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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 摘要随着人们生活水平的不断提高, 单片机掌握无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的便利也是不行否定的,其中数字温度计就是一个典型的例子,但人们对它的要求越来 越高,要为现代人工作、科研、生活、供应更好的更便利的设施就需要从数单片机技术入 手,一切向着数字化掌握,智能化掌握方向进展；本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比,具有读数便利,测温范畴广,测温准 确,其输出温度采纳数字显示,主要用于对测温比较精确的场所,或科研试验室使用,该 高精度数字式温度计采纳了由 DALLAS公司生产的单线数字温度传感器 DS18B20,它具有 特殊的单线总线
2、接口方式；本毕业论文具体的介绍了单线数字温度传感器 DS18B20 的测量 原理、特性以及在温度测量中的硬件和软件设计,该温度计具有接口简洁、精度高、抗干 扰才能强、工作稳固牢靠等特点；关键词：DS18B20 温度传感器 STC89C51 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目录名师归纳总结 第一章绪论3 3 第 2 页,共 19 页1.1 课题背景及讨论意义1.2 国内外的现状3 1.3 设计的目的4 1.4 设计实现的目标4 1.5 数字温度计简介4 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - -
3、 - - - 第一章 绪论1.1 课题背景及讨论意义随着新技术的不断开发与应用,近年来单片机进展特别快速,一个以微机 应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起,单片机的应用已经渗透到电力、冶 金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业；传统的温度采集方法不仅费 时费劲,而且精度差,单片机的显现使得温度的采集和数据处理问题能够得到 很好的解决；温度是工业对象中的一个重要的被控参数；然而所采纳的测温元 件和测量方法也不相同；产品的工艺不同,掌握温度的精度也不相同；本系统所使用的加热器件是电炉丝,功率为三千瓦,要求温度在 制精度为 2.43 ；4001000；静态控本设计使用单片机作为核心进行掌握；单片
4、机具有集成度高,通用性好,功能强,特殊是体积小,重量轻,耗能低,牢靠性高,抗干扰才能强和使用方 便等特殊优点,在数字、智能化方面有广泛的用途；1.2 国内外的现状温度掌握系统在国内各行各业的应用虽然已经特别广泛,但从国内生产的 温度掌握器来讲,总体进展水平仍旧不高,同日本、美国、德国等先进国家相 比,仍旧有着较大的差距；成熟的温控产品主要以“ 点位” 掌握及常规的 PID 掌握器为主,它们只能适应一般温度系统掌握,而用于较高掌握场合的智能 化、自适应掌握外表,国内技术仍不特别成熟,形成商品化并广泛应用的掌握外表较少；随着我国经济的进展及加入WTO ,我国政府及企业对此都特别重视,对相关企业资源
5、进行了重组,相继建立了一些国家、企业的研发中心,开 展创新性讨论,使我国外表工业得到了快速的进展；单片机也被称为微掌握器（Microcontroller ）,是由于它最早被用在工业控名师归纳总结 制领域；单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器进展而来；最早的设计理念是通第 3 页,共 19 页过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使运算机系统更小,更简洁集成- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 进复杂的而对体积要求严格的掌握设备当中；INTEL 的Z80是最早依据这种思想设计出的处理器,从今以后,单片机和专用处理器的进展便分道扬镳；1.3 设计的目的1.
6、 巩固、加深和扩大单片机应用的学问面,提高综合及敏捷运用所学学问 解决工业掌握的才能；2. 培育针对课题需要,挑选和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能 力,提高组成系统、编程、调试的动手才能；3. 通过对课题设计方案的分析、挑选、比较、熟识单片机用系统开发、研 制的过程,软硬件设计的方法、内容及步骤；1.4 设计实现的目标本课题的讨论重点是设计一种基于单片机的数字温度计掌握系统；利用数 字温度传感器 DS18B20,此传感器可读取被测量温度值,进行转换；主要工作如下：1. 温度测试基本范畴 -55 125；2. 精度误差等于 1；3.0.56 寸的三位共阳极数码管显示；4. 可以设定温度的上
7、下限报警功能；5. 实现超温报警提示；1.5 数字温度计简介数字温度计采纳进口芯片组装精度高、高稳固性,误差0.5%, 内电源、微功耗、不锈钢外壳,防护牢固,美观精致；数字温度计采纳进口高精度、低 温漂、超低功耗集成电路和宽温型液晶显示器,内置高能量电池连续工作5年 无需敷设供电电缆,是一种精度高、稳固性好、适用性极强的新型现场温度显 示仪；是传统现场指针双金属温度计的抱负替代产品,广泛应用于各类工矿企 业,大专院校,科研院所；数字温度计采纳温度敏锐元件也就是温度传感器（如铂电阻,热电偶,半名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - -
8、 - - 导体,热敏电阻等）,将温度的变化转换成电信号的变化,如电压和电流的变化,温度变化和电信号的变化有肯定的关系,如线性关系,肯定的曲线关系等,这个电信号可以使用模数转换的电路即AD转换电路将模拟信号转换为数字信号,数字信号再送给处理单元,如单片机或者 PC机等,处理单元经过内部的软件运算将这个数字信号和温度联系起来,成为可以显示出来的温度数值,如25.0 摄氏度,然后通过显示单元,如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察；这样就完成了数字温度计的基本测温功能；数字温度计依据使用的传感器 的不同, AD转换电路,及处理单元的不同,它的精度,稳固性,测温范畴等都 有区分,这就要依据实际
9、情形挑选符合规格的数字温度计；二、总体方案设计1、数字温度计设计方案论证 2.1.1 方案一 由于本设计是测温电路,可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行A/D 转换后,就可以用单片机进行数据的处理,在显示电路上,就可以将被测温度显示出来,这种设计需要用 到 A/D 转换电路,感温电路比较麻烦；2.1.2 方案二 进而考虑到用温度传感器,在单片机电路设计中,大多都是使用传感器,所以这是特别简洁想到的,所以可以采纳一只温度传感器DS18B20,此传感器,可以很简洁直接读取被测温度值,进行转换,就可以满意设计要求；从以上两种方案,很简洁看出,采纳方案
10、二,电路比较简洁,软件设计也比较 简洁,故采纳了方案二；2.2 方案二的总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如图1 所示,掌握器采纳单片机AT89S51,温度传感器采纳 DS18B20,用 3 位 LED数码管以串口传送数据实现温度显示；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2、硬件设计1.1 工作原理及硬件框图基于 DS18B20的温度测量装置电路图如图1 所示,包括单片机最小系统、温度传感器、和显示电路；温度传感器 DS18B20将被测环境 温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式,占两个字 节）,单片机对
11、接收到的数字信号进行标度变换,转换成实际的温 度值并送数码管显示； DS18B20传感器可置于离装置 150M 以内的 任何地方； STC89C51是整个电路装置的掌握核心,STC89C51内带 4K 字节的 FlashROM,用户程序存放在此；图 2 系统硬件框图名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3、 系统分析：本设计主要的任务是单片机软件的设计,而软件中的核心在于单片机与集成温度传感器DS18B20接口程序的设计,另外一点便是对数码管扫描显示的懂得与运用；由于 DS18B20集成了温度数据采集、模 数转换于一体
12、,因此外围电路特别简洁；在进行软件设计前,须对该 芯片反复讨论,把握其核心内容,其实程序在厂家供应的应用资料中 也可以找到,关键是要对其工作过程的懂得；对数码管扫描显示的程 序设计,只要懂得了其显示的工作原理,也不是可以把握的；3.1 、制作重点：名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 读取 DS18B20的时序由于对 DS18B20传感器数据的读取有肯定的时序要求,因此在编写软件时要特殊留意,先反复读懂该器件的读、写时序,然后依据所选用的晶振运算出机器周期的时间,为了使运算简洁,在设计时将晶振选用 12M,由于 51
13、系列单片机一个机器周期正好是12 个时钟周期,因此选用 12M晶振时,一个机器周期正好是 1 微秒,这样运算时间比较方便；对读取数据的处理从 DS18B20芯片的资料中可以看出,其数据储备器的安排为：储备数据与温度的对应关系见下表：名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 从以上的分析可以看出,温度值储备于两个字节单元中,温度与储备器的对应关系为：整个温度值由16 位二进制数表示,最高的5 位为符号为,为零时代表正的温度值,为“1” 时,代表的是负温度值,真正表示温度的是后11 位数据,最低的四位表示小数位,其中0 单元的
14、高四位和 1 单元的低四位组合正好形成测得的温度整数值,这样我们在对读取的数据在进行处理时,只需将0 单元的高四位和1 单元的低四位通过重新组合,形成一个新的8 位数据,这个数据便是测得的温度数值,但这是个16 进制的数据,要输出10 进制数进行显示,要进行相应的转换操作,至于将数码扫描输出的处理16 进制数转换成 10 进制数据的汇编程序；为了节约单片机端口,输出显示采纳扫描的方式进行；利用人眼对光 的停留效应,通过电子开关的掌握,节合显示数据的协作,完成三位 数码管的扫描显示；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - -
15、4、 温度测量电路目前市面上的数字温度传感器有许多,比如DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635等；用 DS18B20可使系统结构更简洁,牢靠性更 高；DS18B20是 DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器 ,具有 3引脚 TO92 小体积封装形式；温度测量范畴为55 125,可编程为 9 位12 位 A/D 转换精度 , 测温辨论率可达 0.0625,被测 温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入 ,也可采纳寄生电源方式产生,多个 或 2 根线上 ,CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20可以并联到 3 根 DS18B20通信,
16、占用微名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 处理器的端口较少 ,可节约大量的引线和规律电路；DS18B20的形状如图 2 所示,有三个引脚,引脚定义： DQ 为数字信号输入 / 输出端, GND为电源地, VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接 线方式时接地）；DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以 12 位转化为例：用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式供应,以 式表达,其中 S为符号位；0.0625/LSB 形这是 12 位转化后得到的 12 位数据,储备在 18B20 的两个 8 比特的RAM中
17、,二进制中的前面5 位是符号位,假如测得的温度大于0,这 5 位为 0,只要将测到的数值乘于0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0,这 5 位为 1,测到的数值需要取反加 1 再乘于0.0625 即可得到实际温度；例如 +125的数字输出为 07D0H,+25.0625的数字输出为 0191H,-25.0625 的数字输出为FF6FH,-55的数字输出为 FC90H；DS18B20与单片机的接口电路很简洁,如下图 3 所示；DS18B20的 DQ 即 2 号端于单片机 P26 口相接,另外两个管脚一个接 5V 电源,另外一个管脚接地；上拉电阻为5.1K 的上拉电阻,分别接于单片机的
18、EA/VP 端与 P2.7 口；上拉电阻作用主要是如温度 传感器开路或没接时,能起到上拉作用,使之为高电平,使后读电路爱护作用；4.3 单片机最小系统 4.3.1 单片机选型在本次设计中,主要用单片机STC89C51来掌握；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - STC89C51是与 8051 兼容的 CHMOS微掌握器；其 FLASH储备器容 量为 2KB；与 CHMOS工艺的 89C51一样,支持软件挑选的闲暇和掉电两种节电运行方式；性能如下：8 位 CPU 工作电压范畴 2.76V 全静态工作方式： 0Hz24
19、Hz ；一个可编程串行口；有片内精密模拟比较器；2KB的 FLASH储备；128B 的数据储备器；15 根输入 / 输出线；2 个 16 位定时 / 计数器；5 个中断源, 2 个优先级；STC89C51的 FLASH储备器编程：STC89C51单片机供应了 2KB 的片内 FLASH程序储备器,它答应在 系统改写或用非易失性储备器编程器编程；FLASH储备器加密位：STC89C51单片机有 2 个加密位；可以编程（ P）或不编程（ U）以获得不同的加密功能；4.3.2 最小系统 图 4 单片机最小系统名师归纳总结 时钟复位电路如图4 所示,采纳 12MHz 的晶振；复位电路采纳了微第 12
20、页,共 19 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 分型复位电路；复位电路的基本功能是：系统上电时供应复位信号 直至系统电源稳固后撤销复位信号为牢靠起见电源稳固后仍要经一 定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起 的抖动而影响复位,有效的防止系统有时会显现一些不行预料的现 象,如无规律可循的 “ 死机” 、“ 程序走飞 ” 等；4.4 显示电路主要采纳四位一体共阳极LED数码管组成,采纳动态法显示,直接显示当前环境温度； P0 口接数码管的段码, P1.0-P1.3 接数码管的 位线；按钮开关可挑选小数点后显示一位或两位；4.5 电源
21、电路市电 220V 经过变压器 T1 降压,得到一个沟通的16v 电压,再经过四个整流二极管整流、 C5 滤波得到直流电压,最终经过三端集成稳 压管稳压,得到一个稳固的 5V 直流电压；2 软件设计 在此系统中,主要包括温度测量、显示、键盘；最主要的程序是温 度测量部分；2.1 系统主流程图系统上电后,第一对DS18B20进行初始化设置,接着对DS18B20发出 SKIP ROM指令（即跳过 ROM储备器）延时 5ms 后,对 DS18B20发出启动温度转换命令,然后,从DS18B20的暂储备器中读出温度数据,接着对该数据进行转换,转换成当前环境温度；最终将实际 温度与设置温度比较,超过限制就
22、发出报警；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.2 温度测量设计 通过 STC89C51芯片的一个通用 I/O 口就可以实现对智能温度测量 模块 DS18B20的掌握；读取 DS18B20测量的温度主要是通过初始化 命令、 ROM功能命令、储备器功能命令、温度转换命令、读储备器 命令等组成；冷端温度补偿三、系统软件算法分析程序命令时序总线命令序列如下 : 第一步 : 初始化 其次步 : ROM 命令（跟随需要交换的数据）第三步 : 功能命令 （跟随需要交换的数据）每次拜访单总线器件,必需严格遵守这个命令序列,假如
23、显现序列纷乱,就一线器件不会响应单片机；基于一线上的全部传输过程都时以初始化开头的,初始化过程由单片机发出的复位脉冲和 DS18B20的响应的应答脉冲组成；应答脉冲使单片机知道 ,总线上有 1-WIRE设备, 且预备就绪；系统中 CPU采纳12MHz 晶振,DQ 端接 P2.6；名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - RESET子程序RESET:CLR P2.6 ；拉低总线至少 480us,否就在温度较高时会无法完成复位；MOV R2,#130 ；在调试过程中发觉延时 110,达到520uS,测温值可到D1: DJNZ
24、 R2,D1 ；DS18B20的技术参数；SETB P2.6 ；释放总线 MOV R2,#20 D4: DJNZ R2,D4 JB P2.6,D0 ；总线如为低 , 就复位胜利；否就复位失败,返回；MOV R2,#110 D2: DJNZ R2,D2 ；延时等待复位过程终止 RET 在单片机检测到应答 presence 脉冲后 ,就可以发 ROM命令,命令长度为 8 位；该命令字要通过1-WIRE通信协议规定的严格的写时隙Write time slots, 逐位写到一线上, DS18B20会自动接收到这些命令,并预备响应相应的操作；本系统是单点使用, 故只须用到 SKIM ROM COMMAN
25、D0CCH,这样单片机可以同时拜访总线上的全部设备 , 而无须发出任何 ROM代码信息；例如 , 单片机在发出 SKIP ROM命令 后跟随 CONVENT T 功能 COMMAND 即启动温度转换命令 44H, 值 得留意的是 :如 SKIP ROM 命令后跟的是 READ SCRATCHPAD0BEH名师归纳总结 命令包含其他读操作命令 , 就该系统只能用于单点系统, 否就将由于第 15 页,共 19 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 多个节点都响应当命令而引起数据冲突；在单片机发出 ROM 命令后 ,接着就可以发送功能命令 , 然后 DS18B
26、20就开头执行命令 ,本单点应用系统中主要用到CONVENT T和 READ SCRATCHPAD在执行 READ SCRATCHPAD命令时 , 单片机可以通过发 送 RESET脉冲在任何时候中断数据传输；读、写时序在对 DS18B20进行 ROM或功能命令字的写入及对其进行读出操作时,都要求依据严格的1-WIRE通信协议（时序）,以保证数据的完整性；其中有写 0、写 1、读 0 和读 1 时序；在这些时序中,都由单 片机发出同步信号,并且全部的命令字和数据在传输的过程中都是 字节的 LSb在前,这一点于基于其他总线协议的串行通信格式（比 如 SPI、 等）不同,它们通常是字节的 MSb在前
27、；读时序DS18B20仅在单片机发送读时隙（READ SLOT）时才发送数据,所以单片机在发送 READ SCRATCHPAD命令后必需立刻产生读时隙；全部的读时隙都要至少保持 1us 的复原时间；单片机通过把总线拉低至少60us,并且在两个读时隙间至少要有1us 来做为一个读时隙的开头,DS18B20的输出数据在读时序下降沿过后 15us 内有效,所以在此期 间单片机应释放总线,进入读数据状态以便读取数据,15us 后一线 总线被上拉电阻拉为高电平,程序延时等待读时隙终止；名师归纳总结 读一字节子程序出口条件：读出字节数据在A 中第 16 页,共 19 页- - - - - - -精选学习资
28、料 - - - - - - - - - RE1W:MOV R6,#8 ；从 1-Wire 总线读出 1 字节数据的子程序 RE1:CLR P2.6 ；拉低总线,发出读时序 NOP SETB P2.6 ；释放总线,等待输入 MOV R4,#02H RE2:DJNZ R4,RE2 MOV C,P2.6 ；通过 RRC A指令,从低位开头依次读入数据 RRC A MOV R5,#20 RE3:DJNZ R5,RE3 ；延时,等待读时隙终止 SETB P2.6 ；复原时间 DJNZ R6,RE1 SETB P2.6 RET 写时隙写时隙也有两种,写0 和写 1；主要用于单片机通过1-WIRE 总线向D
29、S18B20 写入命令字；全部的写时隙也至少要保持 间至少要有 1us 的复原时间；60us,且在两个写周期之单片机通过拉低一线总线至少1us来产生写时隙；当写1 时,单片机拉低总线,然后必需在15us 内释放总线,总线被上拉电阻拉高；当写 0 时,单片机拉低总线后,然后必需连续保持总线为低（至少60us）； DS18B20在单片机发出写时隙后的1560us 之间开头采名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 样,在这期间内,如总线为高,就 低,就 0 被写入 DS18B20；1 被写入进 DS18B20；如总线为写一字
30、节子程序入口条件 :写入的字节在 A WR1W:MOV R3,#08H；向 1-Wire 总线写入 1 字节数据的位数 W1: SETB P2.6；复原时间 MOV R4,#02 RRC A；通过 RRC A指令依次向总线写入 1 字节的数据 CLR P2.6；拉低总线 , 发出写时隙 W2:DJNZ R4,W2 MOV P2.6,C MOV R4,#20 W3:DJNZ R4,W3 DJNZ R3,W1 SETB P2.6 RET 结 论 通过这次高精高精度数字式温度的设计和制作,让我感觉到在高校三年 里,把握了肯定的专业学问和动手才能,在制作计的过程中学到了许多东西；比如明白了温度传感器D
31、S18B20的功能,如何编写单片机STC89C51的程序来实现数码管直接显示环境温度；仍有巩固了以前学过的学问,比如用制图 Protel 99 SE 等等；最主要的仍是使我能利用硬件和软件的结合,来完成一个产 品的设计和制作！总之,在这个毕业论文的完成过程中,让我感觉一种对学问的一种重温,让我 知道如何有步骤和方案的完成一项任务,不过在这个其中也让我感觉到自己所 学的学问仍是有限的和解决问题的不够完善,期望自己今后做好每一件事情；参考文献名师归纳总结 1李朝青 .单片机原理及接口技术杭州：北京航空航天高校出版社,1998 第 18 页,共 19 页2李广弟 .单片机基础 .北京：北京航空航天高校出版社,1994 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3阎石. 数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等训练出版社, 1989 名师归纳总结 4廖常初 .现场总线概述 J. 电工技术, 1999.第 19 页,共 19 页- - - - - - -