DS18B20数字温度计设计实验报告

题题 目 目 DS18B20 数字温度计数字温度计 姓姓 名 名 吴远超吴远超 学学 号 号 093521029 指导老师 指导老师 李东京老师李东京老师 设计时间 设计时间 20122012 年年 4 4 月月 9 9 日日 4 4 月月 2222 日日 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 单片机原理及应用 课程设计报告书 目 录 1 引 言 1 1 1 设计意义 1 1 2 系统功能要求 1 2 方案设计 1 3 硬件设计 2 4 软件设计 5 5 系统调试 7 6 设计总结 8 7 附 录 9 8 作品展示 15 9 参考文献 17 DS18B20 数字温度计设计 1 引 言 1 1 设计意义 在日常生活及工农业生产中 经常要用到温度的检测及控制 传统的测温 元件有热电偶和热电阻 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 需要比较多的外部硬件支持 其缺点如下 硬件电路复杂 软件调试复杂 制作成本高 本数字温度计设计采用美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后推出的一种 改进型智能温度传感器 DS18B20 作为检测元件 测温范围为 55 125 最高 分辨率可达 0 0625 DS18B20 可以直接读出被测温度值 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热点 1 2 系统功能要求 设计出的 DS18B20 数字温度计测温范围在 55 125 误差在 0 5 以内 采用 LED 数码管直接读显示 2 方案设计 按照系统设计功能的要求 确定系统由 3 个模块组成 主控制器 测温电 路和显示电路 数字温度计总体电路结构框图如 4 1 图所示 AT89C2051 主 控 制 器 DS18B20 显示电路 扫描驱动 图 4 1 3 硬件设计 温度计电路设计原理图如下图所示 控制器使用单片机 AT89C2051 温度 传感器使用 DS18B20 使用四位共阳 LED 数码管以动态扫描法实现温度显示 主控制器 单片机 AT89C2051 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 很适合便携手持式产品的设计使用 系统可用两节电池供电 AT89C2051 的引 脚图如右图所示 1 VCC 电源电压 2 GND 地 3 P1 口 P1 口是一个 8 位双向 I O 口 口引脚 P1 2 P1 7 提供内部 上拉电阻 P1 0 和 P1 1 要求外部上 拉电阻 P1 0 和 P1 1 还分别作为片 内精密模拟比较器的同相输入 ANI0 和反相输入 AIN1 P1 口输出缓冲器 可吸收 20mA 电流并能直接驱动 LED 显示 当 P1 口引脚写入 1 时 其可用作输入端 当引脚 P1 2 P1 7 用作输入并被外部拉低时 它们将因内部的写入 1 时 其 可用作输入端 当引脚 P1 2 P1 7 用作输入并被外部拉低时 它们将因内部的 上拉电阻而流出电流 4 P3 口 P3 口的 P3 0 P3 5 P3 7 是带有内部上拉电阻 的七个双向 I O 口引脚 P3 6 用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用 I O 引脚 而不可访问 P3 口缓冲器可吸收 20mA 电流 当 P3 口写入 1 时 它们被内 部上拉电阻拉高并可用作输入端 用作输入时 被外部拉低的 P3 口脚将用上拉 电阻而流出电流 5 RST 复位输入 RST 一旦变成高 电平所有的 I O 引脚就复位到 1 当振 荡器正在运行时 持续给出 RST 引脚两个 机器周期的高电平便可完成复位 每一个 机器周期需 12 个振荡器或时钟周期 6 XTAL1 作为振荡器反相器的输入 和内部时钟发生器的输入 7 XTAL2 作为振荡器反相放大器的输出 总线驱动器 74LS244 74LS244 为 3 态 8 位缓冲器 一般 用作总线驱动器 引脚图见上图 显示电路 显示电路采用 4 位共阳极 LED 数码管 从 P1 口输出段码 列扫描用 P3 0 P3 3 口来实现 列驱动用 8055 三极管 温度传感器 DS18B20 DS18B20 的性能特点 1 适应电压范围更宽 电压范围 3 0 5 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 55 125 在 10 85 时精度为 0 5 6 可编程 的分辨率为 9 12 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 DS18B20 与单片机的接 口电路 引脚图见右图 DS18B20 可以采用电源供电方式 此时 DS18B20 的第 1 脚接地 第 2 脚 作为信号线 第 3 脚接电源 4 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 温度子程序和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 的测量温 度值 温度测量每 1s 进行一次 主程序流程图如图 4 1 所示 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 在读出时必须进行 CRC 校验 校验有错时不能进行温度数据的改写 读出温度子程序流程图如下 图所示 初始化 调用显示子程序 1s 到 初次上电 读出温度值 温度计酸处理 显示数据刷新 发温度转换开始命令 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 读出时须进行 CRC 校验 校验有错时不进行温度数据的改写 得出温度子程序 流程图如下图所示 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下图所示 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 计算温度子程序流程图如下左图所示 现实数据刷新子程序 现实数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示 发 DS18B20 复位指令 发跳过 ROM 指令 发读取温度指令 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 发 DS18B20 复位命令 发温度转换开始命令 结束 发跳过 ROM 命令 数据进行刷新操作 当最高数据显示位为 0 时 将符号显示位移入下一位 现 实数据刷新子程序流程图如下右图所示 5 系统调试 系统的调试以程序调试为主 硬件调试比较简单 首先检查电感的焊接是否正确 然后可用万用表测试 或通电检测 软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验 然后分别进行主 程序 读出温度子程序 温度转换命令子程序 计算温度子程序和现实数据刷 新子程序等的编程及调试 由于 DS18B20 与单片机采用串行数据传送 因此 对 DS18B20 进行读 写编 程时必须严格地保证读 写时序 否则将无法读取测量结果 本程序采用单片机 汇编或 C 语言编写用 Wave3 2 或 Keil C51 编译器编程调试 软件调试到能显示温度值 并且在有温度变化时显示温度能改变 救基本 完成 性能测试可用制作的温度机和已有的成品温度计同时进行测量比较 由于 DS18B20 的精度很高 所以误差指标可以限制在 0 5 以内 另外 55 125 的测温范围使得该温度计完全适合一般的应用场合 其 开始 温度零下 温度值取补码置 一 标志 置 标志 计算小数位温 度 BCD 值 计算整数位温 度 BCD 值 结束 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 低电压供电特性可做成用电池供电的手持温度计 DS18B20 温度计还可以在高低温报警 远距离多点测温控制等方面进行应 用开发 但在实际设计中应注意以下问题 1 DS18B20 工作时电流高大 1 5mA 总线上挂接点数较多且同时进行转换 时要考虑增加总线驱动 可用单片机端口在温度转换时导通一个 MOSFET 供电 2 连接 DS18B20 的总线电缆是有长度限制的 因此在用 DS18B20 进行长距 离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配等问题 3 在 DS18B20 测温程序设计中 向 DS18B20 发出温度转换命令后 程序总 要等待 DS18B20 的返回信号 一旦某个 DS18B20 接触不好或断线 当程序读 DS18B20 时 将没有返回信号 程序进入死循环 这一点在进行 DS18B20 硬件 连接和软件设计时要给予一定的重视 6 设计总结 历时 2 个星期的单片机课程设计已经结束了 在这两个星期的时间里 我 们在老师的指导下完成了基于 DS18B20 的数字温度计的设计和制作 在进行实 验的过程中 我们了解并熟悉 DS18B20 AT89C2051 以及 74LS244 的工作原理和 性能 并且通过温度计的制作 我们将电子技能实训课堂上学到的知识进行运 用 并在实际操作中发现问题 解决问题 更加增加对知识的认识和理解 在课程设计的过程中 也遇到了一些问题 比如最开始根据课本上的电路 图进行合理的设计布局和布线 有些同学的布局不合理 导致焊接的过程中任 务相当繁重 并且不美观 在之后的烧程序调试的时候 出现问题之后 没有 合理布线的同学在查找问题的过程中相当棘手 在焊接过程中 出现最多的就是虚焊问题 对于这个问题 在焊接的过程 中 我尽量依照书中的指导 尽量将焊点焊成水滴状 最后接电后再根据数码 管的显示情况进行逐个排查 在将程序烧到单片机之后 接上电源 发现数码管没有出现正常的 000 0 而是出现了 666 6 在检查线路无误之后 和其他的同学讨论之后 得出结论 书中程序是对于单片机 电阻及数码管是直接连接而设计的 而在 加入了 74LS244 之后 要将 8 个输入输出端口进行掉序 于是 我便将 8 个端 口进行调换 之后再次接通电源 数码管显示 000 0 调试成功 在自己的温度计制作完成之后 我还帮助其他没有完成的同学进行检修 并且成功帮助 2 位同学找到问题进行解决 最后都调试成功 总之 在这 2 个星期中 通过自己在实验室动手制作数字温度计 不仅将 课本的知识与实践相结合 而且在实践中更加深入了解书中原本抽象的知识 这也是整个课程设计中最有收获的地方 7 附 录 源程序代码 DS18B20 温度计 C 程序 2005 2 28 通过调试 使用 AT89C2051 单片机 12MHZ 晶振 用共阳 LED 数码管 P1 口输出段码 P3 口扫描 pragma src d aa asm include reg51 h include intrins h nop 延时函数用 define Disdata P1 段码输出口 define discan P3 扫描口 define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit DQ P3 7 温度输入口 sbit DIN P1 0 LED 小数点控制 uint h 温度小数部分用查表法 Uchar code ditab 16 0 x00 0 x01 0 x01 0 x02 0 x03 0 x03 0 x04 0 x04 0 x05 0 x06 0 x06 0 x0 7 0 x08 0 x08 0 x09 0 x09 uchar code dis 7 12 0 xC0 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 0 xff 0 xb f 共阳 LED 段码表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 不亮 uchar code scan con 4 0 xfe 0 xfd 0 xfb 0 xf7 列扫描控制字 uchar data temp data 2 0 x00 0 x00 读出温度暂放 uchar data display 5 0 x00 0 x00 0 x00 0 x00 0 x00 显示单元数据 共 4 个数据 一个运算暂存用 11 微秒延时函数 void delay uint t for t 0 t 显示扫描函数 scan char k for k 0 k0 i DQ 1 nop nop DQ 0 nop nop nop nop nop 5us DQ val 最低位移出 delay 6 66us val val 2 右移一位 DQ 1 delay 1 18B20 读 1 个字节函数 从总线上读取一个字节 uchar read byte void uchar i uchar value 0 for i 8 i 0 i DQ 1 nop nop value 1 DQ 0 nop nop nop nop 4us DQ 1 nop nop nop nop 4us if DQ value 0 x80 delay 6 66us DQ 1 return value 读出温度函数 read temp ow reset 总线复位 write byte 0 xCC 发 Skip ROM 命令 write byte 0 xBE 发读命令 temp data 0 read byte 温度低 8 位 temp data 1 read byte 温度高 8 位 ow reset write byte 0 xCC Skip ROM write byte 0 x44 发转换命令 温度数据处理函数 work temp uchar n 0 if temp data 1 127 temp data 1 256 temp data 1 temp data 0 256 temp data 0 n 1 负温度求补码 display 4 temp data 0 display 0 ditab display