基于單片機(jī)和DS18B20的溫度傳感器

任務(wù)書利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)結(jié)合來測量溫度。利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量溫度信號，計算后在LED數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的溫度值。其溫度測量范圍為?55℃～125℃，精確到0.5℃。數(shù)字溫度計所測量的溫度采用數(shù)字顯示，控制器使用單片機(jī)AT目錄緒論……………………3單片機(jī)概述…………………3選題背景及設(shè)計意義………3設(shè)計方案論證………4硬件設(shè)計…………6硬件電路的設(shè)計…………………61、時鐘電路………………72、復(fù)位電路…………83、顯示電路……………102、2元器件的介紹…………111、單片機(jī)AT89C51……112、溫度傳感器DS18B20………………15第三章、系統(tǒng)軟件設(shè)計…………171、系統(tǒng)工作流程圖………172、溫度傳感器子程序流程圖……………18第四章、匯編語言程序局部〔略〕………………19第五章、調(diào)試局部…………………19參考文獻(xiàn)…………20第一章緒 論1.1單片機(jī)概述單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特征是將組成計算機(jī)的根本部件集成在一塊晶體芯片上，構(gòu)成一臺功能獨(dú)特的單片微型計算機(jī)。一臺典型的單片機(jī)的根本組成結(jié)構(gòu)包括中央處理器〔CPU〕，存儲器〔ROM和RAM〕，并行I/O口，串行I/O口，定時器/計數(shù)器，定時電路及元件。由此可見，單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了常規(guī)的按邏輯功能劃分芯片。由多片構(gòu)成了微型計算機(jī)的設(shè)計思想，將構(gòu)成計算機(jī)的許多功能集成在一塊晶體芯片上。1.2選題背景及設(shè)計意義最早的溫度計是在1593年由意大利科學(xué)家伽利略創(chuàng)造的。他的第一只溫度計是一根一端敞口的玻璃管，另一端帶有核桃大的玻璃泡。使用時先給玻璃泡加熱，然后把玻璃管插入水中。隨著溫度的變化，玻璃管中的水面就會上下移動，根據(jù)移動的多少就可以判定溫度的變化和溫度的上下。這種溫度計，受外界大氣壓強(qiáng)等環(huán)境因素的影響較大，所以測量誤差大。本設(shè)計所介紹的數(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，測溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比擬準(zhǔn)確的場所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用。它具有結(jié)構(gòu)簡單,不需外接元件,采用一根I/O數(shù)據(jù)線既可供電又可傳輸數(shù)據(jù)，該設(shè)計控制器使用單片機(jī)AT89C51，測溫傳感器使用DS18B20,，實(shí)現(xiàn)溫度顯示，能準(zhǔn)確到達(dá)以下要求:測溫范圍-55℃～125℃精度誤差小于0.51.3設(shè)計方案論證方案一：本電路是溫度計的設(shè)計，在測溫電路中利用熱敏電阻器件的感溫效應(yīng)，將隨被測溫變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過顯示電路就可以顯示出來。方案二：在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制，傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要比擬多的外部硬件支持，硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作本錢高。方案三：基于單片機(jī)的溫度傳感器設(shè)計的數(shù)字溫度計已經(jīng)很成熟，各種精度很高的溫度計不斷推出。數(shù)字溫度計要求檢測的精度必須高于控制的精確度，否那么無從實(shí)現(xiàn)控制的精度要求。所以精度已經(jīng)成為數(shù)字溫度計的一項(xiàng)重要的性能參數(shù)。因此追求高精度是數(shù)字溫度計的一個目標(biāo)。不僅如此，檢測還涉及國計民生各個部門，可以說在所以科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域無時不在進(jìn)行檢測。科學(xué)技術(shù)的開展和檢測技術(shù)的開展是密切相關(guān)的。現(xiàn)代化的檢測手段能到達(dá)的精度、靈敏度及測量范圍等，在很大程度上決定了科學(xué)技術(shù)的開展水平。同時，科學(xué)技術(shù)的開展到達(dá)的水平越高，又為檢測技術(shù)、傳感器技術(shù)提供了新的前提手段。目前市場上出現(xiàn)了很多傳感器，很多精度高的傳感器已經(jīng)出現(xiàn)，而且精度越來越高。數(shù)字溫度計未來將會更精確、更人性化，為我們做出更多奉獻(xiàn)。為此我們選擇方案三的設(shè)計，框圖如下。單片機(jī)復(fù)位單片機(jī)復(fù)位時鐘振蕩主控制器LED顯示DS18B20溫度傳感器第二章硬件設(shè)計2.1硬件電路的設(shè)計本設(shè)計系統(tǒng)共由三局部組成：①AT89C51為控制裝置，負(fù)責(zé)各局部的控制和數(shù)據(jù)采集。③DS18B20為溫度測量裝置，負(fù)責(zé)對溫度進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送AT89C51進(jìn)行處理。④共陽極數(shù)碼管為顯示裝置，負(fù)責(zé)顯示工作狀態(tài)和DS18B20采集到的數(shù)據(jù)。注：LED數(shù)碼管驅(qū)動電路中采用P0口加上拉電阻的形式，為方便焊接，本設(shè)計中電阻使用了排阻的方式，三極管使用的是S9012.1、時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時鐘信號，時序是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系。為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地按時序進(jìn)行工作。在AT89C51單片機(jī)內(nèi)部帶有時鐘電路，因此，只需要在片外通過XTAL1和XTAL2引腳接入定時控制元件(晶體振蕩器和電容)，即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。在AT89s51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容。在單片機(jī)的XTAL1腳和XTAL2腳之間并接一個晶體振蕩器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益的反相放大器，XTAL1為內(nèi)部反相放大器的輸入端，XTAL2為內(nèi)部反相放大器的輸出端，在其兩端接上晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩電路，并產(chǎn)生振蕩脈沖，振蕩電路輸出的脈沖信號的頻率就是晶振的固有頻率。AT89C51的時鐘電路如圖2.2所示:圖2.2時鐘電路2、復(fù)位電路復(fù)位的功能:復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其目的是使CPU和系統(tǒng)中各部分處于一個確定的狀態(tài)，并從這一狀態(tài)開始工作。系統(tǒng)上電路或死機(jī)后都要進(jìn)行復(fù)位操作。單片機(jī)復(fù)位時，將程序計數(shù)器PC初始化為0000H，說明復(fù)位后程序從0000H地址單元開始執(zhí)行，同時復(fù)位時輸出控制信號ALE，PSEN均為高電平。復(fù)位后，P0～P3口輸出高電平，且使準(zhǔn)雙向口均處于輸入狀態(tài)。復(fù)位不改變片內(nèi)RAM單元的內(nèi)容，但使各特殊功能存放器SFR回復(fù)到初始狀態(tài)，復(fù)位后各特殊功能存放器均恢復(fù)初始狀態(tài)?，F(xiàn)簡要說明各主要存放器功能：PSW=00H：說明復(fù)位后自動選擇第0組工作存放器組為當(dāng)前工作存放器組SP=07H：說明堆棧指針指向片內(nèi)RAM07H單元，堆棧的壓入操作為先加后壓，所以第一個被壓入的數(shù)據(jù)存放在08H單元中

P0～P3=FFH：說明各端口寫入1，此時各端口既可作輸入口，也可以作輸出口

AUXR=XXX00XX0：說明ALE引腳在CPU不訪問外部存儲器期間有脈沖信號輸出

AUXR1=XXXXXXX0：說明選擇DPTR0作數(shù)據(jù)指針

IE=00H：說明各中斷均關(guān)閉

TCON=00H：說明T0，T1均被停止

SCON=00H：說明串口處于方式0，允許發(fā)送，不允許接收

PCON=00H：說明SMOD=0，波特率不加倍。PD=0，IDL=0，單片機(jī)處于正常工作方式。

單片機(jī)的RST引腳為復(fù)位引腳，振蕩電路正常工作后，RST端加上持續(xù)兩個機(jī)器周期的高電平后，單片機(jī)就被復(fù)位。復(fù)位電路有3種根本方式：上電復(fù)位，開關(guān)復(fù)位和看門狗復(fù)位。這里只介紹上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。復(fù)位電路有3種根本方式：上電復(fù)位，開關(guān)復(fù)位和看門狗復(fù)位。本系統(tǒng)使用的是上電復(fù)位。所謂上電復(fù)位就是單片機(jī)只要一上電就自動實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。常用的上電復(fù)位電路如圖1所示圖1顯示電路單片機(jī)系統(tǒng)中常用的顯示器有：發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)顯示器、液晶LCD(LiquidCrystalDisplay)顯示器、CRT顯示器等。LED、LCD顯示器有兩種顯示結(jié)構(gòu)：段顯示〔7段、米字型等〕和點(diǎn)陣顯示〔5×8、8×8點(diǎn)陣等〕?！?〕靜態(tài)顯示方式LED顯示器工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是每個數(shù)碼管必須接一個8位鎖存器用來鎖存待顯示的字形碼。送入一次字形碼顯示字形一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是占用CPU時間少，顯示便于監(jiān)測和控制。缺點(diǎn)是硬件電路比擬復(fù)雜，本錢較高。〔2〕動態(tài)顯示動態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個鎖存器，從而大大地簡化了硬件電路。選亮數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好似各位數(shù)碼管同時都在顯示。動態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。使用LED顯示器時，要注意區(qū)分這兩種不同的接法。為了顯示數(shù)字或字符，必須對數(shù)字或字符進(jìn)行編碼。七段數(shù)碼管加上一個小數(shù)點(diǎn)，共計8段。因此為LED顯示器提供的編碼正好是一個字節(jié)。數(shù)碼管共陽極0～9代碼。DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99HDB 92H,82H,0F8H,80H,90H2.2元器件介紹AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存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計術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，并有ISP管腳，只需要將單片機(jī)的ISP引腳接入專用的下載線上就可以編程。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在這個芯片中，ATMEL的AT89S51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。AT89C51圖如下：〔1〕主要特性：8031CPU與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程FLASH存儲器〔壽命：1000寫/擦循環(huán)〕全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz三級程序存儲器保密鎖定128*8位內(nèi)部RAM32條可編程I/O線兩個16位定時/器計數(shù)器6個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和調(diào)電模式VCC：供電電壓 GND:接地 〔2〕各引腳及功能說明P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口。P0口能用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FALSH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0口輸出原碼，此時P0口外部必須被拉高。P1口:P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流。在FALSH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。當(dāng)P2口被寫入“1”入。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口。當(dāng)P3口寫入“1〞后，它們被內(nèi)部上拉為高電平并用作輸入。P3口：除作I/O口使用外，還有特殊功能如下圖P3口同時為編程和校驗(yàn)接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG:當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FALSH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6.因此它可用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如果想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0.此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令時ALE才起作用。另外，該指令被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有校。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP:當(dāng)/EA保持低電平時，那么在此期間外部程序存儲器〔0000H~FFFFH〕,不管是否有內(nèi)部程序存儲器，注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET;當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP〕。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入 XTAL2:來自反向振蕩器的輸出 ISP：在線編程引腳 P1.5、P1.6、P1.7、RST四個引腳可以作為在系統(tǒng)編程引腳DS18B20產(chǎn)品的特點(diǎn)〔1〕、只要求一個端口即可實(shí)現(xiàn)通信。

〔2〕、在DS18B20中的每個器件上都有獨(dú)一無二的序列號。

〔3〕、實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測溫。

〔4〕、測量溫度范圍在－55。C到＋125。C之間。

〔5〕、數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。

〔6〕、內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。

DS18B20的引腳介紹TO－92封裝的DS18B20的引腳排列見圖1，其引腳功能描述見表1表1DS18B20詳細(xì)引腳功能描述序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)工作流程圖溫度傳感器實(shí)際子程序第四章匯編語言程序局部〔略〕第五章調(diào)試局部單片機(jī)系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能分開的，去多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的，但是硬件的調(diào)試是根底，如果硬件調(diào)試不通過軟件設(shè)計那么是無從做起，所以我們是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來以進(jìn)一步排除故障。硬件設(shè)計從布線到焊接安裝完成之后，我就開始進(jìn)入硬件調(diào)試階段。硬件靜態(tài)的調(diào)試①排除邏輯故障這類故障由于設(shè)計和加工制板過程中工藝性錯誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。我將其排除的方法是首先將焊制的電路板認(rèn)真對照原理圖，看兩者是否一致，特別主意了電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源短路和極性錯誤，并利用數(shù)字萬用表的短路測試功能重點(diǎn)檢查了系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路或與其他信號線路短路。②排除電源故障在通電前，首先檢查了電源電壓的幅值和極性，防止造成集成塊損壞，加電后檢查各插件上引腳的電位，先檢查Vcc與GND之間電位，在5V～4.8V之間屬正常，假設(shè)有高壓，聯(lián)機(jī)仿真器調(diào)試時，將會損壞仿真器等，有時會使系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。③顯示器局部調(diào)試首先將AT89S51與LED顯示別離，用靜態(tài)方法先測試LED顯示，分別用規(guī)定的電平加至控制數(shù)碼管段和位顯示的引腳，看數(shù)碼管顯示是否與理論上一致，不一致，一般LED顯示器接觸不良所致，必須找出故障。參考文獻(xiàn)樓然苗、李光飛編著.《51系列單片機(jī)設(shè)計實(shí)例》北京航空航天大學(xué)出版社2004年10月何立民、張俊謨編著.《單片機(jī)中級教程原理與應(yīng)用》北京航空航天大學(xué)出版社1999年12月馮文旭、劉傳璽編著.《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》中國礦業(yè)大學(xué)出版社2003年5月張正明、卓鄭安編著《電路與電子技術(shù)》北京航空航天大學(xué)出版社2004年9月A_BITEQU 20H ;存放個位數(shù)變量B_BITEQU 21H ;存放十位數(shù)變量FLAGEQU 38H ;DS18B20是否存在標(biāo)志DQEQU P2.0 ;DQ引腳由P2.5控制MAIN: ;主程序標(biāo)號 ACALL RE_TEMP ;對傳感器設(shè)置及讀取 ACALLTURN ;轉(zhuǎn)化溫度子程序 ACALL DISPLAY ;顯示子程序 JMP MAIN;循環(huán)RE_TEMP: ;對DS18B20初始化及讀取 SETB DQ ACALL RESET_1820 ;調(diào)用復(fù)位子程序 JB FLAG,ST ;判斷DS1820是否存在？ RETST: ;DS18B20存在 MOV A,#0CCH ;跳過ROM匹配 ACALL WRITE_1820 ;寫入數(shù)據(jù) MOV A,#44H;發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令 ACALL WRITE_1820 ;寫入數(shù)據(jù) ACALL RESET_1820 ;準(zhǔn)備讀溫度前先復(fù)位 MOV A,#0CCH;跳過ROM匹配 ACALL WRITE_1820 ;寫入數(shù)據(jù) MOV A,#0BEH;發(fā)出讀溫度命令 ACALL WRITE_1820 ;寫入數(shù)據(jù) ACALL READ_1820 ;讀出溫度數(shù)據(jù) RETRESET_1820: ;復(fù)位〔有具體的時序要求〕 SETB DQ NOP CLR DQ;――――――――――――;主機(jī)發(fā)出延時537微秒的復(fù)位低脈沖 MOV R1,#3DLY: MOV R0,#107 DJNZ R0,$ DJNZ R1,DLY;――――――――――――;然后拉高數(shù)據(jù)線 SETB DQ NOP NOP NOP;―――――――――――― MOV R0,#25HT2: JNB DQ,T3 ;等待DS18B20回應(yīng) DJNZ R0,T2 JMP T4;――――――――――――T3: SETB FLAG ;置標(biāo)志位，表示DS1820存在 JMP T5;――――――――――――T4: CLR FLAG ;清標(biāo)志位，表示DS1820不存在 JMP T7;――――――――――――T5: MOV R0,#117T6: DJNZ R0,T6;時序要求延時一段時間;――――――――――――T7: SETB DQ RET;――――――――――――WRITE_1820: ;寫入DS18B20〔有具體的時序要求〕 MOV R2,#8;一共8位數(shù)據(jù) CLR CWR1: CLR DQ ;總線低位，開始寫入 MOV R3,#7 DJNZ R3,$;保持16微秒以上 RRC A ;把字節(jié)DATA分成8個BIT環(huán)移給C MOV DQ,C ;寫入一個BIT MOV R3,#23 DJNZ R3,$;等待 SETB DQ ;重新釋放總線 NOP DJNZ R2,WR1;寫入下一個BIT SETB DQ RETREAD_1820: ;將溫度高位和低位從DS18B20中讀出 MOV R4,#2;讀出兩個字節(jié)的數(shù)據(jù) MOV R1,#29H ;低位存入29H,高位存入28hRE0: MOV R2,#8;數(shù)據(jù)一共有8位RE1: CLR C SETB DQ NOP NOP CLR DQ ;讀前總線保持為低 NOP NOP NOP SETB DQ ;開始讀總線釋放 MOV R3,#9RE2: DJNZ R3,RE2 ;延時18微妙 MOV C,DQ ;從總線讀到一個BIT MOV R3,#23RE3: DJNZ R3,RE3 ;等待100秒 RRC A ;把讀得的位價值環(huán)移給A DJNZ R2,RE1 ;讀下一個BIT MOV @R1,A DEC R1 DJNZ R4,RE0 RETTURN: MOV A,29H MOV C,40H ;將28中的最低位移入C;這個TURN是什么意思呢？==>將讀出的溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)化，舍去29H中的第四位，將28H的低四位給29H的高四位 RRC A MOV C,41H RRC A MOV C,42H RRC A MOV C,43H RRC A MOV 29H,A RETDISPLAY: ;將29H中的十六進(jìn)制數(shù)成10進(jìn)制 MOV A,29H MOV B,#10;10進(jìn)制/10=10進(jìn)制 DIV AB MOV B_BIT,A