电气电子毕业设计158武汉科技大学数字温度计设计
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电气电子毕业设计158武汉科技大学数字温度计设计,毕业设计论文
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1 论 文 题 目 姓 名 武汉科技大学机电工程系 中图分类号： 数 字 温 度 计 专业名 称： 光机电一体化 学 生 姓 名 ： 熊瑛 导 师 姓 名 ： 余震 职称 武汉科技大学机电工程系 2008 年 3 月 毕业设计（论文） nts 2 中图分类号： 密级： UDC： 单位代码： 数 字 温 度 计 Design for Digital Thermometer 姓 名 熊瑛 学 制 专 业 光机电一体化 研究方向 导 师 余震 职 称 论文提交日期 论文答辩日期 武汉科技 大学 机电工程系 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 摘要 3 摘要 随着 时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术 ,本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。本文主要阐述了单片机的发展背景及应用，基于单片机的数字温度计的各个组成部件的选择以及电路的设计，最重要的就是数字温度计系统的软件设计。对数字温度计的研究设计是为了检验作者大学期间对所学专业知识的掌握程度，同时在实践中加深对所学知识的理解以及增进对实际问题处理的能力。作者前段时间完成了单片机 的学习，又通过从图书馆和网上收集大量有关文献资料进一步深入，为设计做好前期的准备工作。在设计过程中作者遇到了不少困难，但通过不断的学习和思考，最终完成了设计。 关键词： 单片机，数字控制，温度计， DS18B20， AT89S51 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 Abstract 4 Abstract Along with ages of progress and development,single chip micyoco (SCM) technique already universally arrive our lives, work, research,each field, have already become mature technique, this paper introduce a kind of digital thermometer based on SCM,this thermometer belongs to multi-function thermometer, can config top and bottom of alarm temperature; when the temperature is beyond the scope, can alarm.This pape r was main to elaborate SCMs development and background and application, the choice of each part of digital thermometer based on SCM and its circuit design,the most important thing does be the software design of the digi tal thermometer system .The research and design of the digital thermometer is for examinate authors master degree of professional knowledge which has be learned in university period,At the same time it increases deal-with-practical-problem capacity in practice.In the earlier author has completed study of SCM,and has learnde from the library and the Internets vast collection of literature for further information.I am ready for the early preparation work.In the design process the author met not a few difficulty,but the auther completed the design by continuous study and thinking in the end. Key Words: SCM,digital control,themometer,DS18B20,AT89S51 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 目录 5 目录 第一章 引言 (1) 第二章 总体设计方案 (3) 2.1 数字温度计设计方案论证 (3) 2.1.1 方案一 (3) 2.2.1 方案二 (3) 2.2 方案二的总体设计 (3) 第三章 系统硬件 设计 (4) 3.1 主控制器 (4) 3.2 显示器件 (6) 3.3 温度传感器 (7) 3.3.1 DS18B20 的性能特点 (7) 3.3.2 DS18B20 的主要内部结构及工作原理 (8) 3.3.3 DS18B20 温度值存储 (11) 3.3.4 DS18B20 的工作命令和时序 (12) 3.4 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路 (13) 3.5 主板电路 (14) 3.6 显示电路 (15) nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 目录 6 第四 章 系统软件 设计 (18) 4.1 主程序 (18) 4.2 读出温度子程序 (18) 4.3 温度转换命令子程序 (19) 4.4 计算温度子程序 (20) 4.5 显示数据刷新子程序 (20)第五章 结论 (21)参考文献 (22) 附录 程序清单及注释 (23) 致谢 (35)nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第一章 引言 1 1 引言 温度是表征物体冷热程度的物理量，在工农业生产和日常生活中，对温度的测量 及控制始终占据着重 要地位。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多数生产过程均是在一定温度范围内进行的。温度过高或过低都会对产品的质量和产量造成影响，甚至还会使产品报废、设备损坏。因此，在国防、军事、科学试验及工农业生产过程中，温度的测量和控制具有十分重要的作用 。在材料学领域里，由于温度是影响材料的组织结构和性能的一个十分 重要的工艺参数，精确有效地检测和控制温度，是十分有意义的。 科学的不断发展为测量仪器仪表不断提供新原理、新技术及新器件，同时，随着科研和生产的高速发展，又对测量技术提出更新、更高的要求。近十几年来，随着半导体、集成电路和微处理技术的迅速发展，推动了数字化测量技术的进步，尤其是微处理器在测量技术和仪表中的应用，使仪表行业成为计算机应用的一个重要领域。这类仪表用软件代替某些硬件，使整个仪表线路大为简化，成本降低，体积减小，功能增强，精度提高，集测量、控制和数据处理为一体，能方便接入计算机控制系统中。当前，智能化测量仪器仪表越来越被广泛地应用于各个生产部门，在生产过程中起着举足轻重的作用。 温度的测量方法可分为接触式和非接触式测温。前者是测温元件直接与被测介质接触，根据热力学第零定律，当传感器与被测介质处于 热平衡状态时，传感器感受的温度，就是被测介质的温度。接触式温度计主要有膨胀式温度计、压力式温度计、电阻温度计和热电偶温度计等。后者是测温元件不直接与被测介质接触，而是根据光和热辐射原理，将被侧介质的辐射能量，通过适当的方式聚集并投射在光敏或热敏元件上，热能转换为电信号输出以测定温度。非接触式温度计主要有辐射高温计、光学高温计、比色高温计等。 现代测温技术主要有红外非接触测温技术、基于彩色 CCO 三基色的测温技术、单总线数字式测温技术和激光测温技术等 t。与传统的温度测量技术相比，现代测温技术的主要特点是 :多为 非接触式，对传感器耐热性能无特殊要求，避免nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第一章 引言 2 了传感器和被测目标的相互干扰，测温范围大，无热惯性，响应速度较快，可以测量微小目标的温度，满足众多场合对温度测量范围和精度的要求。 其中，数字式温度传感器对传统的信号放大电路、采样电路和 A/D 转换电路进行集成，可直接将传感器模拟信号转换为数字信号，并以总线方式传送到计算机、微处理器或数字信号处理器进行数据处理。常见的数字式温度传感器有DS1820、 AD7416、 MAX6575、 DS18B20 等。 本课题研究的主要内容是：研制开发一种 测量范围在 -50 -110，精度 误差小于 0.5， LED 数码直读显示，能实现语音报数，可以任意设定温度的上下限报警功能的数字温度计。 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第二章 总体方案设计 3 2 总体设计方案 2.1 数字温度计设计方案论证 请进行必要的文字说明 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，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。 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。 2.2方案二的总体设计 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 3 位 LED 数码管以串口传送数据实现温度显示。 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 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第二章 总体方案设计 4 图 2.1 总体设计方框图 (Overall Design Block Diagramnts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3 章 系统硬件设计 5 3 系统硬件设计 3.1 主控制器 主控制器采用 Atmel 公司生产的 AT89C51 单片机 。 Atmel 公司生产的 AT89C51 单片机 因为内置了 Flash 存储器及其他性能的改进加上低廉的价格，曾一度成为国内 MCS 一 51 单片机的代名词。现在， AT89C51 已经停产，因为 Atmel 公司准备用 AT89S51 全面代替它。 AT89S51 是 AT89C51 的升级产品，性能上较 AT89C51 有很大提升，在价格上却与 AT89C51 差不多，甚至更低。 AT89551 显著的特点是加入了在系统编程（ ISP ）功能，不再依靠专用的编程工具，改写单片机存储器内的程序再也不需要把芯片从电路板上拆下。 AT89S 系列现有 AT89S51 / 52 / 53 / 8252 等成员，其不同点在于内置 Flash 存储器及 RAM 容量不一样，下面就以 AT89551 为例，讲述这一系列单片机的特色。AT89S51 从引脚到内部结构都完全兼容标准的 8051 芯片，有 40 脚 PDIP 、 44 脚PLCC 、 44 脚 TQ 即三种封装形式，见图 3.1。工作电压 4.0V -5.5 V ，最高可使用 33MHz 的晶振， 128 字节 片内 RAM ，内置 4K 字节 Flash 存储器（可反复擦写1000次）。 图 3.1PDIP,PLCC,TQ 引脚配置图 (PDIP,PLCC,TQs Pin Disposition) nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 6 AT89S 有如下特点： （ 1） 在系统编程 从引脚上可以看出其 PI . 5 、 PI . 6 、 P 1 . 7 比标准的 8051 都多出一样复用功能，这三个引脚就是用来实现在系统编程（ ISP ）的 SPI接口。 当芯片的 RST 引脚置高电平时，所有程序和数据存储器可以通过 sPI 总线接口MOSI （数据输人） , MISO （数 据输出） , SCK （时钟输人）对内置 Flash 存储器进行编程。编程时应在 XTALI 与 XTALZ 之间连接一个 3MHz 一 24MHz 的晶振，在 VCC 与 GND 之前加上电源电压。通常， AT89551 通过并口下载线与 PC 并口（打印口）连接，然后使用 Atmel 公司的 AT89ISP 软件（下载网址： http:/ /dyn/resources/prod_documents/At89isp.zip）即可实现编程、校验、加密等操作。 当然，现在可以实现对 AT89551 进行 ISP 编程的软件已有许多，推荐/kung/ AT89S_ISP.zip，它的界面更简洁，可以一目了然。并口下载线可以购买成品，也可以从网上查找资料进行自制。 （ 2） 片内看门狗定时器 WDT AT89551 芯片内置了一个 14 位的硬件看门狗定时器 WDT ，从而可以省却外接专用看门狗硬件。一旦 WDT 启动，没有任何办法使其停止计数，只有硬件复位或 WDT 的溢出方可停止 WDT 计数，可以有效防止程序跑飞和陷人死循环。当然，在不启动内置看门狗的情况下， AT89S51 完全可以和普通 8051 单片机一样使用。 （ 3） 双 DPTR 数据指针 标准的 8051 只有一个 16位的 DPTR 数据指针，这样在进行数据块复制等动作时，必须对源地址指针和目标地址指针进行暂存，编程会非常麻烦。 AT89S51 内有两个 DPTR 数据指针 DPTR0/DPTR1 ，可以通过设置 DPS 位 (AUXR1.0)方便地选择，DPS 置 0 则选中 DPTR0，置 1 则选中 DPTR1 。通过执行 INC AUXRI 指令，能对DPS 快速切换，并不影响 AUXRI 的高位。用法上与 PHILIPS 单片机完全一致。 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 7 （ 4） 改进了的电源 管理 AT89551除了具有 8051所具备的低功耗的空闲模式 (设 IDL=l)和掉电模式 (设PD =l)，还增加了掉电状态下的中断恢复模式和上电复位标志 POF(PCON.4)。电源打开时 POF 自动置“ 1” ，可由软件设置为睡眠状态，并不为复位所影响。 （ 5） 更强的程序保密性 全新的 3级加密算法，这使得对于 89S 系列单片机的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效地保护知识产权不被侵犯。 （ 6） 其他类似的型号 AT89S 系列中的 89S52 、 89S53 、 89S55 是与 8052 兼容的，片内 RAM 为 256 字节，还比 89S51 多了定时器 2(Timer2)，片内 Flash存储器容量分别为 8K、 12K和 20K字节。 89S8252 / 89S8253 也是与 8052 兼容的，片内除了含 8K /12K 字节的 Flash 程序存储器 (可擦写 1000 次 ), 还有 ZK 字节的数据存储器 (可擦写超过 l00000次 )。 另外，相应的 AT89LS 系列是 AT89S 系列低电压系列， AT89LS51 的电源电压为2.7V-4.0V ，工作频率为 0-16MHz. （ 7） 性价比 目前， AT89S51/52/55 报价分别为 5.2/6.5/10.5 元，有较高的性价比，可以根据应用需要选择使用适合的型号。 通过比较 ， 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。因此，采用 AT89S51 作为数字温度计的主控制器。 3.2 显示器件 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 8 显示器件采用 3 位共阳 LED 数码管 发光二级管 (LED)是一种注入电致发光器件，它是由 P 型和 N 型半导体组合而成，其发光机理常分为 PN 结注入发光与异质结注入发光两种。 20 世纪 70 年代末，人们开 始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。近十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，发光二极管有许多优点，例如： (1)它体积小，重量轻，便于集成； (2)工作电压低，耗电小，驱动简便，容易用计算机控制； (3)既有单色性好的单色发光二极管，有有发白光的发光二极管； (4)发光亮度高，发光效率高，亮度便于调整。 用 LED 可以很方便地构成各种数字、文字及图像显示器。 7 段数字显示器是最简单的数字显示方式。将 LED 管芯切成细条，并拼成日字形，变构成能够显示0 9 数字的 7 段数码管。显示工作时分别让某 些细条发光，便可以显示 0 9 的数字。它用在台式及袖珍半导体电子计算器、数字钟表和数字化仪器的数字显示中。 LED 数码管的主要特点如下： (1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与 CMOS、 ITL 电路兼容。 (2)发光响应时间极短 (0 1s)，高频特性好，单色性好，亮度高。 (3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。 (4)寿命长，使用寿命在 10 万小时以上，甚至可达 100 万小时。成本低。 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 9 图 3.2 LED 数码管 3.3 温度传感器 温度传感器采用 美国 DALLAS 半导体公司生 产的温度传感器 DS18B20。 3.3.1 DS18B20 的性能特点 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。 DS18B20的性能特点如下： 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； 多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 无须外部器件； 可通过数据线供电，电压范围为 3.05.5； 零待机功耗； nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 10 温度以 或位数字； 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； 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； 3.3.2 DS18B20 的主要内部结构及工作原理 美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 单总线数字式智能型传感器，直接将温度物理量转化为数字信号并以总线方法传送到计算机进行数据处理。 DS18B20 数字式智能型温度传感器对于实测的温度提供了 9-12 位的数据和报警温度寄存器，它的测温范围为 -55 125，其中在 -10 +85的范围内的测量精度为士0.5 ，此传感器可适用于各种领域、各种环境的自动化测量及控制系统。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。 DS18B20 内部结构主要由 4 部分组成： 64 位 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。每一个 DS18B20 包括一个唯一的 64 位长的序号，该序号值存放在 DSl8B20 内部的 ROM(只读存储器 )中。 DS18B20 单总线数字式智能型温度传感器在它的内部高速寄存器中包含了 2个字节的温度寄存器， 1 个字节的上、 下限报警触发器及 1 字节的状态寄存器，其中状态寄存器决定了数字信号输出的位数。由于传感器内部高速寄存器为 E 护ROM，所以在掉电情况下数据不会丢失。总线仅由一根线组成，与总线相连的器件应具有漏极开路或三态输出，以保证有足够负载能力驱动该总线。 DS18B20 的DQ 端是开漏输出的，单总线要求加一只 5k左右的上拉电阻。 DS18B20 的另一特点是，在没有外部电源供电的情况下传感器可改为用唯一的数据传输线 (DQ)供电。传感器只有三根外引线，单总线数据传输端口 DQ，共用地线 GND，外供电源线 VDD。单总线供电的原理 是：当 DQ 或 VDD 引脚为高电平时，高电平通过VDI 或 VDZ 向 C 充电便得到了内部 VDD 电源电压。 DS18B20 采用 3 脚 PR 35封装或 8 脚 SOIC 封装，其内部结构框图如图 3.3 所示。 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 11 图 3.3 DS18B20 内部结构 64 位 ROM 的结构开始 8 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 8 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 8 字节的存储器，结构如图 3.4所示。头 2 个字节包含测得的温度信息，第 3 和第 4 字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第 5 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 5 位一直为 1，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 0，用户要去改动， R1 和 R0 决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。TM R1 1R0 1 1 1 1 . 图 3.4 DS18B20 字节定义 由表 3.1 可见， DS18B20 温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 12 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 6、 7、 8 字节保留未用，表现为全逻辑 1。第 9 字节读出前面所有 8 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 1、 2 字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625 LSB形式表示。 当符号位 S 0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；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 3.1 DS18B20 温度转换时间表 R0R1000101119101112分辨率/ 位 温度最大转向时间/ m s9 3 . 7 51 8 7 . 53 7 57 5 0.DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与 RAM中的 TH、 T字节内容作比较。若 TH 或 T TL，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 1；高温度系数晶振随nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 13 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 2 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 1、温度寄存器中，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计数到 0 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 3.2 一部分温度对应值表 温度 / 二进制表示 十六进制表示 +125 0000 0111 1101 0000 07D0H +85 0000 0101 0101 0000 0550H +25.0625 0000 0001 1001 0000 0191H +10.125 0000 0000 1010 0001 00A2H nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 14 +0.5 0000 0000 0000 0010 0008H 0 0000 0000 0000 1000 0000H -0.5 1111 1111 1111 0000 FFF8H -10.125 1111 1111 0101 1110 FF5EH -25.0625 1111 1110 0110 1111 FE6FH -55 1111 1100 1001 0000 FC90H 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。 3.3.3DS18B20 温度值存储 DS18B20 的技术核心是数字信号的直接输出，其分辨率在 9、 10、 11、 12位时分别为 0.5 、 0.25 、 0.125 、 0.625 第 12 位 s为正负符号位，如果温度为正数 s=0，反之温度为负数 s=1 。在 11 位有效时，数据的第 0 位未定义。在 10位有效时数据的第 1位、第 0位未定义。在 9位有效时数据的第 2位、第 1位、第 0位未定义。 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 15 DS18B20 内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率为 ro 的信号，高温度系数振荡器则将被测温度转化为频率为 f 的信号。当计数器打开时， DS18B20 对信号计数，计数门开通时间由高温度系统振荡器决定。传感器内部还有斜率累加器可对频率的非线性予以补偿，测量结果存入温度寄存器中。在 12 位有效、标准温度下传感器的数据输出见表 3.3。 表 3.3温度数据与传感器输出数据的比较 温度 传感器二进制输出数据 对应十六进制数据 +36.6 0000 0010 0100 0110 0246H +26.6 0000 0001 1010 0110 01A6H +15.6 0000 0000 1111 1110 00FEH 0 0000 0000 0001 0001 0011H -3.7 1111 1111 1101 1100 FFDCH -4.1 1111 1111 1101 0100 FFD4H 3.3.4 DS18B20 的工作命令和时序 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 16 l ）典型的单总线命令序列 第一步：初始化； 第二步： ROM 操作命令（跟随 需要交换的数据） ; 第三步：功能命令（跟随需要交换的数据） . 每次访问单总线器件，必须严格遵守这个命令序列如果出现序列混乱，则单总线器件不会响应主机但是该限制对于搜索 ROM 命令和报警搜索命令例外，在执行两者中任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，必须返回至第一步 2 ) ROM 操作命令 高速存储器 当主机收到 DS18B20 的响应信号后，便可以发出 ROM 操作命令之一，这些命令如下： 指令代码 Redd ROM (读 ROM)33H Match ROM (匹配 ROM) 55H Search ROM (搜索 ROM) FOH Alarm search (告警搜索 ) ECH 存储器操作命令 (功能命令 ) 指令代码 Write Scratchpad(写暂存存储器 ) 4EH Read Scratchpad (读暂存存储器 ) BEH Copy Scratchpad (复制暂存存储器 ) 48H Convert Temperature (温度变换 ) 44H nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 17 Recall EPROM (重新调出 ) B8H Read Power supply (读电源 ) B4H 3.4 DS18B20 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 3.5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。 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路如图 3.5所示。 D S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 04 .7 KG N D G N D G N DV C CV C C单片机.图 3.5 DS18B20 与单片机的接口电路 3.5主板电路 系统整体硬件电路包括，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，如图 3.6 所示。 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 18 图 3.6 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。 图 3.6 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 3.6 单片机主板电路 3.6 显示电路 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，只用 p3 口的 RXD,和 TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用 74LS164 右移寄存器驱动，显示比较清晰。 数码管通常有共阴极和共阳极两种机构方法，见图 3.7。图中电阻为外接，以限制电流。共阴极数码管 的发光二极管的阴极共地，当某发光二极管的阳极为高nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 19 电平是，此二极管点亮；共阳极数码管的发光二极管是阳极并接到高电平，对于需点亮的发光二极管使其阴极接低电平即可，显然，要显示某字形就应使此字形的相应字段点亮，也就是要送一个用不同电平组合的数据至数码管。这种装入数码管中显示字形的数据称字形码。下面说明共阴极数码管的字形与字形码的关系。 图 3.7 LED 数码管结构原理图 对照图 3.7 字段，字形码各位定义如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DP g f e d c b a 共阳极常用的显 示字形按照字符顺序排列如表 3.4 所示。根据以上分析，共阴极的 LED 的字形码是不难得到的。通常，字形码亦显示代码存放在存储器中的固定区域中，构成显示代码表。当要显示某字符时，可根据地址查表。 表 3.4 共阳极字形表 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 20 字符 字形 D7 DP D6 g D5 f D4 e D3 d D2 c D1 b D0 a 字形码 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 C0H 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 F9H 2 2 1 0 1 0 0 1 0 0 A4H 3 3 1 0 1 1 0 0 0 0 B0H 4 4 1 0 0 1 1 0 0 1 99H 5 5 1 0 0 1 0 0 1 0 92H 6 6 1 0 0 0 0 0 1 0 82H 7 7 1 1 1 1 1 0 0 0 F8H nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 3章 系统硬件设计 21 8 8 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 9 9 1 0 0 1 0 0 0 0 90H 数码管工作在静态方式时，共阳极连接在一起接高电平。每位的段选线与一个 8 位并行口相连。只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。这里的 8 位并行口可以直接采用并行 I/O 接口片，也可以采用串入 /并出的移位寄存器。考虑到若采用并行 I/O 接口，占用的 I/O 资源较多，因而静态显示方式常采用串行口方式 0，外接 74LS164 移位寄存器构成显示电路，如图 3.8所示。 图中采用的是共阳极数码管，因而各数码管的公共极 COM 接 +5V 电源，要显示某字段，则相应的移位寄存器 74LS164 的输出线必须是低电平。 显然，要显示某字符，首先要把这个字符转换成相应的字形码，然后再通过串行口发送到 74LS164。 74LS164 把串行口收到的数变为并行输出加到数码管上。 图 3.8 温度显示电路 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 4 章 系统软件设计 22 4 系统软件算法设计 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，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。 4.1 主程序 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 4.1 所示。 具体程序见附录。 图 4.1 主程序流程图 4.2 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 4.2示 。具体程序见附录。 初始化 调用显示子程序 1S 到？ 初次上电 读出温度值温度计算处理显示数据刷新 发温度转换 开始命令 N Y N Y nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 4 章 系统软件设计 23 发 DS18B20 复位命令 发跳过 ROM 命令 发温度转换开始命令 结束 图 4.2 读温度流程图 4.3 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 4.3所示 。具体程序见附录。 Y 发 DS18B20 复位命令 发跳过 ROM 命令 发读取温度命令 读取操作， CRC 校验 9 字节完？ CRC校验正？确？ 移入温度暂存器 结束 N N Y nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 4 章 系统软件设计 24 图 4.3 温度转换流程图 4.4 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 4.4所 示。 具体程序见附录。 图 4.4 计算温度流程图 4.5 显示数据刷新子程序 显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为 0 时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图 4.5。 具体程序见附录。 开始 温度零下 ? 温度值取补码置“ ”标志 计算小数位温度 BCD值 计算整数位温度 BCD值 结束 置“ +”标志 N Y 温度数据移入显示寄存器 十位数 0？ 百位数 0？ 十位数显示符号百 位数不显示 百位数显示数据（不显示符号） 结束 N N Y Y nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 4 章 系统软件设计 25 图 4.5 显示数据刷新流程图 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 第 5章 结论 26 结论 本设计所设计 的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机 AT89S51，测温传感器使用 DS18B20，用 3 位共阳极 LED 数码管以串口传送数据 。 实现温度显示 ，能准确达到 要求。 经过将近三周的 毕业 设计，终于完成了我的数字温度计的设计，在本次设计的过程中，我发现很多的问题，这次设计 使我的认识有一个非常大的提升 ， 数字温度计 设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法 。 通过这次设计我加深了对这几年来所学知识的理解，使我在实践中完成了对所学各科的融会，对本专业有了一个更加清楚的认识。之前，学习了单片机的有关知识，但是掌握的不牢固，完成论文后，才更加深入的了解到其本质。在论文的写作 过程中也遇到了不少的困难，但这些都是暂时的，通过重新学习、深刻思考，这些困难也都迎刃而解。最终完成了设计。 从这次的课程设计中，我 才 意识到，在以后的学习和工作 中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，这就是我在这次 毕业 设计中的最大收获。 nts武汉科技大学光机电专业毕业设计 参考文献 27 参考文献 1李朝青 .单片机原理及接口技术（简明修订版
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