單片機(jī)數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)(硬件電路部分)

1、 數(shù)字溫度計(jì)（數(shù)字溫度計(jì)（系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)部分系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)部分）摘摘 要：要：本設(shè)計(jì)完成了一種基于 DS18B20 的高精度的數(shù)字溫度計(jì)。我們?cè)O(shè)計(jì)溫度系統(tǒng)是由中央控制器 AT89S51、DS18B20 溫度傳感器、LED 數(shù)碼管組成。溫度傳感器 DS18B20高精度的數(shù)字溫度信號(hào)送給單片機(jī) AT89S51 處理后，實(shí)現(xiàn)將溫度數(shù)據(jù)送 LED 顯示，實(shí)現(xiàn)了高精度的數(shù)字溫度顯示。關(guān)關(guān) 鍵鍵 詞詞：溫度計(jì) 數(shù)字控制 DS18B20 AT89S51一一 引言引言隨著人們生活水平的不斷提高,單片機(jī)控制無(wú)疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來(lái)的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計(jì)就是一個(gè)典型的例子，但人

2、們對(duì)它的要求越來(lái)越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)單片機(jī)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。本設(shè)計(jì)所介紹的數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對(duì)測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用，該設(shè)計(jì)控制器使用單片機(jī) AT89S51，測(cè)溫傳感器使用 DS18B20，用 3 位共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)溫度顯示,能準(zhǔn)確達(dá)到以上要求。二二 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.12.1 方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)由于本設(shè)計(jì)是測(cè)溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件將溫度轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，便于電路處理。而具體的處理方

3、案和電路較多，一般來(lái)說(shuō)，有下面兩種情況。方案一：利用熱敏元件的感溫效應(yīng)，流過這類元件的電壓或電流的隨被測(cè)溫度變化而變化，將這種變化的電壓或電流采集過來(lái)，通過一系列的電路處理后，再進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理并送顯示電路，就可以將被測(cè)溫度顯示出來(lái)。這種方案需要用到A/D 轉(zhuǎn)換電路，缺點(diǎn)是感溫電路后的信號(hào)處理比較復(fù)雜和不易克服干擾，其優(yōu)點(diǎn)是通過細(xì)致的電路處理后，能達(dá)到較高的精度。方案二：采用集成的溫度傳感器，在這類器件中，已經(jīng)集成了熱敏器件、信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路，輸出的數(shù)據(jù)也是處理后的已經(jīng)編碼的數(shù)字量。因而其外部電路簡(jiǎn)單，但其內(nèi)部電路固定，所以其精度有限。在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

4、中，大多都是使用這類集成溫度傳感器，可以很容易直接讀取被測(cè)溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算和處理，就可以滿足設(shè)計(jì)要求。 從以上兩種方案，很容易看出其優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)指標(biāo)不是很高，為了可靠和降低成本，系統(tǒng)采用方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇使用一只溫度傳感器 DS18B20 作為系統(tǒng)的核心器件。同時(shí)，為了能夠可靠的工作，能夠使電路比較簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，故采用了AT89S52 作為系統(tǒng)的控制芯片。2.32.3 系統(tǒng)功能和模塊的系統(tǒng)功能和模塊的描述描述2.3.1 系統(tǒng)功能本設(shè)計(jì)所介紹的數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對(duì)測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng)

5、所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用。2.3.2 模塊描述、主控制器：負(fù)責(zé)溫度參數(shù)的采集和顯示的控制。、顯示電路：對(duì)溫度數(shù)字進(jìn)行顯示。、測(cè)溫電路：其主要部件為溫度傳感器，負(fù)責(zé)對(duì)外界進(jìn)行溫度感覺。三三 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)3.13.1 主要電子元器件主要電子元器件 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 DS18B20 型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。 主控電路測(cè)溫電路顯示電路圖 1 系統(tǒng)硬件電路框圖、DS18B20 性能特點(diǎn) DS18B20 的性

6、能特點(diǎn)：采用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其它I/O 口線與微機(jī)接口，無(wú)須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（9 位二進(jìn)制數(shù)，含符號(hào)位），測(cè)溫范圍為-55-+125,內(nèi)含 64 位經(jīng)過激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM，適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)，用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限，內(nèi)含寄生電源。 、DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL,高速暫存器。64 位光刻 ROM 是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20 的地址序列號(hào)。64 位 ROM 結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。不同的器件地址序列

7、號(hào)不同。 DS18B20 的管腳排列如圖 1 所示。圖圖 1 1 DS18B20DS18B20 引腳分布圖引腳分布圖圖圖 2 2 6464 位位 ROMROM 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖DS18B20 高速暫存器共 9 個(gè)存儲(chǔ)單元，如表所示： 序號(hào)寄存器名稱作 用序號(hào)寄存器名稱作 用0溫度低字節(jié) 4配置寄存器 1溫度高字節(jié) 以 16 位補(bǔ)碼形式存放 5、6、7保留 2TH/用戶字節(jié) 1 存放溫度上限 8CRC 3HL/用戶字節(jié) 2 存放溫度下限 以 12 位轉(zhuǎn)化為例說(shuō)明溫度高低字節(jié)存放形式及計(jì)算：12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè)高低兩個(gè) 8 位的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5

8、 位是符號(hào)位。如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測(cè)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(cè)到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 0.0625 才能得到實(shí)際溫度。 高 8 位SSSSS262524LSBMSB8 位檢驗(yàn) CRC 48 位序列號(hào) 8 位工廠代碼（10H）低 8 位232221202-12-22-32-4、DS18B20 控制方法 DS18B20 有六條控制命令，如表所示： 指 令約定代碼操 作 說(shuō) 明溫度轉(zhuǎn)換 44H啟動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 讀暫存器 BEH讀暫存器 9 個(gè)字節(jié)內(nèi)容 寫暫存器 4EH將數(shù)據(jù)寫入暫存器的 T

9、H、TL 字節(jié) 復(fù)制暫存器 48H把暫存器的 TH、TL 字節(jié)寫到 E2RAM 中 重新調(diào) E2RAM B8H把 E2RAM 中的 TH、TL 字節(jié)寫到暫存器 TH、TL 字節(jié) 讀電源供電方式 B4H啟動(dòng) DS18B20 發(fā)送電源供電方式的信號(hào)給主 CPU 、DS18B20 的通信協(xié)議DS18B20 器件要求采用嚴(yán)格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)類型：復(fù)位脈沖，應(yīng)答脈沖時(shí)隙；寫 0，寫 1 時(shí)隙；讀 0，讀 1 時(shí)隙。與 DS18B20 的通信，是通過操作時(shí)隙完成單總線上的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)時(shí)，都是字節(jié)的低位在前，高位在后。a)復(fù)位和應(yīng)答脈沖時(shí)隙每個(gè)通信周期起

10、始于微控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖，其后緊跟 DS18B20 發(fā)出的應(yīng)答脈沖，在寫時(shí)隙期間，主機(jī)向 DS18B20 器件寫入數(shù)據(jù)，而在讀時(shí)隙期間，主機(jī)讀入來(lái)自 DS18B20的數(shù)據(jù)。在每一個(gè)時(shí)隙，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。時(shí)序圖見圖 3。b)寫時(shí)隙當(dāng)主機(jī)將單總線 DQ 從邏輯高拉到邏輯低時(shí)，即啟動(dòng)一個(gè)寫時(shí)隙，所有的寫時(shí)隙必須在 60120us 完成，且在每個(gè)循環(huán)之間至少需要 1us 的恢復(fù)時(shí)間。寫 0 和寫 1 時(shí)隙如圖所示。在寫 0 時(shí)隙期間，微控制器在整個(gè)時(shí)隙中將總線拉低；而寫 1 時(shí)隙期間，微控制器將總線拉低，然后在時(shí)隙起始后 15us 之釋放總線。時(shí)序圖見圖 4。c)讀時(shí)隙DS18B20 器件僅在

11、主機(jī)發(fā)出讀時(shí)隙時(shí)，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。所以在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)隙，以便 DS18B20 能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有的讀時(shí)隙至少需要 60us，且在兩次獨(dú)立的讀時(shí)隙之間，至少需要 1us 的恢復(fù)時(shí)間。每個(gè)讀時(shí)隙都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線 1us。在主機(jī)發(fā)起讀時(shí)隙之后，DS18B20 器件才開始在總線上發(fā)送 0 或 1，若 DS18B20 發(fā)送 1，則保持總線為高電平。若發(fā)送為 0，則拉低總線當(dāng)發(fā)送0 時(shí)，DS18B20 在該時(shí)隙結(jié)束后，釋放總線，由上拉電阻將總線拉回至高電平狀態(tài)。DS18B20 發(fā)出的數(shù)據(jù)，在起始時(shí)隙之后保持有效時(shí)間為 15us。因而主機(jī)在讀時(shí)隙期間，必須釋放總線。并且

12、在時(shí)隙起始后的 15us 之內(nèi)采樣總線的狀態(tài)。時(shí)序圖見圖 4。圖圖 3 復(fù)位和應(yīng)答脈沖時(shí)隙復(fù)位和應(yīng)答脈沖時(shí)隙圖圖 4 讀寫時(shí)序讀寫時(shí)序3.1.2 數(shù)碼管 LED 顯示器綜合知識(shí) 數(shù)碼顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。 LED 顯示器工作在靜態(tài)顯示方式時(shí)，其陰極點(diǎn)（或陽(yáng)極）連接在一起接地（或+5V），每一個(gè)的段選線（a,b,c,d,e,f,g,p）分別與一個(gè) 8 位口相連。 LED 顯示 器工作在動(dòng)態(tài)顯示方式時(shí)，段選碼端口 I/O1 用來(lái)輸出顯示字符的段選碼，I/O2 輸出位選碼。 I/O1 不斷送待顯示字符的段選碼，I/O2 不斷送出不同的位掃描碼，并使每位顯示字符顯示一段時(shí)間，一般為 15

13、mS。利用眼睛的禮視覺慣性，從顯示器上便可以見到相當(dāng)穩(wěn)定的數(shù)字顯示。引腳功能 如圖 5 所示： 段選（a,b,c,d,e,f,g,p）：對(duì)應(yīng)8 個(gè)發(fā)光二極管，接 I/O 口，共陰（或共陽(yáng)）時(shí)接地（或+5V） ，根據(jù)條件控制發(fā)光二極管的亮或滅。 位選（A,B,C,D）:共陰（或共陽(yáng)）時(shí)接地（或+5V）分別用選中對(duì)應(yīng)位的LED。 3.33.3 硬件模塊關(guān)系圖硬件模塊關(guān)系圖按照系統(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 5 所示。 圖圖 6 電路結(jié)構(gòu)框圖電路結(jié)構(gòu)框圖圖圖 5 四位數(shù)碼管四位數(shù)碼管在硬件上，DS18B20 與單片機(jī)的連接

14、有兩種方法，一種是 Vcc 接外部電源，GND 接地，I/O 與單片機(jī)的 I/O 線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí) UDD、GND 接地，I/O 接單片機(jī) I/O。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O 口線要接 5K 左右的上拉電阻。四四 程序程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)4 41 1 程序分析程序分析系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換子程序、計(jì)算溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等等。4 42 2 源程序源程序略。（詳細(xì)的源程序見劉玲的“數(shù)字溫度計(jì)（程序設(shè)計(jì)）”）五五 總結(jié)總結(jié)通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使得我對(duì)三年來(lái)學(xué)習(xí)過的知識(shí)比如：電路，數(shù)、模電子技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)，電路板設(shè)計(jì)，傳感器的使用等有了更進(jìn)

15、一步的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，也培養(yǎng)了我的動(dòng)手能力以及抗壓能力，也鍛煉了我獨(dú)立思考和獨(dú)立完成任務(wù)的能力。在本次設(shè)計(jì)中，不但查閱了很多書本上的資料，也通過網(wǎng)絡(luò)查閱到了很多的知識(shí)和芯片的結(jié)構(gòu)接線等方面的知識(shí)。特別是關(guān)于 DS18B20 的結(jié)構(gòu)和功能都是從網(wǎng)絡(luò)查找的。設(shè)計(jì)已經(jīng)完全成功，LED 的顯示范圍從 0 到 100 度，在一定的溫度范圍內(nèi)，不考慮器件導(dǎo)致的誤差的話，精度已經(jīng)達(dá)到了 0.1。由于設(shè)備的欠缺，最后的溫度標(biāo)定沒能夠?qū)崿F(xiàn)，所以 LED 的顯示結(jié)果有一定的誤差，其顯示溫度比真實(shí)溫度偏高了些許。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，我負(fù)責(zé)了所有硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)踐.北京:電子工業(yè)出版社,2

16、0062朱永金、成友才.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)(C 語(yǔ)言).北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，3閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）. 北京：高等教育出版社，1989畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文綜合評(píng)定表畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文綜合評(píng)定表指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師( (簽名簽名) ) 年年 月月 日日答辯小組對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的答辯評(píng)語(yǔ)：答辯小組對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的答辯評(píng)語(yǔ)：總評(píng)成績(jī)：總評(píng)成績(jī)：答辯小組負(fù)責(zé)人（簽名）答辯小組負(fù)責(zé)人（簽名） 年年 月月 日日學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯情況記載表論文題目： 班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 答辯時(shí)間： 記錄人： 姓姓 名名專業(yè)技術(shù)職務(wù)或職稱專業(yè)技術(shù)職務(wù)或職稱簽簽 字字答辯小組成員答辯小組提出的主要問題及學(xué)生回答問題情