單片機課程設(shè)計報告基于單片機的單總線溫度傳感器設(shè)計

1、 34課程設(shè)計成績操作報告綜合指導(dǎo)教師簽名湖南理工學(xué)院南湖學(xué)院單片機課程設(shè)計報告 基于單片機的單總線溫度傳感器設(shè)計 姓 名 學(xué) 號 24072200029 系 別 機械與電子工程系專 業(yè) 電子信息工程 班 級 07-2bf 摘 要隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研、各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù), 本文主要介紹了一個基于89s52單片機的測溫系統(tǒng)，詳細描述了利用數(shù)字溫度傳感器ds18b20開發(fā)測溫系統(tǒng)的過程，重點對傳感器在單片機下的硬件連接，軟件編程以及各模塊系統(tǒng)流程進行了詳盡分析，對各部分的電路也一一進行了介紹,該系統(tǒng)可以方便的實現(xiàn)溫度采集和顯示，并可根據(jù)需

2、要任意設(shè)定上下限報警溫度，它使用起來相當方便，具有精度高、量程寬、靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)點，適合于我們?nèi)粘Ｉ詈凸?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測量，也可以當作溫度處理模塊嵌入其它系統(tǒng)中，作為其他主系統(tǒng)的輔助擴展。ds18b20與at89s52結(jié)合實現(xiàn)最簡溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境下進行現(xiàn)場溫度測量，有廣泛的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：單片機；數(shù)字溫度計；at89s52；ds18b20目 錄摘 要i1 緒論12 數(shù)字溫度計的基本原理22.1 單片機at89s5232.1.1 at89s52引腳功能42.2 溫度傳感器ds18b2062.2.1 ds18b20注意事項72.2.

3、2 ds18b20 內(nèi)部結(jié)82.2.3 ds18b20測溫原理112.2.4 提高ds1820測溫精度的途徑132.3 顯示及報警模塊器件選擇153 數(shù)字溫度計的硬件設(shè)計163.1 主控制器173.2 顯示電路173.3 溫度檢測電路173.4 溫度報警電路204 軟件設(shè)計214.1 主程序模塊214.2 溫度檢測模塊224.3 報警模塊234.4 中斷設(shè)定模塊245 總結(jié)26參考文獻27附 錄281 緒 論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

4、更好的更方便的設(shè)施就需要從單片機技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。 現(xiàn)代社會對各種信息參數(shù)的準確度和精確度的要求都有了幾何級的增長，而如何準確而又迅速的獲得這些參數(shù)就需要受制于現(xiàn)代信息基礎(chǔ)的發(fā)展水平。在三大信息信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計算機技術(shù))中，傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在我國各領(lǐng)域已經(jīng)引用的非常廣泛，可以說是滲透到社會的每一個領(lǐng)域，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器

5、的發(fā)展經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器模擬集成溫度傳感器智能集成溫度傳感器。目前的智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的，它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)(ate)的結(jié)晶，特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(mcu)。社會的發(fā)展使人們對傳感器的要求也越來越高，現(xiàn)在的溫度傳感器正在基于單片機的基礎(chǔ)上從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展，并朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展，本文將介紹智能集成溫度傳感器ds18b20的結(jié)構(gòu)特征及控

6、制方法，并對以此傳感器，89s51單片機為控制器構(gòu)成的數(shù)字溫度測量裝置的工作原理及程序設(shè)計作了詳細的介紹。與傳統(tǒng)的溫度計相比，其具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫要求比較準確的場所，或科研實驗室使用。該設(shè)計控制器使用atmel公司的at89s52單片機，測溫傳感器使用dallas公司ds18b20，用液晶來實現(xiàn)溫度顯示。但是，作為應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計人員需要根據(jù)系統(tǒng)要求選用適宜的傳感器，并與自己設(shè)計的系統(tǒng)連接起來，從而構(gòu)成性能優(yōu)良的監(jiān)控系統(tǒng)。2 數(shù)字溫度計的基本原理本設(shè)計主要是介紹了單片機控制下的溫度檢測系統(tǒng)，詳細介紹了其硬件和軟件設(shè)計，并對其各功能模塊做了詳細介

7、紹，其主要功能和指標如下：利用溫度傳感器（ds18b20）測量某一點環(huán)境溫度測量范圍為-55125，精度為0.5用液晶進行實際溫度值顯示能夠根據(jù)需要方便設(shè)定上下限報警溫度采用at89s52單片機p3 .5口控制溫度傳感器ds18b20的溫度測量，以四位數(shù)碼管形式輸出測量溫度，原理圖如下圖1.1所示：圖1.1 ds18b20與單片機接口原理圖采用數(shù)字溫度芯片ds18b20 測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。便于單片機處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線形較好。在0100 攝氏度時，最大線形偏差小于1 攝氏度。ds18b20 的最大特點

8、之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計ds18b20和微控制器at89s51構(gòu)成的溫度測量裝置,它直接輸出溫度的數(shù)字信號,可直接與計算機連接。這樣,測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡單,體積也不大。采用51 單片機控制，軟件編程的自由度大，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨對多ds18b20控制工作，還可以與pc 機通信上傳數(shù)據(jù)，另外at89s51 在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。該系統(tǒng)利用at89s51芯片控制溫度傳感器ds18b20進行實時溫度檢測并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限

9、報警溫度。該系統(tǒng)擴展性非常強，它可以在設(shè)計中加入時鐘芯片ds1302以獲取時間數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理同時顯示時間，并可以利用at24c16芯片作為存儲器件，以此來對某些時間點的溫度數(shù)據(jù)進行存儲，利用鍵盤來進行調(diào)時和溫度查詢，獲得的數(shù)據(jù)可以通過max232芯片與計算機的rs232接口進行串口通信，方便的采集和整理時間溫度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)框圖如圖 1.2所示圖1.2 ds18b20溫度測溫系統(tǒng)框圖此方案的測溫裝置電路簡單、精確度較高、實現(xiàn)方便、軟件設(shè)計也比較簡單，故本次設(shè)計采用此方案。2.1 單片機at89s52at89s52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使

10、用atmel公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng) 可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。at89s52具有以下標準功能： 8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram, 32 位i/o 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，at89s52 可降至0hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，c

11、pu 停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8k 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 flash at89s52 2.1.1 at89s52引腳功能p0 口：p0口是一個8位漏極開路的雙向i/o口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個ttl邏 輯電平。對p0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，p0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，p0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，p0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部

12、上拉電阻。 p1 口：p1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動4個ttl邏輯電平。對p1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。此外，p1.0和p1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（p1.0/t2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex）。具體如下所示： 在flash編程和校驗時，p1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號第二功能 p1.0 t2（定時器/計數(shù)器t2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 p1.1 t2ex（定時器/計數(shù)器t2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控

13、制） p1.5 mosi（在系統(tǒng)編程用） p1.6 miso（在系統(tǒng)編程用） p1.7 sck（在系統(tǒng)編程用） p2口：p2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o 口，p2輸出緩沖器能驅(qū)動4個ttl邏輯電平。對p2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。 在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movx dptr）時，p2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，p2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如movx ri）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。在fl

14、ash編程和校驗時，p2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 p3 口：p3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個ttl 邏輯電平。對p3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。 p3口亦作為at89s52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。 在flash編程和校驗時，p3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能p3.0 rxd(串行輸入口)p3.1 txd(串行輸出口)p3.2 into(外中斷0)p3.3 int1(外中斷1)p3.4 to(定時/

15、計數(shù)器0)p3.5 t1(定時/計數(shù)器1)p3.6 wr(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)p3.7 rd(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)此外，p3口還接收一些用于flash閃存編程和程序校驗的控制信號。rst復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。ale/prog當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ale仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ale脈沖。對flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog）。如

16、有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh單元的d0位置位，可禁止ale操作。該位置位后，只有一條movx和movc指令才能將ale激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ale禁止位無效。psen程序儲存允許（psen）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當at89c52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次psen有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次psen信號。ea/vpp外部訪問允許，欲使cpu僅訪問外部程序存儲器（地址為0000h-ffffh），ea端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被編程，復(fù)位

17、時內(nèi)部會鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。flash存儲器編程時，該引腳加上+12v的編程允許電源vpp，當然這必須是該器件是使用12v編程電壓vpp2.2 溫度傳感器ds18b20dallas 最新單線數(shù)字溫度傳感器ds18b20是一種新型的“一線器件”，其體積更小、更適用于多種場合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟。dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器ds18b20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。溫度測量范圍為-55+125 攝氏度，可編程為9位12 位轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報警溫

18、度存儲在eeprom 中，掉電后依然保存。被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可以在遠端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個ds18b20可以并聯(lián)到3 根或2 根線上，cpu只需一根端口線就能與諸多ds18b20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。ds18b20 的性能特點如下：獨特的單線接口方式，ds18b20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與ds18b20的雙向通訊ds18b20支持多點組網(wǎng)功能，多個ds18b20可以并聯(lián)在唯一的三線

19、上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫ds18b20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5v，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電溫范圍55125，在-10+85時精度為0.5零待機功耗可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快用戶可定義報警設(shè)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）的器件測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以一線總線串行傳送給cp

20、u，同時可傳送crc校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作以上特點使ds18b20非常適用與多點、遠距離溫度檢測系統(tǒng)。ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻rom、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器th和tl、配置寄存器。ds18b20的管腳排列、各種封裝形式如圖 2.1所示，dq 為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源；gnd為地信號；vdd為可選擇的vdd引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。其電路圖 2.2所示.。 圖 2.1外部封裝形式 圖2.2傳感器電路圖2.2.

21、1 ds18b20注意事項ds18b20 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：ds18b20 從測溫結(jié)束到將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時間，這是必須保證的，不然會出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯誤的現(xiàn)象，使溫度輸出總是顯示85。在實際使用中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)使電源電壓保持在5v 左右，若電源電壓過低，會使所測得的溫度精度降低。效果。在使用pl/m、c等高級語言進行的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償，由于ds1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對ds1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)系統(tǒng)程序設(shè)計時，對ds182

22、0操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。在ds18b20的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛ds18b20 數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個ds18b20，在實際應(yīng)用中并非如此，當單總線上所掛ds18b20 超過8 個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。在ds18b20測溫程序設(shè)計中，向ds18b20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待ds18b20的返回信號，一旦某個ds18b20 接觸不好或斷線，當程序讀該ds18b20 時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)，這一點在進行ds18b20硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。2.2.2 ds18b20 內(nèi)部

23、結(jié)圖為ds1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光rom單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式ram），用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的th和tl觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼（crc）發(fā)生器等七部分。ds18b20采用3腳pr35 封裝或8腳soic封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.3所示圖 2.3 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖64 b閃速rom的結(jié)構(gòu)如下：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

24、報警上下限。主機操作rom的命令有五種，如表2.1所列表2.1指 令說 明讀rom（33h）讀ds1820的序列號匹配rom（55h）繼讀完64位序列號的一個命令，用于多個ds1820時定位跳過rom（cch）此命令執(zhí)行后的存儲器操作將針對在線的所有ds1820搜rom（f0h）識別總線上各器件的編碼，為操作各器件作好準備報警搜索（ech）僅溫度越限的器件對此命令作出響應(yīng) 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2.4所示。 圖 2.4 高速暫存ram結(jié)構(gòu)圖前2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3

25、和第4字節(jié)th和tl的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)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(yīng)精度的溫度數(shù)值。溫度低位溫度高位thtl配置保留保留保留8位crclsb msb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)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062 5 /lsb形式表示。溫度值格式如下：這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18b20的兩個8比特的ram中，二進制中的前面

26、5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。圖中，s表示位。對應(yīng)的溫度計算：當符號位s=0時，表示測得的溫度植為正值，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當s=1時，表示測得的溫度植為負值，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。例如+125的數(shù)字輸出為07d0h，+25.0625的數(shù)字輸出為0191h，-25.0625的數(shù)字輸出為ff6fh，-55的數(shù)字輸出為fc90h。ds18b20溫度傳感器主要用于對溫度進行測量，數(shù)據(jù)可用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，

27、并以0.0625lsb形式表示。表2.2是部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度表示數(shù)據(jù)。表2.2 部分溫度值溫度/二進制表示十六進制表示+125000001111101000007d0h+25.062500000001100100010191h+0.500000000000010000008h000000000000000000000h-0.51111111111111000fff8h-25.06251111111001101111fe6fh-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tth或ttl,則將該器件內(nèi)的

28、告警標志置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只ds18b20同時測量溫度并進行告警搜索。在64位rom的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼（crc）。主機根據(jù)rom的前 56位來計算crc值，并和存入ds18b20中的crc值做比較，以判斷主機收到的rom數(shù) 據(jù)是否正確。2.2.3 ds18b20測溫原理ds18b20的測溫原理如圖2所示，圖中低溫度系數(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)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，ds18b20就對低溫度系數(shù)振蕩

29、器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(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(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55 所對應(yīng)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(yù)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(yù)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2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫圖2中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用，于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值

30、，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是ds18b20的測溫原理。另外，由于ds18b20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對ds18b20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化ds18b20（發(fā)復(fù)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)。圖2.5 ds18b20測溫原理圖在正常測溫情況下，ds1820的測溫分辨力為0.5，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果：首先用ds1820提供的讀暫存器指令（beh）讀出以0.5為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位（lsb），得到所測實際溫度的整數(shù)部

31、分tz，然后再用beh指令取計數(shù)器1的計數(shù)剩余值cs和每度計數(shù)值cd?？紤]到ds1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25、0.75為進位界限的關(guān)系，實際溫度ts可用下式計算： （2.1）2.2.4 提高ds1820測溫精度的途徑（1）、ds1820高精度測溫的理論依據(jù) ds1820正常使用時的測溫分辨率為0.5，這對于水輪發(fā)電機組軸瓦溫度監(jiān)測來講略顯不足，在對ds1820測溫原理詳細分析的基礎(chǔ)上，我們采取直接讀取ds1820內(nèi)部暫存寄存器的方法，將ds1820的測溫分辨率提高到0.10.01ds1820內(nèi)部暫存寄存器的分布如表1所示，其中第7字節(jié)存放的是當溫度寄存器停止增值時計數(shù)器1的計數(shù)剩余值，

32、第8字節(jié)存放的是每度所對應(yīng)的計數(shù)值，這樣，我們就可以通過下面的方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果。首先用ds1820提供的讀暫存寄存器指令(beh)讀出以0.5為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位(lsb)，得到所測實際溫度整數(shù)部分t整數(shù)，然后再用beh指令讀取計數(shù)器1的計數(shù)剩余值m剩余和每度計數(shù)值m每度，考慮到ds1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25、0.75為進位界限的關(guān)系，實際溫度t實際可用下式計算得到：t實際=(t整數(shù)0.25)+(m每度m剩余)/m每度。表2.3 ds18b20暫存寄存器分布寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度最低數(shù)字位0溫度最高數(shù)字位1高溫限值2低溫限值3保留4保留

33、5計數(shù)剩余值6每度計數(shù)值7crc校驗8該字節(jié)各位的定義如下：tm r1 r0 1 1 1 1 1低5位一直都是1，tm是測試模式位，用于設(shè)置ds18b20在工作模式還是在測試模式。在ds18b20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動，r1和r0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，即是來設(shè)置分辨率，如表2.4所示（ds18b20出廠時被設(shè)置為12位）。表2.4 r1和r0模式表r1r0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時/mm009位93.750110位187.751011位275.001112位750.00由表1可見，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。因此，在實際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。高速暫

34、存存儲器除了配置寄存器外，還有其他8個字節(jié)組成，其分配如下所示。其中溫度信息（第1，2字節(jié)）、th和tl值第3，4字節(jié)、第68字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有8個字節(jié)的crc碼，可用來保證通信正確。 根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議，主機控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對ds18b20進行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條rom指令，最后發(fā)送ram指令，這樣才能對ds18b20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主cpu將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，ds18b20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主cpu收到此信號表示復(fù)位成功。（2

35、）、 測量數(shù)據(jù)比較表2為采用直接讀取測溫結(jié)果方法和采用計算方法得到的測溫數(shù)據(jù)比較，通過比較可以看出，計算方法在ds1820測溫中不僅是可行的，也可以大大的提高ds1820的測溫分辨率。表2 ds18b20 直度測溫結(jié)果與計算測溫結(jié)果數(shù)據(jù)比較次數(shù)t（直讀）m（剩余）m（每度）t（實際）121.000728020.805234.000.428234.238349.000308349.388452.000668451.964564.000498564.174679.000568779.106782.000168882.5683 數(shù)字溫度計的硬件設(shè)計溫度計電路設(shè)計原理圖如圖3.1所示,控制器使用單片機

36、at89s52,溫度計傳感器使用ds18b20,用液晶實現(xiàn)溫度顯示。本溫度計大體分三個工作過程。首先，由ds18b20溫度傳感器芯片測量當前的溫度，并將結(jié)果送入單片機。然后，通過at89s52單片機芯片對送來的測量溫度讀數(shù)進行計算和轉(zhuǎn)換，井將此結(jié)果送入液晶顯示模塊。最后，數(shù)碼管顯示溫度數(shù)據(jù)。由圖1可看到，本電路主要由ds18820溫度傳感器芯片、數(shù)碼管顯示模塊和at89s52單片機芯片組成。其中，ds18b20溫度傳感器芯片采用“一線制”與單片機相連，它獨立地完成溫度測量以及將溫度測量結(jié)果送到單片機的工作。圖 3.1 溫度計電路設(shè)計原理圖3.1 主控制器單片機at89s52具有低電壓供電和小體

37、積等特點，兩個端口剛好滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很合適攜手特式產(chǎn)品的使用。主機控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：初始化、rom操作指令、存儲器操作指令。必須先啟動ds18b20開始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。3.2 顯示電路顯示電路采用4個數(shù)碼管顯示3.3 溫度檢測電路ds18b20 最大的特點是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，ds18b20 的數(shù)據(jù)i/o 均由同一條線來完成。ds18b20 的電源供電方式有2 種: 外部供電方式和寄生電源方式。工作于寄生電源方式時, vdd 和gnd 均接地, 他在需要遠程溫度探測和空間受限的場合特別有用, 原理是當1 w ire 總線的信號線dq 為高電平時,

38、 竊取信號能量給ds18b20 供電, 同時一部分能量給內(nèi)部電容充電, 當dq為低電平時釋放能量為ds18b20 供電。但寄生電源方式需要強上拉電路, 軟件控制變得復(fù)雜(特別是在完成溫度轉(zhuǎn)換和拷貝數(shù)據(jù)到e2prom 時) , 同時芯片的性能也有所降低。因此, 在條件允許的場合, 盡量采用外供電方式。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，i/o口線要接5k左右的上拉電。在這里采用前者方式供電。ds18b20與芯片連接電路如圖 3.1所示：圖 3.1 ds18b20與單片機的連接外部電源供電方式是ds18b20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)

39、控系統(tǒng)。站長推薦大家在開發(fā)中使用外部電源供電方式，畢竟比寄生電源方式只多接一根vcc引線。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮ds18b20寬電源電壓范圍的優(yōu)點，即使電源電壓vcc 降到3v 時，依然能夠保證溫度量精度。由于ds18b20 只有一根數(shù)據(jù)線，因此它和主機（單片機）通信是需要串行通信，而at89s51 有兩個串行端口，所以可以不用軟件來模擬實現(xiàn)。經(jīng)過單線接口訪問dc18b20 必須遵循如下協(xié)議：初始化、rom 操作命令、存儲器操作命令和控制操作。要使傳感器工作，一切處理均嚴格按照時序。主機發(fā)送（tx）-復(fù)位脈沖（最短為480s 的低電平信號）。接著主機便釋放此線并進入接收方式（rx）。總

40、線經(jīng)過4.7k的上拉電阻被拉至高電平狀態(tài)。在檢測到i/o 引腳上的上升沿之后，ds18b20 等待1560s,并且接著發(fā)送脈沖（60240s 的低電平信號）。然后以存在復(fù)位脈沖表示ds18b20 已經(jīng)準備好發(fā)送或接收，然后給出正確的rom 命令和存儲操作命令的數(shù)據(jù)。ds18b20 通過使用時間片來讀出和寫入數(shù)據(jù)，時間片用于處理數(shù)據(jù)位和進行何種指定操作的命令。它有寫時間片和讀時間片兩種：l 寫時間片：當主機把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉至邏輯低電平時，產(chǎn)生寫時間片。有兩種類型的寫時間片：寫1 時間片和寫0 時間片。所有時間片必須有60 微秒的持續(xù)期，在各寫周期之間必須有最短為1微秒的恢復(fù)時間.l 讀時間

41、片：從ds18b20 讀數(shù)據(jù)時，使用讀時間片。當主機把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉至邏輯低電平時產(chǎn)生讀時間片。數(shù)據(jù)線在邏輯低電平必須保持至少1 微秒；來自ds18b20 的輸出數(shù)據(jù)在時間下降沿之后的15 微秒內(nèi)有效。為了讀出從讀時間片開始算起15微秒的狀態(tài)，主機必須停止把引腳驅(qū)動拉至低電平。在時間片結(jié)束時，i/o 引腳經(jīng)過外部的上_鱯_9l_%拉電阻拉回高電平，所有讀時間片的最短持續(xù)期為60 微秒，包括兩個讀周期間至少1s 的恢復(fù)時間。一旦主機檢測到ds18b20 的存在，它便可以發(fā)送一個器件rom 操作命令。所有rom 操作命令均為8位長。所有的串行通訊，讀寫每一個bit 位數(shù)據(jù)都必須嚴格遵守器件的

42、時序邏輯來編程，同時還必須遵守總線命令序列，對單總線的ds18b20 芯片來說，訪問每個器件都要遵守下列命令序列：首先是初始化；其次執(zhí)行rom 命令；最后就是執(zhí)行功能命令(rom 命令和功能命令后面以表格形式給出)。如果出現(xiàn)序列混亂，則單總線器件不會響應(yīng)主機。當然，搜索rom命令和報警搜索命令，在執(zhí)行兩者中任何一條命令之后，要返回初始化?；趩慰偩€上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，初始化過程由主機發(fā)出的復(fù)位脈沖和從機響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成。應(yīng)答脈沖使主機知道，總線上有從機，且準備就緒。在主機檢測到應(yīng)答脈沖后，就可以發(fā)出rom 命令。這些命令與各個從機設(shè)備的唯一64 位rom 代碼相關(guān)。在主機發(fā)出

43、rom命令，以訪問某個指定的ds18b20，接著就可以發(fā)出ds18b20支持的某個功能命令。這些命令允許主機寫入或讀出ds18b20便箋式ram、啟動溫度轉(zhuǎn)換。軟件實現(xiàn)ds18b20的工作嚴格遵守單總線協(xié)議：(1)主機首先發(fā)出一個復(fù)位脈沖，信號線上的ds18b20 器件被復(fù)位。(2)接著主機發(fā)送rom命令，程序開始讀取單個在線的芯片rom編碼并保存在單片機數(shù)據(jù)存儲器中，把用到的ds18b20 的rom 編碼離線讀出，最后用一個二維數(shù)組保存rom 編碼，數(shù)據(jù)保存在x25043中。(3)系統(tǒng)工作時，把讀取了編碼的ds18b20 掛在總線上。發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令，再總線復(fù)位。(4)然后就可以從剛才的二維數(shù)

44、組匹配在線的溫度傳感器，隨后發(fā)溫度讀取命令就可以獲得對應(yīng)的度值了。在主機初始化過程，主機通過拉低單總線至少480us，來產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著，主機釋放總線，并進入接收模式。當總線被釋放后，上拉電阻將單總線拉高。在單總線器件檢測到上升沿后，延時1560us，接著通過拉低總線60240us，以產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。寫時序均起始于主機拉低總線，產(chǎn)生寫1 時序的方式：主機在拉低總線后，接著必須在15us之內(nèi)釋放總線。產(chǎn)生寫0 時序的方式：在主機拉低總線后，只需在整個時序期間保持低電平即可(至少60us)。在寫字節(jié)程序中的寫一個bit 位的時候，沒有按照通常的分別寫0時序和寫1 時序，而是把兩者結(jié)合起來，當主機拉

45、低總線后在15us 之內(nèi)將要寫的位c 給do：如果c 是高電平滿足15us 內(nèi)釋放總線的要求，如果c是低電平，則doc這條語句仍然是把總線拉在低電平，最后都通過延時58us 完成一個寫時序(寫時序0或?qū)憰r序1)過程。寫時間時序：當主機把數(shù)據(jù)從邏輯高電平拉到邏輯低電平的時候，寫時間隙開始。有兩種寫時間隙，寫1 時間隙和寫0 時間隙。所有寫時間隙必須最少持續(xù)60s，包括兩個寫周期至少1s 的恢復(fù)時間。i/o線電平變低后，ds18b20 在一個15s 到60s 的窗口內(nèi)對i/o 線采樣。如果線上事高電平，就是寫1，如果是低電平，就是寫0。主機要生成一個寫時間隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平然后釋放，在寫時

46、間隙開始后的15s 內(nèi)允許數(shù)據(jù)線拉到高電平。主機要生成一個寫0 時間隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平并保存60s。每個讀時隙都由主機發(fā)起，至少拉低總線1us，在主機發(fā)起讀時序之后，單總線器件才開始在總線上發(fā)送0 或1。所有讀時序至少需要60us。3.4 溫度報警電路本設(shè)計采軟件處理報警，利用有源蜂鳴器進行報警輸出，采用直流供電。當所測溫度超過獲低于所預(yù)設(shè)的溫度時，數(shù)據(jù)口相應(yīng)拉高電平，報警輸出。（也可采用發(fā)光二級管報警電路，如過需要報警，則只需將相應(yīng)位置1，當參數(shù)判斷完畢后，再看報警模型單元alarm 的內(nèi)容是否與預(yù)設(shè)一樣，如不一樣，則發(fā)光報警）報警電路硬件連接見圖 3.2。圖 3.2 蜂鳴器電路連接

47、圖4 軟件設(shè)計整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、顯示、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關(guān)系。4.1主程序模塊主程序需要

48、調(diào)用4 個子程序，分別為數(shù)碼管顯示程序，溫度測試及處理子程序，報警子程序，中斷設(shè)定子程序。各模塊程序功能如下：數(shù)碼管顯示程序：向數(shù)碼的顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)的顯示部分。溫度測試及處理程序：對溫度芯片送過來的數(shù)據(jù)進行處理，進行判斷和顯示。報警子程序：進行溫度上下限判斷及報警輸出。中斷設(shè)定程序：實現(xiàn)設(shè)定上下限報警功能。主程序流程見圖4.2：圖 4.1 ds18b20初始化流程圖 圖 4.2主程序流程圖4.2 溫度檢測模塊ds18b20在單片機控制下分三個階段:18b20 初始化：初始化流程圖見圖4.1讀18b20時序：讀ds18b20流程見圖4.3：寫18b20時序：寫18b20 流程見圖4.4圖 4

49、.3讀ds18b20流程圖 圖 4.4寫ds18b20流程圖4.3 報警模塊流程見圖4.5 圖 4.5 報警模塊子程序流程圖4.4 中斷設(shè)定模塊中斷模塊采用了外中斷和內(nèi)中斷套用方法。當設(shè)計需要實現(xiàn)上下限報警時，利用int0口進行中斷，set 鍵進行上下限報警溫度設(shè)定，進入溫度設(shè)定狀態(tài)后（按一下溫度設(shè)定鍵），首先會提示顯示“up”字母，表示要用戶設(shè)定高溫報警溫度，按s3 鍵 ，表示本位數(shù)字+1，按s4 表示移向下一位，如果4 位高溫設(shè)定完畢，則顯示“do”，表示要用戶設(shè)定低溫報警溫度。4位低溫設(shè)定完畢，如果用戶設(shè)置的高溫比設(shè)定的低溫高的話則顯示“erro”表示錯誤提示，同時會有蜂鳴器及時報警提示

50、，然后自動顯示“up”，讓用戶重新進行溫度設(shè)定。中斷設(shè)定子程序流程圖見下圖5 總 結(jié) 經(jīng)過將近數(shù)日的單片機課程設(shè)計，終于完成了我的數(shù)字溫度計的設(shè)計，雖然沒有完全達到設(shè)計要求，但從心底里說，還是高興的，在本次設(shè)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(shè)計但這次設(shè)計真的讓我長進了很多，單片機課程設(shè)計重點就在于軟件算法的設(shè)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?/p>

51、真正的掌握，只學(xué)習(xí)理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。關(guān)于顯示一直是85度的問題一方面是電源開關(guān)沒有重啟，第二個就是急于在溫度傳感器轉(zhuǎn)換時間內(nèi)讀取數(shù)據(jù)。從這次的課程設(shè)計中，我真真正正的意識到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)的理論知識用到實際當中，學(xué)習(xí)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(shè)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(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社，20052 馬忠梅等. 單片機的c語言應(yīng)用程序設(shè)計（第4版），20073 江世明. 基于proteus的單片機應(yīng)用技術(shù). 電子工業(yè)出版社，20094 彭偉. 單片機c語言程序設(shè)計實訓(xùn)100例. 電子工業(yè)出版社，2009附 錄源程序如下：#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define negative -100uchar tplsb;/溫度值低位字節(jié)uchar tpmsb;/溫度值高位字節(jié)/*數(shù)字0-9及字母a,b,c,d,e,f,負號*/uchar code table1=0xfc,