《數(shù)字溫度計設計》word版

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1、題目：基于89C52和DS18B20的數(shù)字溫度計設計 一 、設計要求 數(shù)字式溫度計要求測溫范圍為0～102°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)的設計要求，選擇DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片機AT89C51為測控系統(tǒng)的核心來完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報警等功能。選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，省卻了采樣/保持電路、運放、數(shù)/模轉換電路以及進行長距離傳輸時的串/并轉換電路，簡化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。 該系統(tǒng)的總體設計思路如下：溫度傳感器DS18B20把所測得的溫度發(fā)送到AT89C51單片機上，經(jīng)過

2、51單片機處理，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)碼管以動態(tài)掃描法實現(xiàn)。檢測范圍-55攝氏度到125攝氏度。 按照系統(tǒng)設計功能的要求，確定系統(tǒng)由3個模塊組成：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 掃描驅動 數(shù)字溫度計總體電路結構框圖如圖1所示。 圖1 數(shù)字溫度計總體電路結構框圖 三 、系統(tǒng)硬件電路的設計 溫度計電路設計原理圖如圖2所示，控制器使用單片機AT89C51，溫度傳感器使用DS18B20，用4位共陽LED數(shù)碼管實現(xiàn)溫度顯示。 圖2 數(shù)字溫度計設計電路原理圖

3、 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。 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P3.0~P3.3口來實現(xiàn)，列驅動用8550三極管。 3、溫度傳感器工作原理 DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能

4、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)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 DS18B20 的性能特點如下： ●獨特的單線接口方式僅需要一個端口引腳進行通信； ●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； ●無需外部器件； ●可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.0～5.5V； ●測溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃ ●零待機功耗 ●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警設置 ●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 ●負電壓特性，

5、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 DS18B20采用3腳PR－35 封裝或８腳SOIC封裝，其內(nèi)部結構框圖如圖3所示 圖3 DS18B20內(nèi)部結構框圖 64 b閃速ROM的結構如下： 開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48 位，最后8位是前面56 位的CRC 檢驗碼，這也是多個DS18B20 可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報警上下限。主機操作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 匹配ROM（55H） 繼讀完64位序列號的一個命令，

6、用于多個DS1820時定位 跳過ROM（CCH） 此命令執(zhí)行后的存儲器操作將針對在線的所有DS1820 搜ROM（F0H） 識別總線上各器件的編碼，為操作各器件作好準備 報警搜索（ECH） 僅溫度越限的器件對此命令做出響應 表1 主機操作ROM的命令 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM 的結構為8字節(jié)的存儲器，結構如圖4所示。 圖4高速暫存RAM結構圖 前2個字節(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，每次上電復位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確

7、定溫度值的數(shù)字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數(shù)值。 溫度低位LSB 溫度高位 MSB TH TL 配置 保留 保留 保留 8位CRC 當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉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第1，2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0.062 5 ℃/LSB形式表示。溫度值格式如下： 這是12位轉化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0

8、，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；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即可得到實際溫度。圖中，S表示位。對應的溫度計算：當符號位S=0時，表示測得的溫度植為正值，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，表示測得的溫度植為負值，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。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0.0625℃／LSB形式表示

9、。表2是部分溫度值對應的二進制溫度表示數(shù)據(jù)。 表2 部分溫度值 DS18B20完成溫度轉換后，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

10、產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，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)生的時鐘脈沖后進行計數(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和溫度寄存器中，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,減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)

11、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)值即為所測溫圖2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值，這就是DS18B20的測溫原理。 另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，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)。 在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辨力為0.5℃，可采用下述

12、方法獲得高分辨率的溫度測量結果：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果，然后切去測量結果中的最低有效位（LSB），得到所測實際溫度的整數(shù)部分Tz，然后再用BEH指令取計數(shù)器1的計數(shù)剩余值Cs和每度計數(shù)值CD?？紤]到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25℃、0.75℃為進位界限的關系，實際溫度Ts可用下式計算： Ts=（Tz-0.25℃）+(CD-Cs)/CD 圖5 DS18B20測溫原理圖 四 系統(tǒng)程序的設計 系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉換命令子程序，計算溫度子程序，報警子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。

13、 1 主程序 主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示，讀出并處理DS18B20的測量溫度值。溫度測量每1s進行一次。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)。在讀出時須進行CRC校驗，校驗有錯時不能進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。讀出溫度子程序流程圖如圖7所示。 3 溫度轉換命令子程序 溫度轉換命令子程序主要是發(fā)溫度轉換開始命令。當采用12位分辨率時，轉換時間約為750 ms。在本程序設計中，采用1s顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度轉換命令子程序流程圖如圖8所示。 4 計算溫度子程序 計算溫度子程序將RAM中讀取的值進行BC

14、D碼的抓換運算，并進行溫度值正負的判斷。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顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作，當最高數(shù)據(jù)顯示位為0時，將符號顯示位移入下一位。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 9字節(jié)完？ 結束 CRC校驗正確？ 移入溫度暫存器 N Y N 初始化 顯示調(diào)用子程序 1s到？ 初次上電？ 讀出溫度值 溫度計算處理 顯示數(shù)據(jù)刷新 發(fā)溫度轉換開始命令 N

15、 Y Y N 圖6 主程序流程圖 發(fā)DS18B20復位命令 發(fā)跳過ROM命令 發(fā)溫度轉換開始命令 結束 圖7 讀出溫度子程序流程圖 圖8 溫度轉換命令 子程序流程圖 開始 溫度零下? 溫度值取補碼置“—”標志 計算小數(shù)位溫度BCD值 計算整數(shù)位溫度BCD值 結束 置“+”標志 Y N 圖9 計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） 十位數(shù)顯示符號 百位數(shù)不顯示 結束 圖10 顯示數(shù)據(jù)刷

16、新子程序流程圖 Y N Y N 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 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit DATA = P3^7; //DS18B20接入口 uchar code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x0

17、7,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}; char bai,shi,ge; //定義變量 /*延時子函數(shù)*/ void delay(uint num) { while(num--) ; } /*************DS18b20溫度傳感器函數(shù)*********************/ Init_DS18B20(void) //傳感器初始化 { uchar x=0; DATA = 1; //DQ復位 delay(10); //稍做延時 DATA = 0; //單片機將DQ拉低

18、 delay(80); //精確延時 大于 480us //450 DATA = 1; //拉高總線 delay(20); x=DATA; //稍做延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗 delay(30); } //讀一個字節(jié) ReadOneChar(void) { uchar i=0; uchar dat = 0; for (i=8;i>0;i--) { DATA = 0; // 給脈沖信號 dat>>=1; DATA = 1; // 給脈沖信號 if(DATA)

19、 dat|=0x80; delay(8); } return(dat); } //寫一個字節(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; ucha

20、r b=0; int t=0; float tt=0; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); // 跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0x44); // 啟動溫度轉換 Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0xBE); //讀取溫度寄存器等（共可讀9個寄存器） 前兩個就是溫度 a=ReadOneChar();//低位 b=ReadOneChar();//高位 t=b; t<<=8; t=t|a; tt=t*

21、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 P0=0X80; //顯示小數(shù)點 delay(50);//顯示小數(shù)點 P2=0xf7; P0=table[bai];//顯示千位 delay(50);//一小段延時動態(tài)顯示 P2=0xfb; P0=table[shi];//顯示百位 delay(50); P2=0xfd; P0=table[ge];//顯示十位 delay(10

22、0); P2=0xfe; P0=table[0];//顯示個位 delay(50); } void main() { int temp; while(1) { temp=ReadTemperature();//讀溫度 bai=temp%1000/100;//顯示百位 shi=temp%100/10;//顯示十位 ge=temp%10;//顯示個位 display(bai,shi,ge);//顯示函數(shù) } } 八 元件清單（名稱、型號、數(shù)量） 元件名稱 型號 數(shù)量 單片機芯片 89C51 1 溫度傳感器 DS18B20 1 晶振 12MHz 1 電源 5V 1 三極管 8550（PNP） 4 電容 30pF 2 10uF 1 排阻 1K 2（并聯(lián)） LED數(shù)碼管 03641B（共陽） 1 電阻 1K 4 6.8K 1 7.5K 1 萬能板 1 IC插座 若干 導線 若干 小組成員： 2010年12月24日