數(shù)字溫度的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).doc

學(xué)年論文（設(shè)計） 數(shù)字溫度測量電路的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)（作者：JYQ） 摘要 本文提出了采用單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20和單片機(jī)組成的數(shù)字溫度測量電路的設(shè)計。介紹了溫度傳感器DS18B20的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和工作原理，其靈敏度高，精度高，硬件電路簡單，可以直接與單片機(jī)相連。其次，設(shè)計了DS18B20和AT89C52單片機(jī)的溫度測量系統(tǒng)硬件電路和軟件編程，主要包括溫度采集、溫度顯示及報警控制等功能。整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，溫度讀取方便和造價低等一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于生產(chǎn)生活及科學(xué)研究中對溫度的測量，應(yīng)用前景十分廣闊。關(guān)鍵詞 溫度測量；單片機(jī)；DS18B20溫度傳感器；LCD顯示Digital Temperature Measurement Circuit Design and ImplementationAuthor: JYQAbstract：The article proposes a single-bus digital temperature sensor DS18B20 and the design of microcontroller components digital temperature measurement circuit. The article describes the structure, characteristics and and working principle of temperature sensor DS18B20, its high sensitivity, high precision, and simple hardware circuit, can be directly connected with the microcontroller. Secondly, we designed the microcontroller DS18B20, AT89C52 temperature measurement hardware circuitry and software programming, including temperature acquisition, temperature display and alarm control and other functions. The whole system has advantages such as the simple structure, high accuracy, transmission distance, anti-interference ability, low cost and easy to read temperature, it can apply for the production of life and scientific research in the measurement of temperature, and it has a wide prospects of application.Key words：Temperature measurement; microcontroller; DS18B20 temperature sensor; LCD display 0 引言溫度是一個基本物理量，也是一個與人們的生活環(huán)境、生產(chǎn)活動密切相關(guān)的重要物理量。溫度檢測系統(tǒng)也已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。單片機(jī)具有體積小，價格便宜，通用性和靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，利用單片機(jī)設(shè)計溫度測量系統(tǒng)，既可以滿足功能要求，又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。數(shù)字溫度測量傳感器DS18B20是單一總線的高精度測量器件，它克服了以前模擬式傳感器與微機(jī)接口時需要的AD轉(zhuǎn)換器及其他復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)。本文就是運(yùn)用單片機(jī)及其接口和集成單總線溫度傳感器DS18B20構(gòu)建一個數(shù)字溫度測量和顯示系統(tǒng)，并且通過開關(guān)進(jìn)行溫度上下限的設(shè)置，如果溫度超過設(shè)定值就會報警或進(jìn)行相應(yīng)的控制命令。設(shè)計的電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，而且還具有一定的擴(kuò)展功能，可以擴(kuò)展成多點(diǎn)采集和更復(fù)雜的功能。1 系統(tǒng)方案論證方案一由于本設(shè)計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。方案二用溫度傳感器DS18B20，此傳感器可以很容易直接讀取被測溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，易滿足設(shè)計要求。比較以上兩方案，采用方案二，電路簡單，軟件設(shè)計也簡單。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計整個系統(tǒng)主要由主控中心(單片機(jī))、溫度傳感器DS18B20、及數(shù)碼管顯示等功能模塊組成?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)DS18B20報警溫度的上下限，既可以使上下限增加，也可以使上下限減小，這樣就可以用于不同場合，系統(tǒng)的框圖如圖2.1所示。AT89C52DS18B20溫度傳感器溫度顯示報警系統(tǒng)圖2.1 系統(tǒng)硬件框圖2.1 溫度傳感器DS18B20 LSBMSB111100110DS18B20是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器，提供9位溫度讀數(shù)，指示溫度。溫度信息通過單線接口送入DS18B20或者從DS18B20送出，所以從處理器到DS18B20僅需連接一條線。讀、寫和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)本身提供，而不需要外部電源。這使得DS18B20與單片機(jī)接口變得很簡單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時需要的AD轉(zhuǎn)換及其他復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，而且它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。最重要的是DS18B20的ROM中存有其芯片的惟一標(biāo)識碼，即任意兩個DS18B20的標(biāo)識碼是不同的，特別適合與微處理芯片構(gòu)成多點(diǎn)溫度測量控制系統(tǒng)。DS18B20是DS1820的改進(jìn)型，分辨率為912位可編程控制，由其寄存器R0，R1的兩位狀態(tài)決定。測量范圍從-55+125，在-1085范圍內(nèi)誤差為0.5。DS18B20在內(nèi)部以時鐘周期個數(shù)計數(shù)來測量溫度，并且提供0.5的分辨率。溫度讀數(shù)以16位、符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供。需要注意的是在DS18B20中溫度以1/2LSB(最低有效位)形式表示時，產(chǎn)生以下9位格式：LSBMSB1111001102.1.1 DS18B20初始化時序圖主機(jī)首先發(fā)出一個480-960us的低電平脈沖，然后釋放總線變?yōu)楦唠娖?，并在隨后的480us時間內(nèi)對總線進(jìn)行檢測，如果有低電平出現(xiàn)說明總線上有器件已做出應(yīng)答，若無低電平出現(xiàn)一直都是高電平說明總線上無器件應(yīng)答。作為從器件的DS18B20在一上電后就一直在檢測總線上是否有480-960us的低電平出現(xiàn)，如果有，在總線轉(zhuǎn)為高電平后等待15-60us后將總線電平拉低60-240us做出響應(yīng)存在脈沖，告訴主機(jī)該器件已做好準(zhǔn)備，若沒有檢測到就一直在檢測等待。圖2.2 初始化時序圖2.1.2 DS18B20寫數(shù)據(jù)時序圖寫周期最少為60us，最長不超過120us，寫周期一開始作為主機(jī)先把總線拉低1us表示寫周期開始，隨后若主機(jī)想寫0，則繼續(xù)拉低電平最少60us直至寫周期結(jié)束，然后釋放總線為高電平；若主機(jī)想寫1，在一開始拉低總線電平1us后就釋放總線為高電平，一直到寫周期結(jié)束。而作為從機(jī)的DS18B20則在檢測到總線被拉低后等待15us然后從15us到45us開始對總線采樣，在采樣期內(nèi)總線為高電平則為1，若采樣期內(nèi)總線為低電平則為0。圖2.3 寫數(shù)據(jù)時序圖2.1.3 DS18B20讀數(shù)據(jù)時序圖對于讀數(shù)據(jù)操作時序也分為讀0時序和讀1時序兩個過程，讀時序是從主機(jī)把單總線拉低之后，在1us之后就得釋放單總線為高電平，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在檢測到總線被拉低1us后，便開始送出數(shù)據(jù)，若是要送出0就把總線拉為低電平直到讀周期結(jié)束；若要送出1則釋放總線為高電平。主機(jī)在一開始拉低總線1us后釋放總線，然后在包括前面的拉低總線電平1us在內(nèi)的15us時間內(nèi)完成對總線進(jìn)行采樣檢測，采樣期內(nèi)總線為低電平則確認(rèn)為0，采樣期內(nèi)總線為高電平則確認(rèn)為1，完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。圖2.4 讀數(shù)據(jù)時序圖2.2 溫度和報警系統(tǒng)系統(tǒng)主要采用的是1602LCD液晶顯示測量的溫度值，由發(fā)光二極管和蜂鳴器進(jìn)行報警。如果測的溫度值高于設(shè)定值1，報警系統(tǒng)就會報警(發(fā)光二極管點(diǎn)亮，蜂鳴器鳴響)。這樣可以從聲音和視覺上收到系統(tǒng)的警報。2.3 顯示電路顯示電路采用1602LCD液晶顯示，P0口作為液晶顯示器的數(shù)據(jù)端口，讀寫端口，使能端分別連接單片機(jī)P2.5，P2.6，P2.7口，如圖2.5所示：圖2.5 顯示電路3 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)開始工作時，首先進(jìn)行IO口初始化、報警值初始化，由單片機(jī)控制軟件發(fā)出溫度讀取指令，通過數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集當(dāng)前溫度值，轉(zhuǎn)換后經(jīng)過單總線傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理由1602LCD顯示，如果超出設(shè)置的報警值1，系統(tǒng)就會報警(發(fā)光二極管點(diǎn)亮、蜂鳴器鳴響)。系統(tǒng)的軟件部分主要是由讀寫DB18B20程序、顯示程序和報警系統(tǒng)三部分組成，主程序流程圖如圖3.1所示。報警值的設(shè)置初始化DS18B20讀出溫度值處理顯示刷新比較報警值結(jié)束溫度的轉(zhuǎn)換開機(jī)顯示“85”圖3.1 主程序流程圖3.1讀溫度程序流程讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM的2字節(jié)，讀出溫度的低八位和高八位，在讀出時需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫，其程序流程圖如圖3.2所示：初始化發(fā)跳過ROM指令開始溫度轉(zhuǎn)換延時2ms初始化寫入跳過ROM、讀取暫存器和CRC字節(jié)指令讀取溫度的低八位和高八位取中間八位結(jié)束圖3.2 讀溫度程序圖3.2 寫時序子程序流程延時10usdat&0x01dat1de延時40us結(jié)束DQ=0DQ=1圖3.3 寫時序子程序流程圖4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與仿真結(jié)果高于70報警電路仿真如下圖：圖4.1 高于70報警電路仿真圖低于-10報警電路仿真如下圖： 圖4.2 低于20報警電路仿真圖正常溫度顯示電路圖：圖4.3 無報警時仿真圖5 結(jié)論與展望在深入分析了數(shù)字溫度測量電路原理的基礎(chǔ)上，完成了該系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)，該設(shè)計以單總線為基本結(jié)構(gòu)，采用AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與DS18B20的總線接口，并提供具體電路設(shè)計。軟件編程采用模塊化、結(jié)構(gòu)化思想，便于修改和維護(hù)，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。但由于時間和精力有限，對于該電路的設(shè)計還應(yīng)在應(yīng)用軟件方面逐步完善。DS18B20還可以在遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測溫控制方面進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，具有很好的發(fā)展前景。6設(shè)計體會通過這次對數(shù)字溫度計的設(shè)計，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字溫度計的原理與設(shè)計理念，要設(shè)計一個完整的電路總要經(jīng)過多次的失敗才能成功，在設(shè)計中，也遇到了許多匪夷所思的問題，我深刻認(rèn)識到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實(shí)際，把所學(xué)的理論知識用到實(shí)際中，學(xué)習(xí)單片機(jī)更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高。這次學(xué)年論文設(shè)計是我的又一次全新的嘗試，也是一個小小的成功，更是一次很好的鍛煉，讓我有了全方位的提高和進(jìn)步。參考文獻(xiàn)1 于永，戴佳等.51單片機(jī)實(shí)例精講. 電子工業(yè)出版社.2 薛慶軍，張秀娟等. 單片機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教程. 北京航天航空大學(xué)出版社.3 馬忠梅，張凱等. 單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(第四版). 北京航天航空大學(xué)出版社.4 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編M. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.5 李業(yè)德. 單片機(jī)和DS18B20組成的多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)N.山東理工大學(xué)學(xué)報,2001,(12).附錄：程序如下：#include#include#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit DQ = P37;sbit beep= P15;sbit RS = P26;sbit RW = P25;sbit EN = P27;sbit led=P16;uint T, negativeflag;char tempH=70,tempL=10; /設(shè)置上下限溫度，以便上下限溫度(-10C120C)可調(diào)uchar num16;uchar code num1=0123456789;uchar code table=temperature:;void Feng_led(uint t,uint n ); /聲明函數(shù)void Delayms(uint ms) uchar i;while(ms-) for(i=0;i0;i-) DQ = 0; / 給脈沖信號 dat=1; DQ = 1; / 給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; delay_18B20(4); return(dat);void WriteOneChar(uchar dat) /寫一個字節(jié) uchar i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; delay_18B20(5); DQ = 1; dat=1; uint ReadTemperature(void) /讀取溫度并轉(zhuǎn)換uchar a=0;uchar b=0; uint t=0,temp,result;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0x44); / 啟動溫度轉(zhuǎn)換delay_18B20(100);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();b=ReadOneChar();temp=b;temp=(temp8)+a;negativeflag=(b&0xf8);/檢查負(fù)標(biāo)志 if(negativeflag=0)num0=0x20; /“+”位不顯示 result=temp*0.625; else num0=0x2d;/負(fù)號顯示位 temp=temp+1; result=temp*0.625+0.5; return( result );/*LCD顯示器的是否忙判定*/uchar Busy_Check() uchar LCD_Status; P0=0x00;RS = 0;RW = 1;EN = 1;Delayms(1); LCD_Status = P0;/rs=0,rw=1,db7=fb=1表示LCD忙碌無法接收數(shù)據(jù)或指令EN = 0;return LCD_Status;/*LCD顯示器寫指令*/void Write_LCD_Command(uchar cmd) while(Busy_Check()&0x80)=0x80);RS = 0;RW = 0;EN = 0;P0 = cmd;EN = 1;Delayms(1);EN = 0;/*LCD顯示器的初始化*/void Initialize_LCD() Write_LCD_Command(0x38); /*db4=dl=1設(shè)置總線數(shù)位為8，否則為4位；db3=n=1顯示兩行，否則1行；db2=f=0=5*7點(diǎn)陣/每字符，1=5*10點(diǎn)陣/每字符*/ Delayms(1); Write_LCD_Command(0x01); /清屏 Delayms(1); Write_LCD_Command(0x06); /*db1=I/D=1寫入新數(shù)據(jù)后光標(biāo)右移，db0=s=0寫 入新數(shù)據(jù)后顯示屏不移動。否則整體右移一個字*/ Delayms(1);Write_LCD_Command(0x0c); /*db2=d=1顯示功能開；db1=c=0無光標(biāo)；db0=b=0光標(biāo)閃爍*/ Delayms(1);/*LCD顯示器的初始化寫指令*/void Write_LCD_Data(uchar dat) while(Busy_Check()&0x80)=0x80);RS = 1; /0輸入指令，1輸入數(shù)據(jù)RW = 0;/0向LCD寫入指令或數(shù)據(jù)，1從LCD