【正文】 基于51單片機(jī)及DS18B20溫度傳感器的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 基于51單片機(jī)及DS18b20溫度傳感器的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)采用的主控芯片是ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)，數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司的DS18B20。本設(shè)計(jì)用數(shù)字傳感器DS18B20測(cè)量溫度，測(cè)量精度高，傳感器體積小，使用方便。所以本次設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、日常生活中都有廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種非常實(shí)用的技術(shù)。51單片機(jī)是最常用的一種單片機(jī)，而且在高校中都以51單片機(jī)教材為藍(lán)本，這使得51單片機(jī)成為初學(xué)單片機(jī)技術(shù)人員的首選。本次設(shè)計(jì)采用的AT89S52是一種flash型單片機(jī)，可以直接在線(xiàn)編程，向單片機(jī)中寫(xiě)程序變得更加容易。本次設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)采用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20是一種可組網(wǎng)的高精度數(shù)字式溫度傳感器，由于其具有單總線(xiàn)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以使用戶(hù)輕松地組建起傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可使多點(diǎn)溫度測(cè)量電路變得簡(jiǎn)單、可靠。本設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，首先設(shè)計(jì)了硬件電路，然后繪制軟件流程圖及編寫(xiě)程序。本設(shè)計(jì)屬于一種多功能溫度計(jì)，溫度測(cè)量范圍是55℃到125℃。溫度值的分辨率可以被用戶(hù)設(shè)定為912位，可以設(shè)置上下限報(bào)警溫度，當(dāng)溫度不在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序報(bào)警。本設(shè)計(jì)的顯示模塊是用四位一體的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示實(shí)現(xiàn)的。在顯示實(shí)時(shí)測(cè)量溫度的模式下還可以通過(guò)查詢(xún)按鍵查看設(shè)定的上下限報(bào)警溫度。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)、數(shù)字溫度計(jì)、DS18BAT89S52目 錄1 概 述 1 1 2 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)總體方案 2 2 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 5 DS18B20溫度傳感器電路設(shè)計(jì) 6 顯示電路設(shè)計(jì) 6 按鍵電路設(shè)計(jì) 7 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 8 3 軟件設(shè)計(jì) 9 DS18B20程序設(shè)計(jì) 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(shí)序 10 DS18B20傳感器的讀寫(xiě)時(shí)序 10 DS18B20獲取溫度程序流程圖 11 顯示程序設(shè)計(jì) 13 按鍵程序設(shè)計(jì) 13 4實(shí)物制作及調(diào)試 14 5電子綜合設(shè)計(jì)體會(huì) 15 參考文獻(xiàn) 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(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)采用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫，DS18B20直接輸出的就是數(shù)字信號(hào)，與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確，上下限報(bào)警功能。其輸出溫度采用LED數(shù)碼管顯示，主要用于對(duì)測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所。該設(shè)計(jì)控制器使用的是51單片機(jī)AT89S52，AT89S52單片機(jī)在工控、測(cè)量、儀器儀表中應(yīng)用還是比較廣泛的。測(cè)溫傳感器使用的是DS18B20，DS18B20是一種可組網(wǎng)的高精度數(shù)字式溫度傳感器，由于其具有單總線(xiàn)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以使用戶(hù)輕松地組建起傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可使多點(diǎn)溫度測(cè)量電路變得簡(jiǎn)單、可靠。顯示是用4位共陰極LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)溫度顯示，LED數(shù)碼管的優(yōu)點(diǎn)是顯示數(shù)字比較大，查看方便。蜂鳴器用來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)測(cè)量溫度超過(guò)設(shè)定的上下限時(shí)的報(bào)警功能。 32 2 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案由于DS18B20數(shù)字溫度傳感器具有單總線(xiàn)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以使用戶(hù)輕松地組建起傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可使多點(diǎn)溫度測(cè)量電路變得簡(jiǎn)單、可靠，所以在該設(shè)計(jì)中采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器測(cè)量溫度。 溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖如圖21所示，控制器采用單片機(jī)AT89S52，溫度傳感器采用DS18B20，顯示采用4位LED數(shù)碼管，報(bào)警采用蜂鳴器、LED燈實(shí)現(xiàn)，鍵盤(pán)用來(lái)設(shè)定報(bào)警上下限溫度。圖21 溫度計(jì)電路總體設(shè)計(jì)框圖AT89S52單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含有8kb的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。顯示電路采用4位共陰LED數(shù)碼管，從P0口輸出段碼，P2口的高四位為位選端。用動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示，這樣能有效節(jié)省I/O口。DS18B20溫度傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點(diǎn)如下：獨(dú)特的單線(xiàn)接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；無(wú)須外部器件；可通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)供電，～；零待機(jī)功耗；溫度以9或12位二進(jìn)制數(shù)字表示；用戶(hù)可定義報(bào)警設(shè)置；報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)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(jié)構(gòu)開(kāi)始8位是產(chǎn)品類(lèi)型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS18B20可以采用一線(xiàn)進(jìn)行通信的原因。溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，可通過(guò)軟件寫(xiě)入戶(hù)報(bào)警上下限。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖23所示。圖23 DS18B20的高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)頭2個(gè)字節(jié)包含測(cè)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(fù)位時(shí)被刷新。第5個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，DS18B20工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)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(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式，DS18B20出廠(chǎng)時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶(hù)要去改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來(lái)設(shè)置分辨率，“R1R0”為“00”是9位，“01”是10位，“10”是11位，“11”是12位。當(dāng)DS18B20分辨率越高時(shí)，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存RAM的第8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)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(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第2字節(jié)。單片機(jī)可以通過(guò)單線(xiàn)接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，℃／LSB形式表示。當(dāng)符號(hào)位s＝0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位s＝1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。輸出的二進(jìn)制數(shù)的高5位是符號(hào)位，最后4位是溫度小數(shù)點(diǎn)位，中間7位是溫度整數(shù)位。表22是一部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。表22 DS18B20輸出的溫度值溫度值二進(jìn)制輸出十六進(jìn)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(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值與RAM中的TH、TL字節(jié)內(nèi)容作比較。若T＞TH或T＜TL，則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行報(bào)警搜索。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼（CRC）。主機(jī)ROM的前56位來(lái)計(jì)算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。調(diào)節(jié)模塊是由四個(gè)按鍵接地后直接接單片機(jī)的I/O口完成的。當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)單片機(jī)管腳相當(dāng)于懸空，默認(rèn)下為高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)相當(dāng)于把單片機(jī)的管腳直接接地，此時(shí)為低電平。程序設(shè)計(jì)為低電平觸發(fā)。報(bào)警模塊是由一個(gè)PNP型的三極管9012驅(qū)動(dòng)的5V蜂鳴器，和一個(gè)加一限流電阻的發(fā)光二極管組成的。報(bào)警時(shí)蜂鳴器間歇性報(bào)警，發(fā)光二極管閃爍。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)圖24 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖單片機(jī)最小系統(tǒng)是由晶振電路，上電復(fù)位、按鍵復(fù)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(shè)計(jì)DS18B20溫度傳感器是單總線(xiàn)器件與單片機(jī)的接口電路采用電源供電方。電源供電方式如圖27，此時(shí)DS18B20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線(xiàn)，3腳接電源。圖27 DS18B20電源供電方式當(dāng)DS18B20處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線(xiàn)上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為10us。采用寄生電源供電方式時(shí)VDD端接地。由于單線(xiàn)制只有一根線(xiàn)，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。 顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路是由四位一體的共陰數(shù)碼管進(jìn)行顯示的，數(shù)碼管由三極管9013驅(qū)動(dòng)。四位一體的共陰數(shù)碼管的管腳分布圖如圖25所示。圖25 四位一體的共陰數(shù)碼管管腳分布圖顯示電路的總體設(shè)計(jì)如圖26所示。圖26 顯示電路 按鍵電路設(shè)計(jì)按鍵電路是用來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)設(shè)定報(bào)警溫度的上下限和查看上下報(bào)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(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路是在測(cè)量溫度大于上限或小于下限時(shí)提供報(bào)警功能的電路。