【正文】 基于51單片機及DS18B20溫度傳感器的數字溫度計設計 基于51單片機及DS18b20溫度傳感器的數字溫度計設計摘 要本設計采用的主控芯片是ATMEL公司的AT89S52單片機，數字溫度傳感器是DALLAS公司的DS18B20。本設計用數字傳感器DS18B20測量溫度，測量精度高，傳感器體積小，使用方便。所以本次設計的數字溫度計在工業(yè)、農業(yè)、日常生活中都有廣泛的應用。單片機技術已經廣泛應用社會生活的各個領域，已經成為一種非常實用的技術。51單片機是最常用的一種單片機，而且在高校中都以51單片機教材為藍本，這使得51單片機成為初學單片機技術人員的首選。本次設計采用的AT89S52是一種flash型單片機，可以直接在線編程，向單片機中寫程序變得更加容易。本次設計的數字溫度計采用的是DS18B20數字溫度傳感器，DS18B20是一種可組網的高精度數字式溫度傳感器，由于其具有單總線的獨特優(yōu)點，可以使用戶輕松地組建起傳感器網絡，并可使多點溫度測量電路變得簡單、可靠。本設計根據設計要求，首先設計了硬件電路，然后繪制軟件流程圖及編寫程序。本設計屬于一種多功能溫度計，溫度測量范圍是55℃到125℃。溫度值的分辨率可以被用戶設定為912位，可以設置上下限報警溫度，當溫度不在設定的范圍內時，就會啟動報警程序報警。本設計的顯示模塊是用四位一體的數碼管動態(tài)掃描顯示實現的。在顯示實時測量溫度的模式下還可以通過查詢按鍵查看設定的上下限報警溫度。 關鍵詞：單片機、數字溫度計、DS18BAT89S52目 錄1 概 述 1 1 2 系統(tǒng)總體方案及硬件設計 2 系統(tǒng)總體方案 2 2 2 系統(tǒng)硬件設計 5 單片機電路設計 5 DS18B20溫度傳感器電路設計 6 顯示電路設計 6 按鍵電路設計 7 報警電路設計 8 3 軟件設計 9 DS18B20程序設計 9 DS18B20傳感器操作流程 9 DS18B20傳感器的指令表 9 DS18B20傳感器的初始化時序 10 DS18B20傳感器的讀寫時序 10 DS18B20獲取溫度程序流程圖 11 顯示程序設計 13 按鍵程序設計 13 4實物制作及調試 14 5電子綜合設計體會 15 參考文獻 15 附1 源程序代碼 17 附2 系統(tǒng)原理圖 32 1 概 述本系統(tǒng)所設計的數字溫度計采用的是DS18B20數字溫度傳感器測溫，DS18B20直接輸出的就是數字信號，與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫準確，上下限報警功能。其輸出溫度采用LED數碼管顯示，主要用于對測溫比較準確的場所。該設計控制器使用的是51單片機AT89S52，AT89S52單片機在工控、測量、儀器儀表中應用還是比較廣泛的。測溫傳感器使用的是DS18B20，DS18B20是一種可組網的高精度數字式溫度傳感器，由于其具有單總線的獨特優(yōu)點，可以使用戶輕松地組建起傳感器網絡，并可使多點溫度測量電路變得簡單、可靠。顯示是用4位共陰極LED數碼管實現溫度顯示，LED數碼管的優(yōu)點是顯示數字比較大，查看方便。蜂鳴器用來實現當測量溫度超過設定的上下限時的報警功能。 32 2 系統(tǒng)總體方案及硬件設計 系統(tǒng)總體方案由于DS18B20數字溫度傳感器具有單總線的獨特優(yōu)點，可以使用戶輕松地組建起傳感器網絡，并可使多點溫度測量電路變得簡單、可靠，所以在該設計中采用DS18B20數字溫度傳感器測量溫度。 溫度計電路設計總體設計框圖如圖21所示，控制器采用單片機AT89S52，溫度傳感器采用DS18B20，顯示采用4位LED數碼管，報警采用蜂鳴器、LED燈實現，鍵盤用來設定報警上下限溫度。圖21 溫度計電路總體設計框圖AT89S52單片機是美國ATMEL公司生產的低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含有8kb的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程的Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。顯示電路采用4位共陰LED數碼管，從P0口輸出段碼，P2口的高四位為位選端。用動態(tài)掃描的方式進行顯示，這樣能有效節(jié)省I/O口。DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12位的數字值讀數方式。DS18B20的性能特點如下：獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；多個DS18B20可以并聯在惟一的三線上，實現多點組網功能；無須外部器件；可通過數據線供電，～；零待機功耗；溫度以9或12位二進制數字表示；用戶可定義報警設置；報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作； DS18B20采用3腳TO－92封裝或8腳SO或181。SOP封裝，其其封裝形式如圖22所示。圖22 DS18B20的封裝形式DS18B20的64位ROM的結構開始8位是產品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM。高速暫存RAM的結構為8字節(jié)的存儲器，結構如圖23所示。圖23 DS18B20的高速暫存RAM的結構頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率，DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數值，該字節(jié)各位的定義如表21所示。表21：配置寄存器D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0TMR1R011111配置寄存器的低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉換的精度位數，來設置分辨率，“R1R0”為“00”是9位，“01”是10位，“10”是11位，“11”是12位。當DS18B20分辨率越高時，所需要的溫度數據轉換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。高速暫存RAM的第8字節(jié)保留未用，表現為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數據，從而保證通信數據的正確性。當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以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2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數據，讀數據時低位在先，高位在后，℃／LSB形式表示。當符號位s＝0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位s＝1時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數值。輸出的二進制數的高5位是符號位，最后4位是溫度小數點位，中間7位是溫度整數位。表22是一部分溫度值對應的二進制溫度數據。表22 DS18B20輸出的溫度值溫度值二進制輸出十六進制輸出+125℃0000 0111 1101 000007D0h+85℃0000 0101 0101 00000550h+℃0000 0001 1001 00010191h+℃0000 0000 1010 001000A2h+℃0000 0000 0000 10000008h0℃0000 0000 0000 00000000h℃1111 1111 1111 1000FFF8h℃1111 1111 0101 1110FF5Eh℃1111 1110 0110 1111FF6Fh55℃1111 1100 1001 0000FC90hDS18B20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、TL字節(jié)內容作比較。若T＞TH或T＜TL，則將該器件內的報警標志位置位，并對主機發(fā)出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。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（CRC）。主機ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機收到的ROM數據是否正確。調節(jié)模塊是由四個按鍵接地后直接接單片機的I/O口完成的。當按鍵沒有按下時單片機管腳相當于懸空，默認下為高電平，當按鍵按下時相當于把單片機的管腳直接接地，此時為低電平。程序設計為低電平觸發(fā)。報警模塊是由一個PNP型的三極管9012驅動的5V蜂鳴器，和一個加一限流電阻的發(fā)光二極管組成的。報警時蜂鳴器間歇性報警，發(fā)光二極管閃爍。 系統(tǒng)硬件設計 單片機電路設計圖24 單片機最小系統(tǒng)原理圖單片機最小系統(tǒng)是由晶振電路，上電復位、按鍵復位電路，ISP下載接口和電源指示燈組成。原理圖如圖24所示。 DS18B20溫度傳感器電路設計DS18B20溫度傳感器是單總線器件與單片機的接口電路采用電源供電方。電源供電方式如圖27，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。圖27 DS18B20電源供電方式當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。 顯示電路設計顯示電路是由四位一體的共陰數碼管進行顯示的，數碼管由三極管9013驅動。四位一體的共陰數碼管的管腳分布圖如圖25所示。圖25 四位一體的共陰數碼管管腳分布圖顯示電路的總體設計如圖26所示。圖26 顯示電路 按鍵電路設計按鍵電路是用來實現調節(jié)設定報警溫度的上下限和查看上下報警溫度的功能。電路原理圖如圖210所示。圖210 按鍵電路原理圖 報警電路設計報警電路是在測量溫度大于上限或小于下限時提供報警功能的電路。