基于DS18B20的温度采集系统显示2.doc

目录一、设计任务和要求1二、系统方案2三、核心元件的功能23.1、AT89C5123.1.1功能特性概括:33.1.2管脚说明：33.2、DS18B20的主要特性63.2.1 DS18B20的内部结构63.2.2 DS18B20工作原理7四、理论分析及程序流程图9五、电路与程序设计105.1、电路图105.2、程序11六、结果分析16七、总结17八、参考文献17一 设计任务和要求1、利用DS18B20实现温度采集，并用数码管显示。能实现温度上下限的设置，并能够超限报警（用proteus实现）2、 硬件设计部分，根据设计的任务选定合适的单片机，根据控制对象设计接口电路。设计的单元电路必须有工作原理,器件的作用,分析和计算过程；3、软件设计部分，根据电路工作过程，画出软件流程图，根据流程图编写相应的程序，进行调试并打印程序清单；4、原理图设计部分，根据所确定的设计电路，利用Protel工具软件绘制电路原理图，提供元器件清单。5、计算说明书部分包括方案论证报告打印版或手写版，程序流程图具体程序等6、 图纸部分包括具体电路原理图打印版7、 设计要求还包括利用一天时间进行资料查阅与学习讨论，利用5天时间在实验室进行分散设计，最后三天编写报告。最后一天进行成果验收。 二 系统方案方案一: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。方案二: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。三 核心元件的功能3.1 AT89C51AT89S51美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K BytesISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及AT89C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。单片机AT89S51强大的功能可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51芯片的引脚结构如图1所示： 图13.1.1 功能特性概括: AT89S51提供以下标准功能：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个数据指针、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、片内振荡器及时钟电路。此外，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式,空闲模式，CPU暂停工作，而RAM、定时/计数器、串行通信口、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3.1.2 管脚说明：P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，能驱动8个TTL逻辑门电路。对端口写“1”时，被定义为高阻输入。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口:P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(I)。 端口引脚 第二功能 P1.5 MOSI(用于ISP编程) P1.6 MISO(用于ISP编程) P1.7SCK(用于ISP编程)在Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。部分端口还有第二功能,如表1所示: 表1 P1口部分引脚第二功能P2口:P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口, P2口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(I)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVXDPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据寄存器(例如执行MOVXRi指令)时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中P2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。在Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口: P3口是一个带有内部上拉电阻的双向8位I/O口, P3口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写“1”时,它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入口使用时,被外部信号拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(I)。P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如表2所示:P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD (串行输出口)P3.2 (外中断0)P3.3 (外中断1)P3.4 T0 (定时/计数器0)P3.5 T1 (定时/计数器1)P3.6 (外部数据存储器写选通)P3.7 (外部数据存储器读选通) 表2 P3口引脚第二功能RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平时间将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFR AUXR的DISRTO位(地址8EH)可打开或关闭该功能。 DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。 ALE/:当访问外部存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部寄存器,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。值得注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。该位置位后,只要一条MOVX和MOVC指令才会激活ALE。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。：程序存储允许()输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次有效,即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器时,没有两次有效的信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平(接地)。需要注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如EA端保持高电平(接VCC端)，CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程期间，该引脚用于施加+12V编程电压（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入端。XTAL2：反向振荡放大器器的输出端。3.2 DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内（5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快（8）测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.2.1 DS18B20的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20引脚定义： (1) GND为电源地； (2) DQ为数字信号输入/输出端； (3) VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）图23.2.2 DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图3： DS18B20测温原理框图DS18B20有4个主要的数据部件： （1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。表1: DS18B20温度值格式表这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。表2: DS18B20温度数据表（3）DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。（4）配置寄存器该字节各位的意义如下：TMR1R011111表3： 配置寄存器结构低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms表4： 温度分辨率设置表四 理论分析及程序流程图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，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图4所示。图4 程序流程图五 电路与程序设计5.1 电路图 5.2 程序temp1 equ 5ah ；符号位和耗电量位公用的存放单元temp2 equ 5bh ；十位存放单元temp3 equ 5ch ；个位存放单元temp4 equ 5dhtemp5 equ 5eh ；数据临时存放单元temp6 equ 5fhtemp7 equ 60htemp8 equ 61horg 0000hajmp mainorg 0030hmain:mov sp,#70hlcall int ；调用DS18B20初始化函数main1: lcall gettemp ；调用温度转换函数lcall chuli ；调用温度计算函数 lcall disp ；调用温度显示函数ajmp main1 ；循环int:l0: setb p3. 6 ；先释放DQ总线mov r2,#250 ；给R2赋延时初值，同时可让DQ保持高电平2usl1: clr p3.6 ;给DQ一个复位低电平djnz r2,l1 ；保持低电平的时间至少为480ussetb p3.6 ；再次拉高DQ释放总线mov r2,#25l2:djnz r2,l2 ；保持15us-60usclr corl c,p3.6 ；判断是否收到低脉冲jc l0mov r6,#100l3:orl c,p3.6djnz r6,l3 ；存在低脉冲保持60us-240us;jc l0 ；否则继续从头开始，继续判断setb p3.6ret；调用温度转换函数gettemp:clr psw.4setb psw.3 ；设置工作寄存器当前所在的区域clr ea ；使用DS18B20前一定要禁止任何中断lcall int ；初始化DS18B20mov a,#0cch ；送入跳过ROM命令 lcall writemov a,#44h ；送入温度转换命令lcall writelcall int ；温度转换完成，再次初始化mov a,#0cch ；送入跳过ROM命令lcall writemov a,#0beh ；送入读温度暂存器命令lcall writelcall readmov temp4,a ；读出温度的低字节存在TEMP4lcall readmov temp5,a ；读出温度的高字节存在TEMP5setb earetchuli: mov a, temp5 ；将温度的高字节取出jnb p3.6,zheng ；判断最高们是否为0，为则表示温度为正，则转到ZHENG否则温度为负，将温度的低字节取出mov a, temp4cpl a ；求反inc a ；加工厂mov temp8,a ；存到TEMP8anl a,#0fh ；保留低四位lcall muld ；调用乘以625子程序lcall hb2 ；调用双字节16进制数转成BCD码子程序mov a,r4 ；将结果的千位百位取出anl a,#0f0h ；保留千位swap amov temp7,a ；把小数结果保存在TEMP7中mov a,temp4 ；再次取出温度低字节anl a,#0ffh ；判断是否为0jz xx ；为何则转到XX执行mov a,temp5；cpl a ；不为则直接将温度的高字节取反sjmp yyxx: mov a,temp5 ；为0则求补码cpl ainc ayy: anl a,#0f0h ；保留高字节的低四位swap a ；将其换到高4位mov r5,a ；暂时保存于R5中mov a,temp8 ；取出求反后的低位字节anl a,#0f0h ；取其高四位swap a ；将其换到低四位orl a,r5 ；合并成温度的整数部分mov temp6,a ；将整数部分存到TEMP6中lcall hbcd ；调用一字节的16进制转换BCD数的子程序mov temp1,#0bh ；将号的段选值存到符号位mov a,temp2 ；取出十位cjne a,#00h,nextmov temp2,#0ch ；十位为0不显示retzheng: mov a,temp4 ；将温度的低字节取出anl a,#0fh ；保留低四位lcall muld ；调用乘以625子程序lcall hb2 ；调用双字节16进制数转换成BCD码子程序mov a,r4 ；将结果的千位百位取出anl a,#0f0h ；保留千位swap amov temp7,a ；把小数结果保存在TEMP7中mov a,temp4 ；再次取出温度的低字节anl a,#0f0h 保留高4位swap a ；换到低4位mov r5,a ；暂时保存于R5中mov a,temp5 ；取出温度的高字节anl a,#0fh ；保留低4位swap a ；换到高4位orl a,r5 ；合并成温度的整数部分mov temp6,a ；整数部分存到TEMP6中lcall hbcd ；单字节的16进制转换成BCD码mov a,temp1 ；取出百位cjne a,#00h,next ；百位不为0则转NEXTmov temp1,#0ch ；为0则不显mov a,temp2 ；取出十位cjne a,#00h,nextmov temp2,#0ch ；十位为0也不是next:retmuld:mov b,#71hmul ab mov r7,amov r6,bmov b,#02hmul abadd a,r6mov r6,aretwrite: mov r3,#8 ；一个字节共8位wr1: setb p3.6 ；先释放总线 mov r4,#8rrc a ；把要写的字节的最低位右环移到C中clr p3.6 ；把C中的位写到DQ总线中wr3:djnz r4,wr3 ；保持低电平0-15usmov p3.6, c;mov r4 ,#20djnz r4,$djnz r3,wr1setb p3.6retread:mov r6,#8re1: setb p3.6 ；先释放总线nop clr p3.6 ；把要写的字节的最低位右环移到C中nop ；写开始mov r4,#4 ；保持低电平0-15ussetb p3.6 ；将C中的位写到DQ总线上re2:djnz r4,re2 ；产生读时间mov c,p3.6 ；将总线上的位读到Cmov r5,#30djnz r5,$ ；持续60usrrc a ；将C里的位右环移到A里djnz r6,re1 ；读下一位setb p3.6ret hbcd:mov a,temp6mov b,#10div abmov temp3,b ；将个位存到TEMP3mov b,#10div abmov temp2, ；将十位存到TEMP2mov temp1,a ；将百位存到TEMP1ret hb2:clr amov r3,amov r4,amov r5,amov r2,#10h hb3: mov a,r7rlc amov r7,amov a,r6rlc amov r6,amov a,r5addc a,r5da amov r5,amov a,r4addc a,r4da amov r4,amov a,r3addc a,r3mov r3,adjnz r2,hb3retdisp:mov dptr,#disptabmov r0,#4dp1: mov r1,#140loop: mov a,temp7 ；取出小数部分movc a,a+dptr ；取出相应的字型码mov p1,a ；显示在数码管上setb p3.0 ；数码管位选acall delay100 ；延时clr p3.0 ；清数码管位选mov a,temp3 ；取个位movc a,a+dptranl a,#7fh ；显示小数点mov p1,asetb p3.1acall delay100 ；取十位clr p3.1mov a,temp2movc a,a+dptrmov p1,asetb p3.2acall delay100clr p3.2mov a,