基于51单片机的ds18b20数字温度计的实训报告

天津电子信息职业技术学院天津电子信息职业技术学院 暨国家示范性软件职业技术学院暨国家示范性软件职业技术学院 单片机实训 题 目： 用 MCS-51 单片机和 18B20 实现数字温度计 姓 名： 系 别： 网络系 专 业： 计算机控制技术 班 级： 计控 指导教师： * 伟 时间安排：2013 年 1 月 7 日 至 2013 年 1 月 11 日 - 1 - 摘要摘要 随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉 中温度进行监测和控制。采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和 灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的 提高产品的质量和数量。 在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生 产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效 地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。 温度控制在生产过程中占有相当大的比例。温度测量是温度控制的基础，技术 已经比较成熟。传统的测温元件有热电偶和二电阻。而热电偶和热电阻测出的 一般都是电压，再转换成对应的温度，这些方法相对比较复杂，需要比较多的 外部硬件支持。我们用一种相对比较简单的方式来测量。 我们采用美国 DALLAS 半导体公司继 DS18B20 之后推出的一种改进型智能温 度传感器 DS18B20 作为检测元件，温度范围为-55125 C,最高分辨率可达 0.0625 C。DS18B20 可以直接读出北侧温度值，而且采用三线制与单片机相连， 减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 本文介绍一种基于 AT89C51 单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用 DS18B20 作为温度监测元件，测量范围 0-+100，使用 LED 模块显示，能 设置温度报警上下限。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了集成 温度传感器 DS18B20 的原理，AT89C51 单片机功能和应用。该电路设计新颖、 功能强大、结构简单。 关键词：关键词：单片机，数字控制，温度计， DS18B20，AT89S51 第第 1 1 章章. .数字温度计总体设计方案数字温度计总体设计方案 1.11.1 数字温度计设计方案论证数字温度计设计方案论证 1.1.11.1.1 方案一方案一 由于本设计是测温电路，可以使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，感温电路比较麻烦。 1.1.21.1.2 方案二方案二 (1).(1).进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感 器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器 DS18B20，此传 感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。 从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也 比较简单，故采用了方案二。 (2).(2).方案二的总体设计框图方案二的总体设计框图 温度计电路设计总体设计方框图如图 1 所示，控制器采用单片机 AT89S51，温度传感器采用 DS18B20，用 4 位 LED 数码管以串口传送数据实现温 度显示 图 1 总体设计方框图 主 控 制 器 LED 显 示温 度 传 感 器 单片机复位 时钟振荡 报警点按键调整 - 3 - 第第 2 2 章章 数字温度计详细设计数字温度计详细设计 2.1 主控制器 AT89S51 2.1.1 AT89s51 的特点及特性： 40 个引脚，4k bytes flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储 器（ram） ，32 个外部双向输入/输出（i/o）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套 中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电 路，片内时钟振荡器。 此外，at89s51 设计和配置了振荡频率可为 0hz 并可通过软件设置省电模 式。空闲模式下，cpu 暂停工作，而 ram 定时计数器，串行口，外中断系统可 继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 ram 的数据，停止芯片其它功能直至外 中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 pdip、tqfp 和 plcc 等三种封装形式， 以适应不同产品的需求。 主要功能特性： 兼容 mcs-51 指令系统 4k 可反复擦写(1000 次）isp flash rom 32 个双向 i/o 口 4.5-5.5v 工作电压 2 个 16 位可编程定时/计数器 时钟频率 0-33mhz 全双工 uart 串行中断口线 128x8bit 内部 ram 2 个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3 级加密位 看门狗（wdt）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的 isp 字节和分页编程 双数据寄存器指针 2.1.22.1.2 管脚功能说明：管脚功能说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储 器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输 入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且 作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由 于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉 优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器 的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为 输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： P3 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以 不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作 对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储 器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此 时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微 拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机 器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号 将不出现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H- FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此 - 5 - 引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 2.1.3振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为 片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外 部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 2.1.42.1.4芯片擦除：芯片擦除： 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且 在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持 两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计 数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振 荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。单片机 AT89S51 具 有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设 计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。 单片机 AT89S51 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就 能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节 电池供电。 2.2 温度采集部分的设计 2.2.1.温度传感器 DS18B20 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度，并 且可根据实际要求通过简单的编程实现位的数字值读数方式。 TO92 封装的 DS18B20 的引脚排列见下图，其引脚功能描述见表 1。 （底视图） DS18B20 表 1 DS18B20 详细引脚功能描述 序 号 名称引脚功能描述 1GND 地信号 2DQ 数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源 下，也可以向器件提供电源。 3VDD 可选择的 VDD 引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 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 3.05.5； （5）零待机功耗； （6）温度以或位数字； （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 采用脚 PR35 封装或脚 SOIC 封装，其内部结构框图如图 2 所示。 图 2 DS18B20 内部结构 64 位 ROM 的结构开始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。温度报警触发器和，可通过软件写入户 报警上下限。 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存和一个非易失 性的可电擦除的 EERAM。高速暂存 RAM 的结构为字节的存储器，结构如图 3 I/O C 64 位 RO M 和 单 线 接 口 高 速 缓 存 存储器与控制逻辑 温度传感器 高温触发器 TH 低温触发器 TL 配置寄存器 8 位 CRC 发生器 Vdd - 7 - 所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝， 是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，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。该字节各位的定义如图 3 所示。低位一直为，是 工作模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式，DS18B20 出厂时 该位被设置为，用户要去改动，R1 和0 决定温度转换的精度位数，来设置 分辨率。 TM R1 1R01111 . . 图 3 DS18B20 字节定义 由表 1 可见，DS18B20 温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，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。 高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字 节读出前面所有字节的 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、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 2 是一部分温度值对应的二进制温度数据。 表 1 DS18B20 温度转换时间表 R0R1 0 0 0 1 0 1 1 1 9 10 11 12 分辨率/位 温度最大转向时间/ms 93.75 187.5 375 750 . . DS18B20 完成温度转换后，就把测得的温度值与 RAM 中的 TH、T字节内容 温度 LSB 温度 MSB TH 用户字节 1 TL 用户字节 2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC 作比较。若TH 或 TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出 的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只 DS18B20 同时测量温度并进行报警 搜索。 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 ROM 的 前 56 位来计算 CRC 值，并和存入 DS18B20 的 CRC 值作比较，以判断主机收到的 ROM 数据是否正确。 DS18B20 的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度 的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器；高温度系数晶 振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输 入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20 就对低温度系数振荡 器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系 数振荡器来决定，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、温度寄存器中，计数器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 的预置值减到时，温度寄存器的值将加，减法计数器的预置将重新被 装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如 此循环直到减法计数器计数到时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器 中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器 门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。 表 2 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 0000 07D0H +850000 0101 0101 0000 0550H +25.06250000 0001 1001 0000 0191H +10.1250000 0000 1010 0001 00A2H +0.50000 0000 0000 0010 0008H 00000 0000 0000 1000 0000H -0.51111 1111 1111 0000 FFF8H -10.1251111 1111 0101 1110 FF5EH -25.06251111 1110 0110 1111 FE6FH -551111 1100 1001 0000 FC90H - 9 - 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。 DS 18B 20DS 18B 20DS 18B 20 4.7 K GNDGNDGND VCC VCC单 片 机 . . . . 图 4 DS18B20 与单片机的接口电路 2.2.22.2.2 DS18B20DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路温度传感器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 4 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的 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。 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 端接地。由于 单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。由于 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20 有严格 的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的 时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总 线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开 始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成 数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 DS18B20 的复位时序 DS18B20 的读时序 对于 DS18B20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放 单总线，以让 DS18B20 把数据传输到单总线上。DS18B20 在完成一个读时序过 程，至少需要 60us 才能完成。 DS18B20 的写时序 对于 DS18B20 的写时序仍然分为写 0 时序和写 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时，单总线 要被拉低至少 60us，保证 DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 IO 总线上的“0”电平，当要写 1 时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之内就得 释放单总线。 2.3 显示部分电路设计 2.3.1 74LS164 引脚功能及特性 4ls164 是一个串入并出的 8 位移位寄存器， 他常用于单片机系统中，下面总结一下这个元件的基本知识 - 11 - 74ls164 引脚图 74LS164 内部功能图 74LS164 逻辑符合表 串行输入带锁存 时钟输入,串行输入带缓冲 异步清除 最高时钟频率可高达 36Mhz 功耗：10mW/bit 74 系列工作温度： 0C to 70C Vcc 最高电压：7V 输入最高电压：7V 最大输出驱动能力： 高电平：0.4mA 低电平：8mA 2.3.2 显示电路 显示电路采用 4 位共阳 LED 数码管，从 P3 口 RXD,TXD 串口输出段码。 显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少， 该显示电路只使用单片机的 3 个端口 P1.7，P3.0,P3.1.并配以 4 片串入并出移 位寄存器 74LS164（LED 驱动）四只数码管采用 74LS164 右移寄存器驱动，显示 比较清晰。 其工作过程如下： 1. 串行数据由 P3.0 发送，移位时钟由 P3.1 送出。 2. 在移位时钟的作用下串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入 74LS164 中。 3. 四片 74LS164 串级扩展为 4 个 8 位并行输出口，分别连接到 4 个 LED 显 示器的段选端作静态显示。 2.4 报警电路的实现 图 5 中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时 LED 数码管将没有被测温度值显示. 2.5 报警上,下限调整电路实现 图 5 中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置,图中蜂鸣器可 以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时 LED 数码管将没 有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。 2.6 复位电路的实现 图 5 中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时， 可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。 图 5 单片机主板电路 - 13 - 图 6 温度显示电路 第第 3 3 章章 系统软件设计系统软件设计 系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算 温度子