畢業(yè)設計（論文）基于單機片的數(shù)字式熱敏電阻溫度計設計

1、 云南廣播電視大學 云南國防工業(yè)職業(yè)技術學院電子工程學院電子工程學院畢業(yè)論文（設計）課 題 數(shù)字式熱敏電阻溫度計 教 研 室 電子教研室電子教研室 專 業(yè) 應用電子技術應用電子技術 班 級 0808 級應用電子班級應用電子班 學生姓名 學號 導師姓名 職稱 助助 教教 2011 年年 1 月月 9 日日i摘摘 要要溫度作為一個重要的物理量，是工業(yè)生產過程中最普遍、最重要的工藝參數(shù)之一，所以溫度測量技術和測量儀器的研究是一個重要的課題。隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術已經(jīng)伸入到各個領域，基于單片機數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，其輸出溫度采用數(shù)字顯示。該論文仔細研究了美國

2、 dallas 公司開發(fā)的一線總線技術及其通信協(xié)議。論文首先詳細介紹了一線總線智能溫度傳感器 ds18b20 及單片機工作原理，在此基礎上，設計了相應的硬件原理圖及軟件程序，實現(xiàn)了溫度檢測與顯示環(huán)節(jié)。關鍵詞關鍵詞：單片機，數(shù)字溫度傳感器，ds18b20iiabstractabstracttemperature as an important physics, industrial production process in the most general, one of the most important parameters, so the temperature measurement

3、 technology and measurement instrument research is an important topic. with the progress of the times and development, microcontroller technology has dipped into various areas, based on single-chip digital thermometer and traditional thermometer readings, compared with convenient, temperature measur

4、ement range, its output temperature using digital display. this paper studied the american dallas company development 1-wire bus technology and communication protocols. it firstly introduces in detail 1-wire bus intelligent temperature sensor ds18b20 and single-chip microcomputer principle, on this

5、basis, the corresponding hardware design principle diagram and software program, realized the temperature detection and display link. keywords:keywords: microcontroller, digital temperature, sensor ds18b20iii目目 錄錄第一章第一章 緒緒 論論.11.1 課題背景.11.2 國內外測溫狀況.11.3 溫度檢測技術介紹.3第二章第二章 數(shù)字式熱敏電阻溫度計的設計方案數(shù)字式熱敏電阻溫度計的設計方

6、案.52.1 方案一.52.2 方案二.62.3 方案比較與選擇.7第三章第三章 設計原理與結構設計原理與結構.73.1 ds18b20 結構及工作原理.73.2 單片機介紹.133.3 led 顯示器簡介.153.4 led 顯示器工作原理.16第四章第四章 系統(tǒng)結構及工作原理系統(tǒng)結構及工作原理.184.1 系統(tǒng)硬件原理圖及相關說明.184.2 系統(tǒng)軟件算法說明.19第五章第五章 系統(tǒng)程序的設計系統(tǒng)程序的設計.215.1 程序模塊設計.215.2 溫度數(shù)據(jù)的計算處理方法.26總總 結結.28參參 考考 文文 獻獻.30致致 謝謝.31附附 錄錄.321第一章第一章 緒緒 論論1.11.1 課

7、題背景課題背景 “工欲善其事，必先利其器” ，這是中國的一句古話，人們早就知道工具的重要性。隨著以知識經(jīng)濟為特征的信息時代的到來，人們對儀器儀表作用的認識愈加深入。作為工業(yè)自動化技術工具的自動化儀表與控制裝置，在高新技術的推動下，正跨入真正的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的時代。而溫度作為一個重要的物理量，是工業(yè)生產過程中最普遍、最重要的工藝參數(shù)之一。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對溫度測量的要求越來越高，而且測量的范圍也越來越廣，對溫度的檢測技術的要求也越來越高。因此，溫度測量和溫度測量技術的研究也是一個重要的研究課題。溫度傳感器是當前溫度檢測的主要器件，本課題的主要出發(fā)點是設計出測量溫度檢測的溫度連續(xù)檢測的

8、儀器。該論文主要講述了用溫度傳感測溫的主要原理、實際硬件電路的設計、軟件設計和調試分析。第一章介紹了溫度檢測現(xiàn)狀和儀器儀表的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章提出了幾種單片機數(shù)字溫度計的設計方案并作出比較。第三章講述了單片機系統(tǒng)硬件電路的設計過程，包括對智能溫度傳感器 ds18b20 詳細的介紹以及單片機系統(tǒng)的設計，并講述了儀器的軟件設計，給出了軟件流程圖，整套儀器是由單片機系統(tǒng)控制的，包括 led 顯示器、通訊接口等。第四章進行系統(tǒng)調試分析，這將有助于今后對系統(tǒng)的改進，以進一步提高系統(tǒng)的測量精度，并講述了通過本設計所得的結論和心得體會。1.21.2 國內外測溫狀況國內外測溫狀況隨著國內外工業(yè)的日益發(fā)展，溫度檢

9、測技術也不斷地進步，目前的溫度檢測使用的溫度計種類繁多、應用范圍也較廣泛，大致包括以下幾種方法：（1）利用物體熱脹冷縮原理制成的溫度計利用此原理制成的溫度計大致分成三大類：a 玻璃溫度計，它是利用玻璃感溫包內的測溫物質（水銀、酒精、甲苯、煤油等）受熱膨脹、遇冷收縮的原理進行溫度測量的；b 雙金屬溫度計，它是采用膨脹系數(shù)不同的兩種金屬牢固粘合在一起制成的雙金屬片作為感溫元件，當溫度變化時，一端固定的雙金屬片，由于兩種金屬膨脹系數(shù)不同而產生彎曲，自由端的位移通過傳動機構帶動指針指示出相應溫度；2c 壓力式溫度計，它是由感溫物質（氮氣、水銀、二甲苯、甲苯、甘油和低沸點液體如氯甲烷、氯乙烷等）隨溫度變

10、化，壓力發(fā)生相應變化，用彈簧管壓力表測出它的壓力值，經(jīng)換算得出被測物質的溫度值。（2）利用熱電效應技術制成的溫度檢測元件利用此技術制成的溫度檢測元件主要是熱電偶。熱電偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應用最廣泛的檢測元件。熱電偶具有結構簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點。常用的熱電偶有以下幾種：a 鎳鉻-鎳硅，型號為 wrn，分度號為 k，測溫范圍 0-900，短期可測 1200。b 鎳鉻-康銅，型號為 wrk，分度號為 f，測溫范圍 0-600，短期可測 800。c 鉑銠-鉑，型號為 wrp，分度號為 s，在 1300以下的溫度可長期使用，短期可測1600。d 鉑鍺 30-鉑鍺

11、6，型號為 wrr，分度號為 b，測溫范圍 300-1600，短期可測1800。（3）利用熱阻效應技術制成的溫度計用此技術制成的溫度計大致可分成以下幾種：a 電阻測溫元件，它是利用感溫元件（導體）的電阻隨溫度變化的性質，將電阻的變化值用顯示儀表反映出來，從而達到測溫的目的。目前常用的有鉑熱電阻（分度號為pt100，pt10 兩種）和銅熱電阻（分度號有 cu5o，cu100 兩種） 。b 導體測溫元件，它與熱電阻的溫阻特性剛好相反，即有很大副溫度系數(shù)，也就是說溫度升高時，其阻值降低。他們的關系為：0011()bttttrr e式中 rt在溫度 t(k)時的電阻值；rt0在溫度 t0(k)時的電阻

12、值；e自然對數(shù)的底；b常數(shù)，其值與半導體材料的成分和制作方法有關。c 陶瓷熱敏元件它的實質是利用半導體電阻的正溫特性，用半導體陶瓷材料制作而成的熱敏元件，常稱為 pci，或 nci 熱敏元件。pct 熱敏元件分為突變型和緩變型兩類。突變型 pct 元件的溫阻特性是當溫度達到頂點時，它的阻值突然變大，有限流功能，多數(shù)用于保護電器。緩變型 pci 元件的溫阻特性基本上隨溫度升高阻值慢慢增大，起溫度補償作用。nci 元件3特性與 pgt 元件的突變特性剛好相反，即隨溫度升高，它的阻值減小1。（4）利用熱輻射原理制成的高溫計輻射測溫在近年相對其他的測溫領域顯得活躍些，熱輻射高溫計通常分為兩種：一種是單

13、色輻射高溫計，一般稱光學高溫計；另一種是全輻射高溫計，它的原理是物體受熱輻射后，視物體本身的性質，能將其吸收、透過或反射。而受熱物體放出的輻射能的多少，與它的溫度有一定的關系。熱輻射式高溫計就是根據(jù)這種熱輻射原理制成的。（5）利用聲學原理進行溫度測量聲學法溫度檢測技術是近年來發(fā)展起來的一項新技術，利用該技術，可以對爐內的煙氣溫度測量值和火焰分布在線檢測，判斷爐的燃燒狀況，進行實時調節(jié)和控制。聲學溫度檢測技術的基本原理是通過測量聲波傳感器間的聲波傳播時間以最小二乘原理重建溫度的測量方法。1.31.3 溫度檢測技術介紹溫度檢測技術介紹近年來，在溫度檢測技術領域，多種新的檢測原理與技術的開發(fā)應用，已

14、取得了重大進展。新一代溫度檢測元件正在不斷出現(xiàn)和完善化。（1）晶體管溫度檢測元件半導體溫度檢測元件是具有代表性的溫度檢測元件。半導體的電阻溫度系數(shù)比金屬大 12 個數(shù)量級，二級管和三極管的 pn 結電壓、電容對溫度靈敏度很高?；谏鲜鰷y溫原理己研制了各種溫度檢測元件2。（2）集成電路溫度檢測元件利用硅晶體管基極發(fā)射極間電壓與溫度關系（即半導體 pn 結的溫度特性）進行溫度檢測，并把測溫、激勵、信號處理電路和放大電路集成一體，封裝于小型管殼內，即構成了集成電路溫度檢測元件。目前，國內外也進行了生產。（3）核磁共振溫度檢測器所謂核磁共振現(xiàn)象是指具有核自旋的物質置于靜磁場中時，當與靜磁場垂直方向加以

15、電磁波，會發(fā)生對某頻率電磁的吸收現(xiàn)象。利用共振吸收頻率隨溫度上升而減少的原理研制成的溫度檢測器，稱為核磁共振溫度檢測器。這種檢測器精度極高，可以測量出千分之一開爾文，而且輸出的頻率信號適于數(shù)字化運算處理，故是一種性能十分良好的溫度檢測器。在常溫下，可作理想的標準溫度計之用。（4）熱噪聲溫度檢測器它的原理是利用熱電阻元件產生的噪聲電壓與溫度的相關性。其特點是：4a 輸出噪聲電壓大小與溫度是比例關系；b 不受壓力影響；c 感溫元件的阻值幾乎不影響測量精確度；所以它是可以直接讀出絕對溫度值而不受材料和環(huán)境條件限制的溫度檢測器。（5）石英晶體溫度檢測器它采用 lc 或 y 型切割的石英晶片的共振頻率隨

16、溫度變化的特性來制作的。它利用 p技術，自動補償石英晶片的非線性，測量精度較高，一般可檢測到 0.001，所以可作標準檢測之用。（6）激光溫度檢測器激光測溫特別適于遠程測量和特殊環(huán)境下的溫度測量。用氦氖激光源的激光作反射計可測得很高的溫度，精度達 1%；用激光干涉和散射原理制作的溫度檢測器可測量更高的溫度，上限可達 3000，專門用于核聚變研究，但在工業(yè)上應用還需進一步開發(fā)和實驗。（7）微波溫度檢測器采用微波測溫可以達到快速測量高溫的目的。它是利用在不同溫度下，溫度與控制電壓成線性關系的原理制成的。這種檢測器的靈敏度為 250khz/，精度為1%左右，檢測范圍為 201400。（8）純貴金屬熱

17、電偶的研究由兩種純金屬組成的熱電偶，因其材料均勻性遠優(yōu)于合金材料，因而穩(wěn)定性好得多。在鉑銠合金熱電偶（s，r 型）的不確定度已很難提高之后，人們開始尋找由純貴金屬組成的熱電偶，以代替 s 和 r 型熱電偶，作為傳遞的標準3。（9）信息技術時代自動化系統(tǒng)中的溫度檢測儀表現(xiàn)代的工業(yè)過程自動化系統(tǒng)是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，它是信息技術進入工業(yè)自動化后出現(xiàn)的新一代的自動控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自控裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。所有的現(xiàn)場儀表（溫度檢測儀表是其中一種）均接到現(xiàn)場總線上。在這樣的系統(tǒng)中，通常不應使用各有不同輸出的溫度計，必須將輸出轉變成統(tǒng)一的電

18、信號，這樣“溫度計”就變成了“溫度變送器” 。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的溫度變送器主要是熱電偶變送器和熱電阻變送器，也有輻射溫度變送器。5第二章第二章 數(shù)字式熱敏電阻溫度計的設計方案數(shù)字式熱敏電阻溫度計的設計方案2.12.1 方案一方案一系統(tǒng)的硬件電路包括微控制器部分（主機），溫度檢測，人機對話（鍵盤/顯示）三個主要部分。系統(tǒng)結構框圖和硬件原理圖分別如圖 2-1 和圖 2-2 所示。圖 2-1 方案（一）系統(tǒng)結構框圖溫度檢測部分采用傳統(tǒng)的熱敏電阻，熱敏電阻的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化，變送器將電阻信號轉換成與溫度成正比的電壓信號，經(jīng) a/d 轉換器將其轉換為單片機可識別得二進制數(shù)字量，單片機主要控制

19、 led 顯示器顯示正確的溫度值，led 顯示器實現(xiàn)顯示功能。6圖 2-2 方案（一）系統(tǒng)硬件原理圖72.22.2 方案方案二二本方案與方案一的區(qū)別主要是在溫度檢測部分利用了一款新型的溫度檢測芯片 ds18b20，這個芯片大大簡化了溫度檢測模塊的設計，它無需 a/d 轉換，可直接將測得的溫度值以二進制形式輸出。該方案的原理框圖和硬件原理圖如圖 2-3 和圖 2-4 所示：led顯示器80c51單片機溫度傳感器ds18b20圖 2-3 方案（二）系統(tǒng)結構框圖ds18b20是美國達拉斯半導體公司生產的新型溫度檢測器件，它是單片結構，無需外加a/d即可輸出數(shù)字量，通訊采用單線制，同時該通訊線還可兼作

20、電源線，即具有寄生電源模式。它具有體積小、精度易保證、無需標定等特點，特別適合與單片機合用構成智能溫度檢測及控制系統(tǒng)。圖 2-4 方案（二）系統(tǒng)硬件原理圖82.32.3 方案比較與選擇方案比較與選擇方案（一）與方案（二）的主要區(qū)別在溫度檢測部分，方案（一）是采用熱敏電阻檢測溫度，然后利用 a/d 轉換器將溫度模擬量轉換為二進制數(shù)供單片機處理。方案（二）主要利用 ds18b20 這塊芯片進行溫度檢測，并將采集到的模擬量轉換為單片機識別的二進制數(shù)。方案（一）與方案（二）相比，它最大的特點就是它能檢測的溫度范圍很大，熱敏電阻的性能決定了整個設計的所能檢測的溫度范圍。方案（二）的溫度檢測范圍已經(jīng)由系統(tǒng)

21、中的 ds18b20 的特性所決定，它能檢測的溫度范圍為-55到 120，雖然其溫度檢測范圍很窄，但已足夠滿足一般測量需要，從整體上來看方案（二）比方案（一）更簡單，因為我們方案（二）是利用現(xiàn)有的智能溫度傳感芯片 ds18b20，他無需 a/d 轉換，直接輸出數(shù)字量。所以本設計中所使用的溫度測量電路是方案（二）的電路。第三章第三章 設計原理與結構設計原理與結構3.13.1 ds18b20ds18b20 結構及工作原理結構及工作原理溫度傳感器之所以考慮選擇單線數(shù)字器件 ds18b20，是在經(jīng)過多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因：系統(tǒng)成本：由于計算機技術和微電子技術的發(fā)展，新型大規(guī)模

22、集成電路功能越來越強大，體積越來越小，而價格也越來越低。一支 ds18b20 的體積與普通三極管相差無幾，價格只有十元人民幣左右。系統(tǒng)復雜度：由于 ds18b20 是單總線器件，一條總線上可以掛接多個ds18b20，因此，與模擬傳感器相比，可以大大減少接線的數(shù)量，而且不需要a/d 轉換器，降低系統(tǒng)的復雜度。系統(tǒng)的調試和維護，由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡化，給系統(tǒng)的調試帶來方便；同時，由于 ds18b20 是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強。圖 3-1 介紹了 ds18b20 的引腳和外觀，表 3-1 則對 ds18b20 各引腳進行了單獨介紹。9圖 3-1 ds18b20 引腳圖表

23、3-1 ds18b20 引腳說明引腳符號說明1gnd接地2dq單線運用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳漏極開路3vdd可選 vdd 引腳的兩種供電方式ds18b20 有兩種供電方式可供選擇，即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部供電方式。采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導線，但是完成溫度測量的時間較長；采取外部供電方式會多用一根于供電導線，好處是可以更快的得到溫度測量的結果6。ds18b20 內部結構框圖如圖 3-2 所示：圖 3-2 ds18b20 內部結構框圖101）特點描述采用單總線技術，與單片機通訊只要一根 i/o 線。通過比較系列號可以在一根線上掛接多個 ds18b20；低壓供電，電源范圍從 3v5.5v，也

24、可以直接從數(shù)據(jù)線上竊取電源；測溫范圍-55125攝氏度；數(shù)據(jù)位可編程 9-12 位，轉換 12 位溫度時間為 750ms（最大） ；用戶可自設定預警上下限溫度；報警搜索命令可識別和尋址那個器件的溫度至超出預定值。ds18b20 的另一特點是無外線電源工作能力。當總線為高時，穩(wěn)定電源的提供是通過單線上的上拉電阻實現(xiàn)的，總線信號“高”也控制內部電容（cpp） ，當總線為低時由電容為器件供電。從單線總線上獲得電源的方法被稱之為“寄生電源” 。ds18b20 也可以通過外部供電從 vdd 獲得電源。ds18b20 工作過程中的協(xié)議如下（1）初始化；（2）rom 操作命令；（3）存儲器操作命令；（4）處

25、理數(shù)據(jù)；2）64 位激光 rom 碼每一個 ds18b20 都有一個 64 位碼（見表 3-2）存在 rom 中。rom 碼的低 8位含有 ds18b20 的單線產品系列編碼：28h。接下來的 48 位包含了唯一的系列號。高 8 位包含有一個循環(huán)冗余校驗字節(jié)，它是根據(jù) rom 碼的前 56 位計算得到的。表 3-2 64 位激光 rom 碼 8 位 crc 48 位序列號 8 位系列編碼（10h） msb lsb msb lsb msb lsb3）溫度測量ds18b20 的存儲器如表 3-3 所示，存儲器由一個高速暫存便箋式 ram 和一11個非易失性 e2pram 組成，后者存儲上限溫度和下

26、限溫度的值，還有觸發(fā)器 th和 tl。暫存存儲器有助于在進行一線通信時，確保數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)首先寫入暫存存儲器，并在那里被讀回。當數(shù)據(jù)校驗之后。執(zhí)行復制暫存存儲器的命令，將數(shù)據(jù)傳送到非易失性存儲器 e2pram 中，這一過程確保了更改存儲器時數(shù)據(jù)的完整性。表 3-3 ds18b20 存儲器映像表存儲器位溫度 lsb1溫度 msb2th 用戶字節(jié) 13tl 用戶字節(jié) 24配置寄存器5保留6保留7保留8crc9暫存存貯器是按 8 位字節(jié)存儲器來組織的，前兩個字節(jié)包含溫度信息；第3 和第 4 個字節(jié)分別是 th 和 tl 的易失性拷貝，且在每一次上電復位時被刷新；第 5 個字節(jié)為配置寄存器，它的內

27、容用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率；6，7，8 的三個字節(jié)沒有使用，但是在讀回時它們呈現(xiàn)為邏輯全 1；第 9 個字節(jié)讀出前面 8 個字節(jié)的 crc 碼，用來校驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性7。ds18b20 通過使用在板 on-board 溫度測量專利技術來測量溫度，溫度測量電路的方框圖見下圖 3-3 所示：非易失性存儲器th 用戶字節(jié) 1tl 用戶字節(jié) 212圖 3-3 溫度測量電路ds18b20通過門開通期間內，低溫度系數(shù)振蕩器經(jīng)歷的時鐘周期個數(shù)計數(shù)來測量溫度。同時門開通期由高溫度系數(shù)振蕩器決定，計數(shù)器預置對應于-55的基數(shù)。如果在門開通期結束前計數(shù)器達到零，那么溫度寄存器仍被預置到-55

28、的數(shù)值。同時計數(shù)器用斜率累加器電路所決定的值進行預置。為了對遵循拋物線規(guī)律的振蕩器溫度特性進行補償，這種電路是必需的。時鐘再次使計數(shù)器計值，至它達到零。如果門開通時仍未結束，那么此過程再次重復。斜率累加器用于補償振蕩器溫度特性的非線性，以產生高分辨率的溫度測量。通過改變溫度每升高一度計數(shù)器必須經(jīng)歷的計數(shù)個數(shù)，來實行補償。因此為了獲得所需的分辨率，計數(shù)器的數(shù)值以及在給定溫度處每一攝氏度的計數(shù)個數(shù)（斜率累加器的值）都必須事先知道。當 ds18b20 接收到溫度轉換命令之后，開始啟動轉換。轉化完成后的溫度值以 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)。單片機可以通過單

29、線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 0.625/lsb 形式表示。溫度值格式如表 3-4 所示：當符號位s=0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制數(shù)轉化為十進制數(shù)；當符號為s=1時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算其對應的十進制數(shù)。表3-5說明了輸出數(shù)據(jù)與測量溫度的關系8：13表 3-4 溫度值格式表bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit023 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8sssss26 2524表3-5 模數(shù)轉換對應值溫度數(shù)字

30、輸出（二進制）十六進制表示12500000011 1101000007d0h8500000101 0101 0000055025.062500000001 100100010191h10.12500000000 1010001000a2h0.500000000 000010000008h000000000 000000000000h-0.511111111 11111000fff8h-10.12511111111 0101 1110ff5eh-25.062511111110 01101111fe5fh-5511111111 10010010fc90hds18b20 完成溫度轉換后，把測得的溫度

31、值與 ram 中的 th 和 tl 內容作比較，若 tth 或 ttl，則將該器件內的報警標志位置位，并對主機發(fā)的報警搜索命令作出響應，因此，可用多只 ds18b20 同時測量溫度并進行報警搜索。4）crc 的產生總線上的主機可以根據(jù)rom的前56位計算出crc的值，并把它與存貯在ds18b20內的crc值進行比較，以判斷rom的數(shù)據(jù)是否已被主機正確地接收。crc的等效多項式函數(shù)為： crc=x8+x5+x4+1ds18b20也利用與上述相同的多項式函數(shù)，產生一個8位crc值并把此值提供14給總線的主機，以確認數(shù)據(jù)字節(jié)的傳送。在使用crc來確認數(shù)據(jù)傳送的每一種情況中，總線主機必須使用上面給出的

32、多項式函數(shù)計算crc的值，并把計算所得的值或者與ds18b20中的8位crc值比較，或者與ds18b20中計算得到的8位crc值比較。crc值的比較和是否繼續(xù)操作都由總線主機來決定。當存儲在ds18b20內或由ds18b20計算得到的crc值與總線主機產生的值不相符合時，在ds18b20內沒有電路來阻止命令序列的繼續(xù)執(zhí)行。總線crc可以使用如圖3-4所示的一個移位寄存器和異或（xor）門組成的多項式產生器來產生。圖 3-4 單線 crc 編碼3.23.2 單片機介紹單片機介紹目前，單片機的種類很多，mcs-51 8 位單片機系列、mcs-96 16 位單片機系列，還出現(xiàn)了 32 位單片機。位數(shù)

33、越高，運算速度越快。由于 intel 公司的這種 mcs 系列的經(jīng)典體系結構、極好的兼容性和其最徹底的技術開放政策，許多電器商、半導體商（如：atmel, phlips, ananog devices, dallas 等）以 mcs系列單片機的基本內核為內核開發(fā)了眾多芯片。其中，以 mcs-51 系列系統(tǒng)結構為核心的單片機更是品種繁多，統(tǒng)稱為 8051 和 80c51（chmos 工藝） 。本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理上速度要求不是很高，8 位單片機即可。因此，選用mcs-51 系列單片機?？紤]到功耗問題（如：8051 功耗為 630mw，而 80c51 為120mw） ，本系統(tǒng)選用 chmos 工藝的芯

34、片。又因本系統(tǒng)需要處理數(shù)量較大的數(shù)據(jù)，程序占用空間也較大，而對定時器計數(shù)器和中斷源的數(shù)量要求不多。結合現(xiàn)有的單片機開發(fā)系統(tǒng)（偉福仿真器 e6000） ，本系統(tǒng)選用 80c51 系列單片機。下面對 i/o 并行口進行說明：15p0 口：p0 口是一個漏極開路的 8 位雙向 i/o 端口，每位能驅動 8 個 ls 型ttl 負載。共有 8 條引腳，有兩種不同功能。第一種是 8031 不帶片外存儲器，p0 口可以作為通用 i/o 口使用，用于傳送 cpu 的輸入輸出數(shù)據(jù)。這時，輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性：第二種是 8031 帶片外存儲器，

35、p0 口在 cpu 訪問片外存儲器時先用于傳送片外存儲器的低 8 位地址，然后傳送 cpu 對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)9。p1 口：p1 口是一個帶內部上拉電阻的 8 位準雙向 1/o 端口，在 p1 口作為輸入口使用時，應先向 p1 口鎖存器（地址 90h）寫入全 1，此時 p1 口引腳由內部上拉為高電平。當 p1 口作為通用 i/o 口使用時，p1.7p1.0 的功能和 p0 口的第一功能相同，也用于傳輸用戶的輸入或輸出數(shù)據(jù)。p2 口：p2 口也是一個帶內部上拉電阻的 8 位準雙向 i/o 端口。p2 口的每一位能驅動（吸收或輸出電流）4 個 ls 型 ttl 負載。它也有兩種功能。第一功能是

36、可以作為通用 i/o 口使用；第二功能是和 p0 口第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高 8 位地址，共同選中片外存儲器單元，但不能像 p0 口那樣傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。p3 口：是一個帶內部上拉電阻的 8 位準雙向 i/o 端口，第一功能和p0，p1，p2 的第一功能相同，第二功能作為控制用，每個引腳功能并不完全相同10，如表 3-6 所示：表 3-6 p3 口各位功能表p3 口的位第二功能注釋p3.0rxd串行數(shù)據(jù)接收口p3.1txd串行數(shù)據(jù)發(fā)送口p3.2int0外部中斷 0 輸入p3.3int1外部中斷 1 輸入p3.4t0計數(shù)器 0 的外部輸入p3.5t1計數(shù)器 1 的外部輸入p3.

37、6wr外部 ram 的寫選通信號16p3.7rd外部 ram 的讀選通信號3.33.3 ledled 顯示器簡介顯示器簡介通過發(fā)光二極管芯片的適當連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）和適當?shù)墓鈱W結構?？蓸嫵砂l(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點。由這些發(fā)光段或發(fā)光點可以組成數(shù)碼管、符號管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數(shù)碼管、符號管、米字管共稱筆畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩陣管統(tǒng)稱為字符顯示器。（一）led 顯示器結構基本的半導體數(shù)碼管是由七個條狀發(fā)光二極管芯片按圖 12 排列而成的?？蓪崿F(xiàn) 09 的顯示。其具體結構有“反射罩式” 、 “條形七段式”及“單片集成式多位數(shù)字式”等 （1）反射罩式數(shù)碼管一般用白色

38、塑料做成帶反射腔的七段式外殼，將單個led 貼在與反射罩的七個反射腔互相對位的印刷電路板上，每個反射腔底部的中心位置就是 led 芯片。在裝反射罩前，用壓焊方法在芯片和印刷電路上相應金屬條之間連好 30m 的硅鋁絲或金屬引線，在反射罩內滴入環(huán)氧樹脂，再把帶有芯片的印刷電路板與反射罩對位粘合，然后固化。反射罩式數(shù)碼管的封裝方式有空封和實封兩種。實封方式采用散射劑和染料的環(huán)氧樹脂，較多地用于一位或雙位器件?？辗夥绞绞窃谏戏缴w上濾波片和勻光膜，為提高器件的可靠性，必須在芯片和底板上涂以透明絕緣膠，這還可以提高光效率。這種方式一般用于四位以上的數(shù)字顯示（或符號顯示） 。（2）條形七段式數(shù)碼管屬于混合封

39、裝形式。它是把做好管芯的磷化鎵或磷化鎵圓片，劃成內含一只或數(shù)只 led 發(fā)光條，然后把同樣的七條粘在日字形“可伐”框上，用壓焊工藝連好內引線，再用環(huán)氧樹脂包封起來。 （3）單片集成式多位數(shù)字顯示器是在發(fā)光材料基片上（大圓片） ，利用集成電路工藝制作出大量七段數(shù)字顯示圖形，通過劃片把合格芯片選出，對位貼在印刷電路板上，用壓焊工藝引出引線，再在上面蓋上“魚眼透鏡”外殼。它們適用于小型數(shù)字儀表中。 （4）符號管、米字管的制作方式與數(shù)碼管類似。 （5）矩陣管（發(fā)光二極管點陣）也可采用類似于單片集成式多位數(shù)字顯示17器工藝方法制作。（二）led 顯示器分類（1）按字高分：筆畫顯示器字高最小有 1mm（單

40、片集成式多位數(shù)碼管字高一般在 23mm） 。其他類型筆畫顯示器最高可達 12.7mm（0.5 英寸）甚至達數(shù)百 mm。 （2）按顏色分有紅、橙、黃、綠等數(shù)種。 （3）按結構分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式。 （4）從各發(fā)光段電極連接方式分有共陽極和共陰極兩種。（三）led 顯示器的參數(shù)由于 led 顯示器是以 led 為基礎的，所以它的光、電特性及極限參數(shù)意義大部分與發(fā)光二極管的相同。但由于 led 顯示器內含多個發(fā)光二極管，所以需有兩個特殊參數(shù)，第一、發(fā)光強度比（由于數(shù)碼管各段在同樣的驅動電壓時，各段正向電流不相同，所以各段發(fā)光強度不同。所有段的發(fā)光強度值中最大值與最小值之比為發(fā)光強度

41、比。比值可以在 1.52.3 間，最大不能超過 2.5）第二、脈沖正向電流（若筆畫顯示器每段典型正向直流工作電流為 if，則在脈沖下，正向電流可以遠大于 if。脈沖占空比越小，脈沖正向電流可以越大）3.43.4 ledled 顯示器工作原理顯示器工作原理發(fā)光二極管一般為砷化鎵半導體二極管，在發(fā)光二極管兩端加上正電壓，發(fā)光二極管發(fā)光。而數(shù)碼管 led 是由若干個二極管組合而成的，一般的“8”字型 led 由“a，b，c，d，e，f，g，dp”8 個發(fā)光二極管組成，如圖 3-5 所示，每個發(fā)光二極管稱為一個字段。圖 3-5 七段 led 結構及外形圖18七段 led 有共陰極和共陽極兩種結構形式。

42、顯示電路一般分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩類。（1）共陽極接法把發(fā)光二極管的陽極連接在一起構成公共陽極。使用時公共陽極接 vcc，當某陰極端為低電平時，該發(fā)光二極管就導通發(fā)光。（2）共陰極接法把發(fā)光二極管的陰極連在一起構成公共陰極。使用時公共陰極接 gnd，當某陽極端為高電平時，該段發(fā)光二極管就導通發(fā)光。七段 led 包含七段發(fā)光二極管和小數(shù)位發(fā)光二極管，共需 8 位 i/o 口線控制，其代碼為一個字節(jié)。七段 led 字型碼見表 3-7 所示。表 3-7 七段 led 字形碼顯示字符共陰極字形碼共陽極字形碼顯示字符共陰極 字形碼共陽極字形碼03fhc0hc39hc6h106hf9hd5eha1h25

43、bha4he79h86h34fhb0hf71h8eh466h99hp73h8ch56dh92hu3ehc1h67dh82hr31hceh707hf8hy6eh91h87fh80hh76h89h96fh90hl38hc7ha77h88h“滅”00hffhb7ch83h19第四章第四章 系統(tǒng)結構及工作原理系統(tǒng)結構及工作原理4.14.1 系統(tǒng)硬件原理圖及相關說明系統(tǒng)硬件原理圖及相關說明本設計硬件原理圖如圖 4-7 所示：圖 4-7 單片機溫度計硬件設計原理圖下面對該電路圖進行簡要的說明：（1）基于 80c51 單片機及其外圍電路的主機控制單元：80c51 單片機功能強、i/o 口多，它們分別是 p0

44、 口、p1 口、p2 口和 p3 口。本設計中利用了其中的 2 個 i/o 口，與本系統(tǒng)其它部分連接，分別實現(xiàn)了不同的功能：p1 口輸出段碼，通過 74ls244 連接 4 個 led 顯示器。列掃描用p3.0p3.3 口來實現(xiàn)，列驅動使用 9012 三極管。p3.7 口連接 ds18b20 的輸出。（2）ds18b20 串行組成的一線總線型網(wǎng)絡由 ds18b20 組成的一線總線網(wǎng)絡，由三條線連接。它們分別是電源線、數(shù)據(jù)傳輸線和地線。電源線根據(jù) ds18b20 的要求，使用 5v 的直流供電。在具體設20計上可以和 80c51 使用同一個電壓源。數(shù)據(jù)傳輸線直接連接在 p3 口的 p3.7 引腳

45、上，對應著 p3 寄存器的 p3.7 數(shù)據(jù)位，因此主機對總線上的 ds18b20 的操作實際上就是對 p3.7 數(shù)據(jù)位的操作12。（3）led 數(shù)字顯示及其驅動電路ds18b20 測溫范圍上限是 125，加上一個小數(shù)位，因此溫度的十進制顯示需要用 4 位 led 顯示。這里的 led 驅動器選擇了 74ls244，74ls244 是一個兩4 位三態(tài)緩沖器，其引腳如圖 3-8 所示，當它的控制端和為低電平時，輸出 y的狀態(tài)與輸入端 a 相同：當和為高電平時，輸出成高阻狀態(tài)。輸入設備的數(shù)據(jù)可在 74ls244 中得到緩沖。圖 4-8 74ls244 外部引腳圖4.24.2 系統(tǒng)軟件算法說明系統(tǒng)軟件

46、算法說明（1）程序開始后，80c51 向 ds18b20 發(fā)送 read rom 命令；（2）ds18b20 向 80c51 發(fā)送 64 位 rom 碼，80c51 將收到的 rom 碼存入數(shù)據(jù)暫存存儲器；（3）80c51 向總線發(fā)送復位脈沖后釋放總線；（4）80c51 向總線發(fā)送 convert t 命令并延時 1-2 秒鐘，ds18b20 開始進行溫度轉換，并將結果存入存儲器；（5）80c51 向總線發(fā)送復位脈沖，收到響應存在脈沖后，向總線發(fā)送match rom 命令；（6）80c51 向總線發(fā)送 rom 編碼，該 rom 碼的 ds18b20 開始響應；（7）80c51 向總線發(fā)送 re

47、ad scratchpad 命令并釋放總線；（8）ds18b20 向總線發(fā)送存儲器里存放的溫度轉換結果；21（9）80c51 將接收到的結果轉換成十進制，并通過 led 數(shù)碼管顯示出來；80c51向p3.7發(fā)送復位脈沖釋放總線 80c51向總線發(fā)出convert t命令ds18b20向80c51發(fā)送rom碼并存儲80c51向ds18b20發(fā)送read rom命令 ds18b20開始溫度轉換并儲存結果 80c51向總線發(fā)送復位脈沖 80c51向總線發(fā)送match rom命令80c51接收數(shù)據(jù)并控制led顯示ds18b20向總線發(fā)送溫度轉換結果 80c51向總線發(fā)出read scratchpad命

48、令結束開始 總線上的ds18b20開始響應圖 4-9 系統(tǒng)工作流程圖當系統(tǒng)進入溫度監(jiān)測運行之后，是無法再進入讀 rom 操作的。系統(tǒng)每次重啟進入溫度監(jiān)測運行模式之后，都要重新搜索總線上 ds18b20 的 rom 碼。所以，如果在系統(tǒng)重啟之前改變總線上的 ds18b20，那么系統(tǒng)就會重新為 ds18b20 排序和編號。用戶在每次重啟的時候都需要注意這個問題。要看看總線上的ds18b20 是否有變動。如果有變動，就必須重新為這些 ds18b20 的編號做記錄。反過來說，如果系統(tǒng)總線上的 ds18b20 發(fā)生變動，就必須重啟系統(tǒng)。重新搜索ds18b20 的 rom 碼。22第五章第五章 系統(tǒng)程序的

49、設計系統(tǒng)程序的設計5.15.1 程序模塊設計程序模塊設計系統(tǒng)程序主要包括 c 程序主函數(shù)、ds18b20 復位函數(shù)、ds18b20 寫字節(jié)函數(shù)、ds18b20 讀字節(jié)函數(shù)、溫度計算轉換函數(shù)和顯示函數(shù)。1：主函數(shù)主函數(shù)的主要功能是初始化并負責溫度的讀出、處理計算及顯示。溫度測量每 2s 進行一次，其程序流程如圖 5-1 所示：初始化開機顯示“8888”顯示2s讀出溫度值，主機發(fā)出溫度轉換命令，溫度計算處理顯示溫度值2s圖 5-1 ds18b20 數(shù)字溫度計主函數(shù)流程圖2：ds18b20 復位函數(shù)復位函數(shù)時序如圖 5-1 所示，總線 t0 時刻發(fā)送一復位脈沖，接著在 t1 時刻釋放總線并進入接收狀

50、態(tài)，ds18b20 在總線的上升沿之后等待 1560s，然后在t2 時刻發(fā)出存在脈沖，如圖虛線所示，單片機接收到低電平脈沖說明復位成功，否則需要重新進行復位操作。23圖 5-1 ds18b20 復位時序 3：ds18b20 寫字節(jié)函數(shù)當主機總線 t0 時刻從高拉至低電平時就產生寫時間隙，寫位時序見圖 3-12。從 t0 時刻開始 15s 之內主機應將所需寫的位送到總線上，ds18b20 在 t0后 1560s 內對總線電平采樣。連續(xù)寫兩位的間隙應大于 1s。圖 5-2 ds18b20 寫 0 和寫 1 時序4：讀字節(jié)函數(shù)如圖 5-3 所示為讀位時序函數(shù)，主機總線 t0 時刻從高拉至低電平時，總

51、線需要保持低電平 14s，之后在 t1 時刻將總線拉高產生讀時間隙，讀時間隙在 t1 時刻后 t2 時刻前有效，t2 距 t015s，也就是說 t2 時刻前主機必須完成讀位并在 t0 后的 60120s 內釋放總線。連續(xù)讀 2 位的間隙應大于 1s。圖 5-3 讀位函數(shù)時序245：溫度計算轉換函數(shù)溫度數(shù)據(jù)處理程序將 12 位溫度值進行 bcd 碼轉換運算，并進行溫度值正負的判斷，其程序流程如圖 3-14 所示：溫度值取補碼置“-”標志開始溫度零下？計算小數(shù)位的bcd碼計算整數(shù)位的bcd碼返回yn圖 5-4 溫度計算轉換函數(shù)流程圖6：ds18b20 的主要 rom 命令和存儲器命令一旦總線主機檢

52、測到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出某個 rom 操作命令。所有 rom 操作命令均為 8 位長，這些命令列表如下表 5-5 所示：表 5-5 rom 操作指令指令說明代碼總線操作read rom讀 rom33hds18b20 發(fā)送 rom 碼match rom匹配 romcch主機發(fā)送 rom 碼skip rom跳過 rom55h主機發(fā)出存儲器命令search rom搜索 romf0hds18b20 發(fā)送第一位“與”alarm search告警搜索echds18b20 發(fā)送“0”或“1”25（1）read rom（讀 rom）33h此命令允許總線主機讀 ds18b20 的 8 位產品系列編碼、唯

53、一的 48 位序列號，以及 8 位的 crc。此命令只能在總線上僅有一個 ds18b20 的情況下使用。如果總線上存在多于一個的從屬器件，那么當所有從片企圖同時發(fā)送時，總線上將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象，漏極開路會產生線與的結果。（2）match rom（匹配 rom）55h符合 rom 命令，后繼以 64 位的 rom 數(shù)據(jù)序列，使總線主機能對總線上特定的 ds18b20 尋址。只有與 64 位 rom 序列嚴格相符的 ds18b20 才能對后繼的存貯器操作命令做出響應。所有與 64 位 rom 序列不符的從機將停止響應，等待復位脈沖。此命令在總線上有單個或多個器件的情況下均可使用。（3）skip

54、rom（跳過 rom）cch在單點總線系統(tǒng)中，此命令允許總線主機不提供 64 位 rom 編碼而訪問存儲器。由于該命令可以命令總線上所有從機同時進行相同的操作，因此能夠縮短系統(tǒng)運行的周期。如果在總線上存在多于一個的從屬器件，而且在 skip rom命令之后，又指令所有從機向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，那么會在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，并產生“線與”的效果16。（4）search rom（搜索 rom）f0h當系統(tǒng)開始工作時，總線主機可能不知道總線上器件的個數(shù)，或者是不知道它們的 64 位 rom 編碼，搜索 rom 命令允許總線主機使用一種消去處理，來識別總線上所有從片的 64 位 rom 編碼以及得知總線上 d

55、s18b20 的數(shù)量。（5）alarm search（告警搜索）ech此命令的流程與搜索 rom 命令相同。但是，僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)告警的情況下，ds18b20 才對此命令作出響應。告警的條件定義為溫度高于 th 或低于 tl。只要 ds18b20 一上電，告警條件就保持在設置狀態(tài)，直到另一次溫度測量顯示出非告警值，或者改變 th 或 tl 的設置使得測量值再一次位于允許的范圍內。貯存在 e2prom 的觸發(fā)器值用于告警。ds18b20 的 rom 操作命令設置，不但能夠幫助實現(xiàn)“一主多從”的溫度檢測網(wǎng)絡，同時由于 skip rom 命令的設置，在加快系統(tǒng)運行周期方面也具有獨特的優(yōu)勢。主

56、機在進入操作程序前必須接入 ds18b20，用 rom 命令建立與目標26ds18b20 的通信。程序中如果先有 skip rom 命令，然后執(zhí)行 convert t 命令，即是啟動所有 ds18b20 進行溫度變換。之后通過 match rom 再逐一地讀回每個 ds18b20 的溫度數(shù)據(jù)。在 ds18b20 組成的測溫系統(tǒng)中，主機在發(fā)出 skip rom 命令之后再發(fā)出統(tǒng)一的溫度轉換啟動碼 44h，就可以實現(xiàn)所有溫度轉換。再經(jīng)過 12s 后，就能用很少的時間去讀取，這種方式使得系統(tǒng)的運行周期小于傳統(tǒng)方式。傳統(tǒng)方式中由于采取公用的放大電路和 a/d 轉換器，只能讓傳感器的測量結果逐一轉換。（

57、6）read scratchpad（讀暫存存儲器）beh此命令讀暫存存儲器的內容，讀操作開始于字節(jié)“0”并繼續(xù)經(jīng)過暫存存儲器直至第九個字節(jié)，直到 crc 被讀出為止。如果不是所有位置均可讀，那么主機可以在任何時候發(fā)出復位脈沖以中止讀操作。（7）copy scratchpad（復制暫存存儲器）48h此命令把暫存存儲器復制入 ds18b20 的 e2 存儲器，把溫度觸發(fā)器字節(jié)存入非易失性存儲器。如果總線主機在此命令之后發(fā)出讀時間片，那么當ds18b20 正忙于把暫存存儲器復制入 e2 時，它就會在總線上輸出 0，當復制過程完成之后它將返回 1。如果由寄生電源供電，總線主機在發(fā)出此命令之后必須能立即

58、強制上拉至少 l0ms。（8）write scratchpad（寫暫存存儲器）4eh此命令將兩個溫度閾值寫入 ds18b20 的存儲器。當測量溫度超過閾值范圍時，傳感器將發(fā)出報警信號。（9）convert t（溫度變換）44h此命令開始溫度變換。不需要另外的數(shù)據(jù)，溫度變換將被執(zhí)行。接著ds18b20 便保持在空閑狀態(tài)。如果總線主機在此命令之后發(fā)出讀時間片，此時如果 ds18b20 正忙于進行溫度變換，它將在總線上輸出 0。當溫度變換完成時它便返回 1。如果由寄生電源供電，那么總線主機在發(fā)出此命令之后必須立即強制上拉至少 2 秒。（10）recall e2（重新調出 e2 內的數(shù)據(jù)）b8h此命令

59、把存儲溫度觸發(fā)器的值重新調至暫存存儲器。這種重新調出的操作27在 ds18b20 上電時也會自動發(fā)生。因此只要器件一接電，暫存存儲器內就有有效的數(shù)據(jù)可供使用。在此命令發(fā)出之后，對于所發(fā)出的每一個讀數(shù)據(jù)時間片，器件都將輸出其忙的標志：“0”代表忙， “1”代表準備就緒。（11）read power supply（讀電源）b4h對于在此命令送至 ds18b20 之后所發(fā)出的第一讀出數(shù)據(jù)的時間片器件都會給出其電源方式的：“0”代表寄生電源供電；“1”代表外部電源供電。表 5-6 存儲器操作命令指令說明代碼總線操作convert t啟動溫度變換44h總線釋放等待 12 秒read scratchpad

60、從暫存存儲器讀字節(jié)behds18b20 發(fā)出存儲器內數(shù)據(jù)write scratchpad寫字節(jié)入 th 和 tl4eh主機向存儲器發(fā)送數(shù)據(jù)copy scratchpad存儲器內容復制 e243hds18b20“復制忙”狀態(tài)recall e2e2 內容重新調入存儲器e3hds18b20“讀數(shù)據(jù)忙”狀態(tài)read power supply檢測 ds18b20 供電方式b4h讀電源5.25.2 溫度數(shù)據(jù)的計算處理方法溫度數(shù)據(jù)的計算處理方法從 ds18b20 讀取的二進制數(shù)值必須先轉換為十進制數(shù)值，才能用于字符的顯示。因為 ds18b20 的轉換精度為 912 位可選，為了提高精度采用 12 位。在采用