室内温度系统设计

《专业综合实习》

报告

设计题目：室内温度设计

专业：电气工程及自动化

班级：（三）班

姓名：温强杨涛于兴国王兼姜黎黎指导教师：高飞

目录

1课程设计目的 (1)

2课程设计目的和要求 (1)

3课程设计报告内容 (1)

4总结和体会 (8)

1课程设计目的

综合运用所学过的知识进行室内温度系统设计，并进行实物的焊接以实现设计的要求。

2课程设计题目和要求

课程设计题目：室内温度系统设计。

课程设计要求：

1)测量范围-55℃-125℃；

2)精度误差小于1℃；

3)LED数码直读显示。

3 课程设计报告内容

室内温度系统设计方案论证

进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。

总体设计框图

温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

图1 总体设计方框图

主控制器

单片机AT89S52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三节电池供电。

温度传感器

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；

2）多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 3）无须外部器件；

4）可通过数据线供电，电压范围为~Ｖ； 5）零待机功耗；

6）温度以９或１２位数字； 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。

如图2 DS18B20采用３脚PR －35封装或８脚SOIC 封装，其外部形状及管脚如图2所示。图中①GND 为地，②DQ 为数据输入/输出端，该引脚为漏极开路输出，常态下成高电平，③可选用的VDD 引脚，不用时应接地。SOIC 封装的NC 为空引脚。

图2 DS18B20的两种封装管脚图

其内部结构框图如图3所示。

VDD

GND

DQ VDD DQ GND NC NC NC

NC NC

图3 DS18B20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。

.

.

TM R11

R01111

.

.

图4 DS18B20字节定义

由表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。

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是一部分温度值对应的二进制温度数据。

表1 DS18B20温度转换时间表

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2一部分温度对应值表

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温度传感器与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图5 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

图5 DS18B20与单片机的接口电路

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。

系统的显示电路

如图6所示，采用74ls373驱动4位共阳极数码管进行显示采集温度。如图，显示电路连接简单，调试方便。

图6 显示电路

系统整体硬件电路

系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，单片机主板电路等。

图5 中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。

系统软件算法分析

系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。

4总结与体会

１、硬件装焊方面要有足够的耐心和细心，就算电路设计的再好，在焊接时出一点小差错，也是不允许的，往往电路的错误都是由于一些小问题引起的，如短路等，将造成不可预测的后果

２、软件方面注意的细节也很多，下面简单介绍一下这阵子写程序得到的一些经验：

(１)写较大的程序时一定要事先做好资源分配。

(２）堆栈指针SP应设初值。

(３）R1、R0也应规定好用哪一区的，即设和。

(４）进入中断时一定要记得保护ACC和PSW（视情况而定）。

(５）不止进中断时要保护，有时候在正常程序下也要对某些值进得保护。可用堆栈式的保护也可先赋值给其他地址，过后再赋回来

(６）妥善使用位地址，位地址可做为一些标志位，可以给编程带来很大的方便。

在本程序中，我就用了三个位地址，使程序大大的简化了

参考书目：

[1] 张迎新，《单片机初级教程——单片机基础》，北京，北京航空航天大学出版社，2006年

[2] 马忠梅，籍顺心，张凯新，《单片机的C语言应用程序设计》，北京，北京航空航天大

学出版社，2003年

[3] 徐爱钧，彭秀华，《Keil Cx51 单片机高级语言编程与μVision2应用实践》，北京，2006年

[4] 谢维成，杨加国，《单片机原理与应用及C51程序设计》，北京，清华大学出版社，2006

年

附录一：电路原理图

D P Y

7

2

16

7

6

54

4

56

7

Q Q Q Q Q Q 61

U5

附录二：C语言程序

#include <>

#include <>

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit ds=P2^3;

sbit dula=P2^7;

sbit wela=P2^6;

sbit beep=P1^7;

uchar flag ;

uint temp; //参数temp一定要声明为int 型

uchar code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,

0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}; //不带小数点数字编码

uchar code table1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd, 0x87,0xff,0xef}; //带小数点数字编码

/*延时函数*/

void TempDelay (uchar us)

{

while(us--);

}

void delay(uint count) //延时子函数

{

uint i;

while(count)

{

i=200;

while(i>0)

i--;

count--;

}

}

/*串口初始化，波特率9600，方式1 */

void init_com()

{

TMOD=0x20; //设置定时器1为模式2

TH1=0xfd; //装初值设定波特率

TL1=0xfd;

TR1=1; //启动定时器

SM0=0; //串口通信模式设置

SM1=1;

// REN=1; //串口允许接收数据

PCON=0; //波特率不倍频

// SMOD=0; //波特率不倍频

// EA=1; //开总中断

//ES=1; //开串行中断

}

/*数码管的显示*/

void display(uint temp)

{

uchar bai,shi,ge;

bai=temp/100;

shi=temp%100/10;

ge=temp%100%10;

dula=0;

P0=table[bai]; //显示百位

dula=1; //从0到1，有个上升沿，解除锁存，显示相应段dula=0; //从1到0再次锁存

wela=0;

P0=0xfe;

wela=1;

wela=0;

delay(1); //延时约2ms

P0=table1[shi]; //显示十位

dula=1;

dula=0;

P0=0xfd;

wela=1;

wela=0;

delay(1);

P0=table[ge]; //显示个位

dula=1;

dula=0;

P0=0xfb;

wela=1;

wela=0;

delay(1);

}

/***************************************** 时序：初始化时序、读时序、写时序。

所有时序都是将主机(单片机)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。

初始化时序：复位脉冲存在脉冲

读；1 或0时序

写；1 或0时序

只有存在脉冲信号是从18b20（从机）发出的，其

它信号都是由主机发出的。

存在脉冲：让主机（总线）知道从机（18b20）已

经做好了准备。

******************************************/

/*--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

初始化：检测总线控制器发出的复位脉冲

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/

void ds_reset(void)

{

ds=1;

_nop_(); //1us

ds=0;

TempDelay(80); //当总线停留在低电平超过480us，总线上所以器件都将被复位，这里//延时约530us总线停留在低电平超过480μs，总线上的所有器件都//将被复位。

_nop_();

ds=1; //产生复位脉冲后，微处理器释放总线,让总线处于空闲状

态，原因查//18b20中文资料

TempDelay(5); //释放总线后，以便从机18b20通过拉低总线来指示其是否在线,

//存在检测高电平时间：15~60us，所以延时44us，进行1-wire presence //detect（单线存在检测）

_nop_();

_nop_();

_nop_();

if(ds==0)

flag=1; //detect 18b20 success

else

flag=0; //detect 18b20 fail

TempDelay(20); //存在检测低电平时间：60~240us，所以延时约140us _nop_();

_nop_();

ds=1; //再次拉高总线，让总线处于空闲状态

/**/

}

/*----------------------------------------

读/写时间隙:

DS1820 的数据读写是通过时间隙处理

位和命令字来确认信息交换。

------------------------------------------*/

bit ds_read_bit(void) //读一位

{

bit dat;

ds=0; //单片机（微处理器）将总线拉低

_nop_(); //读时隙起始于微处理器将总线拉低至少1us

ds=1; //拉低总线后接着释放总线，让从机18b20能够接管总线，输出有效数据

_nop_();

_nop_(); //小延时一下，读取18b20上的数据,因为从ds18b20上输出的数据

//在读"时间隙"下降沿出现15us内有效

dat=ds; //主机读从机18b20输出的数据，这些数据在读时隙的下降沿出现//15us内有效

TempDelay(10); //所有读"时间隙"必须60~120us，这里77us

return(dat); //返回有效数据

}

uchar ds_read_byte(void ) //读一字节

{

uchar value,i,j;

value=0;

for(i=0;i<8;i++)

{

j=ds_read_bit();

value=(j<<7)|(value>>1);

}

return(value); //返回一个字节的数据

}

void ds_write_byte(uchar dat) //写一个字节

{

uchar i;

bit onebit; //一定不要忘了，onebit是一位

for(i=1;i<=8;i++)

{

onebit=dat&0x01;

dat=dat>>1;

if(onebit) //写1

{

ds=0;

_nop_();

_nop_(); //看时序图，至少延时1us，才产生写"时间隙"

ds=1; //写时间隙开始后的15μs内允许数据线拉到高电平TempDelay(5); //所有写时间隙必须最少持续60us

}

else //写0

{

ds=0;

TempDelay(8); //主机要生成一个写0 时间隙，必须把数据线拉到低电平并保持至少60μs，这里64us

ds=1;

_nop_();

_nop_();

}

}

}

/*****************************************

******************************************/

/*----------------------------------------

进行温度转换：

先初始化

然后跳过ROM：跳过64位ROM地址，直接向ds18B20发温度转换命令，适合单片工作

发送温度转换命令

------------------------------------------*/

void tem_change()

{

ds_reset();

delay(1); //约2ms

ds_write_byte(0xcc);

ds_write_byte(0x44);

}

/*----------------------------------------

获得温度：

------------------------------------------*/

uint get_temperature()

{

float wendu;

uchar a,b;

ds_reset();

delay(1); //约2ms