多路单总线的温度测控系统的设计

多路单总线温度测控系统的设计

目录

摘要 (1)

第1章绪论 (1)

1.1课题背景及意义 (1)

1.2温度测控系统的发展现状 (1)

1.3课题研究的主要内容 (2)

1.4文本结构 (3)

第2章系统方案设计 (4)

2.1方案设计 (4)

2.2方案论证 (5)

第3章系统硬件设计 (6)

3.1单片机AT89C51介绍 (6)

3.2DS18B20与单片机接口电路设计 (8)

3.3键盘电路设计 (15)

3.4显示电路LCD设计 (17)

3.5串口通讯电路设计 (23)

3.6CAN总线接口设计 (24)

3.7硬件抗干扰措施 (28)

第4章系统软件设计 (30)

4.1软件设计总体思路及主程序 (30)

4.2A/D采样子程序设计 (30)

4.3LCD子程序的设计 (35)

4.4键盘子程序的设计 (37)

4.5温度的精度设计 (37)

4.6软件抗干扰措施 (38)

总结 (40)

参考文献 (42)

致谢 (43)

摘要

本课题主要介绍基于AT89C51单片机和DS18B20数字温度传感器的多点温度测量系统。该系统利用AT89C51单片机分别采集各个温度点的温度，实现温度显示、报警等功能。它以AT89C51单片机为主控制芯片,采用数字温度传感器DS18B20实现多路温度的检测,测量精度可以达到0.5℃。本文首先介绍了此系统的背景以及功能。然后确定设计方案。随后论述了总体的设计过程，确定了技术指标及器件的选择并且描述了系统硬件电路设计、硬件设计框图及所使用的各种芯片功能与特性。最后剖析了软件设计的过程。基于AT89C51单片机的单总线多点温度测控系统具有硬件组成简单、多点温度检测、读数方便、精度高、测温范围广等特点，在实际工程中有广泛的应用前景。

关键词：数字温度传感器 AT89C51单片机单总线

ABSTRACT

The problem introduces AT89C51 monolithic machine and the DS18B20 figure temperature sensor-based multiple spot temperature measurement system mainly. AT89C51 single chip using the system were collected at various temperatures of the temperature, temperature display and alarm functions. It AT89C51 MCU-based control chip, digital temperature sensor DS18B20 the realization of multi-channel temperature detection, measurement accuracy can reach 0.5 ℃. This paper firstly introduces the background of the system and function. And then, determine the design scheme. Then discusses the overall design process, determine the technical indicators and device of choice and to describe the system hardware circuit design, hardware design diagram and the use of various chip functions and features. Finally analyzes the software design process. Based on AT89C51 single bus of multi-point temperature measurement and control system has the hardware composition is simple, more temperature detection, reading, high precision, easy temperature range characteristics, in practical projects have broad application prospect.

Key words：digital temperature sensor; AT89C51 single chip; single-bus

第1章绪论

1.1课题背景及意义

21世纪，科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的一个主流，广泛地深入到研究和应用工程的各个领域。

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量至关重要。其测量控制一般使用各式各样形态的温度传感器。随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。对于工业控制领域，采用现场总线可以节省硬件数量，大大减少了导线，节约安装和维护费用，通过对现场总线的几种协议的比较，其中CAN现场总线协议已经比较成熟，并且成为了国际标准，它又是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。由于CAN总线具有诸多突出特点，促使其在各个领域的应用得到迅速的发展，这使得许多器件厂商，如英特尔公司，飞利浦公司，摩托罗拉公司和NEC等公司，竞相推出了各种CAN总线产品，已逐步形成系列。所以开发基于CAN现场总线的温度测控系统非常可行及实用。

1.2温度测控系统的发展现状

最早的也是最简单的实现对温度的监测是采用人工的方式，这种方式不仅效率低，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得监测结果失去其原有的意义。该方式还有一个弊端——其应用场所有很大的局限性，工作人员不可能直接测量地下电缆的表面温度；去提取存有炸药、鞭炮等危险品仓库温湿度数据的工作人员还要承担一定的风险。

后来随着电子技术的出现与进步，科研人员开始采用温度传感器代替原始的温度计，开发了以单片机为核心的监测系统，并佐以接口芯片将结果显示在

LED数码显示管上，单片机可直接控制打印监测数据。这种方式在很大程度了工作效率，并扩展了应用范围。但其中所采用的温度传感器直接输出为模拟电压信号，该信号在传输过程中易损耗，影响系统精度，且传输距离较近，需要经过 A/D 转换芯片才能被单片机接收。每个测试点都需要各自独立的信号线，为了实现多点监测不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转换开关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其难于维护，价格昂贵。

近年来，伴随微处理器芯片和网络通信技术的发展，为了简化系统设计并降低成本，各公司及科研机构开始致力于相关领域的探索，使得温度数据监测数字化、网络化的实现成为可能。其中美国达拉斯半导体公司推出了 1-Wire （单总线）接口协议，单总线技术与其它总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因此单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。该公司所提供的适用于单总线微网技术的单总线器件具有无需另附电源、在测试点直接将模拟信号数字化等特点，一方面减少了系统环节，另一方面保证了系统的精度。同时各软件公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。

1.3课题研究的主要内容

1．系统核心芯片

本设计中采用51单片机AT89C51作为仪表的核心芯片，用来进行对温度传感器的数字输入信号采集，输出显示数据，对输入信号进行控制决策输出控制信号(PWM)，同时将温度值通过CAN总线发送到上位机。

2．数字温度传感器

仪表采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为温度测量元件。DS18B20数字温度传感器提供9～12位的摄氏温度数字测量值，并且具有温度上限和下限报警功能，其上下限值可以用户编程写入其内部的ROM。DS18B20与中央处理器通讯只需一条数据线。因为每一个DS18B20有唯一的系列号，因此多个DS18B20可以存在于同一条单总线上。这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。此特性的应用范围包括HAVC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监控中的温度检测。

3．CAN总线协议及仪表接口设计

仪表采用美国微芯公司的带有SPI接口的独立CAN 控制器。Microchip 的MCP2510 是一款独立控制器局域网络（Controller Area Network， CAN）协议控制器，完全支持CAN V2.0B 技术规范。该器件能发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧。MCP2510 自带的两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文，因此减少了主单片机（MCU）的开销。MCP2510与MCU 的连接是通过业界标准串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）来实现的。

1.4文本结构

第一章绪论介绍本文研究的背景和意义，并综合分析和评述了温度测控系统的国内外现状与发展趋势，最后提出了本文的主要研究内容和论文结构安排。第二章分析并确定了系统设计方案。第三章阐述了系统的核心芯片AT89C51单片机及系统的硬件设计，包括DS18B20的工作原理及其与AT89C51单片机的连接，键盘接口电路的设计，液晶显示电路的设计，串口电路的设计，CAN总线接口设计和硬件电路抗干扰技术的讨论。第四章阐述了系统的软件设计和软件抗干扰技术。

第2章系统方案设计

2.1 方案设计

方案一：该案由单片机、模拟温度传感器AD590、运算放大器、AD转换器、2×2键盘、LCD显示电路、集成功率放大器、报警器组成。

本方案采用模拟温度传感器AD590作为测温元件，传感器将测量的温度变换转换成电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器交将信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，传给给单片机，单片机将温度值进行处理之后用LCD显示，当温度值超过设置值时，系统开始报警。如图2-1所示:

图2-1方案一温度测量系统方案框图

方案二：该方案使用了AT89C51单片机作为控制核心,以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，采用多个温度传感器对各点温度进行检测，通过2×2键盘模块对温度进行上、下限设置，超过其温度值就报警。显示电路采用LCD1602模块。如图2-2所示。

图2-2 方案二温度测量系统方案框

2.2 方案论证

方案一采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器和AD转换器传送给处理器。它控制虽然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度进行测量和监控。由于采用了多个分立元件和模数转换器，容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。

方案二采用智能温度传感器DS18B20，它直接输出数字量，精度高，电路简单，只需要模拟DS18B20的读写时序，根据DS18B20的协议读取转换的温度。

此方案硬件电路非常简单，但程序设计复杂一些，但是在课外对DS18B20、字符型液晶显示、2×2键盘的程序有所了解，而且曾经在网上看到过此类程序程序设计，并且我们已经使用开发工具KEIL对系统进行了程序设计，用仿真软件PROTEUS对系统进行了仿真，达到了预期的结果。由此可见，该方案完成具有可行性，体现了技术的先进性，经济上也没有任何问题。

综上所述，本课题应当采用方案二对系统进行设计。

第3章系统硬件设计

3.1单片机AT89C51介绍[1][3][4][7]

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。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、非易失性存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚可以相兼容。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， 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。引脚分布如下图：

图3-1引脚分布图

1.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

·低功耗的闲置和断电模式

·片内振荡器和时钟电路

2.管脚说明：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口可作为通用的I/O口，但必须外接上拉电阻。作为输入口，每个引脚可吸收8个TTL的灌电流。作为输入时，首先应将该引脚置为1。在访问外部数据存储器或者程序存储器时，这组线分时转换地址（低8位）和数据总线。

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。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：

管脚备选功能

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。当振荡器复位器件时，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。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/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。

3.2 DS18B20与单片机接口电路设计[8][9]

(1) DS18B20与单片机的接口技术

如图3-2所示：DS18B20与单片机的接口电路非常简单。DS18B20只有三个引脚，一个接地，一个接电源，一个数字输入输出引脚接单片机的I/O口，电源与数字输入输出脚间需要接一个4.7K的电阻。

图3-2 DS18B20与单片机接口电路

(2)DS18B20的工作原理

DS18B20数字温度传感器是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，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

DS18B20产品的特点

●只要求一个端口即可实现通信。

●在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

●实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

●数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

●内部有温度上、下限告警设置。

表3-1DS18B20详细引脚功能描述

(3)DS18B20的4个主要数据部件：

①光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

②DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM 中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

表3-2 DS18B20温度数据表

③DS18B20温度传感器的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

④配置寄存器

表3-3配置寄存器

低五位一直都是"1"，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）

表3-4R1与R0确定传感器分辨率设置表

(4)DS18B20的工作过程

●初始化

●ROM命令跟随着需要交换的数据；

●功能命令跟随着需要交换的数据。

访问DS18B20必须严格遵守这一命令序列，如果丢失任何一步或序列混乱，DS18B20都不会响应主机（除了Search ROM 和Alarm Search这两个命令，在这两个命令后，主机都必须返回到第一步）。

a．初始化：

DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。当DS18B20发出响应主机的

应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。

b. ROM命令：

ROM命令通过每个器件64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件（如果有多个器件挂在总线上）与之进行通信。每个ROM命令都是8 bit长。

c. 功能命令：

主机通过功能命令对DS18B20进行读/写Scratchpad存储器，或者启动温度转换。DS18B20的功能命令如表3-5所示。

表3-5 DS18B20功能命令表

(5)DS18B20的信号方式

DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。除了应答脉冲所有这些信号都由主机发出同步信号。总线上传输的所有数据和命令都是以字节的低位在前。

a.初始化序列：复位脉冲和应答脉冲

在初始化过程中，主机通过拉低单总线至少480μs，以产生复位脉冲(TX)。然后主机释放总线并进入接收(RX)模式。当总线被释放后，5kΩ的上拉电阻将单总线拉高。DS18B20检测到这个上升沿后，延时15μs~60μs，通过拉低

总线60μs~240μs产生应答脉冲。初始化波形如图3-3所示。

图3-3初始化脉冲

b.读和写时序

在写时序期间，主机向DS18B20写入指令；而在读时序期间，主机读入来自DS18B20的指令。在每一个时序，总线只能传输一位数据。读/写时序如图3-3所示。

●写时序

存在两种写时序：“写1”和“写0”。主机在写1时序向DS18B20写入逻辑1，而在写0时序向DS18B20写入逻辑0。所有写时序至少需要60μs，且在两次写时序之间至少需要1μs的恢复时间。两种写时序均以主机拉低总线开始。

产生写1时序：主机拉低总线后，必须在15μs内释放总线，然后由上拉电阻将总线拉至高电平。产生写0时序：主机拉低总线后，必须在整个时序期间保持低电平（至少60μs）。

在写时序开始后的15μs~60μs期间，DS18B20采样总线的状态。如果总线为高电平，则逻辑1被写入DS18B20；如果总线为低电平，则逻辑0被写入DS18B20。

●读时序

DS18B20只能在主机发出读时序时才能向主机传送数据。所以主机在发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便DS18B20能够传送数据。所有读时序至少60μs，且在两次独立的读时序之间至少需要1μs的恢复时间。

每次读时序由主机发起，拉低总线至少1μs。在主机发起读时序之后，DS18B20开始在总线上传送1或0。若DS18B20发送1，则保持总线为高电平；若发送0，则拉低总线。当传送0时，DS18B20在该时序结束时释放总线，再由

上拉电阻将总线拉回空闲高电平状态。DS18B20发出的数据在读时序下降沿起始后的15μs内有效，因此主机必须在读时序开始后的15μs内释放总线，并且采样总线状态。

图3-4 DS18B20读/写时序图

DS18B20 在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将DS18B20 信号线与单片机1 位I/O线相连，且单片机的1 位I/O 线可挂接多个DS18B20 ，就可实现单点或多点温度检测。

(6)DS18B20的温度计算

DS18B20允许通过程序对传感器的分辨率,温度报警的上、下限等参数进行配置。它的内部存储器包括一个高速暂存存储器和一个非易失性可擦除E2PROM。速暂存存储器共有8个字节(byte),每个字节8位(bit)。

根据温度的计算方法如下:

S S S S S = 11111 b 温度值:

T = [ (MSB and 7) ×256 + LSB] ×0.0625 ℃

SSSSS = 00000 b 温度值:

T = - [ (256 - MSB) ×256 - LSB] ×0.0625 ℃

如果,存储器高位寄存器MS的S S S S S 均为1 ,则被测温度为正值,用上面第1个公式来计算温度。如果存储器高位寄存器MSB的S S S S S均为0,则被测温度为负值,用上面第2个公式来计算温度。在这里,有两点应当注意:一是公式中中括号内的数值为二进制,在计算口号内计算完成后应转化为十进制;二是这里的7与0.0625是假设传感器的分辨率设置0.0625时的计算值。如果分辨率的设置值不是0.0625,那么就应当作相应的变化。第3和第4个字节分别用来存放温度报警的上限(TH)和下限值(TL)。DS18B20在完成温度变换后,会将所测温度值与贮存在TH和TL内的上下限值相比较,如果测温结果高于TH或低于TL,DS18B20内部的告警标志就会被置位,表示温值超出了测量范围。并且该值在掉电后不会丢失,而是记忆其设定的上下限值。第5字节是配置寄存器,如表2.3所示,该寄存器用于对温度转换值的分辨率进行设置。其中,最高位用于设置传感器是工作模式还是测试模式,是生产厂家为便于检验使用。其出厂时的默认值为0,为工作模式(即用户使用时的模式)。并且在用户使用中,该位总是保持为0。R1与R0确定传感器的分辨率,DS18B20有4种分辨率可供选择。使用时可以根据实际需要来设置,出厂时的默认设置是12位。最后5位总保持为1。

3.3键盘电路设计

根据设计任务书中要求实现的功能，我选择了2X2=4个键盘的矩阵键盘来设置温度的上、下限值，此键盘设计符合系统设置要求，所以我选择此键盘完成本设计。

① 阵键盘结构：

键盘实际上是一组按键开关的集合，平时按键开关总是处于断开状态，当按下键时它才闭合。矩阵键盘又称行列式键盘，这种行列式键盘结构能够有效的提高单片机系统中I/O口的利用率。它的结构和产生的波形如图3-10所示。