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1、精品学习资源目录摘要 1基于单片机的温度计设计21 温度计的总体设计21.1 总体论述 21.2 设计思路 2 2 硬件说明 32.1 测量输入模块 32.1.1 传感器挑选 32.1.2 DS18B20 的介绍 32.2 键盘输入模块 82.3 显示模块 82.3.1 1602 外观及尺寸 82.3.2 管脚功能 92.3.3 操作掌握 92.3.4 指令说明 102.4 报警模块 112.5 低功耗设计 112.5.1 设计思路 112.5.2 80C51 的低功耗措施122.5.3 分块间断供电13 3 软件和功能说明 143.1 人为读取 143.2 自动读取 153.3 DS18B2
2、0的软件设计 16心得体会 17参考文献 180 / 20欢迎下载精品学习资源摘要现代测温应用中，温度计向数字化方向进展；传统的机遇物理方法的温度计功能单一，而数字温度计以其便携，检测精度高，功能多等优点应用的越来越广泛；随着技术的进展，一些环境比较恶劣的场合中也能觅得数字温度计的踪迹；在本文中，主要从功能组合，硬件组合，软件算法和降低功耗等几个方面探讨温度计的设计；关键词：数字传感器，低功耗，单总线1 / 20欢迎下载精品学习资源基于单片机的温度计设计1 温度计的总体设计1.1 总体论述此次所争论的数字温度计，除了完成基本的温度测量外，仍能够满意最高最低温度设置及报警，在不同的环境中，所要求
3、的最高温度和最低温度是不同的，因此最高温度和最低温度应能够依据环境不同而设置成不同的数值；仍有些场合要求每隔肯定得时间段进行读取一次数值，当相隔的时间比较长而所需要读取的数据又比较多时，认为的读取就比较麻烦，因此应具备自动读取和储备如干组温度值的功能；另外，在野外工作时能够挑选其工作模式以降低功 耗；1.2 设计思路由论述可知，所设计的这种温度计的功能是传统的物理温度计无法完成的；在分析之后打算采纳以单片机AT89C51 为核心的系统进行设计；主要有以下几个模块：测量输入模块，键盘设置模块，运算处理模块，显示模块和报警模块；有这几个模块组成的系统框图如图一所示：2 / 20欢迎下载精品学习资源
4、图一 温度计总体框图2 硬件说明2.1 测量输入模块2.1.1 传感器挑选设计单片机数字温度计需要考虑以下3 个方面温度传感器芯片的挑选；单片机和温度传感器的接口电路；掌握温度传感器实现温度信息采集以及数据传输的软件；单片机的接口信号是数字信号；要想用单片机猎取温度这类非电信号的信息, 必需使用温度传感器 , 将温度信息转换为电流或电压输出；假如转换后的电流或电压输出是模拟信号 , 仍必需进行 A/D 转换, 以满意单片机接口的需要；传统的温度检测大多以热敏电阻作为温度传感器；但是, 热敏电阻的牢靠性较差、测量温度精确率低 , 而且仍必需经特地的接口电路转换成数字信号后才能由单片机进行处理；
5、20 世纪 90 岁月中期显现了智能温度传感器 亦称数字温度传感器；智能温度传感器的内部都包含温度传感器、A/D 转换器、信号处理器、储备器 或寄存器 和接口电路 , 其特点是能直接输出数字化的温度数据及相关的温度掌握量 , 适配各种微掌握器 MCU；其中 DS18B20就是一种应用相当广泛的单总线数字温度传感器 , 它结构简洁、不需外接元件 , 采纳一根 I/O数据线既可供电又可传输数据、并可设置温度报警界限等特点, 广泛用于工业、民用等领域的温度测量中；2.1.2 DS18B20的介绍1 DS18B20芯片简介DS18B20是美国 DALLAS半导体器件公司推出的单总线数字化智能集成温度
6、传感器；单总线 1-Wire 是 DALLAS公司的一项专有技术 , 它采纳单根信号线 , 既传输时钟又传输数据 , 而且数据传输是双向的 , 具有节约 I/O口线资源、结构简洁、成本低廉、便于总线扩 展和保护 等诸多优点 ；与其 它温度传感 器相3 / 20欢迎下载精品学习资源比,DS18B20 具有以下特性 : 特殊的单线接口方式 , 在与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信； DS18B20支持多点组网功能 , 多个 DS18B20可以并联在唯独的信号线上 , 实现多点测温； DS18B20 在使用中不需要任何外围元件；测温范畴-55 +125 , 固
7、有测温辨论率0625；测量结果以 912 位数字量方式串行传送；2 DS18B20内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成： 64 位光刻 ROM温, 度传感器 , 非挥发的温度报警触发器 TH和 TL, 高速暂存器； 64 位光刻 ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20的地址序列号；DS18B20的管脚排列如图 2 所示；图 2 DS18B20 引脚分布图引脚功能如下 ：NC:空引脚 , 悬空不使用；VDD:可选电源脚 , 电源电压范畴 35.5V；工作于寄生电源时, 此引脚应接地；DQ:数据输入 / 输出脚, 漏极开路 , 常态下高电平；DSl8820 的核心功能部
8、件是它的数字温度传感器, 其辨论率可配置为9、10、11 和 12 位, 出厂默认设置为12 位辨论率 , 对应的温度值辨论率分别为0.5 、0.25 、0.125 和 0.0625 ；温度信息的低位、高位字节内容中 , 仍包括了符号位 S 是正温度仍是负温度 和二进制小数部分 , 详细形式为 :低位字节 :4 / 20欢迎下载精品学习资源232221202-12-22-32-4MSBLSB高位字节 :SSSSS2625 24这是M1S2B位辨论率的情形 , 假如配置为低的辨论率 , 就其中无意义L位S为B0；实测温度和数字输出的对应关系如表1 所示；表 1实测温度和数字输出的对应关系欢迎下载
9、精品学习资源温度/ 数字输出 二进制数字输出 十六进制 欢迎下载精品学习资源+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100010191H+10.125000000001010001000A2H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001101111FF6FH-551111110010010000FC90H在 D
10、Sl8B20 完成温度变换之后 , 温度值与储存在 TH和 TL 内的告警触发值进行比较；由于是 8 位寄存器 , 所以 912 位在比较时忽视； TH或 TL 的最高位直接对应于 16 位温度寄存器的符号位；假如温度测量的结果高于 TH 或低于 TL, 那么器件内告警标志将置位 , 每次温度测量都会更新此标志；只要告警标志置位,DSl8B20 就将响应告警搜寻命令 , 这也就答应单线上多个 DSl8B20 同时进行温度测量 , 即使某处温度越限 , 也可以识别出正在告警的器件；3 DS18B20掌握方法DS18B20有六条掌握命令，如表所示：5 / 20欢迎下载精品学习资源指令商定代码操作说
11、明温度转换44H启动 DS18B20进行温度转换读暂存器BEH读暂存器 9 个字节内容写暂存器4EH将数据写入暂存器的 TH、TL 字节复制暂存器48H把暂存器的 TH、TL 字节写到 E RAM中2重新调 E RAM2B8H把 E RAM中的 TH、TL 字节写到暂存器2TH、TL 字节读电源供电方式B4H启动 DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU4 DS18B20的通信协议DS18B20器件要求采纳严格的通信协议，以保证数据的完整性；该协议定义了几种信号类型：复位脉冲，应答脉冲时隙；写0，写 1 时隙；读 0，读 1 时隙；与 DS18B20的通信，是通过操作时隙完成单总线上的数
12、据传输；发送全部的命令和数据时，都是字节的低位在前，高位在后；复位和应答脉冲时隙每个通信周期起始于微掌握器发出的复位脉冲，其后紧跟DS18B20发出的应答脉冲，在写时隙期间，主机向DS18B20器件写入数据，而在读时隙期间， 主机读入来自DS18B20的数据；在每一个时隙，总线只能传输一位数据；时序 图见图 3；写时隙当主机将单总线 DQ从规律高拉到规律低时，即启动一个写时隙，全部的写时隙必需在 60120us 完成，且在每个循环之间至少需要1us 的复原时间；写 0 和写 1 时隙如下列图；在写 0 时隙期间，微掌握器在整个时隙中将总线拉低； 而写 1 时隙期间，微掌握器将总线拉低，然后在时
13、隙起始后15us 之释放总线；时序图见图 4；6 / 20欢迎下载精品学习资源读时隙DS18B20器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据；所以在主机发 出读数据命令后，必需立刻产生读时隙，以便DS18B20能够传输数据；全部的读时隙至少需要 60us，且在两次独立的读时隙之间，至少需要1us 的复原时间；每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1us；在主机发起读时隙之后， DS18B20器件才开头在总线上发送 0 或 1，如 DS18B20发送 1，就保持总线为高电平；如发送为 0，就拉低总线当发送 0 时， DS18B20在该时隙终止后，释放总线，由上拉电阻将总线拉回至高电平状态；DS18
14、B20发出的数据，在起始时隙之后保持有效时间为 15us；因而主机在读时隙期间，必需释放总线；并且在时隙起始后的 15us 之内采样总线的状态；时序图见图4；图 3 复位和应答脉冲时隙7 / 20欢迎下载精品学习资源图 4 读写时序2.2 键盘输入模块键盘模块使用的是四个键，分别命名为enter 、done、+和- ；enter为挑选要调剂的参数，done 为确定并退出， +和- 为参数菜单的挑选；在开机时按enter键进入一级菜单，然后按 +和- 进行挑选要调剂的参数，按enter键锁定该参数进行调剂，在这段过程的任一时间按done 键确定并退出；菜单如表 2 所示：表 2 相关参数菜单一级
15、菜单二级菜单三级菜单欢迎下载精品学习资源工作模式正常模式 默认） 低功耗模式欢迎下载精品学习资源温度极限最大值 按+和- 调整）最小值 按+和- 调整）欢迎下载精品学习资源人为读取间隔时间 按+和- 调欢迎下载精品学习资源读取方式自动读取整）读取组数 按+和- 调整）欢迎下载精品学习资源数据查看读取按+和- 翻看） 删除 删除已存数据）欢迎下载精品学习资源2.3 显示模块显示部分采纳液晶显示器 1602，能够同时显示 16x02 即 32 个字符； 16 列2 行）其相关介绍见下文；8 / 20欢迎下载精品学习资源2.3.1 1602 外观及尺寸1602 液晶显示器的外观如图5 所示：图 5
16、液晶显示器 1602 外观1602 的形状尺寸如图 6 所示：图 6 1602 的形状尺寸2.3.2 管脚功能1602 采纳标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚： VSS为电源地第 2 脚： VDD接 5V 电源正极第 3 脚： V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高 时进行读操作，低电平 0 时进行写操作；第 6 脚： E 或 EN端为使能 enable 端；第 7 14 脚： D0D7为 8 位双向数据端；9 / 20欢迎下载精品学习资源第 1516 脚：空脚或背灯电源； 15 脚背光正极， 16 脚背光负极2.3.3 操作掌握操作掌握表如表3 所示
17、：表 3 1602操作掌握表操作掌握表操作读状态写指令读数据写数据RS=0输入RS=0RW=1 E=1RW=0D07指=令码， E=H脉冲RS=1RW=1 E=1RS=1RW=0D07数=据， E=H脉冲2.3.4 指令说明1） 初始化设置显示模式设置指令码功能00111000设置 16*2 显示， 5*7 点阵， 8 位数据接口显示开/ 关及光标设置指令码功能D=1 开显示； D=0 关显示00001DCBC=1 显示光标； C=0不显示光标B=1 光标闪耀； B=0 光标不闪耀N=1 当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一000001NSN=0 当读或写一个字符后地址指减一，且光标减一
18、10 / 20欢迎下载精品学习资源S=1 当写一个字符，整屏显示左移N=1）2）初始化过程 复位过程） 延时 12ms写指令 38H不检测忙信号）延时 5ms写指令 38H不检测忙信号） 延时 5ms写指令 38H写指令 38H：显示模式设置写指令 08H：显示关闭写指令 01H：显示清屏写指令 06H：显示光标移动设置写指令 0CH：显示开及光标设置2.4 报警模块报警模块采纳的是声光报警电路，当检测温度超过设定的上下限值时，单 片机就会发出报警脉冲，使得报警电路工作，产生报警信号，如图7 所示；欢迎下载精品学习资源分频单片机电路光报警声报警欢迎下载精品学习资源11 / 20欢迎下载精品学习
19、资源图 7 报警模块框图2.5 低功耗设计2.5.1 设计思路系统设计的总体思路是环绕如何实现低功耗开展；掌握功耗, 必需从内部着手；对于数字化的测量系统 , 通过适当地挑选采样周期 , 在一个采样周期内 , 快速地测量温度 , 然后进入电流消耗较低的“休息”状态, 就可以大幅度地减小整个系统的电流的消耗；假设采样可以在Ts=10 ms 之内完成 , 采样时消耗的电流为Is=1mA,采样周期为 TA=1 s, 非测量状态的电流消耗为 Ib=0.04 mA,整个系统的平均电流消耗为 :I 平均= Ts Is+TA-Ts Ib /TA= Ib+Ts/TA Is -Ib =0.0496 mA从公式中
20、得出 , 在 Ts/TA 采样时消耗的电流对整个系统的平均电流影响并不很大, 只要恰当地挑选 Ib, Is,Ts,TA 就可以达到降低功耗的目的；可以从以下几个方面入手 :1 减小 Ib, 减小休息时的电流消耗 , 方法一是尽量削减在“休息”状态下仍要工作的模块数量 , 二是选用低功耗元器件；2 减小 Is, 采样时 , 工作的元件要尽量降低功耗 , 挑选电流消耗较小的型号；3 减小 Ts, 减小工作时间 , 完成采样后尽快终止工作；4 增大 TA,加大采样周期 , 尽量多“休息” , 使系统的响应变慢；2.5.2 80C51 的低功耗措施80C51 是采纳 CMOS工艺的低功耗 8 位单片机
21、芯片，在工作电压为5V 时，8051 工作电流为 150mA，而 80C51为 2.4mA 一 24mA；8OC51具有正常、闲暇、掉电三种工作状态；它的时钟频率范畴为1.2MHz 一 12MHz，在工作电压 5V 的正常状态下运行，工作电流为24mA；在闲暇方式下运行时，工作电流为3mA，在掉电方式下，工作电流为50uA；闲暇和掉电方式都可以用软件挑选运行，如12 / 20欢迎下载精品学习资源果单片机处在闲暇方式或掉电方式下，需要时才进人正常运行状态，就可以大大削减单片机的功耗；闲暇方式时， CPU停止工作，而RAM、串行口、计数器 / 定时器和中断系统仍在工作， CPU内部的状态 程序计数
22、器、堆栈指针、程序状态字、累加器、片内 RAM的状态 完整地保留下来；使用中断或复位可以把CPU从闲暇状态唤醒进人正常状态；掉电方式时，片内振荡器停止工作，全部的运行状态都停止了，只加电保护片内 RAM内容不被破坏；解除掉电工作方式，只能用硬件复位的方法，复位时不转变片内RAM的内容；80C51 的功耗随主振频率的提高而增加，频率越高，CMOS管处于放大区的时间越长，功耗就越大；通常在速度要求不高的测控系统中挑选6MHz 晶振频率；这不但降低了功耗，仍增强了系统的稳固性；2.5.3 分块间断供电在一个系统中，并非电路的各部分都同时有效地工作，而给不工作的电路加上电压，就是无谓地消耗功率，为此我
23、们可以用局部供电，分块供电，间断供电的方法来掌握某些电路的供电，在需要其工作时再给它加电，不需要时就不给它供电，即只要保证供电的电路能按预定的进程使系统正常工作，并且把供电电压“传递”给另一部分电路就可，那么这个系统的功耗就会大大降低；实践证明，分块间断供电是极为有效的一种降低功耗的措施；电路分块时，一般是按电路的功能来划分的；完成相同功能的电路划分在一起，假如有两部分电路的功耗都比较大，最好能将它们分开，给它们间断供电降低功耗；另外，采纳尽量缩短功耗大的电路的工作时间方法，也可以降低系统勘功耗；13 / 20欢迎下载精品学习资源3 软件和功能说明开机时对温度计的工作模式可进行选取，主要有两种
24、数据读取方式：人为读取和自动读取；3.1 人为读取在该读取方式下的工作模式是需要人参与读取的，其大致程序流程如图8所示：开头键盘扫描键盘扫描相关参数设置温度检测是超过极限值？14 / 20欢迎下载精品学习资源否报警温度显示终止程序并显示此延时刻温度图 8 人为读取程序流程图3.2 自动读取在一些工作场合要求测得一段时间内的如干组温度，此时如是人为地进行数据读取，明显效率不高；所以在这次设计的温度计的功能中包含了自动读取这一功能；当参数设置为自动读取的时候，系统会将显示模块关闭，并在RAM中开创一个缓冲区用以存放要读的数据；当此时数据读完后系统将会进入待机 状态；激活后通过键盘进入数据查看栏目可
25、进行数据查看和删除，见表2；其程序流程图如图 9 所示：开头键盘扫描否自动读取？欢迎下载精品学习资源是 相关参数设置执行其他方式欢迎下载精品学习资源关显示温度检测15 / 20欢迎下载精品学习资源是超过限定值？欢迎下载精品学习资源否 存入缓冲区延时报警终止程序欢迎下载精品学习资源图 9 自动读取方式流程图3.3 DS18B20 的软件设计单片机实现温度转换读取温度数值程序的流程如图10 所示：开头初始化 DS18B20否应答脉冲发起 skip rom 的命令发起 Convert T 的命令延时 1s 等待温度转换完成初始化 DS18B20否应答脉16冲/ 20欢迎下载精品学习资源是发起 rea
26、d scratchpad 命令读取第一二字节即为温度数据图 10 单片机实现温度转换读取温度数值程序流程心得体会温度计的整体设计大致如上文所述，经过分析可知该温度计的思路是可行的；由上述可知该温度计能够适应多种场合的需要同时其工作效率较高，而且低功耗模式的功能由让其具有较低的经济投资；随着电子技术的不断进展，按着此思路设计的温度计的性能也肯定会越来越好；经过此次设计，我明白了一些传感器的学问，对智能仪器的设计有了一个整体的熟悉，这有利于我以后深化学习或参与工作；17 / 20欢迎下载精品学习资源参考文献1 沙占友. 智能温度传感器的进展趋势 J.电子技术应用 ,20025:6-7.2 王 经
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