18B20温控报警器制作与调试.doc
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1、 项目518B20温控报警器制作与调试5.1 项目描述和要求5.1.1 项目描述本项目基于AT89S51单片机的数字温度报警器系统。以数字温度传感器18B20作为核心元件,采用LED数码管作为显示,以蜂鸣器作为报警器,该系统可以方便的实现温度的采集和报警,并可以根据需要任意上下限报警温度,它使用起来相当方便,具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点,适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量,也可以当做温度处理模块潜入其他系统中,作为其他主系统的辅助扩展。DS18B20与AT89S51结合实现最简温度报警系统,该系统结构简单,抗干扰能力强,适合于恶劣环境下进行现场温度测量,有广泛的
2、应用前景。5.1.2 项目要求完成作品详细要求如下:1质量要求:温度采集、报警准确,数码管显示效果稳定清晰、无乱码。2安全要求:作品无短路故障,正确使用仪器仪表,凡通电测试必须经过老师同意才能执行,遇到特殊情况立即断电并报告老师。3文明要求:不要携带任何饮料进入实训室,统一穿好校服、佩戴好校卡,进入实训室不喧哗吵闹,书包统一放置讲台旁边。自觉遵守实训室规定进行项目作业。4环保要求:制作过程能重复利用的元器件要尽量重复使用,电路布局尽量紧凑不浪费板材,下课离开实训台请关闭实训台电源。5.2 知识准备:5.2.1 了解温控报警器 图5-1 图5-2温度是科学技术中最基本的物理量之一,物理、化学、生
3、物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中,像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内,温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。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馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境,许多电子设备就不能正常工作,粮仓的储粮就会变质霉烂,酒类的品质就没有保障。因此,各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见,温度的测量和控制是非常重要的。5.2.2 温控报警器电路分析本项目设计的目的是实现一种可连续高精度调温的
4、温度控制系统,它应用广泛,功能强大,小巧美观,便于携带,是一款既实用又廉价的控制系统。考虑使用温度传感器,结合单片机电路设计,本项目采用一只DS18B20温度传感器,直接读取被测温度值,之后进行转换,依次完成设计要求。(1)电路结构在本系统的电路设计方框图如图5-3所示,它由三部分组成:控制部分主芯片采用单片机AT89S51;显示部分采用4位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示;温度采集部分采用DS18B20温度传感器;报警部分采用蜂鸣器。18B20温度传感器AT89S51单片机蜂鸣器报警LED数码管显示 图5-3 温控报警设计方框图(2)元件介绍18B20图5-4 DS18B20封装形式和
5、引脚功能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,它能直接读出被测温。这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作,由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口,单片机接受温度并存储。此部分只用到DS18B20和单片机,硬件很简单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
6、5.5V;5) 零待机功耗;6) 温度以3位数字显示;7) 用户可定义报警设置;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内部结构主要由四部分组成:1) 64位光刻ROM。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56位的CRC校验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。64位闪速ROM的结构如下:表51 ROM结构8b检验CRC48b序列号8b工厂代码(10H) MSB LSB MSB LSB MSB LSB图55 DS18B
7、20内部结构2) 非挥发的温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限值。3) 高速暂存存储,可以设置DS18B20温度转换的精度。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电擦除的E2PRAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,结构如图1.3所示。头2个字节包含测得的温度信息,第3和第4字节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工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。它的内部存储器结构和字节定义如图1.3所示。低5位一直为,TM是工作模式位,用
8、于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。 表52 DS18B20内部存储器结构Byte0温度测量值LSB(50H)Byte1温度测量值MSB(50H)E2PROMByte2TH高温寄存器-TH高温寄存器Byte3TL低温寄存器-TL 低温寄存器Byte4配位寄存器-配位寄存器Byte5预留(FFH)Byte6预留(0CH)Byte7预留(IOH)Byte8循环冗余码校验(CRC) 42) 非挥发的温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限值。3) 高速暂存存储,可以设置DS18B20温度转换的精度。DS18B20出厂时该位被设置为0,用户要去改动,R1和R0决定温度转换的精度
9、位数,来设置分辨率,如图1.4。图53 DS18B20字节定义TM R1R0 1 1 1 1 1由表5-4可见,分辨率越高,所需要的温度数据转换时间越长。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。当DS18B20接收到温度转换命令后,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该数据,读数据时低位在先,高位在后,数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时,表
10、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S1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码变成原码,再计算十进制数值。表54 DS18B20温度转换时间表R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750表55一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00
11、100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H4) CRC的产生 在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC)。主机根据ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20中的CRC值做比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。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
12、DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为:初使化DS18B20(发复位脉冲)发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。蜂鸣器 图5-6 蜂鸣器 图5-7 蜂鸣器驱动电路(3)电路原理图及工作原理分析本项目电路采用18B20进行温度采集,将信号送单片机进行分析,然后单片机将信号进行处理,将实际温度送到LED数码管显示,同时对采集温度进行监控,超出限定范围则控制蜂鸣器发出报警声音。(提示:因P0口作为数据输出,故在P0口增加了上拉电阻10K排阻,保障其稳定输出。)图5-8 数码管显示电路原理图5.3 项目实施:5.3.1 组织方式全班同学分组,每组3-4人,由教师确定好小组长,小组长按照教师
13、的要求负责工具清点,纪律管理,元器件发放,实训台整理等工作,协助老师管理好自己的小组。小组成员集体讨论,按下表工作流程,制定工作计划,并填写下表。表3-2 工作计划表序号工作流程时间分配(分钟)人员分工1理论学习2画元件布局图3编写控制程序4选择、检测元件5电路装配与调试6芯片烧录出成品计划时间: 小时,实际时间: 小时,审核: 5.3.2 计划实施每个小组长按照教师的各项指令和要求完成项目计划实施。(1)小组长对小组进行考勤,将考勤情况报给班级考勤员;(2)小组长课前督促小组成员清点每个工位上的工具是否齐全,将清点情况报给学科代表;(3)教师讲解实训过程中需要注意的问题,分析电路原理图,将学
14、生在实操过程中可能遇到的问题进行分析讲解,减少实训困难,提高实训成功率;(4)科代表按照教师的要求发放元器件到每个小组。5.3.3元件检测本项目电路中所包含的元件见下表序号品名规格数量备注1电阻10K,1/4W4.7K,1/4W100,1/4W2182排阻9个引脚10K13数码管两位24DS18B20TO92封装15纤维万用电路板21*18cm16镀锡线0.8mm若干7晶体振荡器12M18电解电容10uF19陶瓷电容30PF210单片机芯片AT89S511在焊接装配电路之前,请同学们利用以前学过的元器件检测知识检测排阻、色环电阻,电解电容。仔细观察所领到的元器件,如有疑问或与电路图不相符的请告
15、知小组长。由小组长上报给教师。5.3.4 焊接装配利用万能电路板进行焊接装配。焊接元件时要按从低到高的顺序进行焊接,元件摆放要端正,布局合理,电阻卧放。连接导线时要注意,图4.9中AT89S51接电源正极的第40脚和接地的第20脚没有画出,所以在组装时要将这两个引脚用导线连接出来,电源正极用红色导线,接地用黑色导线。电路板可以两面布线,这样就不会出现导线交叉短路的现象。元件布局示意图如3.13所示。图5-13 温控报警器电路元件布局示意图5.3.5、电路调试(1)DS18B20的工作原理DS18B20工作时序根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:1.
16、 每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位;2. 复位成功后发送一条ROM指令;3. 最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,DS18B20收到信号后等待1560微秒左右后发出60240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序,具体工作方法如图2.1,2.2,2.3所示。1) 初始化时序图5- 初始化时序总线上的所有传输过程都是以初始化开始的,主机响应应答脉冲。应答脉冲使主机知道,总线上有从机设备,且准备就绪。主机输出低电平,保持低电平时间至少480us,以产生复位脉冲
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- 18 B20 温控 报警器 制作 调试