基于AT89C51單片機的測溫系統(tǒng)

1、引言本文主要介紹了一個基于AT89C51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，特別是數(shù)字溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)采集過程，并介紹了利用C語言編程對DS18B20的訪問，該系統(tǒng)可以方便的實現(xiàn)實現(xiàn)溫度采集和顯示，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。DS18B20與AT89C51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。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、測溫精確、功能多樣話等

2、優(yōu)點。其主要用于對測溫要求準確度比較高的場所，或科研實驗室使用，該設(shè)計使用STC89C52單片機作控制器，數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量溫度，單片機接受傳感器輸出，經(jīng)處理用LED數(shù)碼管實現(xiàn)溫度值顯示。 一、設(shè)計要求通過基于MCS-51系列單片機AT89C51和DS18B20溫度傳感器檢測溫度，熟悉芯片的使用，溫度傳感器的功能，數(shù)碼顯示管的使用，C語言的設(shè)計；并且把我們這一年所學的數(shù)字和模擬電子技術(shù)、檢測技術(shù)、單片機應(yīng)用等知識，通過理論聯(lián)系實際，從題目分析、電路設(shè)計調(diào)試、程序編制調(diào)試到傳感器的選定等這一完整的實驗過程，培養(yǎng)了學生正確的設(shè)計思想，使學生充分發(fā)揮主觀能動性，去獨立解決實際問題，以達

3、到提升學生的綜合能力、動手能力、文獻資料查閱能力的作用，為畢業(yè)設(shè)計和以后工作打下一個良好的基礎(chǔ)。以MCS-51系列單片機為核心器件，組成一個數(shù)字溫度計，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20為檢測器件，進行單點溫度檢測，檢測精度為±0.5攝氏度。溫度顯示采用3位LED數(shù)碼管顯示，兩位整數(shù)，一位小數(shù)。具有鍵盤輸入上下限功能，超過上下限溫度時，進行聲音報警。二、基本原理 原理簡述：數(shù)字溫度傳感器DS1820把溫度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式；通過“1線協(xié)議”，單片機獲取指定傳感器的數(shù)字溫度信息，并顯示到顯示設(shè)備上。通過鍵盤，單片機可根據(jù)程序指令實現(xiàn)更靈活的功能，如單點檢測、輪轉(zhuǎn)檢測、越限檢測等。基于DS

4、1820數(shù)字溫度傳感器的溫度檢測及顯示的系統(tǒng)原理圖如圖圖 2.1 基于DS1820的溫度檢測系統(tǒng)框圖三：主要器件介紹（時序圖及各命令序列，溫度如何計算等）系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 由于DS18B20數(shù)字溫度傳感器具有單總線的獨特優(yōu)點，可以使用戶輕松地組建起傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可使多點溫度測量電路變得簡單、可靠，所以在該設(shè)計中采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量溫度。 測溫電路設(shè)計總體設(shè)計框圖如圖所示，控制器采用單片機AT89S52，溫度傳感器采用DS18B20，顯示采用4位LED數(shù)碼管，報警采用蜂鳴器、LED燈實現(xiàn)，鍵盤用來設(shè)定報警上下限溫度。圖3.1測溫電路設(shè)計總體設(shè)計框圖1.控制模塊 AT89S52單片

5、機是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含有8kb的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程的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，

6、支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU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位為止。2.顯示模塊 顯示電路采用4位共陰LED數(shù)碼管，從P0口輸出段碼，P2口的高四位為位選端。用動態(tài)掃描的方式進行顯示，這樣能有效節(jié)省I/O口。3.溫度傳感器 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)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20 的性能特點如下：1.獨

7、特的單線接口方式僅需要一個端口引腳進行通信2.多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能3.無需外部器件4.可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.05.5V5.測溫范圍55125，在-10+85時精度為±0.56.零待機功耗7.溫度以9或12位數(shù)字量讀出8.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9.負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作四：硬件電路原理框圖由于本次實驗是在學習板上做的，所以沒有硬件接線圖，原理主要講解DS18B20的工作原理。1·硬件設(shè)計1. 單片機系統(tǒng)電路原理圖圖4.1 系統(tǒng)電路原理圖2.DS18

8、B20溫度傳感器電路設(shè)計電源供電方式如圖，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。圖4.2 DS18B20溫度傳感器電路3.報警電路設(shè)計 報警電路是在測量溫度大于上限或小于下限時提供報警功能的電路。該電路是由一個蜂鳴器組成，具體的電路如圖所示圖4.3 報警電路4.顯示電路設(shè)計 顯示電路是由四位一體的共陰數(shù)碼管進行顯示的2·軟件設(shè)計(1)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖所示主要由4部分組成：64 位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。ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作 是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64

9、位序列號均不相同。64位ROM的排的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8X5X41）。 ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量，用16位二進制形式提供，形式表達，其中S為符號位。 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，并以0.0625LSB形式表示。表2是部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度表示數(shù)據(jù)。(2)DS18B20的工作時序 DS18B20的一線工作協(xié)議流程是：初始化ROM操作指令存儲器操作指令數(shù)據(jù)傳輸初始化時序 主機首先發(fā)出一個48096

10、0微秒的低電平脈沖，然后釋放總線變?yōu)楦唠娖?，并在隨后的480微秒時間內(nèi)對總線進行檢測，如果有低電平出現(xiàn)說明總線上有器件已做出應(yīng)答。若無低電平出現(xiàn)一直都是高電平說明總線上無器件應(yīng)答。做為從器件的DS18B20在一上電后就一直在檢測總線上是否有480960微秒的低電平出現(xiàn)，如果有，在總線轉(zhuǎn)為高電平后等待1560微秒后將總線電平拉低60240微秒做出響應(yīng)存在脈沖，告訴主機本器件已做好準備。若沒有檢測到就一直在檢測等待。 接下來就是主機發(fā)出各種操作命令，但各種操作命令都是向DS18B20寫0和寫1組成的命令字節(jié)，接收數(shù)據(jù)時也是從DS18B20讀取0或1的過程。因此首先要搞清主機是如何進行寫0、寫1、讀

11、0和讀1的。 寫周期最少為60微秒，最長不超過120微秒。寫周期一開始做為主機先把總線拉低1微秒表示寫周期開始。隨后若主機想寫0，則繼續(xù)拉低電平最少60微秒直至寫周期結(jié)束，然后釋放總線為高電平。若主機想寫1，在一開始拉低總線電平1微秒后就釋放總線為高電平，一直到寫周期結(jié)束。而做為從機的DS18B20則在檢測到總線被拉底后等待15微秒然后從15us到45us開始對總線采樣，在采樣期內(nèi)總線為高電平則為1，若采樣期內(nèi)總線為低電平則為0。 對于讀數(shù)據(jù)操作時序也分為讀0時序和讀1時序兩個過程。讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在1微秒之后就得釋放單總線為高電平，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS

12、18B20在檢測到總線被拉低1微秒后，便開始送出數(shù)據(jù)，若是要送出0就把總線拉為低電平直到讀周期結(jié)束。若要送出1則釋放總線為高電平。主機在一開始拉低總線1微秒后釋放總線，然后在包括前面的拉低總線電平1微秒在內(nèi)的15微秒時間內(nèi)完成對總線進行采樣檢測，采樣期內(nèi)總線為低電平則確認為0。采樣期內(nèi)總線為高電平則確認為1。完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成讓DS18B20進行一次溫度的轉(zhuǎn)換，那具體的操作就是：（1）.主機先作個復位操作，（2）.主機再寫跳過ROM的操作（CCH）命令，（3）.然后主機接著寫個轉(zhuǎn)換溫度的操作命令，后面釋放總線至少一秒，讓DS18B20完成轉(zhuǎn)換的操作。在這里要注意的是每

13、個命令字節(jié)在寫的時候都是低字節(jié)先寫，例如CCH的二進制為11001100，在寫到總線上時要從低位開始寫，寫的順序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”。整個操作的總線狀態(tài)如下圖。(3)初始化時序程序bit Init_DS18B20(void) bit flag; /儲存DS18B20是否存在的標志，flag=0，存在；flag=1，不存在 DQ = 1; /先將數(shù)據(jù)線拉高 for(time=0;time<2;time+) ; /略微延時約6微秒/再將數(shù)據(jù)線從高拉低，要求保持480960us DQ = 0; for(time=0;time<200;time+) ; /略微延時約600微

14、秒/以向DS18B20發(fā)出一持續(xù)480960us的低電平復位脈沖 DQ = 1; /釋放數(shù)據(jù)線（將數(shù)據(jù)線拉高） for(time=0;time<10;time+) ; /延時約30us（釋放總線后需等待1560us讓DS18B20輸出存在脈沖） flag=DQ; /讓單片機檢測是否輸出了存在脈沖（DQ=0表示存在） for(time=0;time<200;time+) ; /延時足夠長時間，等待存在脈沖輸出完畢 return (flag); /返回檢測成功標志unsigned char ReadOneChar(void) unsigned char i=0; unsigned ch

15、ar dat; /儲存讀出的一個字節(jié)數(shù)據(jù) for (i=0;i<8;i+) DQ =1; / 先將數(shù)據(jù)線拉高 _nop_(); /等待一個機器周期 DQ = 0; /單片機從DS18B20讀書據(jù)時,將數(shù)據(jù)線從高拉低即啟動讀時序 _nop_(); /等待一個機器周期 DQ = 1; /將數(shù)據(jù)線"人為"拉高,為單片機檢測DS18B20的輸出電平作準備 for(time=0;time<2;time+) ; /延時約6us，使主機在15us內(nèi)采樣 dat>>=1; if(DQ=1) dat|=0x80; /如果讀到的數(shù)據(jù)是1，則將1存入dat else da

16、t|=0x00; /如果讀到的數(shù)據(jù)是0，則將0存入dat for(time=0;time<8;time+); /延時3us,兩個讀時序之間必須有大于1us的恢復期 return(dat); /返回讀出的十六進制數(shù)據(jù)WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=0; i<8; i+) DQ =1; / 先將數(shù)據(jù)線拉高 _nop_(); /等待一個機器周期 DQ=0; /將數(shù)據(jù)線從高拉低時即啟動寫時序 DQ=dat&0x01; /利用與運算取出要寫的某位二進制數(shù)據(jù), for(time=0;time<10

17、;time+) ; /延時約30us，DS18B20在拉低后的約1560us期間從數(shù)據(jù)線上采樣 DQ=1; /釋放數(shù)據(jù)線 for(time=0;time<1;time+) ; /延時3us,兩個寫時序間至少需要1us的恢復期 dat>>=1; /將dat中的各二進制位數(shù)據(jù)右移1位 for(time=0;time<4;time+) ; /稍作延時,給硬件一點反應(yīng)時間五、程序流程圖(主程序，各子程序)1.主程序?qū)崟r溫度顯示子程序：驅(qū)動數(shù)碼管把實時溫度值送出在LED數(shù)碼管顯示主程序流程圖：開始定時器初始化、啟動顯示實時溫度 溫度設(shè)定超過溫度報警圖5.1主程序流程圖2.讀溫度值

18、模塊讀溫度值模塊需要調(diào)用4個子程序，分別為： 1.DS18B20初始化子程序：讓單片機知道DS18B20在總線上且已準備好操作 2.DS18B20寫字節(jié)子程序：對DS18B20發(fā)出命令 3.DS18B20讀字節(jié)子程序：讀取DS18B20存儲器的數(shù)據(jù) 4.延時子程序：對DS18B20操作時的時序控制讀溫度值模塊流程圖：入口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理讀取溫度值高低位跳過讀序列號DS18B20初始化延時啟動溫度轉(zhuǎn)換跳過讀序列號DS18B20初始化返回圖5.2讀溫度值子程序流程圖 DS18B20初始化子程序流程圖：入口DQ復位0稍延時DQ置高電平延時>480usDQ拉高電平延時1560usDQ為低電平？NY返

19、回圖5.3 DS18B20初始化子程序流程圖DS18B20寫字節(jié)和讀字節(jié)子程序流程圖： 圖5.4 DS18B20寫字節(jié)子程序流程圖圖5.5 DS18B20讀字節(jié)子程序流程圖六：調(diào)試（步驟，心得，結(jié)論） 優(yōu)點： 1線性好，精度適中，體積小，實用方便。 2實時顯示當前溫度。 缺點：溫度傳感器會有一定的時間延時，從而間接地影響了整個報警系統(tǒng)的靈敏性和準確性。 （2）心得體會： 在本次設(shè)計的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了很多的問題，雖然以前也做過類似的課程設(shè)計，但是這次確實讓我們學到了很多。我們不僅要選好元件，還要把這些元件合理地組織起來，所以我們要學會如何尋找和

20、搜索自己需要的資料。這一次，我們用了老師給的參考電路圖，然后修改了一些地方，比如去掉了一個LED，再加入了幾個電阻。雖然有些困難，但是經(jīng)過努力，我們還是完成了電路的設(shè)計。經(jīng)過本次的設(shè)計，我們學到了很多的知識，了解到了傳感器能夠把自然界的各種非電量轉(zhuǎn)換為電信號的能量物理理念。     從本次的實習設(shè)計中，我們意識到，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運用到實際當中，實踐是檢驗真理的唯一標準。培養(yǎng)了一定的獨立思考能力、解決問題的能力。同時也學到了和他人愉快合作的技巧。每當我們遇到問題時，我們學會了理性的分析，最終解決問題。同時在討

21、論問題時認真聆聽別人的思想和意見也很重要，在聆聽的同時也會學到很多東西。所以這次實習讓我們學到了很多的東西。 七：附錄（電路圖，程序）#include "reg51.h"#include "intrins.h" /_nop_();延時函數(shù)用#define Disdata P0 /段碼輸出口#define discan P2 /掃描口#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P33; /溫度輸入口sbit DIN=P07; /LED小數(shù)點控制sbit buzzer=P36;uch

22、ar temp_buzzer;uchar up_alarm=20;uint h;uint i;uchar flag;/*溫度小數(shù)部分用查表法*/uchar code ditab16=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;/uchar code dis_712=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf;/共陽LED段碼表 "0" "1" "2&quo

23、t; "3" "4" "5" "6" "7" "8" "9" "不亮" "-" uchar code scan_con=0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe; /列掃描控制字uchar data temp_data2=0x00,0x00; /讀出溫度暫放uchar data display8; /顯示單元數(shù)據(jù)，共4個數(shù)據(jù)和一個運算暫用/*11微秒延時函數(shù)*/void ser_

24、init() TMOD=0X20; SCON=0X50; TH1=0XFD; TL1=0XFD; TR1=1;void delay(uint t)for(;t>0;t-);/*顯示掃描函數(shù)*/scan()char k; for(k=0;k<7;k+) /四位LED掃描控制 / Disdata=0xff; Disdata=dis_7displayk; if(k=4)DIN=0; discan=scan_conk;delay(200); discan=0xff; void delayms(unsigned int xms) /延時函數(shù) ，延時xms unsigned int i , j

25、; for(i = 0; i < xms; i+) for(j = 0; j < 110; j+); void fengming(double templ) uchar i; if(templ >= 34) /溫度報警限設(shè)置 for(i=0;i<20;i+) buzzer=0; delayms(1);buzzer=1; delayms(1); /*18B20復位函數(shù)*/ow_reset(void)char presence=1;while(presence)while(presence)DQ=1;_nop_();_nop_();DQ=0; /delay(50); / 5

26、50usDQ=1; /delay(6); / 66uspresence=DQ; / presence=0繼續(xù)下一步 delay(45); /延時500uspresence = DQ;DQ=1;/*18B20寫命令函數(shù)*/向 1-WIRE 總線上寫一個字節(jié)void write_byte(uchar val)uchar i;for (i=8; i>0; i-) /DQ=1;_nop_();_nop_();DQ = 0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/5usDQ = val&0x01; /最低位移出delay(6); /66usval=

27、val/2; /右移一位DQ = 1;delay(1);/*18B20讀1個字節(jié)函數(shù)*/從總線上讀取一個字節(jié)uchar read_byte(void)uchar i;uchar value = 0;for (i=8;i>0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_();value>>=1;DQ = 0; /_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4usDQ = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4usif(DQ)value|=0x80;delay(6); /66usDQ=1;return(value);/*讀

28、出溫度函數(shù)*/read_temp()ow_reset(); /總線復位write_byte(0xCC); / 發(fā)Skip ROM命令write_byte(0xBE); / 發(fā)讀命令temp_data0=read_byte(); /溫度低8位temp_data1=read_byte(); /溫度高8位ow_reset();write_byte(0xCC); / Skip ROMwrite_byte(0x44); / 發(fā)轉(zhuǎn)換命令/*溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)*/void work_temp()uchar n=0,th=0,tl=0;int temp=0;uchar flag3=1,flag2=1; /數(shù)字顯示修正標記if(temp