毕业设计（论文）测控智能仪器设计

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1、1基于 DS18B20 的振动箱体数字温度计设计1 引言单片机已经在测控领域中获得了广泛的应用，它除了可以测量电信号外， 还可以用于温度、湿度等非电信号的测量，能独立工作的单片机温度检测、温 度控制系统已经广泛应用于很多领域。与传统的温度计相比，这次设计的是基 于 DS18B20 的数字温度计，它具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显 示，适用范围宽等特点。在本设计中选用 AT89C51 型单片机作为主控制器件，采用 DS18B20 数字 温度传感器作为测温元件，通过 4 位共阳极 LED 数码显示管并行传送数据，实 现温度显示。本设计的内容主要分为两部分，一是对系统硬件部分的设计，包 括

2、温度采集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，应用 C 语言实现温 度的采集与显示。通过 DS18B20 直接读取被测温度值，送入单片机进行数据处 理，之后进行输出显示，最终完成了数字温度计的总体设计。其系统构成简单， 信号采集效果好，数据处理速度快，便于实际检测使用。关键词：单片机 AT89C51；温度传感器 DS18B20；LED 数码管；数字温度计2 绪论22.1 论文课题及要求论文课题：选用热敏电阻、DS18B20 或其它温度传感器测量某振动箱体的温度，其内 部装有冷却水时的温度范围为 0100 摄氏度，内部不装冷却水时的温度范围为-20+120 摄氏度，根据需要设计数据采集通道，

3、对传感器信号进行合理的调理后送 AT89C52 单片机，由单片机控制 1602 液晶显示屏显示输出，显示格式 自定，但需包含简短说明及实时温度两项内容。论文要求：1）.对热敏电阻、DS18B20 或其它自选测量方法的测温原理进行论述和比较， 指出各自的适用场合（如测温范围、使用环境是否允许油污、振动等等） ，并选 定其一用于温度测量；无论采用哪种测温方案均需分别检测箱体（金属固体） 和箱体内冷却水或空气（液体或气体）的温度，即需要同时检测两个温度值， 取其平均值作为最终显示温度；2）.明确指定检测装置的安装及调试方案（即应该如何安装固定及调试） ，根据 选定的传感器进行数据采集通道的设计，论文

4、中应明确写出数据采集通道由几 个环节组成以及各环节的作用；无论采用哪种方案，都需在硬件设计中明确指 出所采用的抗振及抗干扰措施，软件设计中需采用软件看门狗技术以确保检测 系统在恶劣情况下能够正常工作；3）.在占用最少系统资源的原则下，对所使用单片机资源进行合理分配。2.2 课题背景单片机自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS-48 开始，迄今已有三十多年了。 由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格 低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不 在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表 等迅速发展到家

5、用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC 机外围以及网络通讯 等广大领域，对各个行业的技术改造和产品更新换代起着重要的推动作用。单片机有两种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将 程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另 一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大 的程序存储器。目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构 为多。20 世纪 80 年代中期以后，Intel 公司以专利转让的形式把 8051 内核技术转 让给许多半导体芯片生产厂家，如 ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS

6、 等。这些厂家生产的芯 片是 MCS-51 系列的兼容产品，准确地说是与 MCS-51 指令系统兼容的单片机。 这些兼容机与 8051 的系统结构(主要是指令系统)相同，采用 CMOS 工艺，因而， 常用 80C51 系列来称呼所有具有 8051 指令系统的单片机，它们对 8051 单片机 一般都作了一些扩充，使其更有特点。其功能和市场竞争力更强，其实不该把3它们直接称呼为 MCS-51 系列单片机，因为 MCS 只是 Intel 公司专用的单片机 系列型号。MCS-51 系列及 80C51 单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统 相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的 MCS-51

7、系列单片机及其 兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功耗型、专用型、超 8 位型、 片内闪烁存储器型。其中 ATMEL 公司的标准型 AT89 单片机因其与 MCS-51 的完全兼容性、优良的工作性能、使用的灵活性以及较高的性能价格比，成为 AT89 系列单片机的主流机型，在嵌入式控制系统中获得广泛应用。2.3 课题来源众所周知，环境温度一直是生物能否较适宜生存的一个重要因素，而人们 对环境温度的感知也从单纯的身体感官的感受发展到用各种温度计来对环境温 度进行准确的测量。但是受限于技术等原因，温度计通常都有体积较大，精度 不高等各种缺陷。而数字温度测量芯片的出现则解决了这些问题，其中的

8、一款 芯片 DS18B20 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 线上可以挂载很多这样的数字温度芯片，十分方便。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(ON-B0ARD)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。现在，新一代的 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。使你可

9、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。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，这就为用最低的成本制 作出用途更广，精度更高的便携带的数字温度计提供了可能。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、 网络化的方

10、向飞速发展。43 基于 DS18B20 数字温度计设计的可行性分析3.1 数字温度计设计方案论证3.1.1 方案一由于本设计实现的是测温电路，首先我们可以使用热敏电阻之类的器件， 利用其感温效应，将其随被测温度变化的电压或电流值采集过来，进行 A/D 转 换后，就可以用单片机进行数据的处理，通过显示电路就可以将被测温度显示 出来，这种设计需要用到 A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。因此，我们引出 第二种方案。3.1.2 方案二我们可以采用技术成熟、操作简单、精确度高的温度传感器，在此，可以 选用数字温度传感器 DS18B20，根据它的特点和测温原理，很容易就能直接读 取被测温度值并进行转换，

11、这样就可以满足设计要求。从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也 比较简单，故在本设计中采用了方案二。通过方案二设计的温度计总体电路图如附录图 C 所示，控制器采用单片机 AT89C51，温度传感器采用 DS18B20，用 4 位 LED 数码管以串口并行输出方 式传送数据实现温度显示。3.2 单线技术目前，常用的微机和外设之间数据传输的串行总线有 I2C 总线、SPI 总线等， 其中 I2C 总线采用同步串行双线(一根时钟线，一根数据线)方式，而 SPI 总线采 用同步串行三线(时钟线，输入线，数据输入线)方式。这两种总线需要至少两 根或两根以上的信号线。美国达拉斯半

12、导体公司推出了一项特有的单线技术。 该技术于上述总线不同，它采用单根信号线，即可传输时钟，又能传输数据， 而且数据传输时是双向的，因而这种单线技术具有线路简单，硬件开销少，成 本低廉。便于扩展的优点。单线技术适用以单主机系统，单主机能够控制一个或多个从机设备。主机 可以是微控制器，从机可以是单线器件，它们之间的数据交换，控制都由这根 线完成。主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备 在不发送数据时能够释放线，而让其它设备使用。单线通常要求外接一个约5k 的上拉电阻，这样，当该线闲置时，器件状态为高电平。主机和从机之间的通信主要分为 3 个步骤：初始化单线器件，识别单线器 件

13、和单线数据传输。由于只有一根线通信，所以它们必须是严格的主从结构， 只有主机呼叫从机时，从机才能应答，主机访问每个单线器件都必须严格遵循 单线命令序列，从机遵守上述三个步骤的顺序。如果命令序列混乱，单线器件 将不会响应主机。所有的单线器件都有遵循严格的协议，以保证数据的完整性。单线协议有 复位脉冲，其他均由主机发起，并且所有命令和数据都是字节的地位在前。54 系统的硬件选择及设计4.1 核心处理器的设计4.1.1 AT89C51 的简介对于单片机的选择，可以考虑使用 8031 与 8051 系列，由于 8031 没有内部 RAM，系统又需要大量内存存储数据，因而不适用。所以，我们选用 51 系

14、列 单片机 AT89C51。AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4kbytes 的可编程的 Flash 只读程序存储器，兼容标 准 8051 指令系统及引脚，并集成了 Flash 程序存储器，既可在线编程(ISP)， 也可用传统方法进行编程，因此，低价位 AT89C51 单片机可应用于许多高性价 比的场合，可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。单片 机 AT89C51 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足 电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供 电。AT89C51 的主要

15、特性如下： 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 根可编程 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。61、AT89C51 引脚图芯片 AT89C51 的引脚排列和逻辑符号如图 4.1 所示。图 4.1 AT89C51 单片机引脚图2、AT89C51 引脚功能介绍 单片机芯片 AT89C51 为 40 引脚双列直插式封装。其各个引脚功能介绍如 下：

16、(1) VCC：供电电压；(2) GND：接地；(3) P0 口P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每个管脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚写”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 FLASH 编程时，P0 口作为原码输入口， 当 FLASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部电位必须被拉高。(4) 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74TTL 门电流。P1 口管脚写入”1”后，电位被内部上拉为高，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。(5) 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，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为 输入。作为输入时，P2 口的