基于单片机的温度报警器的设计毕业设计.docx
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基于单片机的温度报警器的设计毕业设计
毕业论文(设计)
题目:
基于单片机的温度报警器的设计
姓名:
学院:
理学与信息科学学院
专业:
电子信息科学与技术
班级:
学号:
指导教师:
2020年6月13日
基于单片机的温度报警器的设计
摘要:
在工业生产进程中,人们需要对各类加热炉、热处置炉、反映炉和锅炉中的温度进行检测和操纵。
因为单片机具有低功耗、高性能、靠得住性好、易于产品化等特点,因此采纳单片机对温度进行操纵不仅操纵方便、简单和灵活,而且能够提高被控温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量。
本论文设计了一种基于单片机的温度报警器。
操纵器采纳单片机AT89C51,数字式检测部份采纳DS18B20数字温度传感器,LED数码管作为显示器,综合运用了微机原理、自动操纵原理、模拟电子技术、数字操纵技术、键盘显示技术等诸多方面的知识。
设计进程中,第一进行硬件的设计,第二进行软件设计,最后仿真和综合调试,最终使得此系统实现了温度的搜集、显示和报警设计。
关键词:
MCS-51单片机;温度传感器;温度报警
TheDesignofTemperatureAlarmBasedonSingle-chipMicrocomputer
Abstract:
Inindustrialproductionprocess,peopleneedtodetectandcontrolallkindsofheatingfurnace,heattreatmentfurnace,reactorsandboilertemperature.MCUhastheadvantagesofthelowpowerconsumption,goodreliability,easytoproductandsoon,thusMCUcontroloftemperatureisnotonlyconvenient,simpleandagile,butalsocanimprovethetechnicalindexesaccusedoftemperature,whichcangreatlyimprovethequalityoftheproducts.Thispaperdesignsantemperaturealarmbasedonsingle-chipmicrocomputercontrolleradoptssingle-chipAT89C51,digitaltestingpartUSESdigitaltemperaturesensorDS18B20,monitorusesLEDdigital.ThedesignComprehensivelyuseasamicrocomputerprinciple,automaticcontroltheory,analogelectronictechnology,digitalcontroltechnology,andthekeyboarddisplaytechnologyofmanyaspects.Intheprocessofdesign,hardwarewasthefirstandthenthesoftware,thesimulationandintegrateddebuggingwasthelast,attheendofthedesign,temperatureoftheacquisition,displayandalarmdesignwerefinished.
Keywords:
MCS-51;TemperatureSensor;TemperatureAlarm
1引言
课题背景
温度是工业对象中要紧的被控参数之一,如冶金、机械、食物、化工各类工业生产中,普遍利用的各类加热炉、热处置炉、反映炉等,对工件的温度处置要求严格操纵。
随着科学技术的进展,要求温度测量的范围向深度和广度进展,以知足工业生产和科学技术的要求。
基于AT89C51单片机提高了系统的可移植性、扩展性,利于现代测控、自动化、电气技术等专业实训要求。
以单片机为核心设计的温度报警器,具有平安靠得住、操作简单方便、智能操纵等优势。
温度关于工业生产如此重要,由此推动了温度传感器的进展。
温度传感器要紧通过了三个进展时期[1]:
(1)模拟集成温度传感器。
该传感器是采纳硅半导体集成工艺制成,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
此种传感器具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价钱低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等特点,适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器,典型产品有AD590、AD59二、TMP17、LM135等;
(2)模拟集成温度操纵器。
模拟集成温度操纵器要紧包括温控开关、可编程温度操纵器,典型产品有LM5六、AD22105和MAX6509。
某些增强型集成温度操纵器(例如TC652/653)中还包括了A/D转换器和固化好的程序,这与智能温度传感器有某些相似的地方。
但它自成系统,工作时并非受微处置器的操纵,这是二者的要紧区别;
(3)智能温度传感器(亦称数字温度传感器)。
智能温度传感器是在20世纪90年代中期问世的,其内部都包括温度传感器、A/D转换器、信号处置器、存储器(或寄放器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央操纵器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度操纵量,适配各类微操纵器(MCU);而且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平。
现代信息技术的三大基础是信息搜集[2](即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处置(运算机技术)。
传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被普遍用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各类传感器之首。
数字温度传感器能够直接将被检测的温度信息以数字化形式输出,与传统的模拟式温度传感器相较,具有测量精度高、功耗低、稳固性好、外围接口电路简单特点。
而单片机微处置器愈来愈丰硕的外围功能模块,加倍方便了数字式温度传感器输出信号的处置。
智能温度传感器内部都包括温度传感器、A/D转化器、信号处置器、存储器(或寄放器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央处置器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
而且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平。
进入21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高靠得住性及平安性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片机测温系统等的方向进展。
数字化温度传感器能够直接将温气宇以数字脉冲信号形式输出,具有测量精度高、抗干扰能力强、传输距离远、外围接口电路简单等诸多优势。
同时数字温度传感器还可直接与微处置器进行接口,大大方便了传感器输出信号的处置.数字单总线温度传感器是目前最新的测温器件,它集温度测量,A/D转换于一体,具有单总线结构,数字量输出,直接与微机接口等优势。
研究内容和意义
本温度报警器以AT89C51单片机为操纵核心,由一数字温度传感器DS18B20测量被控温度,结合7段LED和驱动LED的74LS245组合而成。
当被测量值超出预设范围那么发出警报,且精度高,适用于大多数工业生产和教育教学领域。
温度是一种最大体的环境参数,它是与人类的生活、工作关系最紧密的物理量,也是各门学科与工程研究设计中常常碰到和必需精准测量的物理量。
从工业炉温、环境气温到人体温度;从空间、海洋抵家用电器,各个技术领域都离不开测温和控温。
因此,研究温度的测量和操纵方式具有重要的意义。
2芯片介绍
DS18B20概述
DS18B20是Dallas公司继DS1820后推出的一种改良型智能数字温度传感器,与传统的热敏电阻相较,只需一根线就能够直接读出被测温度值,并可依如实际需求来编程实现9~12位数字值的读数方式[3]。
DS18B20封装形式及引脚功能
图DS18B20封装形式和引脚功能
如下图,DS18B20的外形如一只三极管,引脚名称及作用如下:
GND:
接地端。
DQ:
数据输入/输出脚,与TTL电平兼容。
VDD:
可接电源,也可接地。
因为每只DS18B20都能够设置成两种供电方式,即数据总线供电方式和外部供电方式。
采纳数据总线供电方式时VDD接地,能够节省一根传输线,但完成数据测量的时刻较长;采纳外部供电方式那么VDD接+5V,多用一根导线,但测量速度较快。
DS18B20内部结构
64位ROM和单线接口
存储和控制逻辑
高速缓存器
温度传感器
高温触发器TH
低温触发器TL
匹配寄存器
8位CRC发生器
电源检测
C
DQ
VDD
内部电源VDD
图DS18B20内部结构
图中出示了DS18B20的要紧内部部件,下面对DS18B20内部部份进行简单的描述[4]:
(1)64位ROM。
64位ROM是由厂家利用激光刻录的一个64位二进制ROM代码,是该芯片的标识号,如表所示:
表64位ROM标识
8位循环冗余检验
48位序列号
8位分类编号(10H)
MSBLSB
MSBLSB
MSBLSB
第1个8位表示产品分类编号,DS18B20的分类号为10H;接着为48位序列号。
它是一个大于281*1012的十进制编码,作为该芯片的唯一标示代码;最后8位为前56位的CRC循环冗余校验码,由于每一个芯片的64位ROM代码不同,因此在单总线上能够并接多个DS18B20进行多点温度实习查验。
(2)温度传感器。
温度传感器是DS18B20的核心部份,该功能部件可完成对温度的测量通过软件编程可将-55~125℃范围内的温度值按9位、10位、11位、12位的分辨率进行量化,以上的分辨率都包括一个符号位,因此对应的温气宇化值别离为℃、℃、℃、℃,即最高分辨率为℃。
芯片出厂时默以为12位的转换精度。
当接收到温度转换命令(44H)后,开始转换,转换完成后的温度以16位带符号扩展的的二进制补码形式表示,存储在高速缓存器RAM的第0,1字节中,二进制数的前5位是符号位。
若是测得的温度大于0,这5位为0,只要将测得的数值乘上即可取得实际温度;若是温度小于0,这5位为1,测得的数值需要取反加1再乘上即可取得实际温度。
(3)高速缓存器。
DS18B20内部的高速缓存器包括一个高速暂存器RAM和一个非易失性可电擦除的EEPROM。
非易失性可点擦除EEPROM用来寄存高温触发器TH、低温触发器TL和配置寄放器中的信息。
(4)配置寄放器。
配置寄放器的内容用于确信温度值的数字转换率。
DS18B20工作是按此寄放器的分辨率将温度转换为相应精度的数值,它是高速缓存器的第5个字节,该字节概念如表所示:
表匹配寄放器
TM
R0
R1
1
1
1
1
1
TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式仍是在测试模式,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;其余5位均固定为1。
DS18B20分辨率的设置如表所示:
表DS18B20分辨率的设置
R1
R0
分辨率
最大转换时间/ms
0
0
9位
0
1
10位
1
0
11位
375
1
1
12位
750
DS18B20依托一个单线端口通信。
在单线端口条件下,必需先成立ROM操作协议,才能进行存储器和操纵操作。
因此,操纵器必需第一提供下面5个ROM操作命令之一:
1)读ROM;
2)匹配ROM;
3)搜索ROM;
4)跳过ROM;
5)报警搜索。
这些命令对每一个器件的激光ROM部份进行操作,在单线总线上挂有多个器件时,能够区分出单个器件,同时能够向总线操纵器指明有多少器件或是什么型号的器件。
成功执行完一条ROM操作序列后,即可进行存储器和操纵操作,操纵器能够提供6条存储器和操纵操作指令中的任一条。
一条操纵操作命令指示DS18B20完成一次温度测量。
测量结果放在DS18B20的暂存器里,用一条读暂存器内容的存储器操作命令能够把暂存器中数据读出。
温度报警触发器TH和TL各由一个EEPROM字节组成。
若是没有对DS18B20利用报警搜索命令,这些寄放器能够做为一样用途的用户存储器利用。
能够用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入,对这些寄放器的读出需要通过暂存器。
所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。
DS18B20供电方式
DS18B20能够采纳外部电源供电和寄生电源供电两种模式。
外部电源供电模式是将DS18B20的GND直接接地,DQ与但单总线相连作为信号线,VDD与外部电源正极相连。
如下图:
单片机
DS18B20
外部+5V电源
VDD
DQ
VCC
其它单线器件
图DS18B20外部供电方式
图中DS18B20的DQ端口通过接入一个的上拉电阻到VCC,从而实现外部电源供电方式。
寄生电源供电模式如下图:
从图中可知,DS18B20的GND和VDD均直接接地,DQ与单总线相连,单片机其中一个I/O口与DS18B20的DQ端相连。
VCC
单片机
DS18B20
GND
图DS18B20寄生电源供电方式
+5V
DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理如下图,其要紧由斜率累加器、温度系数振荡器、减法计数器、温度存储器等功能部件组成。
图DS18B20的测温原理
DS1820是如此测温[5]的:
用一个高温度系数的振荡器确信一个门周期,内部计数器在那个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来取得温度值。
计数器被预置到对应于-55℃的一个值。
若是计数器在门周期终止前抵达0,那么温度寄放器(一样被预置到-55℃)的值增加,说明所测温度大于-55℃。
同时,计数器被复位到一个值,那个值由斜坡式累加器电路确信,斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。
然后计数器又开始计数直到0,若是门周期仍未终止,将重复这一进程。
斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性,以期在测温时取得比较高的分辨率。
这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的的值来实现的。
因此,要想取得所需的分辨力,必需同时明白在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。
DS18B20内部对此计算的结果可提供℃的分辨率。
温度以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出,表给出了温度值和输出数据的关系。
数据通过单线接口以串行方式传输。
DS18B20测温范围-55℃~+125℃,以℃递增。
表温度数据关系
温度℃
数据输出(二进制)
数据输出(十六进制)
+125
00000000
00FA
+25
0000000000110010
0032
+
0000000000000001
0001
0
0000000000000000
0000
FFFF
-25
FFCE
-55
FF92
S18B20遵循单总线协议,每次测温时都必需有4个进程[6]:
•初始化;
•传送ROM操作命令;
•传送ROM操作命令;
•数据互换;
DS18B20的ROM命令
readROM(读ROM).命令代码为33H,许诺主设备读出DS18B20的64位二进制ROM代码。
该命令只适用于总线上存在单个DS18B20.
MatchROM(匹配ROM)。
命令代码为55H,假设总线上有多个从设备时,适用该命令可选中某一指定的DS18B20,即只有和64位二进制ROM代码完全匹配的DS18B20才能响应其操作。
SkipROM(跳过ROM)。
命令代码为CCH,在启动所有DS18B20转换之前或系统只有一个DS18B20时,该命令将许诺主设备不提供64位二进制ROM代码就适用存储器操作命令。
SearchROM(搜索ROM)。
命令代码为F0H,当系统第一次启动时,主设备可能不知纵向上有多少个从设备或它们的ROM代码,适用该命令可确信系统中的从设备个数及其RON代码。
AlarmROM(报警搜索ROM)。
命令代码为ECH,该命令用于辨别和定位系统中超出程序设定的报警温度值。
Writescratchpad(写暂存器)。
命令代码为4EH,许诺主设备向DS18B20的暂存器写入两个字节的数据,其中第一个字节写入TH中,第二个字节写入TL中。
能够在任何时刻发出复位命令终止数据的写入。
Readscratchpad(读暂存器)。
命令代码为BEH,许诺主设备读取暂存器中的内容。
从第一个字节开始直到读完第九个字节CRC读完。
也能够在任何时刻发出复位命令中止数据的读取操作。
Copyscratchpad(复制暂存器)。
命令代码为48H,将温度报警触发器TH和TL中的字节复制到非易失性EEPROM。
假设主机在该命令以后又发出读操作,而DS18B20又忙于将暂存器中的内容复制到EEPROM时,DS18B20就会输出一个“0”,假设复制终止,那么DS18B20输出一个“1”。
ConvertT(温度转换)。
命令代码为44H,启动一次温度转换,假设主机在该命令以后又发出其它操作,而DS18B20又忙于温度转换,DS18B20就会输出一个“0”,假设转换终止,那么DS18B20输出一个“1”。
RecallE2(拷回暂存器)。
命令代码为B8H。
将温度报警触发器TH和TL中的字节从EEPROM中拷回到暂存器中。
该操作是在DS18B20上电时自动执行,假设执行该命令后又发出读操作,DS18B20会输出温度转换忙标识:
0为忙,1完成。
Readpowersupply(读电源利用模式)。
命令代码为B4H。
主设备将该命令发给DS18B20后发出读操作,DS18B20会返回它的电源利用模式:
0为寄生电源,1为外部电源。
AT89C51概述
单片机AT89C51介绍
AT89C51[7]是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能壮大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用处合,可灵活应用于各类操纵领域。
功能特性概述
图AT89C51引脚图
AT89C51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保留RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
图AT89C51方框图
引脚功能说明
图AT89C51方框图
Vcc:
电源电压
GND:
地
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在FIash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口利用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
FIash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口利用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄放器(SFR)区中R2寄放器的内容),在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它操纵信号。
P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除作为一样的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下表所示:
表P3口第二功能
端口引脚
第二功能
RXD(串行输入口)
TXD(串行输出口)
INT0(外中断0)
INT1(外中断1)
T0(定时/计数器0外部输入)
T1(定时/计数器1外部输入)
WR(外部数据存储器写选通)
RD(外部数据存储器读选通)
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的操纵信号。
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚显现两个机械周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存许诺)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即便不访问外部存储器,ALE仍以时钟振荡频率的l/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于按时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄放器(SFR)区中的8EH单元的DO位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
另外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
PSEN:
程序贮存许诺(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每一个机械周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,这两次有效的PSEN信号不显现。
EA/VPP:
外部访问许诺。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必需维持低电平(接地)。
需注意的是:
若是加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接VCC端),CPU那么执行内部程序存储器中的指令。
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- 基于 单片机 温度 报警器 设计 毕业设计