毕业综合实践
课题名称： 基于DS18B20的单片机测温散热系统的设计
作 者： 李乐 学 号： ********
系 别： 电气系
专 业： 电子信息工程技术
指导老师： 纪忠宝 专业技术职务 讲师
2013年 4月 浙江温州
课 题 摘 要
【摘要】温度是一种最基本的环境参数，人名的日常生活与环境息息相关，另外它也是工业对象中主要的被控参数之一。目前典型的温度测控系统是由模拟式温度传感器、A∕D转换电路和单片机组成，由于模拟式温度传感器为模拟信号，必须经过A∕D转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口，使得硬件电路结构复杂，成本较高。而以DS18B20为代表的新型单总线数字式温度传感器集温度测量与A∕D转换于一体，直接输出数字量，与单片机接口电路结构简单，广泛适用于距离远，节点分布多的场合，具有较强的推广应用价值。
| 【关键词】51 单片机；DS18B20；传感器 |
1.1 课题背景
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。
传感器主要大体经过了三个发展阶段：模拟集成温度传感器。该传感器是采用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、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，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、AD592、TMP17、LM135等；模拟集成温度控制器。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别；智能温度传感器。能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。智能温度传感器内部都 包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、控制器(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控制量，适配各种微控制器(MCU)；并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。
温度传感器的发展趋势。
进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
传感器在温度测控系统中的应用。
目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。此种产品测温范围大都在-200℃~800℃之间，分辨率12位，最小分辨温度在0.001~0.01之间。自带LED显示模块，显示4位到16位不等。有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。
针对目前市场的现状，本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机多路测温系统。
1.2 本课题研究意义
随着科学技术的不断进步与发展，温度控制在工业控制、电子测温计、医疗仪器、家用电器等各种温度控制系统中广泛应用，且由过去的单点测量向多测量发展。目前温度传感器有模拟和数字两类传感器，为了克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A／D转换器的弊端，大多数多点测温控制系统采用数字传感器，并大大方便了系统的设计。比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635、SMT160-30等。
在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，具有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用I/0端口即可完成与微处理器的通信；在-10～+85℃ 温度范围内具有0．5℃ 精度；用户可编程设定9～12位的分辨率。以上特性使得DS18B20非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。
1.3 本课题的任务
1.3.1 课题要求
实物制作基于DS18B20的单片机测温散热系统；学生应具备较好的电子技术、电气控制技术、PLC、电子线路CAD及单片机等知识；在课题中，能综合运用专业所学知识来分析问题、解决问题，以提高工程实践能力。
1.3.2 需解决的问题
1、电路图测绘，并分析电路的组成与工作原理
2、程序编程，并分析软件系统的编程思想
3、 系统硬件原理电路的设计，制版电路的设计，对整个系统进行调试，差错
4、按计划要求完成论文
第二章 DS18B20简介
由DALLAS 半导体公司生产的DA18B20 型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且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。可以分别在93.75ms 和750ms 内完成9 位和12 位的数字量， 最大分辨率为0.0625 摄氏度， 而且从0518820 读出的信息或写入DS18B20 的信息仅需要一根口线（单线接口）读写。
2.1 DS18B20 性能特点
（1）独特的单线接口，既可通过串行口线，也可通过其它1/0 口线与微机接口，无需变换其它电路，直接输出被测温度值。
（2）多点(multidrop)能力使分布式温度检测应用得以简化。
（3）不需要外部元件。
（4）既可用数据线供电，也可采用外部电源供电。
（5）不需备份电源。
（6）测量范围为-55 摄氏度——+125摄氏度，固有测温分辨率为0.5摄氏度。
（7）通过编程可实现9—12 位的数字读数方式。
（8）用户可定义非易失性的温度告警设置。
（9）警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度警告情况）.
（10） 应用范围包括恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或者任何热敏系统。
2.2 DS18B20 引脚结构
DS18B20 采用TO-92 封装或8 脚的SOIC 封装。
各引脚的功能：GND 为电压地；DQ 为单数据总线；Vdd 为电源电压；NCC 为空引脚。
第三章 系统方案的设计
3.1 通信机房智能温控系统设计要求
3.1.1 设计要求
（1）在proteus仿真软件上画出原理图和PCB图
（2）在protle画图软件上画出接线图
（3）在数码管上显示出温度传感器的数据
（4）驱动步进电机转动，调节百叶窗的角度，控制室内温度的变化
（5）实现通信功能
3.1.2技术要求
3.1.3设计思路
以单片机为控制核心，分为以下几个模块：电源系统、单片机中断系统、LED数码管驱动及显示电路、轻触开关设置、软件复位功能、步进电机控制，用户外接百叶窗实现温度自动控制。
3.2 总体设计方案论证与选择
方案一：传统的51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的。4K字节可编程闪烁存储器，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，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。它应用很广泛，有中断，串口，存储等功能，是基础入门的一个单片机。单片机能成为控制核心，可以实现的效果有：仿真交通灯，数码管模拟数字时钟等控制电路系统芯片，ATC51外接电路简单，价格便宜，使用普遍，容易掌握。
方案二：PIC单片机是一种用来开发去控制外围设备的集成电路，一种具有分散作用（多任务）功能的CPU。PIC单片机有计算功能和记忆内存像CPU并由软件控制运行，处理能力一般，容量有限，最高操作频率在20MHz左右。利用PICC+MPLAB软件编程，各个型号的兼容性强、体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好。芯片相比较来说比较贵，增加成本，且要用专用软件来写程序，不宜掌握，不考虑使用。
方案三：STC51系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容。STC系列单片机中包含处理器、程序存储器、数据存储器、定时器、I/O口、高速A/D转换、看门狗、片内高精度R/C震荡时钟及高可靠复位等模块。功耗低、体积小、价格便宜、功能多、抗干扰能力强，EEPROM大，串口编程很方便，它的工作频率范围是5MHz-35MHz,相当于普通8051的60MHz-420MHz,有EEPROM功能,擦写次数10万次以上。
基于上述分析，方案一、方案二与方案三均满足要求，考虑到解密问题、成本问题以及编程软件的实用性，本设计选择方案一。
3.3系统各模块方案论证与选择
3.3.1显示电路
| 图 31数码管事物图示 |
方案二：采用液晶显示。功耗低，显示柔和不伤眼。但对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且液晶显示作为一种被动显示，可视性相对较差；对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块，一般多采用并行接口，对微处理的接口要求较高。另外，STC90C52RC本身无专门的液晶驱动接口，且成本高。
3.3.2复位电路
方案一：采用RC复位电路来复位，RC复位电路又称为一阶充放电电路，系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。硬件电路连接简单，直接使用单片机的复位功能，实现手动复位，操作简单便捷。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头过程中引起的抖动而影响复位。
| 图 33RST复位电路图 |
基于上述分析，最终本设计采用方案二。
3.3.3按键电路
方案一：矩阵式键盘
I/O端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，按键按下时，行线与列线发生短路。其特点是占用I/O端线较少，适用于按键较多的场合，软件结构教复杂。 按键与按钮电路设计中关键要考虑的就是按键消除抖动问题，一般有硬件消抖和软件消抖两种方式。硬件消抖是：在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器(双稳态触器)或单稳态触发器构成去抖动电路。软件消抖是：在检测到有按键按下时，执行一个10 ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键是否处于闭合状态。
方案二：采用按键式键盘。键的闭合与否反映在行线输出电压上就是呈现高电平或者低电平。通过对行线的电平高低状态检测，便可以确认按键按下以及按键释放与否。式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个按键单独占有一根I/O口线，且其工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。这种按键的电路配置灵活，软件结构简单。
基于以上分析，本设计采用了方案二。
3.3.4电机控制
基于以上分析，本设计采用了方案一。
3.3.5采集电路控制
方案一：DS18B20 数字温度计提供9位(二进制)温度读数指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl820或从DSl820送出因此从主机CPU到DSl820仅需一条线(和地线)DSl820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一个DSl820在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个DSl820可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件DSl820的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在l s(典型值)内把温度变换成数字，将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值(-55到125)DSl820的引脚如图226l所示每只D51820都可以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取数据总线供电方式可以节省一根导线但完成温度测量的时间较长采取外部供电方式则多用一根导线但测量速度较快。
方案二：红外温度传感器MLX90614主要特性和优势： 1.体积小，成本低 2.易于集成 3.准工厂在宽广的温度范围：对传感器的温度和物体的温度-70?380℃-40℃至125℃。 4.高精确度，0.5 度的宽温度范围内多为大和（0 .. C至+50） 5.医疗精度为0.1 ° C的温度范围有限根据要求提供 6.测量分辨率的0.01℃等很多优点，但是价格昂贵，外接硬件电流复杂。但是基于室温，精度要求不高的使用场合，我们不提倡使用。
基于以上分析，本设计采用了方案一。
3.3.6电源电路
方案一：三端稳压LM7805电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 ×× 系列和负电压输出的79××系列。三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。我们对于电源精度要去不高，7805的外围电路简单，使用空间小，适合我们的要求。
方案二：开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。
基于以上分析，本设计采用了方案一。
3.4 最终方案确定
1）系统CPU的选择：采用ATC52系列单片机；
2）复位电路：采用RC复位电路；
3）输出控制：采用由4相5线的步进电机驱动百叶窗；
4）采集电路：DS18B20温度传感器；
5）显示电路：采用P0口段驱动、P2口位驱动，动态扫描数码管显示；
6）键盘电路：采用按键式键盘；
7）电源电路：采用LM7805的三端稳压器；
8）电机驱动电路：采用ULN2803的驱动电路；
9）时钟电路：采用11.0592的石英晶体的震荡电路；
10）串口通信电路：采用MAX232来实现；
第四章 硬件方案的设计与实现
4.1 系统硬件的基本组成部分
本系统以单片机为控制核心，用数码管显示计时和步进电机带动百叶窗控制温度，采用传统51系列单片机的位操作控制DS18B20温度传感器采集外界温度，用步进电机的转动步数，控制百叶窗的角度，使用轻触开关设置室内温度参数，已到达自动控制温度。
4.2 主要单元的电路设计
4.2.1 处理系统的芯片选择
| 图 42 STC15F204EA管脚分布图 |
4.2.2 时钟电路选择
ATC51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1,XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器构成自激震荡。外接石英晶体及电容C1,C2接在放大器的发聩工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性，如果用石英晶体，采用电容值30pF到10pF之间，比较适合。
| 图 43系统复位电路 |
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。
| 图 44两位共阳极数码管驱动显示电路 |
本设计采用四位一体式的共阳极数码管显示，目的是为了简化电路的设计。两排四位一体式共阳极数码管显示电路如图 44两位共阳极数码管驱动显示电路所示。该显示电路采用了与一般的段电流电阻限流方式实现的。用PNP小功率三极管S8550来驱动显示器件的位选，可使数码管亮度很高，并且没有亮暗不一的时候出现。单片机点亮数码管的方式为动态扫描方式，逐个点亮数码管，由于时间很短，只有几个毫秒，人的肉眼具有视觉停留效应，故人的肉眼无法识别数码管因顺序点亮而有的闪烁现象。
1）LED数码管分类
按其内部结构可分为共阴型和共阳型；导通时正向压降一般为1.5～2V，额定电流为10mA，最大电流为40mA。
2）共阳数码管工作原理
共阳极数码管中8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接一起,即为共阳极接法，简称共阳数码管。通常,公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输入端为低电平时，该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻
3）数码管显示方式：
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。数码动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自的I/O线控制。本次项目采用的是动态显示的方式。
4.2.5 按键电路
在单片机应用系统中，通过按键实现控制功能和数据输入是非常普遍的。在所需按键数量不多时，系统常采用式按键。式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个按键单独占有一根I/O口线，且其工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。这种按键的电路配置灵活，软件结构简单。如下图3-7所示。这里考虑到系统的硬件简化和成本，没有采用硬件去抖，而采用软件去抖。软件消抖是：在检测到有按键按下时，执行一个10 ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键是否处于闭合状态。连接方式如图 45式按键电路所示：
| 电机驱动电路 |
ULN2803的极限值表格：
光耦：电气隔离的一个比较好的选择是使用线性光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。单片机的电压范围在5.5V-3.8V之间，所以外部电路的电压对其影响很大，会产生外部的硬件干扰，采用光耦隔离就可以避免干扰的来源，并且保护单片机不会被外部冲击电压烧坏：
4.2.8 电源电路
| 图 47 电源电路 |
第五章 步进电机的种类、结构及工作原理
5.1步进电机的种类
步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表5-1所示。
表5-1 步进电机的分类
| 分 类 方 式 | 具 体 类 型 |
| 按力矩产生的原理 | （1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行 （2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行 |
| 按输出力矩大小 | （1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N·m）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载 （2）功率式：输出力矩在5-50 N·m以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载 |
| 按定子数 | （1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式 |
| 按各相绕组分布 | （1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列 （2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列 |
| 步进电机的齿距 |
如图5--3所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子齿2/3齿距角。
5.3步进电机的工作原理
步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。当A相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在AA方向上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐。若A相断电，B相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐，转子沿顺时针转过60°。通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度α称为步距角。因此，图5--6(a)所示步进电机的步距角α等于60°。如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。它的通电顺序是：顺时针为A → AB → B → BC → C → CA → A … ；逆时针为A → AC → C→ CB → B → BA →A…。
| 步进电机工作原理图 |
综上所述，可以得到如下结论：
(1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角α；
(2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；
(3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；
(4) 步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：
(5-1)
式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。
对于图5--2所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为
若按三相六拍通电方式工作，则步距角为
5.4步进电机的主要特性
(1) 步距角。步进电机的步距角 是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为 。步距角越小，数控机床的控制精度越高。
(2) 矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩 与失调角 的变化规律。
(3) 启动频率fq。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。
(4) 连续运行的最高工作频率fmax。步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。
(5)加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性，如图5-8所示。
图5-8 加减速特性曲线
第六章 软件设计
6.1 软件开发工具的选择
要使单片机系统按照人的意图办事，需设法让人与计算机对话，并听从人的指挥。程序设计语言是实现人机交换信息的最基本工具，可分为机器语言、汇编语言和高级语言。
机器语言用二进制编码表示每一条指令，是计算机能直接识别和执行的语言。用机器语言编写的程序成为机器语言程序或者指令程序（机器码程序）。因为机器只能识别和执行这种机器码程序，所以又称它为目标程序。用机器语言编写程序不易记忆、不易查错、不易修改。
为了克服机器语言的上述缺点，可采用有一定含义的符号，即指令助记符来表示，一般都采用某些有关的英文单词的缩写。这样就出现了另一种程序语言—汇编语言。
汇编语言是用助记符、符号和数字等来表示指令的程序语言，容易理解和记忆，它与机器语言指令是一一对应的。汇编语言不像高级语言（如BASIC）那样通用型强，而是属于某种计算机所独有，与计算机的内部硬件结构密切相关。用汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。
以上两种语言都是低级语言。尽管汇编语言有不少优点，但它仍存在着机器语言的某些缺陷：与CPU的硬件结构密切相关，不同的CPU其汇编语言是不同的。这使得汇编语言程序不能移植，使用不便；其次，要使用汇编语言进行程序设计必须了解所使用CPU硬件的结构与性能，对程序设计人员有较高的要求。为此，又出现了对单片机进行编程的高级语言，如PL\\M，C等。
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
经分析综合得知，本课题采用C语言进行编程。
6.2 系统软件设计的一般原则
单片机应用软件系统设计包括功能模块划分、程序流程确立、模块接口设计以及程序代码编写。我们依据系统的功能要求，将整体软件系统分割成若干个的程序模块。这些程序模块可以是几条语句的集合、功能函数或程序文件。随后，根据个程序模块的实现功能写出流程，一般需要写出具体的实现功能描述。程序代码通常采用汇编语言或高级语言（C语言）编写。
本课题采用C语言编程，在此必须注意以下问题：
（1）提高程序代码效率
必须熟悉当前使用的C语言编译器，试验每条C语言编译以后对应的汇编语言的语句行数，这样就可以很明确的知道代码效率。
（2）减少程序错误
我们在编写程序时，要注重考虑如下方面。
[1]物理参数 [2]资源参数 [3]应用参数 [4]过程参数
（3）单片机的抗干扰性
防止干扰最有效的方法是去除干扰源、隔离干扰路径。单片机干扰最常见的现象就是复位，导致程序运行异常。设计系统是一般需要添加一个“看门狗”监控模块，在系统出现不可逆转的干扰时，监控模块将重启系统，并从断点处继续执行。
（4）系统的可靠性
[1]要测试单片机软件功能的完善性。
[2]上电、掉电测试。
[3]系统耗损测试。
6.3 系统软件设计的一般步骤
系统进行软件设计时，先要对本课题硬件有一个熟练的掌握，知道系统的组成，数据的传输，信号是如何被控制的，以及信号的显示。然后进行软件设计时，先搞清楚各个部分的子程序及他们的流程图，然后进行各子程序的编写，最后通过主函数把各子程序连接起来实现设计。
6.4 三路测温软件实现
系统软件设计主要包括系统程序和流程图，根据整个系统的要求，完成温度的测量与控制必须经过以下几个步骤：单片机接受传感器的温度信号，并通过MAX7219驱动显示出来，单片机扫描键盘，接受控制信号，并将温度显示出来，若温度不在范围内则发出报警。系统主程序流程图如图6.1
图6.1 主程序流程图
6.4.1 初始化子程序
DS18B20初始化程序严格按照DS18B20的时序来编写，微处理器开始发送一个复位脉冲（在480us～960us之间），接着数据线释放拉到高电平1，如图6.2所示。
图6.2 初始化子程序流程图
6.4.2 温度转换
由三片DS18B20是串接在不同的I/O，读取温度的子是程序分开，但工作原理一样。
以单个为例，首先调用DS18B20初始化子程序对它进行初始化，然后发跳过匹配ROM命令，接着发温度转换命令完成温度转换，该命令主要是完成温度的A/D转换，读取温度程序是在转换结束后才能读取当前温度值。其它两片工作原理一样。工作流程图如图6.3。
图6.3 温度转换流程图
6.4.3 DS18B20写子程序
当主机把数据线从高逻辑电平拉低至逻辑电平时产生写时间片，有两种类型的写时间片，写1时间片和写0时间片，所有时间片必须有最短为60微妙的持续期。在各写周期之间必须有最短为1us的恢复时间。在I/O口线高电平变为低电平后DS18B20在15us到60us之间对I/O采样，如果是高电平则写1，低电平写0。流程图如图6.5所示。
图6.5 写子程序流程图
6.4.4 DS18B20读子程序
从DS18B20读数据时单片机产生读时间片，当主机把数据线从逻辑高电平拉到低电平时产生读时间片，数据线必须保持在逻辑电平至少1微妙，来自DS18B20的输出数据在读时间段下降沿之后15微妙有效，因此为了读出从读时间段开始算起15微妙的状态单片机必须停止把I/O引脚驱动拉低至低电平，在读时间段结束时I/O引脚经过外部的上拉电阻拉回至高电平，所有读时间段的最短持续周期限为60微妙，各个读时间片之间必须有最短为1微妙的恢复时间，把主机采样时间定在15微妙期间的末尾系统时序关系就有最大的余地。
单片机从DS18B20中读取数据是一位一位的读的，没读完一位的数据到单片机的特定单元A，A左移一次与B向或，直至DS18B20的数据全部移到B中，到此单片机就对DS18B20完成了读字节操作。读数据流程图如图6.6所示。
图6.6 读子程序流程图
6.4.5 按键处理子程序
这一模块子程序定义了四个按键标志量，当检测到对应的按键被按下时，标志量1被程序置1，在主程序中，根据标志量的状态转向不同的处理子程序。按键程序框图如图6.7。
图6.7 按键处理子程序流程图
第七章 误差分析
7.1 误差产生
当采用寄生电源的工作方式时（电源从IO口上获得），如果温度高于100℃，则将产生很大的误差，因为此时器件中较大的漏电流会使总线不能可靠检测高低电平，从而导致数据传输误码率的增大。DS18B20工作电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源，测量温度范围为-55℃至+125℃ ，华氏相当于是-67℉到257℉华氏度 -10 ℃至+85℃。在此范围内精度为±0.5℃。在远距离有线测温传输过程中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误使得温度不能准确测量。
7.2 降低误差方法
为了使得设计能够得到准确实时温度，DS18B20采用了外部电源供电方式，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，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。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，依然能够保证温度量精度。
在传输方面，当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长，测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线。
7.3 挂接DS18B20个数论证
在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时 要加以注意。本设计采用的是每个I/O口挂接一个DS18B20传感器的方案，由于STCc52用户应用程序空间为8K字节，根据编写的程序大小，挂接三个DS18B20,程序为2K字节，故最多可接12个。
第八章 调试与小结
本设计Keil C51对单片机多点温度测量系统进行了软件编写。在编写过程中，必须严格按照DS18B20的工作时序严格编写，否则温度无法准确测量。
硬件电路的设计是通过Protel 99se软件来来设计的PCB。本课题通过分析对比各种不同的温度传感器，选定DS18B20，这种单总线数字温度传感器的通信方式比较独特，软件编写要求的比较新颖，特点突出。用其构建的系统有很多优点：硬件连线简单，省去了使用模拟传感器要进行放大、A/D转换等工作，由于它的级联功能，一条总线可挂接多个传感器测量不同位置的温度，根据DS18B20唯一的序号识别不同传感器在各自位置的温度。
课题采用的是一个I/O口挂接一个DS18B20的方式串联了三个传感器。另外，由于DS1820 单线通信功能是分时完成的,遵循严格的时隙概念,因此, 系统对DS1820 和各种操作必须按协议进行,即:初始化DS1820 (发复位脉冲)—发ROM功能命令—发存储器操作命令—处理数据。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，每一个自带地址，大大减少了系统的电缆数，提高了系统的稳定性和抗干扰性。
通过调试成型系统发现了DS18B20除了上述优点外，还有一些缺点，如：简单的硬件连接的代价是复杂的软件时序，DS18B20在测量温度的时候，灵敏度不够高，温度快速变化时无法迅速显示出其变化。通过一系列的实验发现：由DS18B20构建的测温小系统适用于环境温度监控，对温度小变化较敏感；不适合应用于要求实时性强、温度跨度大的测温方式。
致谢
本设计是在纪忠宝老师的指导下完成的，纪忠宝老师是一位极其负责任的指导老师。毕业设计初期时，就制定了详细的工作时间表，对于各个阶段要完成的设计任务都详尽列出，而且按时要求完成。期间，多次集中开会，分析指导，提供修改意见。为此，对纪忠宝老师在毕业设计期间提供的悉心指导与帮助表示衷心的感谢！
此外，特别要感谢在这次毕业设计中为我提供宝贵意见的同学，有了你们的建议让我这次毕业设计顺利完成！
参考文献
[1]林立、张俊亮、曹旭东.单片机原理及应用（基于Proteus和Keil C）[M].北京：电子工业出版社，2009
[2]赵海兰、赵祥伟．智能温度传感器DS18B20的原理与应用[J].现代电子技术，2003,26(14)
[3]魏伟、胡玮、王永清. 51单片机C语言开发与应用技术案例详解[M].北京：化学工业出版社，2010．
[4]童诗白、华成英．模拟电子技术基础[M]．北京: 高等教育出版社．2000
[5]程院莲.基于单总线器件DS18B20的智能温度测量[J].现代教育装备，2010（23）
[6]郭天祥.新概念51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展全攻略.电子工业出版社[M]，2011
[7]On-Line Measure System of the Temperature in the Synthetic Ammonia Tower Based on the DS18B20 Temperature Sensor[C].Volume 1[A].2009:102-104.
附录
电路原理图
PCB图
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