基于DS18B20數(shù)字式溫度計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、西安文理學(xué)院物理與機(jī)械電子工程學(xué)院專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告專業(yè)班級(jí) 2010級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器一班 課 程 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目 基于DS18B20數(shù)字式溫度計(jì)設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào) 07103100114 學(xué)生姓名 李小鵬 指導(dǎo)教師 楊森林 成 績(jī) 2013年6月20日西安文理學(xué)院物理與機(jī)械電子工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 職 稱 教研室 課 程 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題目 基于DS18B20數(shù)字式溫度計(jì)設(shè)計(jì) 任務(wù)與要求利用DS18B20溫度模塊，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式溫度計(jì)，并顯示數(shù)碼管溫度值。 設(shè)計(jì)要求：（1）采用單片機(jī)完成，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；（2）采用DS18B20溫度模塊實(shí)現(xiàn)溫

2、度信號(hào)采集與數(shù)字轉(zhuǎn)換；（3）完成系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)；（4）采用數(shù)碼管顯示，顯示效果穩(wěn)定；（5）完成原理圖和PCB布板；（6）采用Proteus、KeilC等軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真調(diào)試；（7）完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。摘 要本設(shè)計(jì)是一款簡(jiǎn)單實(shí)用的小型數(shù)字溫度計(jì)，所采用的主要元件有傳感器DS18B20，單片機(jī)AT89S52，四位共陽(yáng)極數(shù)碼管一個(gè)，電容電阻若干。DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍-55°C+128°C。在-10+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C。DS18B20的精度較差為± 2°C ?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“

3、一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。本次數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)共分為三部分，主控制器，LED顯示部分，傳感器部分，復(fù)位部分，時(shí)鐘電路。主控制器即單片機(jī)部分，用于存儲(chǔ)程序和控制電路；LED顯示部分是指四位共陽(yáng)極數(shù)碼管，用來(lái)顯示溫度；傳感器部分，即溫度傳感器，用來(lái)采集溫度，進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，復(fù)位部分，即復(fù)位電路。測(cè)量的總過(guò)程是，傳感器采集到外部環(huán)境的溫度，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳到單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理判斷后將溫度傳遞到數(shù)碼管顯示。本設(shè)計(jì)能完成的溫度測(cè)量范圍是-55°C+128°C，由于能力有限，不能

4、實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，DS18B20，AD轉(zhuǎn)換， LED顯示 目錄第1章基于DS18B20數(shù)字式溫度計(jì)的設(shè)計(jì)課題介紹2第2章 總體方案設(shè)計(jì)32.1 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能32.2 方案選擇討論4第3章 硬件部分設(shè)計(jì)53.1硬件設(shè)計(jì)53.1.1主控制器53.1.2顯示電路63.1.3溫度傳感器工作原理6第4章 軟件電路設(shè)計(jì)74.1 軟件設(shè)計(jì)思路94.2流程圖94.2.194.2.2104.3 程序10第5章 測(cè)試與性能分析136.1測(cè)試結(jié)果136.2優(yōu)點(diǎn)136.3不足及改良136.4 結(jié)論13心得體會(huì)14致謝15參考文獻(xiàn)16第1章基于DS18B20數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)課題介紹本設(shè)計(jì)是一

5、款簡(jiǎn)單實(shí)用的小型數(shù)字溫度計(jì)，所采用的主要元件有傳感器DS18B20，單片機(jī)AT89C51，四位共陽(yáng)極數(shù)碼管一個(gè)，電容電阻若干。DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍-55°C+128°C。在-10+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C。DS18B20的精度較差為± 2°C ?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。本次數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)共分為五部分，主控制器，LED顯示部分，傳感器部分，復(fù)位部分，時(shí)鐘電路。主控

6、制器即單片機(jī)部分，用于存儲(chǔ)程序和控制電路；LED顯示部分是指四位共陽(yáng)極數(shù)碼管，用來(lái)顯示溫度；傳感器部分，即溫度傳感器，用來(lái)采集溫度，進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，復(fù)位部分，即復(fù)位電路。測(cè)量的總過(guò)程是，傳感器采集到外部環(huán)境的溫度，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳到單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理判斷后將溫度傳遞到數(shù)碼管顯示。本設(shè)計(jì)能完成的溫度測(cè)量范圍是-55°C+128°C，由于能力有限，不能實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。第2章總體方案2.1 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括：寄生電源，溫度傳感器，64位ROM和單總線接口，存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器RAM，用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定溫度上下限值的TH和TL

7、觸發(fā)器，存儲(chǔ)與控制邏輯，8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）發(fā)生器等7部分。 溫度和數(shù)字量的關(guān)系：2.2方案選擇討論根據(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(cè)控系統(tǒng)的核心來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等功能。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(zhǎng)距離傳輸時(shí)的串/并轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)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(cè)得的溫度發(fā)送到AT89C51單片機(jī)上，經(jīng)過(guò)51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(yáng)LED數(shù)碼管以

8、動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)范圍-55攝氏度到128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(cè)溫電路和顯示電路。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)框圖第 21 頁(yè)第3章 硬件部分設(shè)計(jì)3.1硬件設(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(yáng)LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)溫度顯示。圖2 溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)原理圖3.1.1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，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

9、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。3.1.2顯示電路顯示電路采用4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管。3.1.3溫度傳感器工作原理DS18B20溫度傳感器是美國(guó)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(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)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(wú)需外部器件

10、；可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.05.5V；測(cè)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(guò)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，但不能正常工作第4章 軟件電路設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)思路 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，可以采用匯編語(yǔ)言完成，也可以采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。匯編語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)內(nèi)部資源的操作直接，簡(jiǎn)潔，代碼緊湊。但是當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，設(shè)計(jì)人員更趨于采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。這是由于C語(yǔ)言具有良好的可讀性，可移植性和基本的硬件操作能力。 采用C51

11、進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，編譯器能自動(dòng)完成變量的存儲(chǔ)單元的分配，編程者可以專注于應(yīng)用程序的邏輯思想；對(duì)常用功能模塊和算法編制相應(yīng)的函數(shù)，可以方便地進(jìn)行算法和應(yīng)用程序的移植。因此，用C51進(jìn)行程序設(shè)計(jì)可以大大提高實(shí)際工程的開(kāi)發(fā)效率。目前，C51的代碼長(zhǎng)度已經(jīng)做到了匯編水平的1.21.5 倍。當(dāng)代碼長(zhǎng)度超過(guò)4KB以上時(shí)，C51比匯編語(yǔ)言更具有明顯優(yōu)勢(shì)。我們還可以借助仿真器，對(duì)應(yīng)用程序的關(guān)鍵代碼進(jìn)行優(yōu)化，以減少代碼長(zhǎng)度，提高運(yùn)行速度。由于單片機(jī)生產(chǎn)工藝的改善，單片機(jī)的運(yùn)行速度和內(nèi)部存儲(chǔ)器容量都有了較大的提高，這些都為C51語(yǔ)言的使用創(chuàng)造了有利的條件。綜上所述，故軟件語(yǔ)言使用C51語(yǔ)言。4.2流程圖主要

12、包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序和現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)刷新子程序等。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(cè)量溫度值。溫度測(cè)量每1S進(jìn)行一次。主流程圖如下初始化調(diào)用顯示程序N1s到？初次上電YY讀出溫度值溫度計(jì)算處理顯示數(shù)據(jù)刷新發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令4.3 程序：/使用AT89C2051單片機(jī)，12MHZ晶振，用共陽(yáng)LED數(shù)碼管/P1口輸出段碼，P3口掃描/#pragma src(d:aa.asm)#include "reg51.h"#include "intrins.h" /_nop_();延時(shí)函數(shù)用#d

13、efine Disdata P1 /段碼輸出口#define discan P3 /掃描口#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P37; /溫度輸入口sbit DIN=P17; /LED小數(shù)點(diǎn)控制uint h;/*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=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x

14、66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x00,0x40;/* 共陽(yáng)LED段碼表 "0" "1" "2" "3" "4" "5" "6" "7" "8" "9" "不亮" "-" */ uchar code scan_con4=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7; / 列掃描控制字uchar data temp_data2=0x00,0

15、x00; / 讀出溫度暫放uchar data display5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/顯示單元數(shù)據(jù),共4個(gè)數(shù)據(jù),一個(gè)運(yùn)算暫存用/*11微秒延時(shí)函數(shù)*/void delay(uint t)for(;t>0;t-);/*顯示掃描函數(shù)*/scan()char k; for(k=0;k<4;k+) /四位LED掃描控制 Disdata=dis_7displayk; if(k=1)DIN=0; discan=scan_conk;delay(90);discan=0xff; /*18B20復(fù)位函數(shù)*/ow_reset(void)char presence=1;w

16、hile(presence)while(presence) DQ=1;_nop_();_nop_();DQ=0; /delay(50); / 550usDQ=1; / delay(6); / 66uspresence=DQ; / presence=0繼續(xù)下一步 delay(45); /延時(shí)500uspresence = DQ;DQ=1; /*18B20寫命令函數(shù)*/向 1-WIRE 總線上寫一個(gè)字節(jié)void write_byte(uchar val)uchar i;for (i=8; i>0; i-) /DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ = 0;_nop_();_nop_

17、();_nop_();_nop_();_nop_();/5usDQ = val&0x01; /最低位移出delay(6); /66usval=val/2; /右移一位DQ = 1;delay(1); /*18B20讀1個(gè)字節(jié)函數(shù)*/從總線上讀取一個(gè)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_();

18、_nop_();_nop_(); /4us if(DQ)value|=0x80;delay(6); /66usDQ=1;return(value);/*讀出溫度函數(shù)*/read_temp()ow_reset(); /總線復(fù)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

19、數(shù)*/work_temp()uchar n=0; /if(temp_data1>127)if(temp_data0!=0x00) temp_data1=(255-temp_data1);temp_data0=(256-temp_data0);n=1;/負(fù)溫度求補(bǔ)碼else temp_data1=(256-temp_data1);n=1;/負(fù)溫度求補(bǔ)碼display4=temp_data0&0x0f;display0=ditabdisplay4;display4=(temp_data0&0xf0)>>4)|(temp_data1&0x0f)<<

20、;4);/display3=display4/100;display1=display4%100;display2=display1/10;display1=display1%10;if(!display3)display3=0x0A;if(!display2)display2=0x0A;/最高位為0時(shí)都不顯示if(n)display3=0x0B;/負(fù)溫度時(shí)最高位顯示"-"/*主函數(shù)*/main()Disdata=0xff; /初始化端口discan=0xff;for(h=0;h<4;h+)displayh=8;/開(kāi)機(jī)顯示8888ow_reset(); / 開(kāi)機(jī)先轉(zhuǎn)換

21、一次write_byte(0xCC); / Skip ROMwrite_byte(0x44); / 發(fā)轉(zhuǎn)換命令for(h=0;h<500;h+) scan(); /開(kāi)機(jī)顯示"8888"2秒while(1) read_temp(); /讀出18B20溫度數(shù)據(jù) work_temp(); /處理溫度數(shù)據(jù) for(h=0;h<500;h+) scan(); /顯示溫度值2秒 第6章 測(cè)試與性能分析6.1測(cè)試結(jié)果系統(tǒng)的調(diào)試及性能分析：硬件調(diào)試比較簡(jiǎn)單，首先檢查電路的連接是否正確，所選用原件是否合適，然后可仿真運(yùn)行看各部分是否導(dǎo)通。軟件調(diào)試可以先編寫顯示程序并進(jìn)行硬件的正確

22、性檢驗(yàn)，然后分別進(jìn)行主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序和現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)刷新子程序等的編程及調(diào)試。由于DS18B20與單片機(jī)采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，對(duì)DS18B20進(jìn)行讀/寫編程時(shí)必須嚴(yán)格地保證讀/寫時(shí)序；否則將無(wú)法讀取測(cè)量結(jié)果。本程序采用單片機(jī)匯編或C語(yǔ)言編寫用Keil C51編譯器編程調(diào)試。軟件調(diào)試到能顯示溫度值，并且在有溫度變化時(shí)顯示溫度能改變，就基本完成。性能測(cè)試可用制作的溫度計(jì)和已有的成品溫度計(jì)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量比較。由于DS18B20的精度很高，所以誤差指標(biāo)可以限制在0.5以內(nèi)。另外，-55+128的測(cè)溫范圍使得該溫度計(jì)完全適合一般的應(yīng)用場(chǎng)合，其低電壓供電特性可做成用電池

23、供電的手持溫度計(jì)。6.2優(yōu)點(diǎn)元器件較少，芯片管腳少，連線方便，容易糾錯(cuò)，成本低。心得體會(huì)通過(guò)本次數(shù)字電子的課程設(shè)計(jì)加強(qiáng)了我們動(dòng)手，思考，解決問(wèn)題的能力。此外培養(yǎng)了我們當(dāng)代大學(xué)生所缺失的一種認(rèn)真細(xì)致，思維嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神。耐心，沉穩(wěn)，細(xì)致，可謂是實(shí)驗(yàn)者必備的一種素質(zhì)，缺一不可。在連接線路的過(guò)程中只要一不留神就會(huì)接錯(cuò)管腳，導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗，花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間來(lái)尋找錯(cuò)誤不如當(dāng)初就多細(xì)心找一個(gè)比較完美的方案。這是所謂的欲速則不達(dá)，事半功倍。以往所學(xué)完全通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)有了很好的融會(huì)貫通，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)用性的結(jié)合。使我們加強(qiáng)了記憶，深刻了體會(huì)，使真正的理論轉(zhuǎn)換為實(shí)踐，這使得在以后的各種實(shí)際操作中都不會(huì)畏懼。凡事都

24、怕認(rèn)真二字，這是我的觀念。這一課程設(shè)計(jì)使我們將課堂上的理論知識(shí)有了進(jìn)一步的了解，并增強(qiáng)了對(duì)控制電機(jī)和單片機(jī)以及微機(jī)原理這三門專業(yè)課程的興趣。了解了更多電子元件的工作原理，如AT89C51單片機(jī)，ULN2003達(dá)林頓晶體管陣列，74LS164數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片，步進(jìn)電機(jī)等；但同時(shí)更多地暴露出我在知識(shí)上掌握不足，實(shí)際操作過(guò)于生疏等缺點(diǎn)；其次在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中由于我們頻繁地使用星研軟件操作環(huán)境和STAR ES598PCI實(shí)驗(yàn)箱，因此使我熟悉了軟件的使用，也加強(qiáng)鞏固了我的C語(yǔ)言編程知識(shí)；熟悉實(shí)驗(yàn)箱上每個(gè)區(qū)域的功能作用和連線方法，也懂得如何讀取輸出；同時(shí)在電腦的電子設(shè)計(jì)和繪圖操作上有了進(jìn)一步提高；加上在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，使得我不得不查找相關(guān)資料，增長(zhǎng)知識(shí)的同時(shí)加強(qiáng)了解決問(wèn)題和動(dòng)手的能力，鍛煉了我做事細(xì)心、用心、耐心的能力。本次課程設(shè)計(jì)，使我向更高的精神和知識(shí)層次邁向一大步。所以在以后的學(xué)習(xí)生活中，我會(huì)努力學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自己獨(dú)立思考的能力，積極參加各種設(shè)計(jì)活動(dòng)，培養(yǎng)自己全方位能力，從而使得自己成為一個(gè)有綜合能力的人才而更加適應(yīng)社會(huì)。同時(shí)讓我了解了設(shè)計(jì)電路的方式，讓我對(duì)各種芯片的使用及功能有了進(jìn)一步的理解，加強(qiáng)和培養(yǎng)了我對(duì)電子電路的設(shè)計(jì)能力，要設(shè)計(jì)一個(gè)電路首先是根據(jù)實(shí)驗(yàn)題目要求整合實(shí)驗(yàn)器材構(gòu)想結(jié)構(gòu)框圖，剛開(kāi)始可以先嘗試電腦仿真，仿真成功后