功能和使用方法；1.2 设计思路 首先确定我们所设计的是一个数字温度计，由单片机、温度传感器以及其他电路共同实现。 根据所要实现的功能，先在proteus软件上仿真。根据所选用的硬件可以将整个软件设计分为若干子程序，有初始化、查询时间、发送指令、读取数据、显示温度等构成，可将以上子程序分别设计，实现各自的功能，再在子程序中调用，就可以实现预期的目标。 在proteus软件里画出相应的电路图，将编写好的程序的编译后的文件下载到proteus电路图的单片机里，进行仿真，对温度传感器设置不同的参数，看是否达到了我们设计所要求的目标，如果不符合要求，需要检查程序算法和硬件连接是否有误。若仿真成功，就按照电路图焊接硬件。2.系统方案及硬件设计2.1 设计方案 采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和AT89C51单片机构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,也可直接与计算机连接。采用AT89C51单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。该系统利用AT89C51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限温度。该系统扩展性非常强。该测温系统电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单。2.2 方案的硬件总体方框图 基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器AT89C51，温度传感器采用的DS18B20，用四位数码管显示温度。图2.2.1 硬件总体方框图2.3 温度传感器DS18B20测温原理DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司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：（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，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。（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网测温；（3）无须外部器件，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；（4）可通过数据线供电，电压范围为3.0-5.5；（5）零待机功耗；（6）温度以9或12位数字，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）用户可定义报警设置；（8）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；（9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；（10）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DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其引脚排列及内部结构框图如图2及图3以及图4的测温原理图如下所示：图2.3.1 引脚排列图图2.3.2 内部结构框图图2.3.3 DS18B20测温原理图 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2.3.3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2.3.4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，用户不要去改动，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 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRCTMR1R011111图2.3.4 DS18B20的字节定义图 DS18B20的分辨率定义如表2-1所示。表2-1 分辨率设置表R0R1分辨率最大温度转移时间009位96.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms 由表2-1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。 主机控制DS18B20完成温度转换过程是：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，即将数据总线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16-60us左右，之后发出60-240us的存在低脉冲，主CPU收到此此信号表示复位成功；复位成功后发送一条ROM指令，然后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预订的读写操作。表2-2 ROM指令集指令约定代码功能读ROM33H读DS18B20中的编码符合ROM55H发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编辑相对应的DS18B20使之做出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上的DS18B20个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发送温度变换指令告警搜索命令0ECH执行后，只有温度跳过设定值上限或下限的片子才能做出反应表2-3 RAM指令集指令约定代码功能温度转换44H启动DS18B20进行温度转换读暂存器0BEH读暂存器9个字节内容写暂存器4EH将数据写入暂存器的TH、TL字节复制暂存器48H把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中重调E2RAM0B8H把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节读供电方式0B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU 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，首先将最低温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最低温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。2.4 硬件设计2.4.1主控制器电路 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。 AT89C51是一种带2K字节闪存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1000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和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C51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。引脚图如图2.4.1所示。图2.4.1 AT89C51引脚图2.4.2复位电路 在这里采用的是按钮加上电复位，系统每次上电和每次按下复位按钮，系统就会复位。复位电路图如图2.4.2所示。图2.4.2 复位电路图2.4.3时钟振荡电路 在这里采用的是1MHZ的晶振频率，它与单片机的硬件连接电路如图2.4.3所示。图2.4.3 晶振电路图2.4.4正相驱动电路74LS245为数码管的断码驱动芯片，P0.0P0.7输出段