【導(dǎo)讀】本文是一個基于AT89C2051與DS18B20的數(shù)字溫度計的設(shè)計。范圍在-55℃～+125℃，誤差在?℃以內(nèi)，最高分辨率可達(dá)。與傳統(tǒng)的溫度計相比，它具有使用方便，精度高、量程寬、靈敏度高、體積。小、功耗低、價格低廉等優(yōu)點，適合于我們?nèi)粘Ｉ詈凸?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測量。本設(shè)計中各種功能的具體實現(xiàn)主要是從硬件和軟件兩部分入手。系統(tǒng)設(shè)計功能的要求對硬件電路進(jìn)行模塊化設(shè)計。其中主控制器AT89C2051作為系。統(tǒng)的核心處理部分；晶振電路為單片機及整個硬件電路的工作提供統(tǒng)一的工作頻率；讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計算溫度子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量，有廣泛的應(yīng)用前景。thermometer’stemperaturerange-55℃~+125℃,withinerrorof±℃,thehighest

　　

【正文】 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 20 第四 章 系統(tǒng) 軟件電路 的設(shè)計 系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計算溫度子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。 第一節(jié) 主程序 的設(shè)計 主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀 出并處理 DS18B20 的測量溫度值。溫度測量每 1S 進(jìn)行一次。 主程序流程圖如圖 41 所示。 初 始 化調(diào) 用 顯 示 子 程 序 1 S 到 ？ 初 次 上 電 ？讀 出 溫 度 值溫 度 計 算 處 理顯 示 數(shù) 據(jù) 判 斷發(fā) 溫 度 轉(zhuǎn) 換 開 始 命 令YN發(fā) D S 1 8 B 2 0 復(fù) 位 命 令發(fā) 跳 過 R O M 命 令發(fā) 讀 取 溫 度 命 令讀 取 操 作 ， C R C 校 驗移 入 溫 度 暫 存 器結(jié) 束 9 字 節(jié) 完 ？C R C 校 驗 正 確 ？YNYNYN 圖 41 主程序流程圖 圖 42 讀出溫度子程序流圖 第二 節(jié) 讀出溫度子程序 的設(shè)計 讀出溫度子程序的主要功能是讀出 RAM 中的 9 字節(jié)。在讀出時必須進(jìn)行 CRC校驗，校驗有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。 讀出溫度子程序流程圖如圖 42 所示。 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 21 第三 節(jié) 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序 的設(shè)計 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開 始命令。當(dāng)采用 12 位分辨率時，轉(zhuǎn)換時間約為 750ms。在本程序設(shè)計中，采用 1s 顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如圖 43 所示。 發(fā) D S 1 8 B 2 0復(fù) 位 命 令發(fā) 跳 過 R O M 命 令發(fā) 溫 度 轉(zhuǎn) 換 開 始 命 令結(jié) 束 圖 43 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖 第四節(jié) 計算溫度子程序 的設(shè)計 計算溫度子程序?qū)?RAM 中讀取值進(jìn)行 BCD 碼的轉(zhuǎn)換運算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定。 計算溫度子程序流程圖如圖 44 所示。 開 始計 算 小 數(shù) 位 溫 度 B C D 值溫 度 零 下 ？溫 度 值 取 補 碼置 “ — ” 標(biāo) 志置 “ + ”標(biāo) 志結(jié) 束YN計 算 整 數(shù) 位 溫 度 B C D 值 圖 44 計算溫度子程序流程圖 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 22 第五節(jié) 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序 的設(shè)計 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高數(shù)據(jù)顯示位為 0 時，將符號顯示位移入下一位。 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖如圖 45 所示 YN溫 度 數(shù) 據(jù) 移 入 顯 示 寄 存 器十 位 數(shù) 0 ？百 位 數(shù) 0 ？十 位 數(shù) 顯 示 符 號百 位 數(shù) 不 顯 示百 位 數(shù) 顯 示 數(shù) 據(jù)（ 不 顯 示 符 號 ）結(jié) 束YN 圖 45 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖 第六節(jié) DS18B20 的各條 ROM命令 1． Read ROM[33H]。這條命令允許總線控制器讀到 DS18B20 的八位系列編碼、唯一的序列號和 8 位 CRC 碼。只有在總線上存在單只 DS18B20 時，才能使用該命令。如果總線上有不止一 個從機，則當(dāng)所有從機試圖同時傳送信號時就會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極電路連在一起形成相 “ 與 ” 的效果） 。 2． Match ROM[55H]。這是一條匹配 ROM 命令，后跟 64 位 ROM 序列，讓總線控制器在多點總線上定位一只特定的 DS18B20。只有與 64 位 ROM 序列完全匹配的DS18B20 才能響應(yīng)隨后的存儲器操作。所有與 64 位 ROM 序列不匹配的從機都將等待復(fù)位脈沖。這條命令在總線上有單個或多個器件時都可以使用。 3． Skip ROM[0CCH]。這條命令允許總線控制不用提供 64 位 ROM 編碼就使用存儲器操作命令，在單點總線 情況下，可以節(jié)省時間。如果總線上不止一個從機，則太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 23 在 Skip ROM 命令之后跟著發(fā)一條讀命令。由于多個從機同 時傳送信號，所以總線上就會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路下拉效果相當(dāng)于 相“ 與 ”）。 4． Search ROM[0F0H]。當(dāng)一個系統(tǒng)初次啟動時，總線控制器可能并不知道單線總線上有多少器件或它們的 64 位 ROM 編碼。搜索 ROM 命令允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從機的 64 位編碼。 5． Alarm Search[0ECH]。這條命令的流程與 Search ROM 相同。然而，只有在最近一次測溫后遇到符合報警條件的情 況下， DS18B20 才會響應(yīng)這條命令。報警條件定義為溫度高于 TH 或低于 TL。只要 DS18B20 不掉電，報警狀態(tài)將一直保持，直到再一次測得的溫度值達(dá)不到報警條件。 6． Write Scratchpad[4EH]。這條命令向 DS18B20 的暫存器 TH 和 TL中寫入數(shù)據(jù)?？梢栽谌魏螘r候發(fā)出復(fù)位命令來中止讀取。 7． Read Scratchpad[0BEH]。這條命令讀取暫存器的內(nèi)容。讀取將從第一字節(jié)開始，一直進(jìn)行下去，直到第九字節(jié)（ CRC）讀完。如果不想讀完所有字節(jié)，則控制器可以在任何時候發(fā)出復(fù)位命令來中止 讀取。 8． Copy Scratchpad[48H]。這條命令把暫存器的內(nèi)容拷貝到 DS18B20 的 E2PROM存儲器里，即把溫度報警觸發(fā)字節(jié)存入非易失性存儲器里。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙，而 DS18B20 又忙于把暫存器拷貝到 EEPROM 存儲器，則DS18B20 就會輸出一個 0；如果拷貝結(jié)束，則 DS18B20 輸出 1。如果使用寄生電源，則總線控制器必須在這條命令發(fā)出后立即啟動強上拉，并最少保持 10ms。 9． Convert T[44H]。這條命令啟動一次溫度轉(zhuǎn)換而無需其他數(shù)據(jù)。溫度轉(zhuǎn)換 命令被執(zhí)行后 DS18B20 保持等待狀態(tài)。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙，而 DS18B20 又忙于做時間轉(zhuǎn)換，則 DS18B20 將在總線上輸出 0；如果溫度轉(zhuǎn)換完成，則輸出 1。如果使用寄生電源，則總線控制器必須在發(fā)出這條命令后立即啟動強上拉，并保持 500ms 以上時間。 10． Recall E2[0B8H]。這條命令把報警觸發(fā)器里的值拷貝回暫存器。這種拷貝操作在 DS18B20 上電時自動執(zhí)行，這樣器件一上電暫存器里馬上就存在有效的數(shù)據(jù)了。若在這條命令發(fā)出之后發(fā)出讀數(shù)據(jù)隙，器件會輸出溫度轉(zhuǎn)換忙的標(biāo)識： 0 表示 忙； 1表示完成。 11． Read Power Supply[0B4H]。若把這條命令發(fā)給 DS18B20 后發(fā)出讀時間隙，器件會返回它的電源模式： 0 表示寄生電源； 1 表示外部電源。 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 24 第七節(jié) 溫度數(shù)據(jù)的計算處理方法 從 DS18B20 讀取出的二進(jìn)制值必須先轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制值，才能用于字符的顯示。DS18B20 的轉(zhuǎn)換精度為 9～ 12 位可選，為了提高精度采用 12 位。在采用 12 位轉(zhuǎn)換精度時，溫度寄存器里的值是以 為步進(jìn)的，即溫度值為溫度寄存器里的二進(jìn)制值乘以 ，就是實際的十進(jìn)制溫度值。 通過觀察表 可以發(fā)現(xiàn)，一個十進(jìn)制值與二進(jìn)制值間有很明顯的關(guān)系，就是把二進(jìn)制的高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組成一 個 字節(jié)，這個字節(jié)的二進(jìn)制值化為十進(jìn)制值后，就是溫度值的百、十、個位值，而剩下的低字節(jié)的低半字節(jié)化成十進(jìn)制后，就是溫度值的小數(shù)部分。因為小數(shù)部分是半字節(jié)，所以二進(jìn)制值范圍是 0～F，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制小數(shù)值就是 的倍數(shù)（ 0～ 15 倍）。這樣需要 4 位的數(shù)碼管來顯示小數(shù)部分。實際應(yīng)用不必有這么高的精度，采用 1 位數(shù)碼管來顯示小數(shù)，可以精確到 ℃ 。 表 41 就是二進(jìn)制與十進(jìn)制的近似對應(yīng)關(guān)系表。 表 41 小數(shù) 部分二進(jìn)制和十進(jìn)制的近似對應(yīng)關(guān)系表 小數(shù)部分二進(jìn)制值 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 十進(jìn)制值 0 0 1 1 2 3 3 4 5 5 6 6 7 8 8 9 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 25 第五章 調(diào)試及性能分析 系統(tǒng)的調(diào)試以程序調(diào)試為主。 硬件調(diào)試比較簡單，首先檢查電路的焊接是否正確，然后可用萬用表測試或通電檢測。 軟件調(diào)試可以先編寫顯示程序并進(jìn)行硬件的正確性檢驗，然后分別進(jìn)行主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計算溫度子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等 的編程及調(diào)試。 由于 DS18B20 與單片機采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，對 DS18B20 進(jìn)行讀 /寫編程時必須嚴(yán)格的保證讀 /寫時序；否則將無法讀取測量結(jié)果。本程序采用單片機匯編或 C語言編寫。 軟件調(diào)試到能顯示溫度值，而且在有變化時（例如用手去接觸）顯示溫度能改變，就基本完成。 性能測試可用制作的溫度計和已有的成品溫度計同時進(jìn)行測量比較。由于DS18B20 的精度很高，所以誤差指標(biāo)可以限制在 ? ℃ 以內(nèi)。 另外， 55～ 125℃ 的測溫范圍使得該溫度計完全適合一般的應(yīng)用場合， 其低電壓供電特性可以做成用電池供電的手持電子溫度計。 DS18B20 溫度計還可以在高低壓報警、遠(yuǎn)距離多點測溫控制等方面進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，但在實際設(shè)計中應(yīng)注意以下問題： 1． DS18B20 工作時電流高達(dá) ，總線上接點數(shù)較多且同時進(jìn)行轉(zhuǎn)換時要考慮增加總線驅(qū)動，可用單片機端口在溫度轉(zhuǎn)換時導(dǎo)通一個 MOSFET 供電。 2． 連接 DS18B20 的總線電纜是有長度限制的，因此在用 DS18B20 進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配等問題。 在 DS18B20 測溫程序設(shè)計中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命 令后，程序總要等待DS18B20 的返回信號。一旦某個 DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS18B20時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點在進(jìn)行 DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計時要給予一定的重視。 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 26 總結(jié)與展望 本設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)字溫度計的 以 下功能： 1． 溫度的數(shù)字顯示。 2． 誤差在正負(fù)零點五攝氏度范圍內(nèi)。 3． 溫度顯示穩(wěn)定，且溫度測量誤差小于等于 1 攝氏度。 4． 溫度值小數(shù)部分保留一位有效數(shù)字。 5． 顯示結(jié)果通過 4 位共陽極 LED 顯示。 也就是說，本設(shè)計完成了數(shù)字溫度計測定 55℃ ～＋ 125℃ 范圍內(nèi)的溫度的任 務(wù)。在實際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，僅僅完成溫度的檢測是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，測溫的主要目的是進(jìn)行溫度的控制。因為很多工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)對溫度的要求很 嚴(yán)格，超出產(chǎn)品要求的溫度范圍將造成產(chǎn)品缺陷甚至報廢。 所以 僅僅完成測溫及顯示是本設(shè)計的局限。 在本設(shè)計的基礎(chǔ)上可以增加一些功能使其在工業(yè)應(yīng)用中更加實用。比如：可以根據(jù)實際生產(chǎn)要求設(shè)定溫度上、下限的閥值并增加報警裝置，當(dāng)溫度超過閥值時溫度計會報警，報警時可以設(shè)計一個中斷，使其轉(zhuǎn)入中斷子程序的執(zhí)行。比如：當(dāng)溫度超過上限時執(zhí)行降溫，當(dāng)溫度超過下限時執(zhí)行加熱，等等。 DS18B20 溫度 計還可以在高溫報警、遠(yuǎn)距離多點測溫控制等方面進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，具有很好的發(fā)展前景。 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 27 參考文獻(xiàn) [1] 余錫存 . 單片機原理及接口技術(shù) [M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2021. 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