毕业设计（论文）-基于单片机的数字温度计的设计.doc

兰州工业学院毕业设计论文 毕毕业业论论文文 兰兰州州工工业业学学院院 题题目：目：基于单片机的数字温度计的设计基于单片机的数字温度计的设计 系系 别别: : 电子信息工程系电子信息工程系 专专 业业: : 应用电子技术应用电子技术 班班 级级: : 应电应电 10-110-1 班班 姓姓 名名: : 学学 号号: : 指指 导导 教教 师师: : 日日 期期: : 2013-3-112013-3-11 摘要摘要 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。 本文介绍一种基于 AT89S51 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 LCD 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。 关关键键词词：温度测量； DS18B20；单片机 AT89S51 Abstract In daily life and industrial production process, often used in the detection and control of temperature, temperature is the production process and scientific experiments in general and one of the important physical parameter. In the production process, in order to efficiently carry out the production, to be its main parameters, such as temperature, pressure, flow control, etc. Temperature control in the production process of a large proportion. Temperature measurement is the basis of temperature-controlled, more mature technology.Traditional thermocouple and temperature components are the second resistor.The thermocouple and thermal resistance are generally measured voltage, and then replaced by the corresponding temperature, these methods are relatively complex, requiring a relatively large number of external hardware support. We use a relatively simple way to measure. The introduction of a cost-based AT89C51 MCU a temperatur measurement circuits, the circuits used DS18B20 high-precision temperatur sensor, measuring scope 0-+100,can set the warning limitation, the use of seven segments LED that can be display the current temperature. The paper focuses on providing a software and hardware system components circuit, introduced the theory of DS18B20, the founctions and applications of AT89C51 .This circuit design innovative, powerful, can be expansionary strong. Keywords：Temperatur measurement;DS18B20;AT89C51 目目录录 摘要摘要.2 ABSTRACT.3 第一章第一章 绪论绪论.5 1.1 课题背景及研究意义 .5 1.2 国内外现状 .5 第二章第二章 设计要求以及内容设计要求以及内容.3 2.1 课题的设计目的 .3 2.2 课题的主要工作 .3 2.3 本文研究内容 .3 第三章第三章 方案论证与比较方案论证与比较.5 3.1 温度传感器的选择 .5 3.2 显示器的选择 .7 3.3 单片机的选择 .7 第四章第四章 硬件系统设计硬件系统设计.10 4.1 主要元件的介绍 .10 4.1.1 主控制器.10 4.1.2 AT89S51 引脚功能介绍 .11 4.2 温度采集器的介绍 .12 第第五五章章 硬硬件件设设计计电电路路 .17 5.1 主控制器 .17 5.2 显示电路 .18 5.3 温度检测电路 .18 5.4 温度报警电路 .20 5.5 复位电路 .20 5.6 键盘电路的设计 .21 第第六六章章 软软件件系系统统设设计计 .23 6.1 概述 .23 6.2 主程序模块 .23 6.3 报警模块流程.23 6.4 中断设定流程 .24 第第七七章章 总总结结和和体体会会 .27 致致谢谢 .29 参参考考文文献献 .30 附录附录.31 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题背景及研究意义课题背景及研究意义 随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应 用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶 金、化工、建材、机械、食品、石油 等各个行业。传统的温度采集方法不仅费 时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到 很好的解决。 温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元 件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对 数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精 度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范 围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的， 受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展 了多种先进的温度控制方式，如： PID 控制，模糊控制，神经网络及遗传算法 控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使 产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统所使用的加热 器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在4001000。静态控制精度为 2.43。 本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功 能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便 等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。 1.2 国国内内外外现现状状 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 2 PID 控制器为主，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WTO，我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： CPU、内存、内部和外部 总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如 通讯接口、 定时器，实时时钟外围设备。 而现在最强大的单片机系统甚至可 以将声音、图像、网络、复杂的输入输系统集成在一块芯片上。 单片机也被称为 微控制器 （Microcontroller），是因为它最早被用在工 业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理 念是通过将大量外围设备和CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容 易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL 的 Z80 是最早按照 这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 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 MCS51 系列 单片机系统。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，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。 90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的 提高。随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用， 32 位单片 机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8 位单片 机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80 年代提高了数百倍。目前，高 端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器， 而普通的型号出厂价格跌落至1 美元，最高端的型号也只有10 美元。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 3 广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片 机甚至可以直接使用专用的Windows 和 Linux 操作系统。 第二章第二章 设计要求以及内容设计要求以及内容 2.1 课题的设计目的课题的设计目的 1.巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识 解决工业控制的能力。 2.培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力， 提高组成系统、编程、调试的动手能力。 3.通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研 制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。 2.2 课题的主要工作课题的主要工作 本课题的研究重点是设计一种基于单片机的数字温度计控制系统。利用数字 温度传感器 DS18B20，此传感器课读取被测量温度值，进行转换。 主要工作如下： 1. 温度测试基本范围 0100。 2. 精度误差小于 1。 3. LCD 液晶显示。 4. 可以设定温度的上下限报警功能。 5. 实现报警提示。 2.3 本文研究内容本文研究内容 数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导 体，热敏电阻等），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，如线性关系，一定的曲线关系等，这 个电信号可以使用模数转换的电路即A/D 转换电路将模拟信号转换为数字信号， 数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC 机等，处理单元经过内部的软件 4 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，如25.0 摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD 或者电脑屏幕等显示出来给人观察。 这样就完成了数字温度计的基本测温功能。 本文是基于 AT89S51 单片机，采用数字温度传感器DS18B20，利用 DS18B20 不需要 A/D 转换，课直接进行温度采集显示，报警的数字温度计设计。 包括传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板 电路等组成。 5 第三章第三章 方案论证与比较方案论证与比较 3.1 温温度度传传感感器器的的选选择择 方案一：采用模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集 成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟 信号输出功能的专用 IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测 量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等， 适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。图3-1 是 AD590 用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590 的电流与热力学 温度成正比，当电阻 R1 和电位器 R2 的电阻之和为 1k 时，输出电压 O V 随温 度的变化为 1mV/K。但由于 AD590 的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电 路进行调整。调整的方法为：把AD590 放于冰水混合物中，调整电位器R2， 使 0 V =273.2mV。或在室温下 (25)条件下调整电位器 ,使 0 V =273.2+25=298.2（mV） 。但这样调整只可保证在 0或 25附近有较高精 度。 AD590 把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D 转换器，输出数字量送 给单片机进行温度控制。 图 3-1 基于 AD590 测温基本应用电路 6 方案二:采用数字单片智能温度传感器 智能温度传感器 (亦称数字温度传感器 )是微电子技术、计算机技术和自动 测试技术 (ATE)的结晶。目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温 度传感器内部都包含温度传感器、 A/D 转换器、信号处理器、存储器 (或寄存 器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存 储器(RAM)和只读存储器 (ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相 关的温度控制量，适配各种微控制器 (MCU). 智能温度传感器的总线技术也实 现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-WIRE)总线、I2C 总线、 SMBUS 总线和 SPI 总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行 通信。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有 DS18B20,智能温度控制器适配各种微控制器 ,构成智能化温控系统 ;它们还可 以脱离微控制器单独工作 ,自行构成一个温控仪。 DS18B20 是 DALLAS 公司生 产的一线式数字温度传感器 ,具有 3 引脚 TO92 小体积封装形式 ;温度测量范 围为55125,可编程为 9 位12 位 A/D 转换精度 ,测温分辨率可达 0.0625,被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，其工作电源既可 在远端引入，也可采用寄生电源方式产生 ;多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上， CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信,占用微处理器的端口 较少,可节省大量的引线和逻辑电路。同DS1820 一样，DS18B20 也 支持“一 线总线”接口，测量温度范围为 -55+125，在-10+85范围内,精度 为 0.5。DS18B20 的精度较差为 0.2 。现场温度直接以 “一线总线 ”的 数字方式传输，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。 如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同， 新的产品支持 3V5.5V 的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产 品更便宜，体积更小。 DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20 是世界上第一片支持 “一线总线 ”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻 松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的 7 “DS1820”体积更小、更经济、更灵活。使您可以充分发挥“一线总线 ”的 长处。 DS18B20、 DS1822 “一线总线 ”数字化温度传感器 。 由于 DS18B20 将温度传感器、信号放大调理、 A/D 转换、接口全部集成于 一芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590 相比是更新一代的温度传感器， 所以温度传感器采用 DS18B20。 3.2 显显示示器器的的选选择择 方案一： LED 显示器 采用传统的七段数码 LED 显示器。 LED 虽然价格便宜，但在现代的许多仪 表、各种电子产品中逐渐被LCD 所取代。 方案二： LCD 液晶屏 采用 LCD 液晶屏进行显示。 LCD 液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器 件，只要 23 伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的， 同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码 LED 显示器显示的界面有了质的提高。在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的 应用。优点为： 1. 显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色 彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。 2. 数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很 方便。 3. 功率消耗小，相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动IC 上，因而耗电量比其他器件要小很多。 虽然 LCD 显示器的价格比数码管要贵，但它的显示效果好，是当今显示器 的主流，所以采用 LCD 作为显示器。 3.3 单单片片机机的的选选择择 方案一：采用凌阳单片机 随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为 控制处理、数据处理以及数字信号处理（ DSP，Digital SignalProcessing） 8 等领域。凌阳的 16 位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU 内核采 用凌阳最新推出的 nSP（Microcontroller and Signal Processor）16 位微处理器芯片（以下简称nSP） 。围绕 nSP所形成的 16 位 nSP 系列单片机（以下简称 nSP家族）采用的是模块式集成结构，它以 nSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM 和功能丰富的各种外设接口部件。 nSP内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦 即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的 构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑 会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。 利用凌阳单片机有一定的好处凌阳的优势是硬件性能，抗干扰能力强，但凌 阳单片机我们没有系统的学习，这对于刚接触单片机的我们来说不是很容易上 手，其价格也要比 89S51 昂贵一些，因此我们并没有将其作为首选。 方案二：采用 AT89S51 单片机 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路 生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS- 51 系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速 占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的 主流。 单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统 两个分支。通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能， 其数据总线的宽度不断更新，从8 位、16 位迅速过渡到 32 位、64 位，并且 不断提高运算速度和完善通用操作系统，以突出其高速海量数值运算的能力， 在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广 泛应用；单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本， 广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以 及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。因此，单片机的出 现大大促进了现代计算机技术的飞速发展，成为近代计算机技术发展史上一个 9 重要里程碑。 由于 MCS 系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央 处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的 便利。单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距 离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。由于属于芯片化 的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化，工作也相对稳 定。51 的优点是价钱便宜 ,I/O 口多,程序空间大。因此，测控系统中，使用 51 单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制 系统最佳器件。单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和 语言也大大简化。单片机的典型代表是Intel 公司在 20 世纪 80 年代初研制 出来的 MCS51 系列单片机。 MCS51 单片机很快在我国得到广泛的推广应用，成 为电子系统中最普遍的应用手段，并在工业控制、交通运输、家用电器、仪器 仪表等领域取得了大量应用成果。 以 MCS-51 技术核心为主导的单片机已成为许多厂家、电气公司竞相选用的 对象，并以此为基核，推出许多与MCS51 有极好兼容性的 CHMOS 单片机，同 时增加了一些新的功能 ,所以用 AT89S51。 10 第四章第四章 硬件系统设计硬件系统设计 4.1 主要元件的介绍主要元件的介绍 4.1.1 主控制器主控制器 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机， 片内含 4kbytes 的可编程的 Flash 只读程序存储器 ,兼容标准 8051 指令 系统及引脚。它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ ISP），也可用传统方 法进行编程，所以低价位 AT89S51 单片机可为提供许多高性价比的应用场合， 可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。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。 主要特性如下 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作： 0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器 /计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 图 4-1AT89S51 单片机引脚图 11 4.1.2AT89S51 引引脚脚功功能能介介绍绍 AT89S51 单片机为 40 引脚双列直插式封装。 其引脚排列和逻辑符号如图4.1 所示，各引脚功能简单介绍如下： 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，每个管脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚写 “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 FLASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FLASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部电位必 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，电位被内部上拉为高，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，其管脚电位被内部上拉电阻 拉高，且作为输入。作为输入时， P2 口的管脚电位被外部拉低，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 部上拉的优势，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。 作为输入时，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流 (ILL)，也是由于上拉 的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口： P3.0 RXD(串行输入口 ) 12 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 ) 同时 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 指令时 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址期间，每 个机器周期 PSEN 两次有效。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，访问外部 ROM；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，访问内部ROM。在 FLASH 编程 期间，此引脚也用于施加 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。 4.2 温温度度采采集集器器的的介介绍绍 DALLAS 最新单线数字温度传感器 DS18B20 是一种新型的 “一线器件 ”， 13 其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体 公司的数字化温度传感器 DS18B20 是世界上第一片支持 “一线总线 ”接 口的温度传感器。温度测量范围为 -55+125 摄氏度，可编程为 9 位12 位 转换精度，测温分辨率可达0.0625 摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的 报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16 位 数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方 式产生；多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上， CPU 只需一根端口线就 能与诸多 DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑 电路。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂 很多这样的数字温度计，十分方便。 DS18B20 的性能特点如下： 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 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 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 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 。 温范围 55125，在-10+85时精度为 0.5 零待机功耗 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 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 用户可定义报警设置 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 14 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 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 以上特点使 DS18B20 非常适用与多点、远距离温度检测系统。 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 的管脚排列、各种封装 形式如图 4-2 所示，DQ 为数据输入 /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；GND 为地信号；VDD 为可选择的 VDD 引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。其电路图 4-3 所示： 图 4-2 外部封装形式 图 4-3 传感器电路图 DS18B20 测温原理： DS18B20 的测温原理 如图 4-5 所示，图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1，高温度系数晶 振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2 的脉冲 输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20 就对低温度系数振荡 15 器产生的时钟脉冲后进行计数，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 所对应的基数分别置入减法 计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器1 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 1 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 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置将重 新被装入 ,减法计数器 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 此循环直到减法计数器 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 温图 4-5 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，于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复 上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是 DS18B20 的测温原理。 另外，由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念， 因此读写时序很重要。系统对DS18B20 的各种操作必须按协议进行。操作协议 为：初始化 DS18B20（发复位脉冲） 发 ROM 功能命令 发存储器操作命令 处理数据。 在正常测温情况下， DS1820 的测温分辨力为 0.5，可采用下述方法获得 高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820 提供的读暂存器指令（ BEH）读出 以 0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位 （LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用 BEH 指令取计数器 1 的计数剩余值 Cs 和每度计数值 CD。考虑到 DS1820 测量温度的整数部分以 0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度Ts 可用下式计算： Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD 16 图 4-4 DS18B20 测温原理图 =0温度寄存器 计数器 1预置 比较 斜率累加器 低温度系数振荡器 高温度系数振荡器 计数器 2 =0 预置 Txx xx X T1 T0 停止 17 第第五五章章 硬硬件件设设计计电电路路 温度计电路设计原理图如图5-1 所示,控制器使用单片机 AT89S51,温度计 传感器使用 DS18B20,用液晶实现温度显示。 本温度计大体分三个工作过程。首先，由DS18820 温度传感器芯片测量当 前的温度，并将结果送入单片机。然后，通过89S51 单片机芯片对送来的测量 温度读数进行计算和转换，井将此结果送入液晶显示模块。最后，SMC1602A 芯片将送来的值显示于显示屏上 。 由图 1 可看到，本电路主要由 DSl8820 温 度传感器芯片、 SMCl602A 液晶显示模块芯片和 89S51 单片机芯片组成。其中， DSI8B20 温度传感器芯片采用 “一线制”与单片机相连，它独立地完成温度测 量以及将温度测量结果送到单片机的工作。 图 5-1 数字温度计电路设计原理图 5.1 主主控控制制器器 单片机 AT89S51 具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好满足电路 系统的设计需要，很合适携手特式产品的使用。主机控制DS18B20 完成温 18 度转换必须经过三个步骤：初始化、 ROM 操作指令、存储器操作指令。必须先 启动 DS18B20 开始转换，再读出温度转换值。 5.2 显显示示电电路路 液晶显示器是一种将液晶显示器件 ,连接器件 ,集成电路 ,PCB 线路板,背光 源,结构器件装配在一起的组件。 根据显示内容和方式的不同可以分为 ,数显 LCD,点阵字符 LCD,点阵图形 LCD 在此设计中我们采用点阵字符LCD，这里采用常用的 2 行 16 个字的 1602 液晶模块。 1602 采用标准的 14 脚接口，其中 : 第 1 脚：VSS 为地电源第 2 脚：VDD 接 5V 正电源 第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电 源时对比度最高，对比度过高时会产生 “鬼影” ，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令 寄存器。 第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 当 RS 和 RW 共同为