基于DS18B20温度传感器的数字温度计设计

1、基于DS18B20温度传感器的数字温度计设计目 录基于DS18B20温度传感器的数字温度计设计1基于DS18B20温度传感器的数字温度计设计1摘要：1关键字：1The conception of the numerical thermometer based on DS18B2011 引言22 总体设计22.1 方案论证22.2 总体设计33 硬件设计33.1 单片机系统33.2 温度传感器模块43.3 存储模块73.4 液晶显示模块93.5 串口通信模块113.6 电源模块124 软件设计134.1 主程序流程134.2 DS18B20模块程序设计134.3 HS1602驱动程序设计164.

2、4 AT24C08存储模块程序设计184.5 RS-232-C串口通信模块程序设计195 测试及结果分析226 附录237 参考资料24基于DS18B20温度传感器的数字温度计设计周焱华，王小彬，周焕军（湖北师范学院计算机科学系）摘要：本文介绍了一种基于DS18B20的数字温度计设计方案。方案利用AT89S52单片机控制DS18B20进行数据采集并由HS1602液晶显示模块显示结果，另外，采集结果可由RS-232-C接口送入计算机显示并存储。按键控制实现过界报警温度设定和实时监控，利用AT24C08芯片进行存储，实现温度测量存储与再现。关键字：温度采集，存储再现，过界报警，串行通信The co

3、nception of the numerical thermometer based on DS18B20Zhou Yanhua,Wang Xiaobin,Zhou Huanjun(Computer Science Department,HuBei Normal University)Abstract: In this page,we introduced a conception of the numerical thermometer based on DS18B20. The conception makes use of AT89S52 control DS18B20 to carr

4、y on the data collection,and displays the result use the HS1602 liquid crystal display module. Moreover, the result can be sent into the computer by the interface of RS-232- C to display and store. The key control carries out the temperature setting of over the boundary to alarm,and real-time monito

5、ring. And makes use of the chip of AT24C08 carries on the storage, and carrying out the temperature measurement storage and reappearing.Keywords: Temperature collect, Storing to reappear, Over the boundary to alarm, Serial communication1 引言 随着电子技术的发展，人们的生活日趋数字化，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

6、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。2 总体设计2.1 方案论证2.1.1 温度传感器方案一：采用热敏电阻可满足测温要求，但热敏电阻精度低，重复性和可靠性较差，对于精度要求较高的测温不适用，而且采用热敏电阻要求复杂的电路和算法，增加了设计复杂度。方案二：采用专用的集成温度传感器（如AD590、LM35/LM45）和数字化温度传感器（DS18B20、DS1620）测温，数字化温度传感器具有

7、接口简单、直接数字量输出、精确度高等优点。DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，它的测量温度范围为55125，在1085范围内，精度为0.5，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支持35.5V的电压范围，使系统设计更灵活、更方便、更便宜、体积更小。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5，分辨率设定及用户设定的报警温度存储在E

8、2PROM中，掉电后依然保存。因此，本方案选用DS18B20作为温度测量传感器。2.1.2 单片机系统目前比较流行51系列单片机和凌阳单片机。 AT89C51单片机需要用仿真器来实现软硬件的调试，较为繁琐； AT89S52八位单片机除具有AT89C51单片机所有的优点外，具有更大的程序存储空间，可在线仿真的功能，方便调试。凌阳十六位单片机虽然可以更好的完成控制功能，但较AT89S52八位单片机价格昂贵，而且编程以及外围功能电路的设计都不及AT89S52成熟。因此，选用AT89S52八位单片机作为温度采集的控部分。2.1.3 电源模块采用普通的直流电源实现电路简单，而且采用集成电源芯片设计的直流

9、电源电压比较稳定，完全满足系统各模块的供电要求，但是普通直流电源体积比较大，变压器的散热对测温精度也有影响，所以，选用锂离子手机充电电池和配套的锂电池充电器作为系统的供电模块。手机用的锂电池电压范围是3.6V到4.2V，限定充电电压是4.25V，完全满足AT89S52和DS18B20等各模块的工作电压范围。2.1.4 显示模块由于系统要求实现测量环境温度、测量体温、过界报警设置、温度存储再现等多种功能，要显示的信息不仅仅是温度值，所以采用数码管显示几乎不可能。另外，手机电池电量有限，而数码管耗电较大，不符合设计要求。因此，选用常见的HS1602液晶显示模块显示测温结果。2.1.5 确定方案 为

10、了不失通用性和智能性，本方案采用AT89S52单片机作为控制器，单总线温度传感器DS18B20进行温度采集。电源部分没有采用普通的直流电源而利用锂离子手机充电电池和配套的锂电池充电器，手机用的锂电池电压范围是3.6V到4.2V，限定充电电压是4.25V，完全满足AT89S52和DS18B20等各模块的工作电压范围。由于手机电池电量有限，所以显示模块使用HS1602液晶显示模块而没有使用数码管。2.2 总体设计本方案设计的系统由按键控制模块、单片机系统、温度传感器模块、液晶显示模块、存储模块、串口通信模块和电源模块组成，其总体架构如图1。单片机系统电源模块温度传感器模块液晶显示模块串口通信模块按

11、键模块存储模块程序控制图1 系统总体设计3 硬件设计3.1 单片机系统方案采用AT89S52单片机作为控制器，完成所有的控制功能，包括： 温度传感器DS18B20的初始化和读去温度值 HS1602液晶模块驱动 按键识别和控制 温度存储及读去 和PC机的串口通信单片机系统的电路如图2。图2 单片机系统电路3.2 温度传感器模块3.2.1 DS18B20原理DS18B20 采用3 脚PR-35 封装或8 脚SOIC 封装，管脚排列如图3所示。图中GND 为地，DQ 为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平，Vcc 是外部+5V 电源端，不用时应接地，NC 为空脚。图3

12、DS18B20的外部结构DS18B20内部主要包括寄生电源、温度传感器、64 位激光ROM 单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH 和TL 解发器存储与控制逻辑、8 位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分，内部结构如图4。图4 DS18B20内部结构寄生电源由二极管VD1、VD2 和寄生电容C 组成，电源检测电路用于判定供电方式，寄生电源供电时，VDD 端接地，器件从单线总线上获取电源，在DQ 线呈低电平时，改由C上的电压Vc继续向器件供电。该寄生电源有两个优点：第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读ROM。若采用外

13、部电源VDD，则通过VD2 向器件供电。光刻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，如图5所示。开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻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。主机操作ROM 的命令有五种，如表1 所示。图5 64 位ROM 的结构表1 DS18B20的ROM命令指令说明读ROM（33H）读DS1820的序列号匹配ROM（55H）继读完64位序列号的一个命令，用于多

14、个DS1820时定位跳过ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820搜ROM（F0H）识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响应DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术。其内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS18B20 对f0 计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9 位（符号点1位），但因符号位扩展成高8 位，故以16 位被码形式

15、读出，表2 给出了温度和数字量的关系。表2 DS1820 温度数字对应关系表DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低8位，第二个字节是温度的高8位，第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新，第六、七、八个字节用于内部计算，第九个字节是冗余检验字节，如表3所示。表3 DS18B20暂存器分布寄存器内容字节地址温度最低数字位0温度

16、最高数字位1高温限制2低温限制3保留4保留5计数剩余值6每度计数值7CRC校验8该字节各位的意义为TM R1 R0 1 1 1 1 1 ，低五位一直都是1 ，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不用改动，R1和R0用来设置分辨率，DS18B20出厂时被设置为12位，分辨率设置如表4所示。 表4 分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对D

17、S18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。ROM命令令和暂存器的命令如表1和表5。表5 DS18B20暂存器的命令指令说明温度转换（44H）启动在线DS1820做温度A/D转换读数据（BEH）从高速暂存器读9bits温度值和CRC值写数据（4EH）将数据写入高速暂存器的第2和第3字节中复制（48H）将高速暂存器中第2和第3字节复制到EERAM读EERAM（B8H）将

18、EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字节读电源供电方式（B4H）了解DS1820的供电方式3.2.2 DS18B20电路连接 由于DS18B20 工作在单总线方式，其硬件接口非常简单，仅需利用系统的一条I/ O线与DS18B20的数据总线相连即可，如图6所示。图6 DS18B20电路3.4 液晶显示模块HS1602采用标准的16脚接口，其引脚如表6所示，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示模块对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高

19、电平时进行读操作，低电平时进行写操作，当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。LEDA和LEDK为背光电源，LEDA接5V正电源，LEDK接GND。D0D7为8位双向数据线。表6 接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读/写选择端（H/L）13D6D

20、ata I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极用HS1602液晶显示模块显示字符或字符串之前必须对其进行初始化，HS1602液晶显示模块的初始化流程如下： 5.0 初始化过程（复位过程） 5.1 延时15ms 5.2 写指令38H（不检测忙信号） 5.3 延时5ms 5.4 写指令38H（不检测忙信号） 5.5 延时5ms 5.6 写指令38H（不检测忙信号） 5.7（以后每次写指令、读/写数据之前均需检测忙信号） 5.8 写指令38H：显示模式设置 5.9 写指令38H：显示关闭 5.10 写指令01H：

21、显示清屏 5.11 写指令06H：显示光标移动设置 5.12 写指令0CH：显示开关及光标位置HS1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了128个不同的点阵字符图形，如表7所示。 表7 CGROM 中的字符代码与图形对应关系 高低00000010001101000101011001110000CGRAM0Pp0001！1AQaq0010”2BRbr0011#3CScs0100$4DTdt0101%5EUeu0110&6FVfv01117GWgw1000(8HXhx1001)9IYiy1010*:JZjz1011+;Kk1100,Nn1111/?O_oHS1602液晶模块内部

22、的控制器共有11条控制指令，如表8所示。它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。表8 HS1602液晶模块内部的控制器控制指令指令指令码 说明 RS R/W D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 清屏 0000000001清显示,光标回位 光标返回 000000001*ADD=0时,回原位 输入方式 00000001I/DS决定是否移动以及移动方向 显示开关 0000001DCBD-显示,C-光标,B-光标闪烁 移位 000001S/CR/L*移动光标及整体显示 功能设置 00001DLNF*DL-数据位数,L-行数,F-字体CGRAM地址设置 0001A5 A4 A

23、3 A2 A1 A0设置CGRAM的地址DDRAM地址设置 001A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0设置DDRAM的地址忙标志/读地址计数器 01BFAC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0读出忙标志位(BF)及AC值CGRAM/DDRAM数据写 10写数据将内容写入RAM中CGRAM/DDRAM数据读 11读数据将内容从RAM中读出HS1602液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口，电路如图10所示。图10 AT89S52和HS1602液晶模块连接电路液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显

24、示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表9是HS1602的内部显示地址。即第1行的显示地址应为80H+显示位置，第2行的显示地址应为C0H+显示位置。表9 HS1602的内部显示地址显示位置12345678910111213141516第1行808182838485868788898A8B8C8D8E8F第2行C0C1C2C3C4C5C6C7C8C9CACBCCCDCECF3.6 电源模块本方案采用锂离子手机充电电池和配套的锂电池充电器作为电源，手机用的锂电池电压范围是3.6V到4.2V，限定充电电压是4.25V，完全满足各模块的工作电压范围。充电器在作为电源的同时也可以

25、对锂电池进行充电，所以系统在离开市电时可正常工作。充电器电路如图12所示。图12 充电电路4 软件设计4.1 主程序流程 软件部分包括五个部分，对应着系统的五种模式，程序流程如图13所示。初始化读最新温度读最新温度设定温度值保存/删除数据读出数据刷新显示缓冲区数据判断是否刷新显示缓冲区数据刷新显示缓冲区数据保存数据并刷新显示缓冲区数据刷新显示缓冲区数据显示模式选择改状态指示改状态指示改状态指示改状态指示改状态指示State=0环境温度模式模式State=1体温计模式State=2设定模式State=4读出数据State=3保存/删除数据图13 程序流程图4.2 DS18B20模块程序设计4.2

26、.1 程序流程DS18B20模块程序主要完成DS18B20的初始化和温度的读去操作，程序流程如图14所示。4.2.2 程序源码uchar DataH;uchar DataL;unsigned long Data;void Delay (uchar us) while (-us);bit init_18b20()/1820初始化uchar n=0;bit flag=0;DQ=1;_nop_();DQ=0;Delay(255);Delay(20); /550usDQ=1;Delay(55);if(DQ=0) flag=1; /detect 1820 success! else flag=0; /d

27、etect 1820 fail! Delay(100); DQ=1;return flag;void write1820_byte (uchar wr) /单字节写入 uchar i; for (i=0;i=1; uchar read1820_byte (void) /读取单字节 uchar i,u=0; for(i=0;i=1; DQ=1; if(DQ=1) u|=0x80; Delay(18);/40us return(u); /对从DS18B20读出的温度值（ddh，ddl）进行处理，送显示缓冲区void DataCoding(unsigned char ddH , unsigned c

28、har ddL)Data = ddH * 256 + ddL;Data = Data * 625;void Get_temperarue(void)if (init_18b20 ()write1820_byte (0xcc); /skip rom write1820_byte (0x44); /temp convertDelay(35);if (init_18b20 () write1820_byte (0xcc); /skip rom write1820_byte (0xbe); /read tempDataL = read1820_byte();DataH = (read1820_byte

29、()&0x0f);DataCoding( DataH, DataL );DS18B20初始化结束温度转换跳过ROM匹配延时DS18B20是否存在？跳过ROM匹配读暂存器转换为显示码是否图14 DS18B20模块程序流程图4.5.1 单片机端通信程序设计 程序流程AT89S52单片机串行口是全双工串行通信口，有4 种工作方式：方式0作移位寄存器使用；方式1是波特率可变的8位UART；方式2是波特率固定为两种的9位UART；方式3是波特率可变的9位UART。在与PC机通信时我们选用方式1来循环向PC机发送数据，程序流程如图17所示。初始化串口发送同步标志位发送高8位数据发送低8位数据

30、图17 单片机串口通信程序流程图 程序源码/串口初始化void Rs232_int(void)SCON = 0x50;/ scon,#50h;设置成串口1方式,sm2=1,ren=1TMOD = 0x20;/ mov tmod,#20h;波特率发生器t1工作在模式2上TH1 = 0xFD;/mov th1, #0fdh;预置初值(按照波特率9600bps预置初值)TL1 = 0xFD;/mov tl1, #0fdh;预置初值(按照波特率9600bps预置初值)TR1 = 1; /setb tr1;启动定时器t1/发送数据函数void sent_data(unsigned char

31、 Dat)SBUF=Dat;/sent_data:mov sbuf,awhile(!TI);/jnb ti,$TI=0;/clr tisent_data(0x7e);/向串行口发送数据sent_data(0x7e);/0x7e为标志位，便于数据同步sent_data(DataH);sent_data(DataL);4.5.2 PC端通信程序设计 程序流程PC机端串口通信程序主要完成串口的设置、数据的接收和显示，用Microsoft 的Visual Basic 6.0编写，本方案采用Microsoft的ActiveX组件，Microsoft推出的ActiveX技术提供了另外一种实现

32、串行通信的方法，这种方法不仅相对较为简单，而且非常实用。程序流程如图18所示。初始化串口读缓冲区数据转换数据格式显示温度保存数据图18 PC端串口接收程序流程图 程序源码串口初始化程序源代码：Private Sub Form_Load() ii = 2 InfoText.Text = 可保存记录 If Comm1.PortOpen = True Then Comm1.PortOpen = False End If Comm1.CommPort = 1 设置串口1 Comm1.Settings = 9600,n,8,1 波特率：9600 奇校验，8位数据，1位停止位 Comm1.I

33、nputLen = 4 一次读取接收缓冲区的一个字符 Comm1.InputMode = comInputModeBinary 设置位二进制格式 Comm1.InBufferSize = 4096 设置接收缓冲区为256字节 Comm1.OutBufferSize = 4096 设置发送缓冲区为256字节 Comm1.InBufferCount = 0 清空输入缓冲区 Comm1.OutBufferCount = 0 清空输出缓冲区 Comm1.SThreshold = 1 发送缓冲区空触发发送事件 Comm1.RThreshold = 4 每X个字符到接收缓冲区引起触发接收事件 Comm1.

34、PortOpen = True 打开串口1 Timer1.Interval = 1000 Timer2.Interval = 2000 Stop_flag = True Flag = 0 Timer2.Enabled = True Animal_heat = False Temph = 0 Templ = 0 Command4.Caption = 一般模式End Sub读缓冲区数据，转换格式并显示温度源代码：Private Sub Comm1_OnComm()Dim temp As Byte Select Case Comm1.CommEvent 在CommEvent中接收数据 Case co

35、mEvReceive Timer2.Enabled = False Inbyte = Comm1.Input For ii = 1 To 4 If Inbyte(0) = &H7E And Inbyte(1) = &H7E Then Datah = Inbyte(2) Datal = Inbyte(3) GoTo Outhere Else temp = Inbyte(0) Inbyte(0) = Inbyte(1) Inbyte(1) = Inbyte(2) Inbyte(2) = Inbyte(3) Inbyte(3) = temp End If Next ii Text1.Text = 数

36、据错误！ Exit SubOuthere: If Animal_heat Then Temph = Datah Templ = Datal If (Datah * 256 + Datal) * 0.0625) data Then data = (Datah * 256 + Datal) * 0.0625 data1 = (Datah * 256 + Datal) * 625) Mod 100) * 0.0001 Text1.Text = FormatNumber(Datah * 256 + Datal) * 0.0625 - data1), 2) + data = (Datah * 256 +

37、 Datal) * 0.0625 - data1 Else Text1.Text = FormatNumber(data, 2) + Timer2.Enabled = True End If Else If Stop_flag Then data1 = (Datah * 256 + Datal) * 625) Mod 100) * 0.0001 Text1.Text = FormatNumber(Datah * 256 + Datal) * 0.0625 - data1), 2) + tem = InfoText.Text InfoText.Text = InfoText.Text + tem

38、 + Chr(13) + Chr(10) tem = Text1.Text Call SaveInfo(InfoText.Text) Timer2.Enabled = True End If End If End SelectEnd Sub保存数据源代码：Public Sub SaveInfo(TextInfo As String) Dim Filenumber As String Dim FileName As String Filenumber = FreeFile FileName = zyh Open FileName For Output As #Filenumber Print #

39、Filenumber, TextInfo Close #FilenumberEnd Sub5 测试及结果分析DS18B20在12位转化时每一位的精度为0.0625度，我们取小数点后两位进行显示，即两位整数温度和两位小数温度数据，这样已经达到了很高的精度。在测试过程中，我们将家庭用的寒暑表和设计完成的数字温度计做比较发现，寒暑表反应速度比较快，但经过读数后的结果存在较大的误差，而我们设计完成的数字温度计测温然后显示的反应不及寒暑表，但是测温的精度远比寒暑表高，因为DS18B20测温精度可达0.0625度，并且经电子器件显示只存在取舍误差。6 附录6.1函数及变量说明void lcd_init(v

40、oid); /液晶模块初始化void dis_now_T(void); /环境温度测量模式void dis_body_T(void); /体温模式测量模式void dis_set_T(void); /温度上限void dis_set_k(void); /温度下限void dis_save_data(void); /数据保存void Dele_data(void); /数据删除void Datashow(unsigned char ddH , unsigned char ddL); /数据显示void lcd_write_command(unsigned char command,unsigned char wait_e