【毕业学位论文】（Word原稿）基于DS18B20的数字温度计的设计-电子科学与技术

编号 ： 1232110102 本科毕业论文 基于 数字温度计的设计 系 院： 电子科学与工程系 姓 名： 赵伟刚 学 号： 0832110102 专 业： 电子科学与技术 年 级： 2008 级 指导教师： 文 桦 职 称： 副教授 完成日期： 2012 年 5 月 20 号 I 摘 要 在生产和科学实验中温度是非常重要的物理参数之一，温度测量是温度控制的基础。 该 文介绍了一种基于 新型温度测量及报警系统的设计，该系统用单片机 量范围 +100 ，误差 ，使用四位共阴 码管显示温度，能设置温度报警上下限，当所测温度高于设定的最高温度或低于最低温度时，系统会自动报警。该温度计具有精度高、体积小、功耗低等优点，适用于人们日常生活和工、农业生产过程中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入到其它系统中。 关键字： 温度测量； 字温度计 is of in is of a CM as as 40 C 00 C is no C. ED to is or of is s in be as in 录 1 绪论 . 1 题背景及研究意义 . 1 内外现状 . 1 题的设计目的 . 2 题的主要工作 . 2 文研究内容 . 2 2 方案论证 . 3 案选择 . 3 案一 . 3 案二 . 3 统设计原理 . 4 统组成 . 4 3 需求分析 . 5 统软件需求分析 . 5 件 . 5 件 . 5 统硬件需求分析 . 6 片机简介 . 6 介 . 7 码管显示原理 . 14 4 系统硬件设计 . 15 统总体设计 . 15 件电路 . 15 源电路 . 15 片机最小系统电路 . 16 度数据采集电路 . 16 度显示电路 . 17 警电路 . 17 上下限报警按键调整电路 . 18 5 系统软件设计 . 19 程序流程图 . 19 出温度子程序 . 19 算温度子程序 . 20 示数据刷新子程序 . 21 键扫描处理子程序 . 22 6 产品制作与调试分析 . 24 品制作 . 24 真调试 . 24 据测试 . 26 能分析 . 26 7 总结与展望 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 29 附录 1 实物照片 . 30 附录 2 电路原理图 . 31 附录 3 源程序代码 . 32 1 1 绪论 题背景及研究意义 随着科技水平的飞速发展， 高温、超高温、低温、超低温等非常态实验及工程应用越来越多，越来越复杂；另一方面，武器型号、重大装备及精密制造技术的发展也要求对温度的检测更加的准确。温度的测量方法总体可以分为两类：接触式测量方法和非接触式测量方法。接触式测量方法包括膨胀式测温、电量式测温和接触 式光电、热色测温等 ，可用于高精度和高分辨率的测量场合；非接触式测温方法不需要与被测对象接触，其主要包括辐射式测温、光谱法测温、激光干涉式测温以及声波测温等 1。 传统的温度检测多使用温度敏感元件（热敏电阻、热电偶等），它不但需要后续信号处理电路，而且可靠性比较差、测温不准确。因此，传统的控制方式已不能满足高精度、高速度的控制要求。随着新材料、新工艺及一些新技术的蓬勃发展，温度的测量也更加高端化，如薄膜温度传感器、新型热电偶测温、辐射测温技术、光纤测温技术等。虽然这些技术能有效的解决传统温度测量的问题，但是 其真正实现起来并非易事且成本比较高。 考虑到目前知识的储备量有限，本文设计了一个简单的温度测量和报警电路，该电路设计简单、测温准确、使用方便。同时，也弥补了传统温度测量的不足。 内外现状 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以 “点位 ”控制及常规的 制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商 品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件，而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的，其中最成功的是 8031，因为简单可靠而性能不错 获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 列单片机系统 2。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高， 2 开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。目前，高端的32 位单片机主频已经超过 300能直追 90 年代中期的专用处理器，当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上 3。 题的设计目的 本次课题设计 不仅是为了把自己大学四年所学的知识进行一次综合的运用， 而且还 为自己以后 在电子方面的发展打下坚实的基础。在课题选择之后，从当初的资料搜索、元器件选择、原理图的绘制、软件程序的编写到最终的仿真、调试 、 焊接，虽然都曾出现过些小挫折，但是它也增强了自己解决问题的能力。 题的主要工作 此次课题设计的重点工作是设计一种基于 数字温度计控制系统，其流程包括：拟定总体设计方案、拟定硬件电路、编制软件流程图及设计相应源程序、仿真、调试及性能分析 4。 设计的技术指标与功能如下： （ 1） 检测温度范围： +100 。 误差 （ 2） 分辨率采用 12 位，温度 值转换为数字值，转换时间不超过 750 （ 3） 可以设定温度的上下限报警功能 ，温度超过上下限能自动告警。 文研究内容 现在 简单的 数字温度计一般都是使用温度敏感元件也就是温度传感器，将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，这个电信号可以通过 A/D 转换电路，把模拟变化信号转换为数字信号，数字信号再送给控制器，控制器经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，然后通过显示单元显示出来给人观察。这样就完成了数字温度计的基本测 温功能 5。 本文设计了一种基于 数字温度计，使用温度传感器 行温度数据的采集，由于 身的一些特性，使得硬件设计电路比较简单。通过单片机进行温度数据的处理，由四位一体的共阴数码管进行显示。当温度高于设定最高温度或低于设定的最低温度时，蜂鸣器发出报警声。此外，可以通过按键来调整报警上下限温度值。 3 2 方案论证 案选择 本课题主要目的是以控制器为核心设计一种数字温度控制系统，该系统整体是由控制器电路、温度数据采集电路、显示电路、按键调整电路、报警电路等组成 。系统框图如图 2示，整个系统框图中温度数据采集部分是是整个设计的关键，它将直接影响到系统整体性能的好坏 6。通过对各方面资料的查询和分析，最后拟定了两种在日常生活和工农业生产中经常采用的方案。 主控制器显 示 电 路报 警 电 路数 据 采 集 电 路按 键 调 整 电 路图 2统框图 案一 采用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到 A/D 转换电路，其中还涉及到 电阻与温度的对应值的计算，感温电路比较麻烦但热敏电阻精度低，重复性和可靠性较差，对于精度要求较高的测温不适用。而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差 7。 案二 采用专用的集成温度传感器（如 数字化温度传感器（ 温，数字化温度传感器具有接口简单、直接数字量输出、精确度高等优点。 司的最新单线数字温度传感器，它是世界上第一片支持 “一线总线 ”接口的温度传感器 6。一线总线独特而且经济的特点，使 用户可轻松地组建传感 4 器网络，它的测量温度范围为 55 125 ，在 10 85 范围内，精度为 ，现场温度直接以 “一线总线 ”的数字方式传输 7，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量， 持 3 电压范围，使系统设计更灵活、更方便、更便宜、体积更小。 以程序设定 9 12 位的分辨率，精度为 ，分辨率设定及用户设定的报警温度存储在 ，掉电后依然保存。 由以上两种方案，容易看出方案一的测温装置可测量温度范围宽，但硬件电路较为复杂 。方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便，故此次设计采用方案二。 统设计原理 基于 数字温度计的设计是以单片机作为主控系统，利用 字温度传感器进行温度检测，温度测量范围在： +100 ，在 +85 范围内误差为 。温度值转换为数字值，转换时间不超过 750 数码管把转换后的数值显示出来，如果温度超出了上下限测量范围，有蜂鸣器来进行报警，此外设置按键，可以通过按键设置上下限温度报警值 。 统组成 本课题系统整体硬件电路包括电源电路 （诺基亚充电器改造），主控制器，温度传感器电路，温度显示电路，报警电路，上下限报警按键调整电路等组成。主控制器选用单片机 不但具有低电压供电特性，而且功能强大。显示电路使用四位一体共阴数码管和三极管（作用是开关和驱动）动态显示。温度传感器采用司生产的 度传感器，它不但输出信号全数字化，而且采用单总线的数据传输，可直接与计算机连接。 5 3 需求分析 本章主要介绍设计中所需的工具软件和硬件设计中的主要器件。 统软件需求分析 件 件是英国 司出版的 件。它不仅具有其它具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。 原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、 计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、 8086、和 ，并持续增加其它 系列处理器模型。在编译方面，它支持 多种编译器。 提供的资源丰富，仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千中元器件，有 30 多个元件库。仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、 试器、信号发生器、模拟发生器、交直流电压表、交直流电流表，同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了现实存在的仪器外， 提供了一个图形现实功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。 供了比较丰富的 测试信号用于电路的测试，这些测试信号包括了模拟信号和数字信号 8。 件 美国 司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统 8。其目前最新版本是 引入的灵活窗口管理系统，是开发人员能够使用多台监视器， 发平台 能齐全，能实现对 51 单片机的编辑、编译、调试 9 辑状态的操作界面主要由 5 部分组成： 最上面的菜单栏、菜单栏下面的工具栏、左边的工程管理窗口、中间的编辑窗口、下面的输出信息窗口。 发软件按项目方式组织文件，源程序、头文件等都放在项目文件中统一管理。其具体的操作流程如下 （ 1） 项目的建立。 建立项目：选择 单下的 令，创建新工程，在对话框中设定新工程的位置，输入新工程名字保存即可； 选择 6 出现的为新工程选择 界面，在 “下选择所使用的 定后，会弹出一 “051 息， 一般选择 “是 ”即可。 （ 2） 给项目加入程序文件。 在项目管理器窗口中展开 件夹，可以看到 向 加文件，在 击鼠标右键，会弹出一菜单，其中有一 “令，点击后会弹出一对话框，选择需要加入的程序文件，并且一次可以加入多个文件。 （ 3） 项目的编译链接。 设置输出 件：在 点击鼠标右键，点击执行 “命令，在弹出的会话界面选择 “签，选中“即可； 编译链接方法：使用 单下的 令或令，或者直接点击工具栏中对应的按钮，若有错误则不能通过，并且会在信息窗口给出相应的错误信息。编译链接通过后，会产生一 标文件。 统硬件需求分析 片机简介 片机是宏晶科技的 新一代高速 /低功耗 /超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机， 12 时钟机器周期和 6 时钟机器周期可以任意选择。 主要特性：增强型 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051；工作电压： 有 8改写的 内部程序存储器，可写 /擦 1000 次； 512 内部 2个可编程的 I/O 口； 3 个 16 位定时器 /计数器； 6 个中断源；可编程的全双工串行口；低功耗（空闲和掉电方式）。 各管脚功能说明如下 ： ：为双向 8 位三态 I/O 接口。在不接片外存储器与不扩展 I/O 接口时， 可作为准双向输入 /输出口；在接有片外存储器或扩展 I/O 接口时， 地址总线低 8 位及数据总线分时复用口，可驱动 8 个 载。一般作为扩展时的地址 /数据总线口使用。 ：为 8 位准双向 I/O 接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或者输出线（作为输入时，要对端口写 1，即口锁存器必需置 1），可启动 4 个 载。 ：为 8 位准双向 I/O 接口，当它作为 I/O 接口使用时，可直接连接外部 I/接有片外存储器或扩展 I/O 口且寻址范围超过 256 字节时， 用做高 8 位地址总线。一般作为扩展时地址总线的高 8 位 使用 。 ：为 8 位准双向 I/O 接口，输出缓冲级可以驱动（吸收或输出电流） 4 个 逻辑门电路。对 写入 1 时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入口。作输入端时，被外部拉低的 将用上拉电阻输出电流。 除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它们的第二功能，而且 的每一条引脚均可以独立定义为第一功能的输入 /输出或第二功能 。 介 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度，并且可根据实 际要求通过简单的编程实现 9的数字值读数方式。 性能特点可归纳如下： （ 1） 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； （ 2） 无需外部器件； （ 3） 可通过数据线供电，电压范围为 （ 4） 零待机功耗； （ 5） 温度以 9 或 12 位数字量读出； （ 6） 用户可定义的非易失性温度报警设置； （ 7） 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； （ 8） 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因为发热而烧毁，只是不能正常工作； 用 3 脚 装或 8 脚 装，其内部机构框图 3示 。 64位 器 与 控 制 逻 辑高速缓存温 度 传 感 器高 温 触 发 器 T 触 发 器 T 寄 存 器8 位 C R C 发 生 器I / 部结构图 8 64 位 位结构如图 3示，开始 8 位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一序号，共 48 位，最后 8 位是面 56 位的 验码，这也是多个 易失性温度报警触发器 通过软件写入报警上下限。 8 位 检 验 C R C 4 8 位 序 列 号 8 位 工 厂 代 码 （ 1 0 H ）M S B L S B M S B L S 4 位 构图 度传感器的内部存 储器还包括一个高速存储器 一个非易失性地可电擦除的 速暂存 含 8 字节存储器，其结构如图 3示。前两个字节包含测得的温度信息。第 3 和第 4 字节是 拷贝，是易失性地，每次上电复位时被刷新。第 5 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。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 8 个字节的，用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。 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示 。 低 5 位一直 为 1， 测试模式位，用于设置 工作模式还是测试模式。在 ，用户不要去改动， 定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，定义方法如表 3度转换时间比较长，而且设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 表 3辨率的定义 0 分辨率 /位 温度最大转换时间 / 0 9 1 10 0 11 375 1 1 12 750 9 T H 用 户 字 节 1T L 用 户 字 节 2温 度 L S M S 用 户 字 节 1T L 用 户 字 节 2配 置 寄 存 器保 留保 留保 留C R 节2 字 节8 字 节5 字 节7 字 节3 字 节6 字 节4 字 节9 字 节图 3速暂存 T M 1R O 1R 1 1 1 1图 3置寄存器 当 收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值以 16带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存器的第 1、 2 字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在前，高位在后，数据格式以 。温度值格式如图 3示。 232- 22120222- 12- 32- 4S 26S 2524L S 字 节M S 字 节图 3度数据值格式 当符号位 S=0 时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制数转换为十进制数；当符号位 S=1 时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算对应的十进制数。表 3部分温度值对应的二进制温度数据 。 10 表 3度与字节数据对应关系 温度 / 二进制表示 十六进制表示 +125 0000 0111 1101 0000 0785 0000 0101 0101 0000 0550H +000 0001 1001 0001 0191H +000 0000 1010 0010 00000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H 111 1111 1111 1000 111 1111 0101 1110 111 1110 0110 1111 55 1111 1100 1001 0000 成温度转换后，把测得的温度值与 的 节内容比较，若 T T 4 8 0 u 1 8 B 2 0 发 存 在 脉 冲6 0 - 2 4 0 u V C - 6 0 u 始化时序 控制器采用写 1时序向从机（ 入 1，采用写 0时序向从机（ 入 0。所有写时序至少需要 60两次独立写之间至少需要 1生写 1时序的方式是：主机先拉低总线，在接着 15 生写 0时序的方式是：主机先拉低总线，保持至少 60写时序起始后 15 60总线器件 果在此期间采样为高电平，则逻辑 1写入器件；如果为低电平，则逻辑 0写入器件 ， 写时序如图 3 写 0 时 间 间 隙6 0 u s 1 u 1 8 B 2 0 采 样M I N T Y P M A 1 8 B 2 0 采 样M I N T Y P M A 时序 1 5 u s 3 0 u u s 1 5 u 器 采 样控 制 器 采 样读 0 时 间 间 隙读 1 时 间 间 隙1 u s 1 u 时序 控制器采用读 1时序向从机（ 出 1，采用读 0时序向从机（ 出 0。所有读时序至少需要 60两次独立读之间至少需要 1个 13 读时序都由主机通过拉低总线至少 1主机发起读时序之后，单总线器件或 ，则拉低总线；若发送 1，则保持总线为高电平。当发送 0时 ，从机在该时序结束后释放总线，由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态。从机发送数据在时序发起之后，保持有效时间 15机在读时序期间须释放总线，且在时序起始后的 15入数据 ， 读时序如图 3 主机在发送功能命令之前，必须先发出相应的 令， 支持五种令操作指令，如表 3示 。 表 3作命令 指令 代码 功能 读 3H 读 的编号（ 64 位地址） 符合 5H 发送此命令，接着发 64码，访问与编码 相对应的 索 于确定总线上的 数和识别 64 位 址 跳过 点时，系统忽略 64 位地址，直接向 温度转换指令 告警搜索命令 0行之后，只有温度超过设定值 做出响应 表 3 表 3作指令 指令 代码 功能 温度转换 44H 启动 行温度转换，结果存入内部高速暂存器中 读暂存器 0内部高速暂存器中的内容 写暂存器 4 置暂存器写温度数据指令，接着传送 2 字节的数据 复制暂存器 48H 将 置暂存器中内容复制到 重调 容恢复到 置寄存器 读供电方式 0 电方式、寄生供电时发送 0，外接电源是发送 1 然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用 I/在实际应用中也应注意以下几方面的问题： （ 1） 测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间， 这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示 85。 （ 2） 在实际使用中发现，应使电源电压保持在 5V 左右，若电源电压过低，会使所测得的温度精度降低。 （ 3） 在 量问题，容易 14 使人误认为可以挂任意多个 实际应用中并非如此，当单总线上所挂过 8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题 。 码管显示原理 码管是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的点或线段发光，将这些 二极管排成一定图形，控制不同组合的二极管导通，可以显示出不同的字形。根据公共引脚与电源和地的连接方式分为共阴和共阳两种。 码管中各段发光二极管的伏安特性与普通二极管相类似，只是正向压降大，启辉电流为 1大电流为 10态电流平均电流为 4高于 压时要接限流电阻。 显示时，必须在 8 位段选线上加上相应的电平组合，即一个 8 位数据，这个数据叫做字形码，因此，在显示时需把待显示的数字转换成相应的字形码，即译码。数码管显示分为静态和动态两种，静态显示是一直处于点亮状态，因此功 耗大，而且占用的硬件资源多；动态显示是多个数码管共享段选线，一次输出段选码，同时逐位进行扫描，数码管处于亮和灭的交替之中，利用人眼的视觉惰性实现显示，因此占用资源少，功耗小。 图 3位数码管 15 4 系统硬件设计 统总体设计 温度计电路设计总体设计方框图如图 4示，控制器采用单片机 度传感器采用 位共阴数码管实现温度显示。 D 显 示 电 路报 警 电 路D S 1 8 B 2 0时 钟 电 路复 位 电 路按 键 调 整 电 路图 4体设计方框图 件电路 系统整体硬件电路包括：电源电路、单片机最小系统电路、 度数据采集电路、温度显示电路、报警电路、上下限报警按键调整电路等。 源电路 对于一个完整的电子设计来说，提供一个可靠、稳定的供电电源至关重要，因为它是使整个系统工作的基础。一般直流稳压电源都是由交流电通过变压器、整流、滤波和稳压组成 。 如图 4示 。 图 4源电路 此次系统设计采用直流 +5V 电源供电，诺基亚充电器的输出电压正好也是 5V，恰 16 好能能达到系统的供电要求。由充电器改装后给系统提供电源不但使整个系统设计的成本 降低，而且减小了整个电路的体积。 片机最小系统电路 单片机系统电路是有时钟电路和复位电路两部分组成。时钟电路用于产生单片机工作时所必需的时钟控制信号，其电容典