基于DS18B20的数字温度计设计—刘升硕（2010.6.2.）.doc

扬州工业职业技术学院2009 2010学年第 二 学期毕业论文课题名称： 基于DS18B20的数字温度计设计 设计时间： 2009.12.2010.5. 系 部： 国际交流中心 班 级： 0704机电技术 姓 名： 刘升硕 指导教师： 唐明军 总目录第一部分 任务书 第二部分 开题报告 第三部分 毕业论文正文 第 一 部 分任务书扬州工业职业技术学院毕业论文任务书系 部国际交流中心指导老师唐明军职称助教学生姓名刘升硕班级0704机电学号0705230124设计题目基于DS18B20的数字温度计设计设计内容目标和要求通过对单片机AT89S51的掌握，设计一款数字温度计，测量范围可以通过按键对该系统进行设定，精度达到0.1，但是不能超过-50110。当温度超过设定范围时可以通过蜂鸣器进行报警。同时检测的温度通过LED数码管进行显示。整个设计过程包括电路原理图的绘制，Keil软件的程序设计与编译调试，以及利用Proteus软件进行仿真调试。教研室审核系部审核第 二 部 分开题报告扬州工业职业技术学院 电子信息工程 系10届毕业设计（论文）开题报告书（表1）学生姓名刘升硕专业机电技术班级0704机电学号0705230124题 目基于DS18B20的数字温度计设计指导教师唐明军职称助教学 位硕士题目类别 工程设计 基础研究 应用研究 其它【课题的内容与要求】通过对单片机AT89S51的掌握，设计一款数字温度计，测量范围可以通过按键对该系统进行设定，精度达到0.1，但是不能超过-50110。当温度超过设定范围时可以通过蜂鸣器进行报警。同时检测的温度可以通过LED数码管进行显示，整个设计过程包括电路原理图的绘制，Keil软件的程序设计与编译调试，以及利用Proteus软件进行仿真调试。【前言】温度计是测温仪器的总称，英文是thermometer，它可以准确的判断和测量温度，根据使用目的的不同，已设计制造出多种温度计。其设计的依据有：利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩的现象；在定容条件下，气体（或蒸气）的压强因不同温度而变化；热电效应的作用；电阻随温度的变化而变化；热辐射的影响等。随着科学技术的不断发展，数字温度计无疑是人们追求的目标之一，它具有精度高，稳定性强，不受外界环境的改变而改变等优点。【方案的比较与评价】本设计是基于AT89S51单片机为控制核心所设计，数字温度计首先考虑温度采样问题。方案一：采用AD590作为温度采集传感器；经放大后，在由ADC0809送单片机处理，最后在由显示器将温度显示出来。方案二：选用DS18B20作为温度采集传感器；DS18B20与单片机之间通信是单总线，只占用一个I/O口，精度可通过对DS18B20的分辨率进行相应设置与实现。评价：虽说两种方案都采用了单片机作为控制核心，但是方案一中的AD590传感器输入的是模拟信号，输出的也是模拟信号，必须要由ADC0809进行转换，才能转换成数字信号。而方案二中的DS18B20输入的是模拟信号，输出的是数字信号，因此选用方案二。【预期的效果及指标】通过查阅资料、搜索电子文献，掌握对数字温度计的设计流程，掌握了AT89S51单片机工作原理，采用单片机以及DS18B20数字式温度传感器设计的温度计可以准确检测温度，检测值通过LED数码管直接显示，当温度超过设置范围时会实现蜂鸣器报警。最后能够利用 Proteus软件进行仿真调试。【进度安排】2009年 12 月 10 日- 2009 年 12月30日 选题、调研、收集资料2010年 1 月 8 日 - 2010 年 1 月 25 日 论证、开题2010年 1 月26 日 - 2010年 3月 30 日 设计（写作初稿）2010 年 4 月 1 日 - 2010 年4 月 26 日 修改、定稿、打印【参考文献】 1 李朝青.单片机原理及接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，19982 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19943 康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，19984 曾光宇.现代传感器技术及应用基础.北京：北京理工大学出版社，20065 汪吉鹏，马云峰。微机原理与接口技术.北京：高等教育出版社，2001【指导教师意见】（有针对性地说明选题意义及工作安排是否恰当等）同意提交开题论证 修改后提交 不同意提交（请说明理由）指导教师签章： 年 月 日 【系部意见】同意指导教师意见 不同意指导教师意见（请说明理由） 其它（请说明）系（部）主任签章： 年 月 日第 三 部 分毕业论文正文基于DS18B20的数字温度计设计刘升硕0704机电技术摘 要本文介绍了一种基于AT89S51的数字温度计的设计。该数字温度计以AT89S51为核心，通过数字温度传感器DS18B20来实现温度的检测和转换，转换后的温度信号通过LED数码管进行显示，此外可以通过按键进行温度上下限设置，但是设定温度不能超过-50+110。当测量温度超过设定温度范围时，蜂鸣器会自动报警。该数字温度计硬件电路简单，可靠性高，测量精度高，可满足一般环境温度的检测，具有一定的实用价值。 关键词 AT89S51 DS18B20 数码管 温度计Design of Digital Thermometer based on DS18B20liushengshuo0704 Mechanical & Electrical Technology Abstract: This article describes the AT89S51 based Digital Thermometer design. The digital thermometer toAT89S51 as the core to the digital temperature sensor DS18B20 Temperature measurement and conversion, the converted signal through the LED digital temperature control to display, in addition to the temperature through the button on the lower settings, but the set temperature should not exceed -50 - +110 . When the measured temperature exceeds the set temperature range, the buzzer will alarm. The digital thermometer simple hardware circuit, high reliability and high accuracy to meet the general ambient temperature of the test, has some practical value.Key words: AT89S51 DS18B20 Digital tube Thermometer 目 录第一章 绪 论1第二章 总体的总体设计22.1 任务分析22.2 系统总体设计方案2第三章 硬件电路设计33.1 主控电路33.2温度采集电路63.3报警电路73.4 按键接口电路83.5显示电路9第四章 系统软件设计104.1系统主程序设计104.2 DS18B20检测与复位程序设计104.3读出温度子程序设计114.4温度整合子程序设计124.5显示子程序144.6 汇编源程序15第五章 总 结23致 谢24参考文献25扬州工业职业技术学院毕业论文第一章 绪 论最早的温度计是在1593年由意大利科学家伽利略(15641642)发明的。它具有热胀冷缩的作用，所以这种温度计，容易受外界大气压强等环境因素的影响较大，所以测量误差大。瑞典人摄尔修斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度，他把水的沸点定为0度，把水的冰点定为100度。后来他的同事施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来，就成了现在的百分温度，即摄氏温度，用表示。随着科学技术的不断发展，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计所介绍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。本毕业设计介绍了温度计的测量和控制之间的关系：检测是控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。目前的温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。第二章 总体的总体设计2.1 任务分析数字温度计首先考虑温度采样问题，对于温度采样可选用AD590传感器进行温度的采集，但是该传感器输入的是模拟信号，输出的也是模拟信号，必须要由ADC0809进行转换，才能转换成数字信号。而DS18B20直接就能把模拟信号转换成数字信号，所以选用DS18B20作为温度传感器，DS18B20与单片机AT89S51之间通信是单总线，只占用一个I/O口，而温度上下限可通过单片机按键控制，通过对DS18B20分辨率的设置来控制测量精度，可以精确到0.1位。显示电路使用串口显示，P3口的RXD和TXD串口的发送和接受，4个数码管采用74LS164移位寄存器驱动，这种显示的最大优点就是使用口资源比较少。2.2 系统总体设计方案 系统总体设计方框图如图2-2所示，该系统由复位电路，振荡电路，按键接口电路，振荡电路，按键调节电路，温度采样电路，报警电路和显示电路。外界温度通过DS18B20进行采集检测，将模拟信号转换成数字信号传送给单片机，通过LED数码管进行显示。当温度超过报警范围时，将通过蜂鸣器进行报警。控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20。复位电路振荡电路按键接口电路温度采集电路单片机报警电路显示电路 图2-2总体设计方框图第三章 硬件电路设计 系统整体硬件电路如图3-1所示，包括主控电路，温度采集电路，报警电路，温度上下限设置电路，复位电路以及显示电路。主控电路主要是以单片机AT89S51来控制。温度采集电路主要是通过传感器DS18B20来实现温度的采集。报警电路主要是通过蜂鸣器发出鸣叫实现报警。温度上下限设置电路是通过按键进行调节，使报警温度改变。复位电路是通过上电自动复位功能，并且在通电过程中可以通过按动按键给单片机复位管脚9一定时间高电平，在正常工作状态下复位管脚为低电平。显示电路是通过数码管进行显示。图3-1系统整体硬件电路图3.1 主控电路主控电路由单片机、振荡电路以及复位电路组成。其中振荡电路由一个晶振和两个非极性电容构成，给单片机提供稳定的脉冲，使其井然有序的工作。复位电路采用按键电平复位，由R3，R4，按键，极性电容C2和绿色发光二极管组成，其中绿色发光二极管再通电后会一直亮，证明单片机通着电，这个复位电路可以满足上电后复位和按键复位。复位电路具有上电自动复位功能，并且在通电过程中可以通过按动按键给单片机复位管脚9一定时间高电平，在正常工作状态下复位管脚为低电平。单片机的引脚图如图3-2所示。图3-2 单片机引脚图P0口：P0为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管教第一次写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FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。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，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，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，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，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 管脚和备选功能P3.0 RXD（串行输入口）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）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指令是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指期间，每个机器周期两次/PSEN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，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。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，此间内部程序存储器。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。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2温度采集电路温度采集电路即为DS18B20和单片机的连接电路。温度采集电路如图3-3所示，通信方式为单总线通信。 图3-3温度采集电路图DS18B20是单总线控制器件，其体积小，适用电压宽，经济实用。其测量温度范围为-50+110，系统的抗干扰能力强。适合于恶劣环境的温度测量。其内部境结构有四部分组成：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，引脚排列和封装如图3-4所示。图3-4 DS18B20的引脚图2数字信号输入输出端1电源地3为外接供电电源输入端DS18B20工作过程的协议是：初始化ROM操作命令RAM操作命令处理数据。此外DS18B20有严格的时序要求。对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。读时序是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60微妙才能完成。 3.3报警电路报警电路由一个PNP三极管和电阻R1,R2以及蜂鸣器和红色发光二极管组成，报警电路如图3-5当单片机未检测到18B20正常存在时或所测温度超过设定温度上下限时，通过软件对P1.0口送底电平，使PNP三极管导通，蜂鸣器长鸣，并且红色发光二极管导通发光，起警示作用。图3-5 报警电路图3.4 按键接口电路按键接口电路比较简单，按键接口电路如图3-6所示，当第一次按下中间那个键时，通过程序可以使数码管显示温度上限，此时按上键或下键使温度上限加一或减一。如果连续两次按中间键，则数码管显示温度下限，此时可以用上下键实现温度调整。图3-6 按键接口电路图3.5显示电路显示电路采用串行口显示，利用4个74LS164来驱动4个共阳的数码管显示。显示电路图如图3-7所示。74LS164是串行输入的移位寄存器，并带有清除端，其中Q0-Q7为并行输出端，MR为清楚端，当它为零电平时使74LS164保持原来的数据状态。图中外接4片74LS164作为4位LED显示器的静态连接口，74LS164的低电平输出电流为8mA，可直接驱动共阳极LED。采用软件译码向74LS164输出字型码，由于显示器是静态的，主程序可不必扫描。从而节省很多时间。RXD TXDP2.0 图3-7 LED数码管显示电路 第四章 系统软件设计4.1系统主程序设计系统程序设计主要包括主程序，显示数据子程序，DS18B20复位与检测子程序，DS18B20初始化程序，读出温度子程序，计算温度子程序，温度比较子程序等。主程序首先对DS18B20进行复位与检测，然后对它进行分辨率的设定，如果检测出DS18B20正常存在，则程序正常往下执行，否则，则进入报警子程序。如果继续执行，则依次为温度转换命令，DS18B20读出数据命令，单片机读出数据命令，温度整合，温度比较，如果超出温度上下限则报警，如果在上下限范围内则执行二进制转换子程序，显示子程序，最后回到主程序循环。其中显示子程序采用定时中断方式，为中断服务子程序，实现每次中断都进行一次温度采集，即时采集温度的要求。程序流程图如图4-1所示。DS18B20复位DS18B20温度转换DS18B20读温度命令单片机读温度命令温度整合温度比较报警程序否超出是温度转化显示程序未超出检测DS18B20正常吗图4-1 系统程序流程图4.2 DS18B20检测与复位程序设计 main:mov temp_th,#110； 设定温度上下限 mov temp_tl,#-50； lcall reset； 复位与检测DS18B20 lcall re_18b20； FLAG1=0,DS18B20不存在 jnb flag1,main1 jmp startmain1: lcall reset jb flag1,start lcall beep_BL; DS18B20错误，报警 jmp main1start: mov a,#0cch； 跳过ROM匹配 lcall write mov a,#044h； 发出温度转换命令 lcall write lcall reset mov a,#0cch； 跳过ROM匹配 lcall write mov a,#0beh ； 发出读温度命令 lcall write lcall read； 读温度数据 lcall conv_temp； 数据整合 lcall temp_comp； 数据比较 lcall dispbcd； 二进制转换为BCD码 lcall led； 显示 sjmp main1； 循环4.3读出温度子程序设计即把温度传感器中的温度存入单片机的26H,27H单元中。采用循环传送，在传送过程中要注意时序的要求，具体程序分析如下：read: mov r4,#4； 将温度高位和低位从DS18B20中读出 mov r1,#26h； 存入26H,27Hre00: mov r2,#8re01: clr c setb data_line nop nop clr data_line； 读前总线保持为低 nop nop setb data_line； 开始读总线释放mov r3,#4； 延时16微妙djnz r3,$mov c , data_line； 从DS18B20总线读得一个BITmov r3,#4djnz r3,$; 等待16微妙rrc a； 把读得的位值转移给Adjnz r2,re01； 读下一个BITmov r1,ainc r1djnz r4,re00ret4.4温度整合子程序设计 温度转换命令子程序是把原本存放于两个单元的温度整合到一个单元内。而且将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，具体程序及其分析为：conv_temp:mov a,#0f0h anl a,templ； 舍去小数点后的四位温度数值 swap a mov temper_num,a mov a,templ jnb acc.3,temper_cov1； 四舍五入去温度值 inc temper_numtemper_cov1:mov a,temph anl a,#08h swap a orl a,temper_num mov temper_num,a； 保存变转后的温度数据retBCD码转换子程序为:DISBCD：mov a, temper_num; 判断温度是否零下 anl a,#80hjz tempc1； 温度上转mov temp_b,#10； 如果零下则百位数值为“-”sjmp loop1tempc1:mov a,temper_num； 算出百位值 mov b,64h div abmov temp_b,aloop1:mov a,temper_num； 算出十位mov b,64hdiv ab xch a,b； 算出个位mov b,#0ahdiv abmov temp_s,amov temp_b,bretemp_comp:mov a,temper_num clr csubb a,temp_tljc beep_bl mov a,temper_num clr c subb a,temp_th jnc beep_blretsetb tr0djnz timer,exitmov r0,#2bhpop pswpop accsetb eamov timer,#4hreitexit:mov dptr,#tablemov a,r0movc a,a+dptrjnb ti,$clr timov subf,ainc r0table:db 11h,77h,92h,32h,74hdb 38h,18h,73h,10h,30h,0feh4.5显示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LED led:mov sp,#30h mov tmod,#01h; 定时器0方式1 mov tl0,#0b0h mov th0,#3ch； 定时100ms mov r0,#2bh mov timer,#4h mov scon,#00h； 串口方式0 setb tr0； 启动定时 setb et0； 开中断 setb ea sjmp $int_t0:clr ea clr tr0 push acc push psw mov tl0,#00h mov th0,#4bh setb tr0 clr p2.0 djnz timer,exit mov r0,#2bh pop psw pop acc setb ea mov timer,#4h reti4.6 汇编源程序timer data 10htempl data 26htemph data 27htemp_th data 28htemp_tl data 29htemper_num data 2ahtemp_s data 2chtemp_b data 2dhbeep equ p1.0data_line equ p1.1flag1 equ 20h.0org 0000hajmp mainorg 000bhajmp int_t0main:mov temp_th,#110 mov temp_tl,#-55 lcall reset lcall re_18b20 jnb flag1,main1 jmp startmain1:lcall reset jb flag1,start lcall beep_bl jmp main1start:mov a,#0cch lcall write mov a,#044h lcall write lcall reset mov a,#0cch lcall write mov a,#0beh lcall write lcall read lcall conv_temp lcall temp_complcall dispbcd lcall led sjmp main1led:mov sp, #30h mov tmod,#01h mov tl0, #0b0h mov th0, #3ch mov r0,#2bh mov timer,#4h mov scon,#00h setb tr0 setb et0 setb ea sjmp $ int_t0:clr ea clr tr0 push acc push psw mov tl0,#00h mov th0,#4bh setb tr0 clr p2.0 djnz timer,exit mov r0,#2bh pop psw pop acc setb ea mov timer,#4h retiexit: mov dptr,#table mov a,r0 movc a,a+dptr jnb ti,$ nop clr ti mov sbuf,a inc r0table:db 11h,77h,92h,32h,74h db 38h,18h,73h,10h,30h,0fehreset: setb data_line nopclr data_line mov r0,#84hreset1:djnz r0,$ setb data_linenopmov r1,#25hreset2: jnb data_line,reset3 djnz r0,reset2 jmp reset4reset3: setb flag1 jmp reset5reset4: clr flag1 jmp reset6reset5 :mov r0,74h djnz r0,$reset6: setb data_line retwrite: mov r2,#8 clr cywr1: clr data_line mov r3,#04 djnz r3,$ rrc amov data_line,cmov r3,#23djnz r3,$setb data_linenopdjnz r2,wr1setb data_lineretre_18b20: jb flag1,re_18b20aretre_18b20a: lcall resetmov a,#0cchlcall writemov a,#4ehlcall writemov a,temp_thlcall writemov a,temp_tllcall writemov a,#7fhlcall writeretdex1:mov r7,#180de2:nopdjnz r7,de2retdelay:mov r6,#50del1:mov r7,#100djnz r7,$djnz r6,del1djnz r5,delayretread:mov r4,#4 mov r1,#26hre00:mov r2,#8re01:clr c setb data_line nop nop clr data_line nop nop setb data_linemov r3,#4djnz r3,$mov c , data_linemov r3,#4djnz r3,$rrc adjnz r2,re01mov r1,ainc r1djnz r4,re00retconv_temp:mov a,#0f0h anl a,templ swap a mov temper_num,a mov a,templ jnb acc.3,temper_cov1 inc temper_numtemper_cov1:mov a,temph anl a,#08h swap a orl a,temper_num mov temper_num,aretdispbcd:mov a, temper_num