单片机数字温度计(共20页)

1、目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc376687193 1、设计任务(rn wu)及要求 1、设计(shj)任务及要求1.1 设计(shj)任务(rn wu)现代社会生活中，多功能的数字温度计可以给我们的生活带来很大的方便；支持“一线总线”接口的温度传感器简化了数字温度计的设计，降低了成本；以美国MAXIM/DALLAS半导体公司的单总线温度传感器DS18B20为核心，以ATMEL公司的AT89S52为控制器设计的DS18B20温度控制器结构简单、测温准确、具有一定控制功能的智能温度控制器。此次课程设计，就是用单片机1实现温度控制，传统的温度检测大多以热敏电

2、阻为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。本次采用DS18B20数字温度传感器来实现基于51单片机的数字温度计的设计。该数字温度计利用AD590集成温度传感器及其接口电路完成温度的测量并转换成模拟电压信号，经由模数转换器ADC0804转换成单片机能够处理的数字信号，然后送到单片机AT89C51中进行处理变换，最后将温度值显示在D4、D3、D2、D1共4位七段码LED显示器上。系统以AT89C51单片机为控制核心，加上AD590测温电路、ADC模数转换电路、4位温度数据显示电路以及外围电源、时钟电路等组成。1.2 设计要

3、求设计一个基于单片机的DS18B20数字温度计。课程设计要求：5V供电；温度采集采用DS18B20；4位LED显示；2个按键；设计温度控制器原理图，学习用PROTEL画出该原理图，并用proteus进行仿真；设计和绘制软件流程图，用C语言进行程序编写；焊接硬件电路，进行调试。 2、课程设计方案及器材(qci)选用分析2.1设计(shj)总体方案提及到温度的检测，我们首先会考虑传统的测温元件(yunjin)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，硬件电路复杂，软件调试也复杂，制作成本高。因此，本数字温度计设计采用智能温度传感器DS18B

4、20作为检测元件，测温范围为-55C至+125C，最大分辨率可达0.0625C。DS18B20可以直接读出被测量的温度值，而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特点。按照系统设计功能的要求，确定系统由三个模块组成：主控制器STC89C51，温度传感器DS18B20，驱动显示电路。总体电路框图如下：主控制器STC89C51DS18B20驱动显示电路图1 系统总体框图2.1.1方案论证方案一：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

5、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。所以，他的设计理论不符合本次设计的方案要求，应继续考虑另一可行方案。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。因此，从以上两种方案很容易看出，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。2.1.2方案(fng n)二的总体设计框图温度(wnd)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

6、码管以串口传送数据实现温度显示。DS18B20 采用(ciyng)3 脚PR-35 封装或8 脚SOIC 封装。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图2总体设计方框图主控制器：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。显示电路：显示电路采用3位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。2.2器材选用分析2.2.1 DS18B20温度传感器1. DS18B20的特点本设计的测温系统采用芯片DS18B20，DS18B20是DALLAS公司的

7、最新单线数字温度传感器，它的体积更小，适用电压更宽，更经济。实现方法简介DS18B20采用外接电源方式工作，一线测温一线与STC89C51连接，测出的数据放在寄存器中，将数据经过BCD码转换后送到LED显示。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(r mn din z)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(dnxin)接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个(du )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；

8、可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；零待机功耗；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； DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图2-3-1所示。64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。 C64 位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生

9、器Vdd 图3 DS18B20的内部结构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(yunyn)。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(nib)存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器，结构如图2-3-2所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL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(zhu

10、nhun)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下图所示。低5位一直为1，TM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0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。Dsl8820的内部存储器是由8个单元组成，其中第0、1个存放测量温度值，第2、3分别存放报警温度的上下限值，第4单元为配置单元，5、6、7单元在DSl8820这里没有被用到。对于第4个寄存器，用户可以设置温度转换精度，系统默认12bit转换精度，相当于十进制的00625，其转换时间大约为750磷。 当DS18B

11、20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0.0625LSB形式表示。当符号位S0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S1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2-4-2是一部分温度值对应的二进制温度数据。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若TTH或TTL，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

12、，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(wn chng)温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡

13、器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别(fnbi)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(y )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。 另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完

14、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。 由于DS18B20采用的“一线总线”结构，所以数据的传输与命令的通讯只要通过微处理器的一根双向Io口就可以实现。 图2-4-3中所示，tRSTL为主机发出的低电平信号，本文中有AT89S52提供，tRSTL的最小时延为，然后释放总线，检查DSl8B20的返回信号，看其是否已准备接受其他操作，其中tPDHIGH时间最小为，最长不能超过，否则认为DS18B20没有准备好，主机应继续复位，直到检测到返回信号变为低电平为止。表

15、3-5 DS18B20的ROM操作指令操作指令33H55HCCHF0HECH含义读ROM匹配ROM跳过ROM搜索ROM报警搜索ROM表3-6 DS18B20的存储器操作指令操作指令4EHBEH48H44HD8HB4H含义写读内部复制温度转换重新调出读电源主机(zhj)一旦检测到DS18B20的存在(cnzi)，根据DS18B2的工作(gngzu)协议，就应对ROM进行操作，接着对存储器操作，最后进行数据处理。在DS18B20中规定了5条对ROM的操作命令。见表2-4-3。主机在发送完ROM操作指令之后，就可以对DS18B20内部的存储器进行操作，同样DS18B20规定了6条操作指令。2. DS

16、18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读

17、时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙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把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。DS18B20的写时序，对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程，对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就

18、得释放单线.3、软件(run jin)流程图3. 1主程序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NYNY主程序的主要功能是负责温度(wnd)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7所示。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NNY 图4主程序流程图 图5读温度(wnd)流程图3. 2读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

19、有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图8示发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令结束图6 温度(wnd)转换流程图4、调试(dio sh)性能及分析 系统的性能调试以（1、主程序）为主。硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后用万用表测试。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、从程序的编写和调试，由于DS18B20与单片机采用串行数据传送，因此对DS18B20进行编程时必须严格地保证读写时序(sh x)，否则将无法读取测量结果。性能测试可用制作的温度计和已有的成品温度计来同时测量比较，由于DS18B20精度较高，所以误差指标可

20、以限制在0.1C以内，另外，-55C至+125C的测温范围使得该温度计完全适用于一般的应用场合，其低电压供电的特性可做成电池供电的手持电子温度计。5、课程设计心得本次的课程设计共三周时间，分别进行了BS18D20电路原理图的设计，电路仿真图的设计以及实物电路板的焊制三个过程。经过这次的课程设计，我们不仅加深了对Protel99 SE软件的应用和Proteus仿真软件的了解和使用，还学到了许多课本上没有涉及知识，练习了电路原理图的设计和仿真运行，同时对上学期学习的单片机课程进行了一次全面的复习和巩固，收益很大。我们(w men)知道，课程设计一般(ybn)强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同

21、时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题(wnt)的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础第一周是对BS18D20电路原理图设计，刚开始感觉有一定的难度，主要是对Protel99 SE软件及功能的不了解。但在老师和同学的帮助下还是顺利的完成了，进而对接下来的两个任务有了兴趣。整个课设的过程就是一个学习的过程。因为在课设的过程中，我们必须熟悉电路原理及器件的使用特点，这些都是对课本知识复习和巩固

22、。所以 我觉得课设是一个很重要的学习环节，值得我们应该很认真的去对待！由于本次课程设计是由分组进行完成的，所以通过这次的课设我更加了解到合作的重要性。三周的设计中，我们组成员都参加了设计的各个方面的讨论和动手实践，大家更具自己的实际情况做了不同的分工，合理的利用了时间，感觉得到了很好的经验。这次课设让我对单片机有了进一步的了解，而且对Proteus仿真软件的有了一定了解。体会到了Proteus仿真软件的强大。最主要的是我们能够自己通过单片机焊接事物，这是我们在课堂上是学不到的。极大地增强了我们的动手实践能力。通过本次课设，能够使我们熟练掌握单片机控制电路的设计、程序编写和整体焊接及系统调试，从

23、而全面地提高我们对单片机的软件、硬件等方面的理解，进而增强我们在实践环节的动手操作能力。譬如，我们可以根据实验指导书的要求，完成BS18D20电路的硬件设计、电路器件的选择、单片机软件的运行、以及整体系统调试，并写出完善的设计报告。在进行课设之前，要求我们具备数字电路、模拟电路、电路基础、微机原理、电力电子、电机学和单片机等相关课程的知识，并具备一些基本的实践操作水平，为以后的就业打好一定的基础。总的来说，这次的课程设计自己还是很满意的，感觉收获了不少东西，相信此次学到的知识在以后的生活和学习中对我会有很大的帮助！参考文献1单片机原理(yunl)及应用(第二版) 张毅刚 高等教育出版社 201

24、0年5月2胡汉才 单片机原理(yunl)及其接口技术 清华大学出版社 1996年附录(fl)：DS18B20显示程序;=;文件名称: DS18B20;功能说明: 温度传感器18B20汇编程序,采用器件(qjin)默认的12位转化,最大转化时间750微秒; 本程序(chngx)专为AT89C51实验开发板编写.适合12晶振; 本程序经过验证,可以显示温度+/-和两位整数温度和两位小数温度数据;硬件描述:;资源说明: 12M晶体;创建日期: 2009-03-03;软件版本: v 1.0 ;=FLAG1EQU39H ;是否检测到DS18B20的标志位;定义温度数据DIS_1 DATA 33H ;十位

25、DIS_2 DATA 34H ;个位DIS_3DATA35H ;小数点后第一位DIS_4DATA36H ;小数点后第二位WDDATA BIT P3.3 ;定义DS18B20的数据脚为P3.4端口ORG 0000HJMPMAINORG0100H; 主程序;MAIN:LCALL INIT_1820 ;调用复位DS18B20子程序MAIN1:LCALL GET_TEMPER;调用读温度子程序LCALL FORMULA ;通过公式计算,小数点后显示两位LCALL DISPLAY ;调用串口显示子程序AJMP MAIN1; DS18B20复位初始化程序;INIT_1820:SETB WDDATANOPC

26、LR WDDATA;主机发出延时540微秒的复位低脉冲MOV R0,#36LCALL DELAYSETB WDDATA;然后拉高数据线NOPNOPMOV R0,#36TSR2:JNB WDDATA,TSR3;等待(dngdi)DS18B20回应DJNZ R0,TSR2LJMP TSR4 ;延时TSR3:SETB FLAG1 ;置标志(biozh)位,表示DS1820存在LJMP TSR5TSR4:CLR FLAG1 ;清标志位,表示(biosh)DS1820不存在LJMP TSR7TSR5:MOV R0,#06BHTSR6:DJNZ R0,TSR6 ;复位成功!时序要求延时一段时间TSR7:S

27、ETB WDDATARET; 读出转换后的温度值;GET_TEMPER:SETB WDDATA ;定时入口LCALL INIT_1820 ;先复位DS18B20JB FLAG1,TSS2RET ;判断DS1820是否存在?若DS18B20不存在则返回TSS2:MOV A,#0CCH ;跳过ROM匹配LCALL WRITE_1820MOV A,#44H ;发出温度转换命令LCALL WRITE_1820MOV R0,#50 ;等待AD转换结束,12位的话750微秒.LCALL DELAYLCALL INIT_1820 ;准备读温度前先复位MOV A,#0CCH ;跳过ROM匹配LCALL WRI

28、TE_1820MOV A,#0BEH ;发出读温度命令LCALL WRITE_1820LCALL READ_18200;将读出的九个字节数据保存到60H-68HRET;写DS18B20的子程序(有具体的时序要求);WRITE_1820:MOV R2,#8 ;一共8位数据CLR CWR1:CLR WDDATAMOV R3,#6DJNZ R3,$RRC AMOV WDDATA,CMOV R3,#24DJNZR3,$SETB WDDATANOPDJNZ R2,WR1SETB WDDATARET; 读DS18B20的程序(chngx),从DS18B20中读出九个字节的数据;READ_18200:MOV

29、 R4,#9MOV R1,#60H ; 存入60H开始(kish)的九个单元RE00:MOV R2,#8RE01:CLR CSETB WDDATANOPNOPCLR WDDATANOPNOPNOPSETB WDDATAMOV R3,#09RE10:DJNZ R3,RE10MOV C,WDDATAMOV R3,#23RE20:DJNZ R3,RE20RRC ADJNZ R2,RE01MOV R1,AINC R1DJNZ R4,RE00RET;温度(wnd)计算子程序;FORMULA:CALLINTEGERCALLDOTRET;计算温度(wnd)整数;INTEGER: MOVR4,60H;；将61

30、H中的低4位移入60H中的高4位，得到温度的整数(zhngsh)部分MOVA,61HANLA,#0FHMOV61H,AMOVA,60HANLA,#0F0HORLA,61HSWAPAMOV60H,ACALLHBCDMOVDIS_1,AMOVDIS_2,BRET;计算(j sun)两位小数;DOT:MOVA,R4;；小数部分计算ANLA,#0FHMOVR7,AMOVR2,#02HMOVR3,#71HCALLMULDMOVA,R4MOVR6,AMOVA,R5MOVR7,ACALLHB2MOVA,R4MOVR1,AANLA,#0F0HSWAPAMOVDIS_3,AMOVA,R1ANLA,#0FHMOV

31、DIS_4,AMOVA,R5;四舍五入MOVR1,AANLA,#0F0HSWAPAADDA,ACCJNCDOT1INCDIS_4DOT1:RET;=;入口(r ku)条件：待转换的单字节十六进制整数在累加器A中。;出口信息：转换(zhunhun)后的码整数（十位和个位）仍在累加器A,B中，百位在R3中。;影响资源：PSW、A、B、R3 堆栈(duzhn)需求： 字节HBCD:MOVA,60HMOVB,#100;；分离出百位，存放在R3中DIVAB;；商是0MOVA,#10;；余数继续分离十位和个位XCHA,BDIVABRET;=;入口条件：被乘数在R2、R3中，乘数在R6、R7中。;出口信息：

32、乘积在R2、R3、R4、R5中。;影响资源：PSW、A、B、R2R7 堆栈需求： 字节MULD:MOVA,R3;；计算R3乘R7MOVB,R7MULABMOVR4,B;；暂存部分积MOVR5,AMOVA,R3;；计算R3乘R6MOVB,R6MULABADDA,R4;；累加部分积MOVR4,ACLRAADDCA,BMOVR3,AMOVA,R2;；计算R2乘R7MOVB,R7MULABADDA,R4;；累加部分积MOVR4,AMOVA,R3ADDCA,BMOVR3,ACLRARLCAXCHA,R2;；计算R2乘R6MOVB,R6MULABADDA,R3;；累加部分积MOVR3,AMOVA,R2ADDCA,BMOVR2,ARET;=;入口条件：待转换(zhunhun)的双字节十六进制整数在R6、R7中。;出口(ch ku)信息：转换后的三字节码整数在R3、R4、R5中。;影响资源：PSW、A、R2R7 堆栈需求(xqi)： 字节HB2:CLRA;；码初始化MOVR3,AMOVR4,AMOVR5,AMOVR2,#10H;；转换双字节十六进制整数HB3:MOV