基于AT89C51單片機的多點溫度測量系統(tǒng)設計

1、單片機應用系統(tǒng)設計單片機應用系統(tǒng)設計課課 題：題：基于基于 AT89C51 單片機的多點溫度測量系統(tǒng)設計單片機的多點溫度測量系統(tǒng)設計 姓姓 名：名： 班班 級：級： 學學 號：號： 指導老師：指導老師： 日日 期：期： 目目 錄錄一、一、緒論 1二、總體方案設計二、總體方案設計1三、硬件系統(tǒng)設計硬件系統(tǒng)設計1 1 主控制器12 顯示模塊23 溫度采集模塊33.1 DSl8B20 的外部管腳及特點43.2 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)43.3 DS18B20 的內(nèi)存結(jié)構(gòu)5 3.4 DS18B20 的測溫功能及原理5 3.5 DS18B20 溫度傳感器與單片機的連接63.6 提高 DS18B20 測

2、溫精度的方法6四、四、系統(tǒng)軟件設計6五、五、系統(tǒng)仿真9六、設計總結(jié)六、設計總結(jié)10參考文獻參考文獻11附附 錄錄12一、緒論一、緒論典型的溫度測控系統(tǒng)是由模擬溫度傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換電路和單片機組成。但是由于模擬溫度傳感器輸出為模擬信號,必須經(jīng)過 A/ D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)獲得數(shù)字信號后才能與單片機等微處理器接口,使得硬件電路結(jié)構(gòu)復雜,成本較高。近年來,由于以 DS18B20 為代表的新型單總線數(shù)字式溫度傳感器的突出優(yōu)點使得它得到充分利。DS18B20 集溫度測量和 A/ D 轉(zhuǎn)換于一體,直接輸出數(shù)字量,接口幾乎不需要外圍元件,硬件電路結(jié)構(gòu)簡單,傳輸距離遠,可以很方便的實現(xiàn)多點測量;與單片機接口幾乎不

3、需要外圍元件,使得硬件電路結(jié)構(gòu)簡單,廣泛使用于距離遠,節(jié)點分布多的場合。二、系統(tǒng)總體方案設計二、系統(tǒng)總體方案設計本設計完成的任務是設計基于 AT89C51 單片機的多點溫度測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)能連續(xù)測量多點溫度，測量精確度為 0.1 度，并在 LCD 顯示器上完成顯示。系統(tǒng)總體方案設計具體如下： 圖 1總的來說，本系統(tǒng)有四大部分組成：單片機控制部分，溫度顯示部分，溫度傳感器組和測點選擇開關部分。溫度采集可以利用溫度傳感器測量目標物體的溫度，該溫度經(jīng)處理成數(shù)字信號傳送給單片機，單片機可以很高效的采集外部傳送過來的數(shù)字信號，在其內(nèi)部經(jīng)軟件算法處理，轉(zhuǎn)化為相應的溫度值經(jīng)顯示模塊顯示出所測得的溫度。三、硬

4、件系統(tǒng)設計三、硬件系統(tǒng)設計1 1、主控制器（單片機）、主控制器（單片機） 基于設計的要求要使用 AT89C51 單片機作為本系統(tǒng)設計的核心器件。 由于 AT89C51 單片機是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 cMOS8 位微處理器。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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廉的方案，所以本系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機作為系統(tǒng)的主控制器。其特點如

5、下: 4K 字節(jié)可編程閃速程序存儲器:1000 次循環(huán)寫/擦 全靜態(tài)工作:OHz-24MHz 三級程序存儲器鎖定 128 X 8 位內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，32 條可編程 I/0 線 兩個十六位定時器/計數(shù)器，六個中斷源 可編程串行通道，低功耗閑置和掉電模式2.2. 顯示模塊顯示模塊本設計要求用 LCD 顯示器來顯示測出的溫度。LCD 系列中 LM016L 型號的為2 行 16 列液晶，可顯示 2 行 16 列英文字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0-D7，RS，R/W，EN 三個控制端口（共 14 線） ，工作電壓為 5V。沒背光，和常用的 1602B 功能和引腳一樣（除了調(diào)背光的二個線腳） ?？梢酝耆珜?/p>

6、現(xiàn)本設計的顯示功能。3.3.溫度采集模塊溫度采集模塊本設計用的是 DS18B20 溫度傳感器，它是美國 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。3.1 DSl8B20 的外部管腳及特點的外部管腳及特點DS18B20 的性能特點如下： 獨特的單線接口方式：DS18B20 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。 在使用中不需要任何外圍元件。 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0V+5.5 V。 測溫范圍：-55 +125

7、。固有測溫分辨率為 0.5 。 通過編程可實現(xiàn) 912 位的數(shù)字讀數(shù)方式。 用戶可自設定非易失性的報警上下限值。 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。 負壓特性，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。3.2 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 內(nèi)部功能模塊如圖所示，主要由 4 部分組成：64 位光刻 R0M、溫度傳感器、非易失性的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。R0M 中的 64位序列號是出廠前被光刻好的，他可以看作是該 DSISB20 的地址序列碼，每個DSI8B20 的 64 位序列號均不相同。高低溫

8、報警觸發(fā)器 TH 和 TL，配置寄存器均由一個字節(jié)的 E2PROM 組成，使用一個存儲器功能命令可對 TH，TL 或配置寄存器寫入。配置寄存器中 R1，R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)：R1R000,9位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 93.75 ms；R1R0 = 01,10 位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為187.5 ms；R1R0 = 10,11 位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 375 ms；R1R0 =11,12位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 750 ms；未編程時默認為 12 位精度。本系統(tǒng)采用的也是 12 位的精度。 圖 23.3 DS18B20 的內(nèi)存結(jié)構(gòu)的內(nèi)存結(jié)構(gòu) DSI8B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫

9、存 RAM （便箋式的內(nèi)部存儲器）和一個非易失性的可電擦除的 EEPROM，后者存放高溫和低溫觸發(fā)器 TH，TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。便箋存儲器包含了 9 個連續(xù)字節(jié)（08） ，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，字節(jié) 0 的內(nèi)容是溫度的低 8 位，字節(jié) 1 是溫度的高 8 位，字節(jié) 2 是 TH（溫度上限報警） ，字節(jié) 3 是 TL（溫度下限報警） ，字節(jié) 4 是配置寄存器，用于確定輸出分辨率 9 到 12 位。第 5、6、7 個字節(jié)是預留寄存器，用于內(nèi)部計算。字節(jié) 8 是冗余檢驗字節(jié)，校驗前面所有 8 個字節(jié)的 CRC 碼，可用來保證通信正確。 3.4 DS18B20 的測溫功能及原理的測溫功能及原理當

10、 DSI8B20 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 0，1 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0062 5LSB 形式表示。 DS18B20 的測溫原理如圖 3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)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，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)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系

11、數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1、溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55所對應的一個基數(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 的預置將重新被裝入，減計數(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)值即為所測溫度。圖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)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度

12、值。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，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)。各種操作的時序圖與DS1820 相同。圖 33.53.5 DS18B20 溫度傳感器與單片機的連接以MCS-51 單片機為例，可采用寄生電源供電方式，P1.1 口接單線總線為保證在有效的DS18B20 時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個M O S F E T 管和89C51 的P1.0來完成對總線的上拉。當DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度A/D 變換操作時，總線

13、上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10 s。采用寄生電源供電方式時VDD 和GND 端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的。主機控制S18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過初始化、ROM 操作指令、存儲器操作指令三個步驟，假設單片機系統(tǒng)所用的晶振頻率為12MHz，根據(jù)DS18B20 的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫INIT 為初始化子程序，WRITE 為寫（命令或數(shù)據(jù)）子程序，READ 為讀數(shù)據(jù)子程序3 個子程序。所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始。3.63.6 提高提高 DS18B20DS18B20 測溫精度的方法測溫精度的方法DS18B20 正常使用時的測溫分辨率為 0.5

14、。如果采取直接讀取 DS18B20 內(nèi)部暫存器的方法，可將 DS18B20 的測溫分辨率提高到 0.1 0.01。DS18B20 內(nèi)部暫存器分布如表 1 所示，其中第 7 字節(jié)存放的是當溫度寄存器停止加 1 時，計數(shù)門關閉后保留在計數(shù)器 1 中的值，第 8 字節(jié)存放的是每度所對應的計數(shù)值，然后，可通過以下方法獲得高精度測溫的結(jié)果。首先用DS18B20 提供的暫存器指令（BEH）讀出溫度結(jié)果，然后轉(zhuǎn)化成 0.5/LSB（最底有效位） ，得到所測實際溫度整數(shù)部分，記為 TEMP.READ。隨后再用 BEH 指令讀取計數(shù)門關閉后保留在計數(shù)器 1 中的值 COUNT.REMAIN 和每度所對應的計數(shù)值

15、COUNT.PER.C,由于 DS18B20 測溫整數(shù)部分以 0.25為進界限關系，所以用下面公式直接計算，可得到高精度實測溫度。實際溫度TEMP.READ-0.25+(COUNT.PER.C-COUNT.REMAIN)/ COUNT.PER.C四、系統(tǒng)軟件設計四、系統(tǒng)軟件設計1. 主程序部分（圖4） 。2. LCD的初始化（圖5） 。下為指令寄存器寫入的流程圖，向數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)，即顯示的數(shù)字符號，只需將RS=1即可。低溫度系數(shù)振蕩器高溫度系數(shù)振蕩器斜率累加器計數(shù)器 1預置計數(shù)器 20溫度寄存器預置比較0加1停止設置/清理LSB3、查詢按鍵子程序設計（圖6） 。圖 4 圖5 圖64. 當單

16、總線上接有多個個DS18B20的初始化（圖7） 。 圖 7 圖 8 圖 9 圖 105. 檢測芯片（圖 8） 。6.寫數(shù)據(jù)（圖 9） 。7.讀數(shù)據(jù)（圖 10） 。五系統(tǒng)仿真五系統(tǒng)仿真 Proteus軟件是Labcenter公司的一款電路設計與仿真軟件，它包括ISIS、ARES等軟件模塊，ARES模塊主要用來完成PCB的設計，而ISIS模塊用來完成電路原理圖的繪制與仿真。Proteus的軟件仿真基于VSM技術(shù)，它與其他軟件最大的不同也是最大的優(yōu)勢就在于它能仿真大量的單片機芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及單片機外圍電路，比如鍵盤、LED、LCD等等。通過Proteus軟件的使用我們

17、能夠輕易地獲得一個功能齊全、實用方便的單片機實驗環(huán)境8。 本設計的核心部分為多點溫度數(shù)據(jù)的快速準確讀取，完成電路設計和軟件編程后，將程序在Keil下編譯，裝入單片機，進行仿真，可以看到，同步快速多點溫度測量得到了實現(xiàn)。仿真效果如下：1.開始畫面，提示按一個選擇開關。圖112.顯示相應溫度。圖123.錯誤提示。圖13六、設計總結(jié)六、設計總結(jié)剛剛結(jié)束了單片機課程的學習，也做過了很多的實驗，但真正的去完成一個完整應用系統(tǒng)的設計這是第一次，所以我十分的重視這次機會，雖然時處期末考試期間，我還是抽出很多時間完成設計。從拿到設計課題我就開始了對 DS18B20 溫度傳感器的信息的采集，對還不曾學習的 LC

18、D 的相關知識進行了解及擴展，聯(lián)系我所學的知識，我對本系統(tǒng)逐漸有了很清楚的認識，便著手進行系統(tǒng)總體方案設計，硬件框圖、硬件系統(tǒng)以及硬件模塊的設計，最后是完成系統(tǒng)軟件的設計 。我深刻了解的完成這些步驟是完成任何設計的基礎，所以每一步都認真對待。在設計過程中我遇到了許多的問題，通過對問題的逐一解決，我學到了許多的知識，同時也獲得很多的樂趣，這也激勵著我想去做更多的探索。參考文獻：參考文獻：1. 余永權(quán). 單片機原理及應用. 北京：電子工業(yè)出版社, 1997. 2.劉偉 陳盛云 郭毅剛.基于 DS18B20 的溫度測量系統(tǒng)的設計與仿真。3. 周月霞,孫傳友.DS18B20硬件連接與軟件編程。4. 劉

19、君華. 智能傳感器系統(tǒng) M . 西安：西安電子科技大學出版社，1999.5. 邦田. 電子電路實用抗干擾技術(shù) M . 北京：人民郵電出版社，1994.附錄：程序。附錄：程序。#includeunsigned int shu=0 x30,0 x31,0 x32,0 x33,0 x34,0X35,0 x36,0 x37,0 x38,0 x39;unsigned long t;unsigned char k,f=0;sbit RS=P20;sbit RW=P21;sbit E=P22;sbit DS=P11;void del( int count ) /延時程序while(count-);void

20、delay(unsigned int count)/延時程序int p; while(count-) for(p=0;p125;p+);void write(unsigned char date)/向 DS18B20 中寫入數(shù)據(jù) int i; for(i=0;i=1; void init(unsigned int n)/ RW=0,RS=0;向指令寄存器中寫入命令，即對 1602 初始化。 delay(10); E=0; RS=0; RW=0; E=1; P0=n; E=0; void write_data(unsigned char n)/RS=1,RW=0;向數(shù)據(jù)寄存器中寫入數(shù)據(jù)，即顯示的

21、數(shù)符。 delay(10); E=0;RS=1;RW=0;E=1;P0=n; E=0; void write2(unsigned char i) i+=0 x30; if(i=4)i=0; write(0 x55); write(0 x28); write(i); write(0 xc5); write(0 xb8); write(0 x00); write(0 x00); write(0 x00);void matchrom()/匹配 ROM unsigned char i; k=P3; switch(k) case 0: f=1; init(0 x80);write_data(0 x50)

22、; /press init(0 x81);write_data(0 x72); init(0 x82);write_data(0 x65); init(0 x83);write_data(0 x73); init(0 x84);write_data(0 x73); init(0 x85);write_data(0 x80); init(0 x86);write_data(0 x61);/a init(0 x87);write_data(0 x80); init(0 x88);write_data(0 x6b);/key init(0 x89);write_data(0 x65); init(0

23、 x8a);write_data(0 x79); init(0 x8b);write_data(0 x80);init(0 x8c);write_data(0 x21);/! for(i=0 x8d;i=0 xcf;i+)init(i);write_data(0 x80); break; case 1: init(0 x83);write_data(0 x31);/NO 1 write2(0); write(0 x8e); break; case 2: init(0 x83);write_data(0 x32);/NO 2 write2(1); write(0 xb9); break; cas

24、e 4: init(0 x83);write_data(0 x33); /NO 3 write2(2); write(0 xe0); break; case 8: init(0 x83);write_data(0 x34); /NO 4 write2(3); write(0 xd7); break; default: f=1; init(0 x80);write_data(0 x50); /please init(0 x81);write_data(0 x6c);init(0 x82);write_data(0 x65);init(0 x83);write_data(0 x61);init(0

25、 x84);write_data(0 x73); init(0 x85);write_data(0 x65); init(0 x86);write_data(0 x80); init(0 x87);write_data(0 x70); /press init(0 x88);write_data(0 x72); init(0 x89);write_data(0 x65); init(0 x8a);write_data(0 x73); init(0 x8b);write_data(0 x73); init(0 x8c);write_data(0 x80); init(0 x8d);write_da

26、ta(0 x6f); /oneinit(0 x8e);write_data(0 x6e);init(0 x8f);write_data(0 x65); init(0 xc0);write_data(0 x80); init(0 xc1);write_data(0 x80);init(0 xc2);write_data(0 x80);init(0 xc3);write_data(0 x6b);/key init(0 xc4);write_data(0 x65); init(0 xc5);write_data(0 x79); init(0 xc6);write_data(0 x80); init(

27、0 xc7);write_data(0 x6f);/only init(0 xc8);write_data(0 x6e); init(0 xc9);write_data(0 x6c); init(0 xca);write_data(0 x79); init(0 xcb);write_data(0 x80); init(0 xcc);write_data(0 x21);/! init(0 xcd);write_data(0 x80); init(0 xce);write_data(0 x80); init(0 xcf);write_data(0 x80); break; void lcd(uns

28、igned char m) /當為負溫度時，液晶顯示可以高位為 0 屏蔽. init(0 x80);write_data(0 x4e);/NO init(0 x81);write_data(0 x4f); init(0 x82);write_data(0 x80); init(0 x84);write_data(0 x80); init(0 x85);write_data(0 x74);/temperature init(0 x86);write_data(0 x65); init(0 x87);write_data(0 x6d); init(0 x88);write_data(0 x70);

29、 init(0 x89);write_data(0 x65); init(0 x8a);write_data(0 x72); init(0 x8b);write_data(0 x61); init(0 x8c);write_data(0 x74); init(0 x8d);write_data(0 x75); init(0 x8e);write_data(0 x72); init(0 x8f);write_data(0 x65); init(0 xc0);write_data(0 x80); init(0 xc1);write_data(0 x80); init(0 xc2);write_da

30、ta(0 x69); /is: init(0 xc3);write_data(0 x73); init(0 xc4);write_data(0 x3a); if(m=1) if(t/1000%10)!=0)init(0 xc5);write_data(0 x2d); init(0 xc6);write_data(shut/1000%10); elseinit(0 xc5);write_data(0 xfe); init(0 xc6);write_data(0 x2d); elseif(t/10000!=0) init(0 xc5);write_data(shut/10000); init(0 xc6);write_data(shut/1000%10); else if(t/1000%10)!=0) init(0 xc5);write_data(0 xfe); init(0 xc6);write_data(shut/1000%10); else init(0 xc5);write_data(0 xfe); init(0 xc6);write_data(0 xfe); init(0 xc7);write_data(