刘世鹏--多路温度采集系统设计

课程设计报告

课程名称：多路温度采集系统设计

学生姓名：刘世鹏

学号：201016020214

专业班级：T10102

指导教师：李文圣

完成时间： 2013年6月10日

报告成绩：

多路温度采集系统设计

1 课程设计目的

温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境温度息息相关，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。温度测量装置的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：（1）传统的分立式温度传感器，（2）模拟集成温度传感器，（3）智能集成温度传感器。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、网络化的方向飞速发展。

本人选择数字式多路温度采集系统设计。

系统主要技术指标：

（1）2路温度采集电路及以上；

（2）采集测温范围为-50～+110 ℃；

（3）温度精度，误差在0.1 ℃以内；

（4）显示模块，采用LED数码管显示。

2设计步骤

按照系统设计功能的要求，系统由5个模块组成：主控制器、温度采集电路[1]、温度显示电路、报警控制电路及键盘输入控制电路。数字式多路温度采集系统总体电路结构框图如图1所示。

图1 数字式多路温度采集系统结构框图

采用智能温度传感器（DS18B20）采集环境温度并进行简单的模数转换；单片机（AT89C51）执行程序对温度传感器传输的数据进行进一步的分析处理，转换成环境对应的温度值，通过I/O口输出到数码显示管（LED）显示；由键盘输入控制选择某采集电路检测温度及显示；报警电路对设定的最高最低报警温度进行监控报警。

2.1温度采集电路设计

温度采样处理电路由温度传感器、放大电路、A/D转换电路等组成。采用分块结构的温度采样处理电路，其硬件电路结构复杂，也不便于数据的处理。采用智能温度传感器采样处理电路，能够方便的进行温度的采集及简单的数据处理。并且可以达到设计的技术指标要求。本系统选择智能温度传感器DS18B20作为温度采集电路的核心器件。由DS18B20及辅助电路构成温度采集电路。

2.1.1 DS18B20简介

（1）DS18B20的性能特点

DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的

热敏电阻等温度传感器相比，它能够直接读出被测温度，并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，可以在93.75ms至750ms内完成相应9位至12位的数字量转换。它的测温精度可达到0.0625℃/LSB。它的测温范围是-55～+125℃。

从DS18B20读出或写入信息仅需要一根口线，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，无需额外电源。因而选用DS18B20是恰当的。

（2）DS18B20的外形和内部结构

DS18B20采用3脚PR-35封装，其外形和内部结构框图分别如图2、图3所示。

图2 DS18B20外形结构图3 DS18B20内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

64位光刻ROM的位结构图如图4所示。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。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。

图4 64位ROM结构

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个非易失性的可电擦除E2PRAM和一个高速暂存RAM。

E2PRAM包括存放高温度和低温度的触发器TH、TL和结构寄存器。非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。

高速暂存RAM的结构为9字节的存储器，结构图如图5所示。头2个字节包含测

得的温度信息。第3、4字节是TH和TL的拷贝，每次上电复位时被刷新。第5字节为配置寄存器，用于确定温度值的数字转换分辨率。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。

第5字节配置寄存器各位的定义如图6所示；低5位一直为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；R1和R0决定温度转换的精度位数（即设置分辨率），定义方法见表1。

图5 高速缓存RAM结构

图6 配置寄存器

表1 DS18B20分辨率的定义规定

R1 R0 分辨率/位温度最大转换时间/ns

0 0 1 1 0

1

1

9

10

11

12

93.75

187.5

375

750

9位分辨率时，精度为0.5℃/LSB；10位分辨率时，精度为0.25℃/LSB；11位分辨

率时，精度为0.125℃/LSB；12位分辨率时，精度为0.0625℃/LSB。转换精度越高所需转换时间越长。为了达到本系统的技术指标，选择12位分辨率。

（3）DS18B20供电方式

外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证测量精度。所以本系统采用外部电源供电方式。

在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。外部电源供电方式如图7所示。在外部供电方式下，DS18B20的GND引脚必须接地，不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。

图7 DS18B20外部电源供电

2.1.2温度采集电路结构

温度采集电路结构如图8所示。图中给出了2路温度采集电路，2只智能温度传感器DS18B20的信号输出端都连接到单片机的P1.7端，电阻R6作为上拉电阻。如果需要增加，可以在P1.7端再连接更多的智能温度传感器DS18B20。

工作时，由程序控制读取某智能温度传感器DS18B20采集的温度数据，送单片机处理。

图8 多点温度采集电路

2.2单片机控制电路设计

单片机控制电路核心是单片机芯片，其加上工作基本电路，就可以展开控制工作。

2.2.1单片机芯片选择

MCS8031和AT89C51[2]都具有4个8位I/O接口，但MCS8031没有内部程序存储器，需要外接，增加了电路的复杂性；AT89C2051和AT89C51都具有Flash ROM，可以省去外接程序存储器；但AT89C2051接口少，不利于功能扩展；故选用AT89C51。

AT89C51单片机内部结构及主要性能特点：40个引脚，双列直插式封装；有4个8位I/O接口；有全双工增强型UART,可编程串行通信；2个16位定时/计数器；5个中断源，2个中断优先级；有片内时钟振荡器（全静态工作方式，0～24 MHz）；有128字节内部RAM，4KB Flash ROM（可以擦除1000次以上，数据保存10年）；电源控制模式灵活（时钟可停止和恢复，空闲模式，掉电模式）。

2.2.2 AT89C51单片机工作基本电路设计

AT89C51单片机正常工作，必须连接基本电路。基本电路包括晶振电路[3]和复位电路[4]。

（1）晶振电路

单片机的时钟信号通常有两种产生方式：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。本设计采用内部时钟方式，电路如图9中所示。

在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号。C1和C2可以稳定振荡频率，并使快速起振。本电路选用晶振12MHz，C1=C2=30pF。

（2）复位电路

复位是使单片机处于某种确定的初始状态。单片机工作从复位开始。在单片机RST 引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机就执行复位操作。复位操作有两种基本方式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。本设计采用后一种复位电路。电路如图9中所示。

当RST获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。若该高电平能保持足够2个机器周期，就可以实现复位操作。选择C3=10μF，R1=10KΩ。

综上所述，单片机控制电路如图9所示。

图9 单片机控制电路

2.3输入控制电路设计

输入控制电路由按键及其接口构成，键盘是单片机最简单的输入设备。常用键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘。

本系统的输入控制简单，采用独立式键盘及接口电路[5]。输入电路由2个按钮开关、2个10欧的限流电阻组成；键扫描识别采用软件查询的方法。电路如图10所示，各键功能如表2所示。

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图10 按键输入控制电路

表2 各键功能

按键键名功能

S1 第一路温度按键按下，LED数码显示管显示第一路温度。

S2 第二路温度按键按下，LED数码显示管显示第二路温度。

2.4显示电路设计

显示电路采用LED数码管显示。LED数码显示管有静态显示方式和动态显示方式，本系统采用串行输出[6]的静态显示方式。利用4片串转并芯片74LS164将控制器输出的串行数据转换成并行数据输出，用来驱动4位LED数码显示管显示数据。

2.4.1 LED数码显示管静态显示工作原理

LED显示器工作于静态显示方式时，各位的阴极（或阳极）选择线连接在一起并接地（或+5V）；每位的段码线分别与1个8位的锁存器输出连接。各LED显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止，直到送入另一个字符的段码为止。静态显示可以得到较高的显示亮度。静态显示有并行输出和串行输出两种方式。并行输出显示的十进制位数多时，需要并行I/O接口芯片的数量较多。串行输出可以大大节省单片机的内部资源。

2.4.2显示电路结构

显示电路由单片机AT89C51的P3.0端作数据输出，连接到低位74LS164的数据输

入引脚端，其余3片74LS164的数据输入端分别接到它前面一位74LS164的数据输出端的最高位引脚端。单片机AT89C51的P3.1、P1.4端分别接到一个与门电路的输入端，与门电路的输出端分别与每片74LS164的输出允许控制端相连接。每片74LS164的输出端分别连接到一个数码显示管。显示电路结构图如图11所示。

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图11 显示电路图

2.4.3显示电路工作过程

AT89C51单片机工作在串行口方式0下（移位寄存器方式），P3.0（RXD）为数据输出端，P3.1（TXD）为移位脉冲输出端，P1.4为74LS164允许输出控制端。串行口发送缓冲区的数据在移位脉冲的作用下，一位一位地从P3.0口移入到74LS164中，并在控制信号的控制作用下，通过LED数码显示管显示。

2.5报警控制电路设计

报警控制电路采用压电式蜂鸣器作发声体，用三极管对蜂鸣器发声进行控制。

2.5.1报警控制电路结构

报警控制电路由单片机AT89C51的P3.7端作输出，通过一个限流电阻与三极管C945的基极相连接。三极管C945集电极连接压电蜂鸣器（BUZZER）的一端。压电蜂鸣器的

另一端连接电源。报警控制电路如图12所示。

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图12 报警工作电路

2.5.2报警控制电路工作过程

（1）压电蜂鸣器工作原理

压电蜂鸣器以压电陶瓷制作而成。压电陶瓷是一类有将压力与电流相互转换能力的特殊陶瓷。当压电陶瓷在一定方向上受到一个压力使其晶体结构发生形变时，它就会在内部产生一个电流，电流的变化与压力的变化密切相关。反之，当在压电陶瓷上加上一定频率的电压，就会在内部产生一定频率的电流，从而就会引起压电陶瓷微小形变，这一形变带动空气发生振动。如果频率适当，就产生蜂鸣声，可以被人耳所听见。

（2）报警控制电路工作过程

报警控制信号由单片机AT89C51的P3.7端输出，通过一个限流电阻加到三极管C945的基极。当P3.7端的输出信号发生变化时，则三极管C945将交替的工作于截止、饱和状态，形成高低电平的波，从而使压电蜂鸣器发出声音。

2.6电源电路设计

电源电路[7]由变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和三端稳压电路构成。其电路图如图13所示，图中“output”端输出为+5V。

图13 电源电路

电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。三端式稳压器只有输入、输出和公共引出端，由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。在本系统中，要求电源电压为+5V，由于三端式稳压器输出电压固定，故在设计中选择三端式稳压器L7805。三端式稳压器的输入与输出之间电压差为2～3V，整流桥的输出电压是输入电压(有效值)的1.2倍，根据有效值与峰-峰值的关系选择220V/6V 的变压器。由于L7805的最大输出电流为1A，电压为稳定的+5V，输出功率为5W，加上三端式稳压器L7805的消耗，故本系统选择降压比为220V/6V、功率为10W的变压器。图13中C4、C5为低频滤波电容，根据经验选择电解电容，其容值分别为C4=220μF、C5=47μF；C6、C7为高频滤波电容，均选0.1μF的无极性电容。发光二极管用于指示电源是否接通，选择FG1112004 发光二极管，根据FG1112004正向电流为5mA及管压降为+2V，选择限流电阻R5= 680Ω。

2.7数字式多路温度采集系统元件清单

数字式多路温度采集系统元件清单，见附录（1）。

2.8数字式多路温度采集系统电路图

数字式多路温度采集系统原理图，见附录（2）（图14）

3数字式多路温度采集系统程序设计

3.1主程序设计

主程序[8]主要功能是控制调用子程序，实现温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值（温度测量每1s进行一次）。其程序流程图如图16所示。

图16 数字式多路温度采集系统主程序流程图

3.2子程序设计

3.2.1 DS18B20的通信协议

根据DS18B20的通讯协议[7]，主机（单片机AT98C51）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行初始化操作，初始化成功

后发送一条存储器操作命令（ROM指令），最后处理数据（发送RAM指令），这样才能对DS18B20进行预定的操作。所用各ROM、RAM操作指令分别如表3、表4所示。

表3 ROM指令表

指令约定代码功能

读ROM33H读DS18B20温度传感器ROM中的编码(即64位地址)

符合ROM55H

发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,访问单总线上与该编码相对应的DS18B20使之做出响应,为下一步对该

DS18B20的读写做准备.

搜索ROM0F0H

用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64

位ROM地址。为操作各器件作好准备。

跳过ROM0CCH

忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令。

适用于单片工作。

告警搜索命令0ECH 执行后温度超过设定值上限或下限的片子才能做出响应。

表4 RAM指令表

指令约定代码功能

温度转换44H

启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms

（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。

读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容。

写暂存器4EH

发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，

紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。

3.2.2子程序

（1）键盘扫描子程序

键盘扫描子程序对按下的键进行判断，并转到按下的相应键对应的程序段，执行相应的功能。其程序流程图如图17所示。

（2）温度转换命令子程序

温度转换命令子程序主要是发送温度转换开始命令。在发送匹配ROM命令后，紧

跟着发送要进行测温的DS18B20的64位ROM序列（这个序列号一般由厂方提供或通过实验的方式获得）。采用12位分辨率，转换时间约为750ms。其程序流程图如图18所示。

图17 键盘扫描子程序流程图图18 温度转换命令子程序流程图

（3）读出温度子程序

读出温度子程序主要功能是读出RAM中的9个字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图19所示。

（4）计算温度子程序

从DS18B20读取出的二进制值必须先转换成十进制值，才能用于字符的显示。在系统采用12位转换精度，温度寄存器里的值是以0.0625为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以0.0625，就是实际的十进制温度值。

通过观察可以发现一个十进制值和二进制值之间有很明显的关系。低字节的高半字节乘以0.0625恰好就是原整数。因此，把二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一个字节，这个字节的二进制值化为十进制值后，就恰好是温度值的百、十、个位值；剩下的低字节的低半字节化成十进制后，就是温度值的小数部分。小数部分因为是半个字节，所以二进制值范围是0～F，转换成十进制小数值就是0.0625的倍数。这样需要4位的数码管来显示小数部分，实际应用不必有这么高的精度，采用1位数码管来显示小数，可以精确到0.1℃。表5就是二进制和十进制小数的近似对应关系。其程序流程图如图20所示。

表5小数部分二进制和十进制的近似对应关系表

小数部分二进制数0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

十进制数 0 0 1 1 2 3 3 4 5 5 6 6 7 8 8 9

图19 读出温度子程序流程图 图20 计算温度子程序流程图

（5）显示数据刷新子程序

显示数据刷新子程序[9]主要是对显示缓冲区中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。其程序流程图如图21所示。

图21 显示数据刷新子程序流程图图22 报警控制子程序流程图

（6）报警控制子程序

当设定的最高报警温度值大于显示缓冲区中的数据时，发出报警，提示温度超过设定的最大值。其程序流程图如图22所示。

3.3数字式多路温度采集系统控制源程序

数字式多路温度采集系统控制源程序。

4系统调试及性能分析

4.1系统调试

系统调试分为硬件调试和软件调试两步。

（1）硬件调试

硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确及电路中有没有虚焊等问题，然后可用万用表测试或通电检测电路。

（2）软件调试

软件调试以程序为主。先编写一段显示程序对硬件的正常工作进行检验，然后进行主程序、匹配ROM子程序、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的编程及调试。

软件调试到能显示温度值，而且在有温度变化时（例如用手去接触）显示温度能够改变就基本完成软件调试。

由于DS18B20与单片机采用单线串行数据传送，因此，对DS18B20进行读写编程时必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测量结果。

4.2系统性能分析

用制作的测温系统和已有的成品温度计（如水银温度计）来同时测量环境温度，并对测量的结果进行比较分析。

由比较分析及DS18B20的特点可得，用本系统进行测温时，精度很高，误差指标可以限制在0.1℃以内；另外在-55～+125℃的测温范围内使得该系统完全适合一般的应用场合。

5结束语

数字式多路温度采集系统具有温度采集、显示、简单的人机对话及报警功能。它的测温范围宽（-55～+125℃），测量精度可通过编程调节，最高精度可达到0.0625℃/LSB。

本系统主要是适用于采集显示温度，不具备控制调节温度功能。但能够进行硬件和软件功能扩展。在硬件扩展后，通过软件编程实现控制功能扩展。例如当环境温度达到一定值时，通过软件编程进行判断，从主控制器的一个I/O端口输出一个控制指令，去驱动外部的控制电路工作，从而调节环境温度，使环境温度达到人们所需的要求。因此在人们健康意识日益提高的今天有很好的市场推广前景。

致谢

经过一个月的努力，在指导教师李文圣老师及同学的帮助下，顺利完成了课程设计。此次设计是对大学四年所学知识的综合运用，也是理论走向实践的第一步。在此设计过程中，扩展了知识面，增强了独立思考和自学的能力，为以后走向工作岗位奠定了基础。