一、绪论1.1 课题来源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，同时它也是一种最基本的环境参数。
人民的生活与环境温度息息相关，物理、化学、生物等学科都离不开温度。
在工业生产和实验研究中，在电力、化工、石油、冶金、机械制造、大型仓储室、实验室、农场塑料大棚甚至人们的居室里经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对环境温度进行控制。
比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行。
炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分流才能得到汽油、柴油、煤油等产品；没有合适的温度环境，许多电子设备不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。
可见，研究温度的测量具有重要的理论意义和推广价值。
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益突出，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。
本设计就是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方面的需求。
本设计要求系统测量的温度的点数为4个，测量精度为0.5℃，测温范围为-20℃～+80℃。
采用液晶显示温度值和路数，显示格式为:温度的符号位,整数部分,小数部分,最后一位显示℃。
显示数据每一秒刷新一次。
1.2 课题研究的意义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巨大的变化，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主流之一，被广泛地应用于生产的各个领域。
对于本次设计，其目的在于：（1）掌握数字温度传感器DS18B20的原理、性能、使用特点和方法，利用C51对系统进行编程。
（2）本课题综合了现代测控、电子信息、计算机技术专业领域方方面面的知识，具有综合性、科学性、代表性，可全面检验和促进学生的理论素养和工作能力。
（3）本课题的研究可以使学生更好地掌握基于单片机应用系统的分析与设计方法，培养创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，提高电子产品研发素质、增强针对实际应用进行控制系统设计制作的能力。
1.3国内外现状及水平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广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。
温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段:传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；模拟集成温度传感器／控制器；数字温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，同时具有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。
随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，发展以温度传感器为载体的温度测量技术具有重大意义。
二、总体方案设计2.1 方案介绍本该方案使用了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4×4键盘模块对正常温度进行设置显示电路采用128×64 LCD模块，使用LM386作为报警电路中的功率放大器。
如图2.1为系统总体框图。
图2.1 基于数字温度传感器测量系统框图本课题采用数字温度传感器DS18B20作为测为测温元件,它具有如下特点:（1）只要求一个端口即可实现通信。
（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－55C 到＋125C 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。
三、硬件电路设计3.1测温电路DS18B20温度传感器是美国DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出北侧温度，并且温度传感器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。
DS18B20的性能特点如下：①独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；②多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；③无须外部器件；④可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V；⑤零待机功能；⑥温度以9或12位数字量读出；⑦用户可定义的非易失性温度报警设置；⑧报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；⑨负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3.1所示。
图3.1 DS18B20内部结构图64位ROM的位结构如图3.2所示。
开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
非易失性温度报警器触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
图3.2 64位ROM结构图DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3.3所示。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节是TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。
该字节各位的定义如图3.4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。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要改动，R1和R0决定温度转换得精度位数，即用来设置分辨率，定义方法见表1。
图3.3 高速暂存RAM结构图图3.4 配置寄存器表1 DS18B20分辨率的定义规定由表1可见,DS18B20温度转换的时间比较长,而且设定的分辨率越高,所需要的温度转换时间越长。
因此,在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存RAM的第6,7,8字节保存未用,表现为逻辑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。
当DS18B20接收温度转换命令后,开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2字节。
单片机可以通过单线接口读出数据,读数据时低位在先,高位在后,数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。
温度值格式如图3.5所示。
图3.5 温度数据值格式当符号位S=0时,表示测得的温度值为正值,可以直接将二进制位转换为十进制;当符号位S=1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码转换为原码,再计算十进制。
表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表2 DS18B20温度与测得值对应表在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码(CRC)。
主机根据ROM 的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20的CRC值作比较,以判断主机收到ROM 数据是否正确。
DS18B20的测温原理如图3.6所示。
图中第温度系数晶振的震荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲送给减法计数器1;高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入.图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数震荡器产生的时钟脉冲计数,进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数震荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1,温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1所对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置值将被重新装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
图3.6中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形性,其输出用于减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直到温度寄存器值达到被预测值。
另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,它有严格的时隙概念,因此读写时序很重要,系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
操作协议为:初始化DS18B20→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
图3.6 DS18B20测温原理图DS18B20与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式,此时DS18B20的1脚接地,2脚作为信号线,3脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式,如图3.7所示.单片机端口接单线总线,为为保证有效DS18B20时钟周期内提供足够的电流,可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
图3.7 DS18B20采用寄生电源的电路图当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10us。
采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。
由于单线制只有一根线,因此发送接口必须是三态的。
3.2键盘电路设计3.2.1 行列式键盘与单片机接口电路根据本设计需要，本系统采用了4×4键盘实现对温度值和功能键的设定。
行列式键盘与单片机的接口电路如图3.8所示，H0-H3为行线，接单片机P2口的高4位，L0-L3为列线，接单片机P2口的低4位。
初始化时键盘行线为高电平，列线为低电平。
图3.8 4×4键盘结构3.2.2 键盘面板键盘面板如图3.9所示,本系统使用的键盘有10数字键，5个功能按键。
在系统启动时，先按“设置”键，然后按相应的数字键，按“左移”或者“右移”键改变其他温度的值。
按“确认”键之后系统正式启动。
系统在运行过程 之中可以通过按“重新设置”键，对温度重新进行设置。
图3.9 键盘面板3.3显示电路设计3.3.1 LCD 引脚分布及功能12864液晶显示屏共有20个引脚，其引脚名称及引脚编号的对应关系如图3.10所示：图3.10 12864液晶显示模块引脚分布图0213设置确认右移左移重新设置9876453.3.2单片机与图形液晶的接口电路LCD与单片机的接口电路如图3.11所示：图3.11 LCD与单片机的接口电路3.4报警电路设计本系统设计中有报警器，使用LM386作为报警器的功率放大器，如图3.12所示。
LM386是一种音频集成功放，具图3.12 报警器电路有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。
