課程設計（論文）-基于DS18B20設計的數(shù)字溫度計

目錄摘要 ⅠTOC\o"1-3"\h\z第一章引言 1第二章設計 2 22.2設計框圖 2 2 2 2第三章系統(tǒng)整體硬件電路 6 6 6第四章系統(tǒng)軟件算法分析 7 8 8 8 9 10第五章系統(tǒng)仿真 10第六章課程設計總結(jié)與體會 11參考文獻 12致謝 13附錄 14第1章引言隨著人們生活水平的不斷提高，單片機控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計就是一個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施就需要從數(shù)單片機技術入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。在這個信息技術的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)的時代。能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)應用于諸多領域。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻的成本低，但需后續(xù)信號處理電路，而且可靠性相對較差，測溫準確度低，檢測系統(tǒng)也有一定的誤差。與傳統(tǒng)的溫度計相比，這里設計的數(shù)字溫度計具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫精確，數(shù)字顯示，適用范圍寬等特點。選用AT89C51型單片機作為主控制器件，DSl8B20作為測溫傳感器通過4位共陽極LED數(shù)碼管串口傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示。通過DSl8B20直接讀取被測溫度值，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該器件的物理化學性能穩(wěn)定，線性度較好，在0℃~100℃最大線性偏差小于℃。該器件可直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。另外，該溫度計還能直接采用測溫器件測量溫度，從而簡化數(shù)據(jù)傳輸與處理過程。本設計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，該設計控制器使用8086系統(tǒng)AT89S51，測溫傳感器使用DS18B20，用3位共陽極LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù),實現(xiàn)溫度顯示，能準確達到以上要求。第2章設計2.1設計方案在單片機電路設計中，大多都是使用傳感器，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設計要求。2.2設計框圖溫度計電路設計總體設計方框圖如圖2.1所示，控制器采用單片機AT89S51，溫度傳感DS18B20，用3位LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示。主控制器主控制器LED顯示溫度傳感器單片機復位時鐘振蕩報警點按鍵調(diào)整圖總體設計方框圖2.3主控制器8086系統(tǒng)AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就滿足電路系統(tǒng)的設計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。2.4顯示電路顯示電路采用3位共陽LED數(shù)碼管，從P3口RXD,TXD串口輸出段碼。2.5溫度傳感器設計DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點如下：獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；無須外部器件；可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為；零待機功耗；溫度以9或12位數(shù)字；用戶可定義報警設置；報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20采用３腳PR－35封裝或８腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。CC64位ROM和單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器VddI/OI/O圖2.2DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)64位ROM的結(jié)構(gòu)開始８位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后８位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖2.3所示。低5位一直為１，TM是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設置為０，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設置分辨率。溫度LSB溫度MSBTH用戶字節(jié)1TL用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留CRC

圖2.3DS18B20字節(jié)定義由表2.1可見，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權衡考慮。表2.1DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時間009011010113751112750高速暫存ＲＡＭ的第６、７、８字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯１。第９字節(jié)讀出前面所有８字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第１、２字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃／LSB形式表示。當符號位Ｓ＝０時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當符號位Ｓ＝１時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。表是一部分溫度值對應的二進制溫度數(shù)據(jù)。表2.2一部分溫度對應值表溫度/℃二進制表示十六進制表示+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H00000001100100000191H000000001010000100A2H00000000000000100008H000000000000010000000H1111111111110000FFF8H1111111101011110FF5EH1111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90HDS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、TＬ字節(jié)內(nèi)容作比較。若Ｔ＞TH或T＜TL，則將該器件內(nèi)的報警標志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進行報警搜索。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（CRC）。主機ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器１；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器２的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將－55℃所對應的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器１、溫度寄存器中，計數(shù)器１和溫度寄存器被預置在－55℃所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器１對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器１的預置值減到０時，溫度寄存器的值將加１，減法計數(shù)器１的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器１重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到０時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)器門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖2.4所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。

圖2.4DS18B20與單片機的接口電路第3章系統(tǒng)整體硬件電路3.1主板電路系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調(diào)整電路，單片機主板電路等，如圖所示。圖中有三個獨立式按鍵可以分別調(diào)整溫度計的上下限報警設置，圖中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內(nèi)時，發(fā)出報警鳴叫聲音，同時LED數(shù)碼管將沒有被測溫度值顯示，這時可以調(diào)整報警上下限，從而測出被測的溫度值。圖中的按健復位電路是上電復位加手動復位，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復位，這樣就不用在重起單片機電源，就可以實現(xiàn)復位。3.2顯示電路顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優(yōu)點就是使用口資源比較少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的發(fā)送和接收，四只數(shù)碼管采用74LS164右移寄存器驅(qū)動，顯示比較清晰。如圖所示，為溫度顯示電路。圖單片機主板電路圖溫度顯示電路第4章系統(tǒng)軟件算法分析系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。4.1主程序主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見圖所示。Y發(fā)Y發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，CRC校驗9字節(jié)完？CRC校驗正？確？移入溫度暫存器結(jié)束NNY初始化調(diào)用顯示子程序1S到？初次上電讀出溫度值溫度計算處理顯示數(shù)據(jù)刷新發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令NYNY 圖主程序流程圖 圖讀溫度流程圖4.2讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖示4.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當采用12位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如上圖，圖所示。發(fā)發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令結(jié)束圖4.3溫度轉(zhuǎn)換流程圖4.4計算溫度子程序計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進行BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖所示。溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器十位數(shù)溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器十位數(shù)0？百位數(shù)0？十位數(shù)顯示符號百位數(shù)不顯示百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)（不顯示符號）結(jié)束NNYY開始溫度零下?溫度值取補碼置“—”標志計算小數(shù)位溫度BCD值計算整數(shù)位溫度BCD值結(jié)束置“+”標志NY 圖計算溫度流程圖圖顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖4.5顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作，當最高顯示位為0時將符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖。第5章系統(tǒng)仿真仿真軟件proteus簡介Proteus(海神)的ISIS是一款Labcenter出品的電路分析實物仿真系統(tǒng)，可仿真各種電路和IC，并支持單片機，元件庫齊全，使用方便，是不可多得的專業(yè)的單片機軟件仿真系統(tǒng)。該軟件的特點：①全部滿足我們提出的單片機軟件仿真系統(tǒng)的標準，并在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢。②具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS一232動態(tài)仿真、1C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。③目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。④支持大量的存儲器和外圍芯片。總之，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大，可仿真51、AVR、PIC。圖5.1系統(tǒng)仿真圖第6章總結(jié)與體會經(jīng)過將近兩個星期的單片機課程設計，終于完成了我的數(shù)字溫度計的設計，雖然沒有完全達到設計要求，但從心底里說，還是高興的，畢竟這次設計終于完成了，高興之余不得不深思呀。在本次設計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，雖然以前還做過這樣的設計但這次設計真的讓我長進了很多，單片機課程設計重點就在于軟件算法的設計，需要有很巧妙的程序算法，雖然以前寫過幾次程序，但我覺的寫好一個程序并不是一件簡單的事，舉個例子，以前寫的那幾次，數(shù)據(jù)加減時，我用的都是BCD碼，這一次，我全部用的都是16進制的數(shù)直接加減，顯示處理時在用除法去刪分,感覺效果比較好，有好多的東西，只有我們?nèi)ピ囍隽?，才能真正的掌握，只學習理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。從這次的課程設計中，我真真正正的意識到，在以后的學習中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，學習單機片機更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次課程設計中的最大收獲。參考文獻[1]李朝青．單片機原理及接口技術（簡明修訂版）．杭州：北京航空航天大學出版社，1998．[2]李廣弟．單片機基礎[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1994．[3]閻石．數(shù)字電子技術基礎（第三版）．北京：高等教育出版社，1989．[4]廖常初．現(xiàn)場總線概述[J]．電工技術，1999.[5]新穎電子模塊應用手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2005.致謝這次能比較順利的完成課程設計的任務，首先要特別感謝胡老師從百忙之中抽出時間的耐心指導，詳細的講解程序。最后還專門針對論文寫作為我們詳細的演示和講解。她的講解使我從迷茫中豁然開朗，了解實驗的基本流程并能自己開始著手設計。能順利的畫出原理圖以及PCB圖都得感謝寢室同學的幫助，還要感謝系里其他輔導老師的幫助和指導。感謝信息工程系的各個領導和胡老師為我們提供這樣一次鍛煉自己的機會！附錄數(shù)字溫度計程序清單S1OKEQU5FHTEMPUTEREQU39HTEMPHEQU5EHTEMPLEQU5DHMS50EQU5CHSIGNEQU5BH ORG0000H LJMPMAIN ORG000BH LJMPTOITORG0030HMAIN:MOVSP,#60HMOVTMOD,#01HMOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0HSETBET0SETBTR0SETBEAMOVTEMPH,#30MOVTEMPL,#9MOVTEMPUTER,#15MOVS1OK,#00HMOVSIGN,#00HMOV38H,#0BHMOV37H,#0CHMOV36H,#0BHACALLDISPACALLT1SSTART:JBS1,NET1ACALLT12MSJBS1,NET1JNBS1,$INCSIGNMOVA,SIGNCJNEA,#1,TIAOACALLTIAOTLTIAO:CJNEA,#2,NET1MOVSIGN,#0ACALLTIAOTHNET1:MOVA,S1OKCJNEA,#1,STARTMOVA,TEMPUTERSUBBA,TEMPHJNBACC.7,ALEMMOVA,TEMPUTERSUBBA,TEMPLJBACC.7,ALEMACALLWENDUACALLDISPMOVS1OK,#00HAJMPSTARTALEM:MOV36H,#0CHMOV37H,#0CHMOV38H,#0CHACALLDISPACALLT1SLCALLWENDULCALLDISPMOVS1OK,#00HSJMPSTART;TIAOTL:MOV50H,TEMPUTERMOV37H,TEMPLACALLBIN_BCDACALLDISPACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSMOV36H,#0AHMOV37H,#0AHMOV38H,#0AHACALLDISPACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSJBS2,ADD1ACALLT12MSJBS2,ADD1JNBS2,$INCTEMPLMOVA,TEMPLCJNEA,#100,ADD1MOVTEMPL,#0ADD1:JBS3,ADD2ACALLT12MSJBS3,ADD2JNBS3,$DECTEMPLMOVA,TEMPLCJNEA,#00,ADD2MOVTEMPL,#100ADD2:JBS4,TIAOTLACALLT12MSJBS4,TIAOTLJNBS4,$MOVTEMPUTER,50HLJMPSTARTTIAOTH:MOV50H,TEMPUTERMOV37H,TEMPHACALLBIN_BCDACALLDISPACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSMOV36H,#0AHMOV37H,#0AHMOV38H,#0AHACALLDISPACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSJBS2,ADD11ACALLT12MSJBS2,ADD11JNBS2,$INCTEMPHMOVA,TEMPHCJNEA,#100,ADD11MOVTEMPH,#0ADD11:JBS3,ADD22ACALLT12MSJBS3,ADD22JNBS3,$DECTEMPHMOVA,TEMPHCJNEA,#00,ADD22MOVTEMPH,#100ADD22:JBS4,TIAOTHACALLT12MSJBS4,TIAOTHJNBS4,$MOVTEMPUTER,50HLJMPSTARTTOIT:PUSHPSWPUSHACCMOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0HINCMS50MOVA,MS50CJNEA,#14H,RETURNMOVS1OK,#1MOVMS50,#00HRETURN:POPACCPOPPSWRETIwendu:ACALLINIT_1820ACALLRE_CONFIGACALLGET_TEMPERACALLTEMPER_COVRET;DS18B20INIT_1820:NOPMOVR0,#06BHMOVR1,#03HTSR1:DJNZR0,TSR1MOVR0,#6BHDJNZR1,TSR1NOPNOPNOPMOVR0,#25HTSR2:JNBP2.0,TSR3DJNZR0,TSR2LJMPTSR4TSR3:SETB20H.1LJMPTSR5TSR4:CLR20H.1LJMPTSR7TSR5:MOVR0,#06BHMOVR1,#03HTSR6:DJNZR0,TSR6MOVR0,#6BHDJNZR1,TSR6RETRE_CONFIG:JB20H.1,RE_CONFIG1RETRE_CONFIG1:MOVA,#0CCHLCALLWRITE_1820MOVA,#4EHLCALLWRITE_1820MOVA,#00HLCALLWRITE_1820MOVA,#00HLCALLWRITE_1820MOVA,#1FHLCALLWRITE_1820RETSETBP2.0LCALLINIT_1820JB20H.1,TSS2RETTSS2:MOVA,#0CCHLCALLWRITE_1820MOVA,#44HLCALLWRITE_1820LCALLINIT_1820MOVA,#0CCHLCALLWRITE_1820MOVA,#0BEHLCALLWRITE_1820LCALLREAD_18200MOV37H,ARETWRITE_1820:MOVR2,#8CLRCNOPNOPNOPNOPRRCAMOVP2.0,CMOVR3,#35DJNZR3