DS18B20温度数据采集系统.docVIP

目录摘要2一、绪论3二、系统方案实现32.1.设计要求32.2.设计方案论证32.3.总体设计框图4三、主要硬件介绍43. 1 DS18B2043.1.1 DS18B20的主要特性43.1.2 DS18B20的外形和内部结构53.1.3 DS18B20工作原理63.1.4 高速暂存存储器73.2 AT89C518四、软件介绍94.1 功能概述94.2 系统软件流程图94.2.1程序94.2.2读出温度子程序104.2.3温度转换命令子程序114.3具体程序11五、总结17六、设计体会及今后的改进意见17参考文献18摘要本文基于DS18B20设计了一种温度数据采集系统，系统主要由AT89C51单片机,一个DS18B20 数字温度传感器以及一个液晶数码管构成。软件方面，我们采用keil。软件对程序进行编写以及调试，硬件方面，我们通过Proteus软件对硬件电路进行仿真以及测试，该系统结构简单，功耗较低，测温范围为- 50 + 255。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。该系统硬件分为3部分：DS18B20 温度测量模块、单片机模块、显示模块。关键词：DS18B20、7SEG-MPX4液晶数码管、AT89C51一、绪论在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行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，从而大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是工业生产中经常会遇到的控制问题。目前应用的温度检测系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关、AD转换器及单片机等组成的传输系统。这种温度采集系统需要大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。针对这种情况，本文提出一种采用数字化单总线技术的温度采集系统，并利用Proteus和KeilVision 2软件对设计电路进行综合虚拟仿真，实现了温度实时测量和显示。二、系统方案实现2.1.设计要求（1）要实现LED数码直读显示当前温度值；（2）温度检测范围-55到1252.2.设计方案论证 2.1.1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，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。 2.1.2 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。2.3.总体设计框图系统主要由硬件和软件两大部分构成，当接收到系统发出的温度转换命令后， DS18B20开始进行温度转换操作并把转化后的结果放到16 位暂存寄存器中的温度寄存器内， 然后与系统进行数据通信， 系统将温度读出并驱动LED 数码管显示。如果温度值低于设定下限值或高于设定上限值， 则自动启动报警装置。由于DS18B20 单总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。该系统结构图： 图1三、主要硬件介绍 3. 1 DS18B20 3.1.1 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。3.1.2 DS18B20的外形和内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图:图2：DS18B20外形及引脚排列图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33.1.3 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。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：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。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，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。（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：表1： 配置寄存器结构TMR1R011111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）表2： 温度分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3.1.4 高速暂存存储器高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。第九个字节是冗余检验字节。表3： DS18B20暂存寄存器分布寄存器内容字节地址温度值低位 （LS Byte）0温度值高位 （MS Byte）1高温限值（TH）2低温限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。表4： ROM指令表指 令约定代码功 能读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址）符合 ROM55H发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS1820 使之作出响应，为下一步对该 DS1820 的读写作准备。搜索 ROM0FOH用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。跳过 ROM0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。表5： RAM指令表指 令约定代码功 能温度变换44H启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器48H将RAM中第3 、4字节的内容复制到EEPROM中。重调 EEPROM0B8H将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3 、4字节。读供电方式0B4H读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送“ 0 ”，外接电源供电 DS1820发送“ 1 ”。 3.2 AT89C51 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您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。ATC9C51实物图如图4。主要参数如下： 与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存储器1288字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式 图4 四、软件介绍 4.1 功能概述本系统的软件由汇编语言编写，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。4.2 系统软件流程图4.2.1程序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5所示。图5程序流程图4.2.2读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图9所示4.2.3温度转换命令子程序温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图9所示3.4 计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图10所示。4.3具体程序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 ；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 ；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,temp1 ；取符号位或百位movc a,a+dptrmov p1,asetb p3.3acall delay100clr p3.3djnz r1,loop ；循环显示djnz r0,dp1retdelay100:mov r7,#8 0 ；延时djnz r7,$retdisptab: db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h