计算机温度采集系统

摘要

本文设计了一种实用新型计算机温度采集系统，采用DS18B20作温度传感器。该系统原理简单，结构紧凑，成本低廉，适用于需要单点测温的场合，广泛应用于人们日常生活中，并显示出了经济、可靠的优越性。本文对系统中的各个组成部分的原理、功能、线路图、芯片的功能作了一个详细的介绍，测量误差符合系统所规定的要求。

关键词: 温度测量传感器

Abstract

This paper proposes a new practical temperature collecting computer system. The system uses DS18B20 as temperature sensor, the system has simple principle, compact construction, cheap. It can be applied to multi-nodes temperature measurement, which is extensively applied to produce in daily life, and it is showed economy superiority and reliability. This text introduces the system’s principle, function, circuits diagram and the chips functions in detail. The measure error is within the prescribed toleration.

Key words: Temperature measure Sensor

目录

第1章方案论证 (5)

1.1 传感器选择 (6)

第2章硬件电路的设计 (7)

2.1 复位电路设计 (7)

2.2 时钟电路设计 (8)

2.3 温度采集电路设计 (9)

2.3.1 DS18B20传感器的测温原理 (9)

2.3.2 温度采集电路设计 (9)

2.4 电平转换电路的设计 (10)

2.5 显示电路的设计 (11)

2.6 加热电路的设计 (12)

2.7人机界面设计 (13)

第3章软件电路设计 (14)

3.1 数据采集程序设计 (14)

3.2 人机界面程序设计 (15)

3.2.1 文本显示程序设计 (15)

3.2.2 图片显示程序设计 (15)

第4章结论 (16)

4.1 收获与体会 (16)

参考文献 (17)

附录1 元器件清单 (18)

2 模块子程序 (19)

3 电路原理图 (26)

第 1 章方案论证

温度采集在现实生活中有着非常重要的地位。以往传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好解决。

本系统主要由四部分组成，独立按键部分（用于设定温度值）、信号采集数据处理部分、显示部分和石英加热管控制部分。

该系统还充分利用了CMOS单片机8051的软件资源。其软件主要包括主程序模块、显示模块、读取键盘模块、加热管控制模块等子程序模块所组成。各个模块都必不可少。通过软件间的配合，既节省了许多硬件资源，减小了开支，又减少了系统误差和随机干扰，提高了测量精度，使设计更加实用。

DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。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！。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使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。结构框图如下图所示：

图 1.1 系统总体结构框图

1.1 传感器的选择

DS18B20 “一线总线”数字化温度传感器是DALLAS最新单线数字温度传感器，同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为± 2°C 。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，与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V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的主要特点：

①全数字温度转换及输出。

②先进的单总线数据通信。

③最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。

④12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。

⑤可选择寄生工作方式。

⑥检测温度范围为 55°C ~+125°C (–67°F ~+257°F)

⑦内置EEPROM，限温报警功能。

⑧64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。

⑨多样封装形式，适应不同硬件系统

DS18B20的外形及管脚排列:DS18B20外形及大小与一般晶体三极管相当，有三个引出端其管脚排列见图2.7：

1 GND 电源地 2DQ 数据线 3 V DD 电源电压

图 2.7 DS18B20管脚排列

基于以上优点，本系统采用DS18B20作为温度传感器。

第2章硬件电路设计

本系统由温度信号检测部分、独立按键部分、译码显示和石英加热管控制部分组成,其系统结构如附录原理图。

2.1 复位电路设计

复位是单片机的初始化操作，只需给8051的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可得8051复位，复位时，PC初始化为0000H，使8051从OUT单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外由于程序运行出错或操作错误而使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键使得RST脚为高电平，使8051重新启动。

在系统中，有时会出现显示不正常，也为了调试方便，我们需要设计一个复位电路，在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的RC

电路构成，也可使用其它的相对复杂，但功能

更完善的电路。本系统采用的电路如图2.5所

示。工作原理是：上电瞬间，RC电路充电，RESET

引脚端出现正脉冲，只要RESET保持10ms以上

高电平，就能使单片机有效的复位。，C取10μ

F，R取10KΩ。

按键复位电路，在按下复位键瞬间C与R

构成充电电路，RESET端的电位与Vcc相同，随

着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。图 2.5 复位电路

图中 RC时间常数越大，上电时RESET端保持高电平的时间越长，图中这组参数足以保证复位操作。

2.2 时钟电路设计

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。本次时钟电路如下图所示。

图2.6 时钟电路部分原理图

单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2这两个引脚跨接在石英晶体振荡器和微调电路，就构成一个稳定的自激振荡器。

电路中的电容C1和C2典型值通常选择30pF左右，该电容大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡器频率的范围通常在1.2～12MHz之间，晶体的频率越高，则系统得时钟频率也就变高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快，对存储器的速度要求就高。对印刷电路板的工艺要求也高，即要求浅间的寄生电容要小；晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生生活，更好的保证振荡器稳定，可靠地工作。

2.3 温度采集电路设计

温度采集电路的设计是用温度传感器DS18B20 。

2.3.1 DS18B20传感器的测温原理

表2.2 温度和数据的关系

2.3.2 温度采集电路设计

温度采集电路如图2.9示：

DS18B20只需要接到控制器（单片机）的一个I/O

口上，由于单总线为开漏所以需要外接一个4.7K的上

拉电阻。如要采用寄生工作方式，只要将VDD电源引

脚与单总线并联即可。

图2.9 温度采集电路

2.4电平转换电路

TTL电平到RS232电平的转换电路由max232芯片和四个104的瓷片电容组成。电平转换电路的作用是完成程序的下载及串口通信的功能，其电路图如下图所示：

图3.0 电平转换电路

2.5显示电路设计

在单片机系统中，常常用数码管做显示器，一般的显示器为4位或8位。本系统使用数码管显示温度值，因此需要四位数码管。

本设计中采用的是4位数码管动态显示方式，共阴极数码管用9012三极管驱动。

数码管管脚图及其七段LED码如下所示：

图2.14 数码管管脚图

表2.6 七段LED段码

具体连接参看下图：

图2.15 显示电路

2.6加热电路设计

加热电路主要由光耦MOC3061和双向可控硅（晶闸管）BT137组成，还有相应的过流保护（熔断器）电路。光耦起着隔离的作用及控制晶闸管的门极，双向可控硅主要用于变频电路、电动工具开关、调温电路、洗衣机、空调等，其可承受600V的峰值电压、8A的通态平均电流和80A的通态不重复浪涌电流，所以在这个系统中选用BT137是合适的。整个加热电路采用低电平驱动。其硬件电路如下图所示：

图2.16 加热电路

2.7人机界面设计

人机界面选用北京迪文公司的M600型人机界面，该型号的人际界面采用RS-232标准的串口通信，硬件电路相对简单。其硬件连线方式如下图所示:

图2.17 人机界面

第3章软件设计

系统采用单片机作为控制单元，在系统硬件电路设计完成后，还要软件才可以正常工作，系统性能的好坏，很大程度上取决于软件设计。

3.1 数据采集程序设计

图3.1 数据采集程序流程图

3.2人机界面程序设计

本次设计使用的是北京迪文公司的M600型人机界面。此型号的人机界面的功能很多，如文本显示、图片/图标显示、动画支持等。在本次设计中用到了其中的文本显示和图片显示功能，下面就这两个功能的程序实现做一下说明。

3.2.1显示

指令说明

TX：AA CC 33 C3 3C

说明：

0x53:显示8*8点阵的ACII字符串；

0x54：显示16*16点阵的扩展码汉字字符串；

0x55：显示32*32点阵的内码好汉字字符串；

显示字符串的起始位置；

要显示的字符串，汉字采用GB2312或GBK编码。

举例：

AA 55 00 80 00 30 48 6F 77 20 61 72 65 20 79 6F 75 20 3F CC 33 C3 3C 从（128,48）位置开始显示字符串“How are you?”。

3.2.2图片显示

指令说明

TX:AA 0x70 PIC_ID CC 33 C3 3C

说明：0x70:显示保存在终端中的一幅全屏图像；

PIC_ID:保存在HMI FLASH存储器的图片索引ID;

举例：

AA 70 00 CC 33 C3 3C 显示保存在HMI中的第0幅图片。

第4章结论

5.1 收获与体会

整个系统没有用石英加热管做温度控制，只是用直流电机做了一下演示。根据理性的分析，因为加热器的控制是采用简单的开关控制，而没有用控制策略更好的PID控制，所以本人所设计的温度控制系统不可能很精确地进行温度控制，最后的稳态值必将在设定值附近波动。如果控制对象是水温，则控制效果将会要好一些（水温变化要相对缓慢一些）。

通过本次设计，我对单片机有了更深入的理解，更掌握了原理图的绘制中所遇到的与实际相关的问题、PCB布线中与实际相关的问题以及到实际元器件的焊接，而且还了解C语言编程的相关知识，系统的运用了所学知识。