數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)

1、題目：基于89C52和DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)一 、設(shè)計(jì)要求數(shù)字式溫度計(jì)要求測溫范圍為0102°C，精度誤差在0.1°C以內(nèi)，LED數(shù)碼管直讀顯示。二 、方案論證根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選擇DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片機(jī)AT89C51為測控系統(tǒng)的核心來完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警等功能。選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，省卻了采樣/保持電路、運(yùn)放、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路以及進(jìn)行長距離傳輸時(shí)的串/并轉(zhuǎn)換電路，簡化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時(shí)間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路如下：溫度傳感器DS18B20把所測得的溫度發(fā)送到AT89C51單片機(jī)上，經(jīng)過5

2、1單片機(jī)處理，將把溫度在顯示電路上顯示，本系統(tǒng)顯示器用4位共陽LED數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)。檢測范圍-55攝氏度到125攝氏度。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，確定系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成：主控制器、測溫電路和顯示電路。AT89C51主控制器顯示電路溫度傳感器DS18B20掃描驅(qū)動(dòng)數(shù)字溫度計(jì)總體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 數(shù)字溫度計(jì)總體電路結(jié)構(gòu)框圖三 、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示，控制器使用單片機(jī)AT89C51，溫度傳感器使用DS18B20，用4位共陽LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)溫度顯示。 圖2 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)電路原理圖1、主控制器AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓

3、，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。2、顯示電路顯示電路采用4位共陽LED數(shù)碼管，從P0口輸出段碼，列掃描用P3.0P3.3口來實(shí)現(xiàn)，列驅(qū)動(dòng)用8550三極管。3、溫度傳感器工作原理DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)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(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)

4、現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20 的性能特點(diǎn)如下：獨(dú)特的單線接口方式僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；無需外部器件；可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.05.5V；測溫范圍55125，在-10+85時(shí)精度為±0.5零待機(jī)功耗溫度以9或12位數(shù)字量讀出；用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作DS18B20采用3腳PR35 封裝或腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示圖3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖64 b閃

5、速ROM的結(jié)構(gòu)如下：開始8位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48 位，最后8位是前面56 位的CRC 檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報(bào)警上下限。主機(jī)操作ROM的命令有五種，如表1所列指  令說  明讀ROM（33H）讀DS1820的序列號(hào)匹配ROM（55H）繼讀完64位序列號(hào)的一個(gè)命令，用于多個(gè)DS1820時(shí)定位跳過ROM（CCH）此命令執(zhí)行后的存儲(chǔ)器操作將針對(duì)在線的所有DS1820搜ROM（F0H）識(shí)別總線上各器件的編碼，為操作各器件作好準(zhǔn)備報(bào)警搜索（ECH）僅溫度越限的器件對(duì)此命

6、令做出響應(yīng) 表1 主機(jī)操作ROM的命令 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)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(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。 圖 4 高速暫存RAM結(jié)構(gòu)圖前2個(gè)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(fù)位時(shí)被刷新。第5個(gè)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(shí)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LSB溫度高位 MSBTHTL配置保留保留保留8位CRC 當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)

7、擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1，2字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)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(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)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(shí)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(shí)際溫度。圖中，S表示位。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，表示測得的溫度植為正值，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，表示測得的溫度植為負(fù)值，先將補(bǔ)碼變換為原

8、碼，再計(jì)算十進(jìn)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(duì)溫度進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)可用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)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(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度表示數(shù)據(jù)。表2 部分溫度值DS18B20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)的告警標(biāo)志置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時(shí)測量溫度并進(jìn)行告警搜索。在64位R

9、OM的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）。主機(jī)根據(jù)ROM的前 56位來計(jì)算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù) 據(jù)是否正確。3）DS18B20測溫原理DS18B20的測溫原理如圖5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(hào)送給減法計(jì)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(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量.計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)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(duì)應(yīng)的基

10、數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入,減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)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(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性其輸出用，于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)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(dá)到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。另外，由于DS18B20

11、單線通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)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(chǔ)器操作命令處理數(shù)據(jù)。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(shí)際溫度的整數(shù)部分Tz，然后再用BEH指令取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值Cs和每度計(jì)數(shù)值CD?？紤]到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25、0.75為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度Ts可

12、用下式計(jì)算： Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD 圖5 DS18B20測溫原理圖四 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)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(jì)算溫度子程序，報(bào)警子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。 1 主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示，讀出并處理DS18B20的測量溫度值。溫度測量每1s進(jìn)行一次。主程序流程圖如圖6所示。2 讀出溫度子程序讀出溫度子程的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)。在讀出時(shí)須進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不能進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。讀出溫度子程序流程圖如圖7所示。 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(dāng)采用12位分辨率時(shí)

13、，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為750 ms。在本程序設(shè)計(jì)中，采用1s顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如圖8所示。4 計(jì)算溫度子程序計(jì)算溫度子程序?qū)AM中讀取的值進(jìn)行BCD碼的抓換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判斷。其流程圖如圖9所示。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(duì)顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高數(shù)據(jù)顯示位為0時(shí)，將符號(hào)顯示位移入下一位。顯示數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖如圖10所示。Y發(fā)DS18B20復(fù)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(yàn)9字節(jié)完？結(jié)束CRC校驗(yàn)正確？移入溫度暫存器NYN初始化顯示調(diào)用子程序1s到？初次上電？讀出溫度值溫度計(jì)算處理顯示數(shù)據(jù)

14、刷新發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令 N YY N 圖6 主程序流程圖 發(fā)DS18B20復(fù)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7 讀出溫度子程序流程圖 圖8 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖開始溫度零下?溫度值取補(bǔ)碼置“”標(biāo)志計(jì)算小數(shù)位溫度BCD值計(jì)算整數(shù)位溫度BCD值結(jié)束置“+”標(biāo)志YN圖9 計(jì)算溫度子程序流程圖溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器十位數(shù)0？百位數(shù)0？百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)（不顯示符號(hào)）十位數(shù)顯示符號(hào)百位數(shù)不顯示結(jié)束圖10 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖 Y NYN右圖為DS18B20 引腳圖DS18S20采用3腳PR35封裝（或8腳SOIC封裝），DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出腳，VDD為電源電壓。 五 匯編程序#incl

15、ude<reg52.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit DATA = P37; /DS18B20接入口uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;char bai,shi,ge; /定義變量/*延時(shí)子函數(shù)*/void delay(uint num)while(num-) ;/*DS18b20溫度傳感器

16、函數(shù)*/Init_DS18B20(void) /傳感器初始化 uchar x=0; DATA = 1; /DQ復(fù)位 delay(10); /稍做延時(shí) DATA = 0; /單片機(jī)將DQ拉低 delay(80); /精確延時(shí) 大于 480us /450 DATA = 1; /拉高總線 delay(20); x=DATA; /稍做延時(shí)后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗 delay(30);/讀一個(gè)字節(jié)ReadOneChar(void)uchar i=0;uchar dat = 0;for (i=8;i>0;i-) DATA = 0; / 給脈沖信號(hào) dat>>=1;

17、DATA = 1; / 給脈沖信號(hào) if(DATA) dat|=0x80; delay(8); return(dat);/寫一個(gè)字節(jié)WriteOneChar(unsigned char dat) uchar i=0; for (i=8; i>0; i-) DATA = 0; DATA = dat&0x01; delay(10); DATA = 1; dat>>=1; delay(8);/讀取溫度int ReadTemperature(void)uchar a=0;uchar b=0;int t=0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneC

18、har(0xCC); / 跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作WriteOneChar(0x44); / 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器等（共可讀9個(gè)寄存器） 前兩個(gè)就是溫度a=ReadOneChar();/低位b=ReadOneChar();/高位t=b;t<<=8;t=t|a;tt=t*0.0625;t= tt*10+0.5; return(t);/*顯示子函數(shù)*/void display(int bai,int shi,int ge)P2=0XFB; /顯示小數(shù)點(diǎn)P0=0X80; /顯示小數(shù)點(diǎn)delay(50);/顯示小數(shù)點(diǎn)P2=0xf7;P0=tablebai;/顯示千位delay(50);/一小段延時(shí)動(dòng)態(tài)顯示P2=0xfb;P0=tableshi;/顯示百位delay(50);P2=0xfd;P0=tablege;/顯示十位delay(100);P2=0xfe;P0=table0;/顯示個(gè)位delay(50);void ma