基于51单片机的数字温度传感器DS18B20的设计制作

基于51单片机的数字温度传感器DS18B20的设计制作 专业：应用电子技术班级：08应电1班制作人：陈艳黄凤蒋斌 指导老师：邝永明 2009年12月3日引言 随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。选用AT89C51型单片机作为主控制器件，DS18B20作为测温传感器通过4位共阳极LED数码管串口传送数据，实现温度显示。通过DS18B20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，在0100最大线性偏差小于0.1。该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。本文结合实际使用经验，介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机下的硬件连接及软件编程，并给出了软件流程图。芯片使用了ATMEL公司的AT89S52单片机和DALLAS公司的DS18B20数字温度传感器。上位机部分使用了通用PC。该系统可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域。第一章1.1系统背景在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域：消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测。温度检测系统应用十分广阔。1.2 系统概述 本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用 RS-232串行通讯标准，通过上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值既可以送回主控PC进行数据处理，由显示器显示。也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械等。第二章、方案论证 温度检测系统有则共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降 。所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设计。温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。2.1 传感器部分方案一：采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。方案二：在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89S52可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建传感器网络。采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。2.2主控制部分方案一：此方案采用PC机实现。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。且人机交互友好。但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境比较恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦！方案二：此方案采用AT89S52单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信.运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。另外AT89S52在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。2.3系统方案综上所述,温度传感器以及主控部分都采用第二方案。系统采用针对传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的特点，运用分布式通讯的思想。设计一种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。通过下位机（单片机）进行现场的温度采集，温度数据既可以由下位机模块实时显示，也可以送回上位机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。实际采用电路方案如下图：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。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。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。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。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。DS18B20结构（1） DS18B20的结构如下图所示DS18B20的管脚排列DS18B20如图所示，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。DS18B20的管脚排列如图2所示，DQ为数字信号输入输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。 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，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8X5X41）。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。DS18B20的时序1、1复位时序复位使用DS18B20时，首先需将其复位，然后才能执行其它命令。复位时，主机将数据线拉为低电平并保持480us960us，然后释放数据线，再由上拉电阻将数据线拉高1560us，等待DS18B20发出存在脉冲，存在脉冲有效时间为60240us，这样，就完成了复位操作。12写时序在主机对DS18B20写数据时，先将数据线置为高电平，再变为低电平，该低电平应大于lus。在数据线变为低电平后15us内，根据写“1”或写“0”使数据线变高或继续为低。DS18B20将在数据线变成低电平后15us60US内对数据线进行采样。要求写入DS18B20的数据持续时间应大于6Ous而小于120us，两次写数据之间的时间间隔应大于lus。12读时序读时隙当主机从DS18B20读数据时，主机先将数据线置为高电平，再变为低电平，该低电平应大于lus，然后释放数据线，使其变为高电平。DS18B20在数据线从高电平变为低电平的15us内将数据送到数据线上。主机可在15us后读取数据线。DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用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。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。程序设计思路程序名称：DS18B20温度测量#include#include#include#define uchar unsigned char#define tempint DBYTE0x30#define tempdf DBYTE0x31uchar code tab=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x83,0xf8,0x80,0x98;sbit dat=P10;void set_ds18b20(); /初始化DS18B20子程序void get_temperature(); /获得温度子程序void read_ds18b20(); /读DS18B20子程序void write_ds18b20(uchar command);/向DS18B20写1字节子程序void delayms(uchar count); /延时count毫秒子程序void disp_temp(); /显示温度子程序void main() EA=0; /禁止中断 SP=0x60; /设置堆栈指针 while(1) get_temperature(); /获得温度 disp_temp(); /显示温度 void set_ds18b20() while(1) uchar delay,flag; flag=0; dat=0; /数据线置低电平 delay=250; while(-delay); /低电平保持500us dat=1; /数据线置高电平 delay=30; while(-delay); /低电平保持60us while(dat=0) /判断DS18B20是否发出低电平信号 delay=120; /DS18B20响应，延时240us while(-delay); if(dat) /DS18B20发出高电平初始化成功，返回 flag=1; /DS18B20初始化成功标志 break; if(flag) /初始化成功，再延时480us delay=240; while(-delay); break; void get_temperature() /温度转换、获得温度子程序 set_ds18b20(); /初始化DS18B20 write_ds18b20(0xcc); /发跳过ROM匹配命令 write_ds18b20(0x44); /发温度转换命令 disp_temp(); /显示温度，等待转换结束，大于600ms set_ds18b20(); write_ds18b20(0xcc); /发跳过ROM匹配命令 write_ds18b20(0xbe); /发出读温度命令 read_ds18b20(); /将读出的温度数据保存到tempint和tempdf处void read_ds18b20() uchar delay,i,j,temp,temph,templ; j=2; /读2位字节数据 do for(i=8;i0;i-) /一个字节分8位读取 temp=1; /读取1位右移1位 dat=0; /数据线置低电平 _nop_(); _nop_(); dat=1; /数据线置高电平 delay=4; while(-delay); /延时4us if(dat) /读取1位数据 temp|=0x80; delay=10; /读取以为数据后延时20us while(-delay); if(j=2) /读取的第一字节存templ templ=temp; else temph=temp; /读取的第二字节存temph while(-j); tempdf=templ&0x0f; /将读取的数据转换成温度值，整数部分存tempint,小数部分存tempdf templ=4; temph0;i-) /将一字节数据一位一位写入 dat=0; /数据线置低电平 delay=8; /延时16us while(-delay); dat=command&0x01; /将数据放置在数据线上 delay=20; /延时40us while(-delay); command=command1; /准备发送下一位数据 dat=1; /发送完一位数据，数据线置高电平 _nop_(); /延时1us void disp_temp() uchar tempinth,tempintl,tempdfh,tempdfl,cnt; tempinth=tabtempint/10; /整数高半字节 tempintl=tabtempint%10&0x7f;/整数低半字节 tempdfh=tabtempdf/10; /小数高半字节 tempdfl=tabtempdf%10; /小数低半字节 cnt=200; /循环显示200次 while(-cnt) P2=0xfe; P0=tempinth; delayms(1); P2=0xfd; P0=tempintl; delayms(1); P2=0xf7; P0=tempdfh; delayms(1); P2=0xef; P0=tempdfl; delayms(1); / P0=0xff; void delayms(uchar count) uchar i,j; do for(i=5;i0;i-) for(j=98;j0;j-); while(-count);第五章系统调试5.1 分步调试1、测试环境及工具测试温度：0100摄氏度。（模拟多点不同温度值环境）测试仪器及软件：数字万用表，温度计0100摄氏度，串口调试助手。测试方法：目测。2、测试方法使系统运行，观察系统硬件检测是否正常（包括单片机最小系统，键盘电路，显示电路，温度测试电路等）。系统自带测试表格数据，观察显示数据是否相符合即可。采用温度传感器和温度计同时测量多点水温变化情况（取温度值不同的多点），目测显示电路是否正常。并记录各点温度值，与实际温度值比较，得出系统的温度指标。使用串口调试助手与单片机通讯，观察单片机与串口之间传输数据正确否。3、测试结果分析自检正常，各点温度显示正常，串口传输数据正确。因为芯片是塑料封装，所以对温度的感应灵敏度不是相当高，需要一个很短的时间才能达到稳定。5.2 统一调试将硬件及软件结合起来进行系统的统一调试。附：DS18B20使用中的注意事项 DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： （1）DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使