基于單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江志剛 黃志輝

摘 要：隨著“信息時(shí)代”的到來，作為獲取信息的手段—傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對(duì)其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。

為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度監(jiān)控。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)。課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測(cè)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并通過計(jì)算機(jī)實(shí)施溫度監(jiān)控。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫度測(cè)量，單片機(jī)，溫度傳感器，通信協(xié)議

第1章 前 言

目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。

1.1 ?課題背景

分布式溫度采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在使用了中央空調(diào)的大型商場(chǎng)、廠房、辦公大樓等大型建筑內(nèi)。本課題主要用溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，各結(jié)點(diǎn)控制單元可將有關(guān)信息上傳給計(jì)算機(jī)，本課題研究主要解決的問題為分布式控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多單片機(jī)串行通信、溫度的采集與處理。

1.2 ?設(shè)計(jì)目的及系統(tǒng)功能

本設(shè)計(jì)的目的是以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出一個(gè)分布式溫度采集系統(tǒng)。在傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器與計(jì)算機(jī)接口的連接是通過若干條導(dǎo)線連接。當(dāng)傳感器數(shù)量較多時(shí)，尤其是信號(hào)線的長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，相互容易產(chǎn)生干擾。一個(gè)室內(nèi)多點(diǎn)溫度測(cè)量中，系統(tǒng)的接線會(huì)非常多，導(dǎo)線往往不易鋪設(shè)，使得測(cè)量工作非常困難。采用總線結(jié)構(gòu)數(shù)字式傳感器，配合單片機(jī)及PC機(jī)串口進(jìn)行長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)通信，則可以很容易解決這個(gè)問題，該系統(tǒng)最多可以檢測(cè)256 路溫度信號(hào)，在室內(nèi)多點(diǎn)溫度測(cè)量控制中能達(dá)到很好的效果。通過本課題設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用單片機(jī)及接口技術(shù)、微機(jī)原理、通信協(xié)議，鍛煉動(dòng)手操作能力，綜合運(yùn)用能力，學(xué)習(xí)論文的寫作方法和步驟。

設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)有以下功能及特點(diǎn)：

（a）實(shí)現(xiàn)在一條數(shù)據(jù)總線上接多個(gè)DS18B20器件;

（b）測(cè)溫范圍0℃～99℃;

（c）溫度顯示：采用2個(gè)4位數(shù)碼管，顯示采樣溫度值; 并在電腦上一同顯示;

（d）精度±0.05℃。

第2章 ? ATMAGE16特性

本章介紹了ATMAGE16的產(chǎn)品特性和ATmega16的結(jié)構(gòu)。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

2.1 ?ATMAGE16產(chǎn)品特性

1、 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器

2、 先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)

3、 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

4、 JTAG 接口（ 與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容 ）

2.2 ?引腳配置

ATmega16是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元（ALU） 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC微控制器最高至 10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16 有如下特點(diǎn) 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW）。

第3章 ICCAVR制作環(huán)境及介紹

本章介紹了ICCAVR的制作環(huán)境，ICCAVR 中的文件類型及其文件的擴(kuò)展名、附注和擴(kuò)充，并介紹了IAR 或其它ANSI C 編譯系統(tǒng)的代碼轉(zhuǎn)換。

3.1 ?ICCAVR 介紹

本節(jié)主要介紹了ICCAVR文件的基本特點(diǎn)、類型、擴(kuò)展名等。

ImageCraft 的ICCAVR 是一種使用符合ANSI 標(biāo)準(zhǔn)的C 語言來開發(fā)微控制器（MCU）程序的一個(gè)工具，它有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

ICCAVR 是一個(gè)綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環(huán)境（IDE），其可在WINDOWS9X/NT 下工作。

3.2 ?ICCAVR 向?qū)?/p>

自你啟動(dòng) IDE 后，首先從Project 菜單系統(tǒng)選擇Open 命令，進(jìn)入＼icc＼examples.avr 目錄并且選擇并打開“l(fā)ed”工程，工程管理器顯示在這個(gè)工程中只有一個(gè)文件led.c。 然后從Project 菜單中選擇Options 命令打開工程編譯選項(xiàng)，在"Target"標(biāo)號(hào)下選擇目標(biāo)處理器。然后從Project 菜單中選擇Make Project 命令，IDE 將調(diào)用編譯器編譯這個(gè)工程文件，并且在狀態(tài)窗口中顯示所有的信息。

3.3 ?ICCAVR 的IDE 環(huán)境

3.3.1 ?編譯一個(gè)單獨(dú)的文件

正常建立一個(gè)輸出文件的次序是，你首先應(yīng)該建立一個(gè)工程文件并且定義屬于這個(gè)工程的所有文件。然而，我們有時(shí)也需要將一個(gè)文件單獨(dú)地編譯為目標(biāo)文件或最終的輸出文件。這時(shí)可以這樣操作：從IDE 菜單“File” 中選擇“Compile File...”命令，來執(zhí)行“to Object”和“to Output”中的任意一個(gè)。當(dāng)你調(diào)用這個(gè)命令時(shí)，文件應(yīng)該是打開的并且在編輯窗口中可以編輯的。

3.3.2 ?創(chuàng)建一個(gè)新的工程

為創(chuàng)建一個(gè)新的工程，從菜單“Project”中選擇“New”命令，IDE 會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，在對(duì)話框中你可以指定工程的名稱，這也是你的輸出文件的名稱。如果你使用一些已經(jīng)建立的源文件，你可在菜單“Project”中選擇“AddFile（s） ”命令。

3.3.3 ?工程管理

工程管理允許你將多個(gè)文件組織進(jìn)同一個(gè)工程，而且定義它們的編譯選項(xiàng)，這個(gè)特性允許你將工程分解成許多小的模塊。當(dāng)你處理工程構(gòu)筑時(shí)，只有一個(gè)文件被修改和重新編譯，如果一個(gè)頭文件作了修改，當(dāng)你編譯包含這個(gè)頭文件的源文件時(shí)，IDE 會(huì)自動(dòng)重新編譯已經(jīng)改變的頭文件。

一個(gè)源文件可以寫成 C 或匯編格式的任意一種。C 文件必須使用“.c”擴(kuò)展名匯編文件必須使用“.s”擴(kuò)展名。你可以將任意文件放在工程列表中，例如你可以將一個(gè)工程文檔文件放在工程管理窗口中，工程管理器在構(gòu)筑工程時(shí)對(duì)源文件以外的文件不予理睬。

3.3.4 ?編輯窗口

編輯窗口是你與 IDE 交流信息的主要區(qū)域，在這個(gè)窗口中你可以修改相應(yīng)的文件。當(dāng)編譯存在錯(cuò)誤時(shí)，用鼠標(biāo)單擊有關(guān)錯(cuò)誤信息時(shí)，編輯器會(huì)自動(dòng)將光標(biāo)定位在錯(cuò)誤行的位置。

第4章 ?結(jié) ?論

本設(shè)計(jì)文結(jié)合DSl8B20的新特性和現(xiàn)代溫度測(cè)量系統(tǒng)提出的新要求，提出了基于智能數(shù)字溫度傳感器DSl8820的高精度、分布式多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案具有安裝方便、數(shù)字化程度高、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在多種溫度檢測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過模塊化的電路測(cè)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)組裝，測(cè)溫精度可以達(dá)到±0.01℃。設(shè)計(jì)出的多路遠(yuǎn)距離自動(dòng)化、智能化溫度采集系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)只給出2路從機(jī)采集，根據(jù)需要可以增加更多從機(jī)進(jìn)行溫度采集。