温度监控系统设计

重庆邮电大学移通学院 课程设计实验报告

课程:_单片机原理与应用

系 别： _ _______ 专 业：___ _ __________ 班 级：________ _________ 第_______组 学生：

姓名_____ 学号__________ 姓名_____ 学号__________ 姓名_____ 学号__________

成绩： ____ ___ __

填表时间： 年 月

温度监控系统设计

一、功能要求

1、温度监控范围0C°～100C°。

2、实时显示当前温度。四位有效数，保留小数点一位。 3、当温度超限时，系统告警。

4、当温度超限时，能够控制启动设备升温或降温。 上述1-3为基本部分，4为发挥部分，选做。

二、系统分析及构成

根据上述功能要求，系统构成做如下几个方面的分析：

 根据温度监控范围，选择一款合适的温度传感器对温度进行测量。  系统可采用LED七段数码管作为显示器，显示温度及参数等。  告警可采用指示灯或者蜂鸣器。

 系统可以控制电风扇、电炉等设备来调节温度。  系统采用单片机控制与管理。

因此，系统可以由下述如图1示的电路模块构成。

Show Alarm Temperature sensor MCU power interface 图2.1、系统构成

单片机根据传感器提供的被测环境温度值，实时显示当前温度。并判断是否超过温度的警戒线，如果超出警戒线，单片机控制告警设备告警。同时启动相关设备调节温度。按键是用户界面，用于查阅与修改警戒线的上下极限值。

下面根据系统结构，将对系统进行更深入分析。

1、温度传感器

⑴、DS18B20产品的特点：

①、一个I/O端口实现与主机通信。

②、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。 ③、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 ④、测量温度范围在－55°C到＋125°C之间。

⑤、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。 ⑥、内部有温度上、下限告警设置。

⑵、DS18B20的引脚及封装

DS18B20采用TO－92封装，像一只三极管。其引脚排列见图，其引脚功能描述见表2.1。

图2.2、封装及引脚排列

表2.1 DS18B20详细引脚功能描述

序号 名称 引脚功能描述 1 GND 地信号 数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源2 DQ 下，也可以向器件提供电源。 3 VDD 可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 ⑶、DS18B20内部结构

DS18B20中的高速暂存器是一个9字节的存储器，用于存放温度的采样值、告警与监督参数设置。如表2.2所示。

表2.2 高速暂存器 暂存器 温度值低位 温度值高位 温度上限TH 温度下限TL 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC校验

①、温度值 如表2.3所示。

字节地址 0 1 2 3 4 5 6 7 8 表2.3：温度值精度设置为12位时的数据格式 温度低8位 D7 D6 D5 D4 D3 温度高8位 S S S S S D2 D1 D0 D10 D9 D8

其中，S为符号位，S=1，表示温度 为负值；S=0，表示温度为正值。例如+125℃的数字输出为07D0H，-55℃的数字输出为FC90H。一些温度值对应的数字输出如表所示。

②、DS18B20中的低温触发器TL、高温触发器TH，用于设置低温、高温的报警数值。DS18B20完成一个周期的温度测量后，将测得的温度值和TL、TH相比较，如果小于TL，或大于TH，则表示温度越限，将该器件内的告警标志位置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。需要修改上、下限温度值时，只需使用一个功能命令即可对TL、TH写入，十分方便。

③、配置寄存器

开始两个字节为被测温度的数字量，其含义如表2.2所示。第3、4、5字节分别为TH、TL、配置寄存器的复制，每一次上电复位时被重写。配置寄存器有R0、R1组成，其值决定温度转换的精度位数、转换时间等，含义如表2.4所示。第7字节为测温计数的剩余值。第8字节为测温时每度的计数值。第9 字节读出的是前8个字节的CRC校验码，通过此码，可判断通讯是否正确。

表2.4、配置寄存器 R1 R0 转换精度 温度分辨率 转换时间（Ms） 0 0 1 1

0 1 0 1 9 10 11 12 0.5 0.25 0.125 0.0625 93.75 187.5 375 750 ⑷、DS18B20的读写操作

1）、ROM操作命令 ①、读命令(33H)：通过该命令主机可以读出DS18B20的ROM中的8位系列产品代码、48位产品序列号和8位CRC校验码。该命令仅限于单个DS18B20在线的情况。

②、选择定位命令(55H)：当多片DS18B20在线时，主机发出该命令和一个位数，DS18B20内部ROM与主机一致者，才响应命令。该命令也可用于单个DS18B20的情况。

③、查询命令(0F0H)：该命令可查询总线上DS18B20的数目及其位序列号。 ④、跳过ROM序列号检测命令(OCCH)：该命令允许主机跳过ROM序列号检测而直接对寄存器操作，该命令仅限于单个DS18B20在线的情况。

⑤、报警查询命令(0ECH)：只有报警标志置位后，DS18B20才响应该命令。 2）、存储器操作命令

①、写入命令(4EH)：该命令可写入寄存器的第2、3、4字节，即高低温寄存器和配置寄存器。

复位信号发出之前，三个字节必须写完。

②、读出命令(0BEH)：该命令可读出寄存器中的内容，复位命令可终止读出。

③、开始转换命令(44H)：该命令使DS18B20立即开始温度转换，当温度转换正在进行时，主机这时读总线将收到O；当温度转换结束时，主机这时读总线将收到1。若用信号线给DS18B20供电，则主机发出转换命令后，必须提供至少相应于分辨率的温度转换时间的上拉电平。

④、回调命令(088H)：该命令把EEROM中的内容写到寄存器TH、TL 及配置寄存器中。DS18B20上电时能 自动写入。

⑤、复制命令(48H)：该命令把寄存器TH、TL及配置寄存器中的内容写到EEROM中。 ⑥、读电源标志命令(084H)：主机 发出该命令后，DS18B20将进行响应， 发送电源标志，信号线供电发O，外接 电源发1。

⑸、DS18B20的使用方法

由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，如果单片机在硬件上不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时时穴、读时序、写时穴。所有时穴都是将单片机作为主设备，DS18B20作为从设备。而单片机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DS18B20回送数据，在进行写命令后，单片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高位在后。

下述参考程序是在单片机的时钟为：fOSC=11.0592MHz，调试出来的。

1）、DS18B20的复位时序

对DS18B20操作之前，首先要将它复位。复位时序为： ①、主机将信号线置为低电平，时间为480～960μS。 ②、主机将信号线置为高电平，时间为15～60 μS。

③、DS18B20发出60～240μS 的低电平作为应答信号。主机收到此信号后，才能对DS18B20作其它操作。

图2.4、复位时序

2）、DS18B20的读时序

主机将信号线从高电平拉低至低电平1μS以上，再使数据线升为高电平，产生读起始信号。从主机将信号线从高电平拉低至低电平起15～60 μS的时间内，DS18B20将数据放到信号线上，供主机读取。从而完成了一个读周期。在开始另一个读周期前，必须有1μS以上的高电平恢复期。

图2.5、读时序

单片机在时序图的虚线期间读数据，是“1”就是数据1，是“0”就是数据0。 3）、DS18B20的写时序

主机将信号线从高电平拉至低电平，产生写起始信号。从信号线的下降沿开始，在15～60 μS的时间内DS18B20对信号线检测，如信号线为高电平，则写1，如信号线为0，则写0，从而完成了一个写周期。在开始另一个写周期前，必须有1μS以上的高电平恢复期。

图2.6、写“0”时序

图2.7、写“1”时序

2、显示器

显示可采用静态的5位数码管显示器。这样尽管硬件电路稍微复杂，但程序控制简单。系统有几种情况下的显示。

⑴、当前温度显示

三位整数，一位小数，最高位显示温度符号。正数，此位不显示。 ⑵、告警显示

显示当前（超限）温度。ALARM灯亮，或者开启蜂鸣器。

硬件接口需要一个8位的数据端口与5位选择控制口，如图2.8示。

3、温度监视极限设置

只有上限。由存储器，35H单元固定存放上限值。由点亮LED告警。

5、系统工作流程

根据上面的结构描述，下面梳理一下系统工作流程，以利于系统软件的设计。

单片机读入DS18B20的温度值，进行处理，以十进制方式显示，并判断温度是否超过极限，是，告警且重复前述过程。否则，重复前述过程。

三、系统设计 1、I/O端口分配

由前述分析可知，温度传感器DS18B20需要端口为1个，告警LED端口为1个，显示器需要端口8（数据）+5（位控），如表2.5示。

表3.1、I/O端口分配表 端口名 I/O设备 说明 端口名 I/O设备 说明 P2 P1.0～4 P3.3 P1.7 阅读程序填写I/O端口分配表！

2、存储器分配

⑴、温度传感器DS18B20

由前述可知DS18B20是一个单总线接口。硬件连接简单。其控制时序由软件模拟。系统仅仅利用其获得当前温度，由软件设置与判断温度极限。系统选择测温精度为12位，所以，系统需要2个字节的数据缓存，存放当前温度原始数据。

程序要把新读出的温度值与极限值进行比较。如果超极限，将对应告警指示灯点亮，让蜂鸣器发声告警。

⑵、显示驱动

系统设置5个存储单元作为显示缓冲。程序直接从中取出显示。

⑶、上限温度值存储器

1个存储单元。

存储器分配入下：

表3.2、地址分配 地址 单元名称 2FH 2EH 30H 31H 32H 33H 35H 用途定义 阅读程序填写存储器分配表！

3、硬件设计

由表3.1可知，MCS-51的端口数完全满足本设计使用。所以单片机的各外部模块可以直接与其相连。

画出电路图：

4、软件设计 ⑴、主程序

主程序是一个单线程的工作流程。阅读程序画出程序流程图：

⑵、数据处理程序设计

①．利用P1.7端口增加蜂鸣器告警功能

②．修改零下℃的处理程序，写出正确程序。

⑶、增加传感器指示灯

由源程序已知，在初始化传感器子程序中设置了F0，F0=0时，表示传感器不存在或者已损坏。=1时，则表示传感器存在且工作正常。试利用P1.6端口，增加传感器指示灯；LED灯亮时，表示传感器故障或者不存在告警。LED灭时表示传感器正常。写出该程序段并实现之。（提示：这段程序可加在主程序的判断F0的程序处）

四、课程小结