【正文】 DS18B20 電路設(shè)計(jì) ..................................................17 第四章 程序流程圖設(shè)計(jì) ..............................................19 ii 主程序 .....................................................................................................19 讀出溫度子程序 .....................................................................................20 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序 .............................................................................20 計(jì)算溫度子程序與報(bào)警程序 .................................................................21 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序 .............................................................................21 按鍵掃描處理子程序 .............................................................................22 第五章 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行 ..............................................23 第六章 結(jié)論 ........................................................24 致 謝 ...........................................................25 附 錄 ..............................................................26 A 電路總原理圖 .............................................................................................26 B 程序清單 .....................................................................................................27 參考文獻(xiàn) ...........................................................36 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè) 論文 1 第一章 引言 溫度是日常生活、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、化工、石油等領(lǐng)域最常遇到的一個(gè)物理量。最常見到的測(cè)量溫度的工具是各種各樣的溫度計(jì)，例如，水銀玻璃溫度計(jì)，酒精溫度計(jì)，熱電偶或熱電阻溫度計(jì)等。利用單片 機(jī)和溫度傳感器構(gòu)成的電子式智能溫度計(jì)就可以直接測(cè)量溫度，得到溫度的數(shù)字值，既簡(jiǎn)單方便，又直觀準(zhǔn)確。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展 ,特別是大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。以上特性使得DSl8B20 非常適用于構(gòu)建高精度、多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng) 。 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè) 論文 2 第二章 方案選擇及總體設(shè)計(jì) 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)方案論證 方案一 由于本設(shè)計(jì)是測(cè)溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感 溫效應(yīng)，在將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來，這種設(shè)計(jì)需要用到A/D 轉(zhuǎn)換電路，其中還涉及到電阻與溫度的對(duì)應(yīng)值的計(jì)算，感溫電路比較麻煩。 方案二 進(jìn)而考慮到用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器 DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測(cè)溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電路簡(jiǎn)單，精度高，軟硬件都以實(shí)現(xiàn)，而且使用單片機(jī)的接口便于系統(tǒng)的再擴(kuò)展，滿足設(shè)計(jì)要求 。 故采用了方案二。而熱電偶和熱電阻測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的 溫度，需要比較多的外部硬度支持，硬件電路 [1]復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高。系統(tǒng)主要分為溫度采集模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊，報(bào)警模塊， LED 顯示模塊和供電模塊。 圖 21 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 原理圖 本數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)采用美國 DALLS 半導(dǎo)體公司繼 DS18B20 之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器 DS18B20 作為檢測(cè)元件，測(cè)溫范圍為－ 55℃～＋125℃，最大分 辨率可達(dá) ℃。 總體設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)功能 *采用數(shù)字溫度傳感器，基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)，本溫度計(jì)屬 于多功能溫度計(jì)，可以設(shè)置上下報(bào)警溫度，當(dāng)溫度不在設(shè)置范圍內(nèi)時(shí)，可以報(bào)警 。 DS18B20 采集溫度 數(shù)據(jù)傳輸 報(bào)警功能 LED 顯示溫度值 供電電源 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè) 論文 4 擴(kuò)展 功能 *測(cè)溫范圍 55～ ~+125 ℃。 ℃ 以內(nèi) 。 * 溫 度上下限調(diào)節(jié)功能：能夠調(diào)節(jié) 測(cè)溫范圍為 55～ +125 ℃的上線溫度和下線溫度 * 報(bào)警功能：能在上限和下限溫度時(shí) 蜂鳴器 報(bào)警 發(fā)光二極管閃爍 并控制繼電器的開閉 ； * LED 數(shù)碼管直讀顯示，當(dāng)溫度為 “負(fù) ”,則顯示負(fù)號(hào)；最低位顯示攝氏度符號(hào)“C” 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè) 論文 5 第三章 硬件設(shè)計(jì) 總體電路設(shè)計(jì) 溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖 21 所示，控制器使用單片機(jī)，溫度傳感器使用DS18B20，用 4位共陽 LED數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)溫度顯示。電路還包括按鍵電路，復(fù)位電路，報(bào)警電路， 控制加溫電路 ， 單片機(jī)外設(shè)電路等 。STC89C52 單片機(jī)為 40 引腳雙列直插芯片 , 有四個(gè) I/O 口 P0、 P P P3,每一條 I/O 線都能獨(dú)立地作輸出或輸 入。 圖 31 STC89c52 包含以下部分 ： （ 1）一個(gè) 8 位微處理器 CPU （ 2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR （ 3）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 ROM （ 4）兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0、 T1，可用作定時(shí)器，也可用以對(duì)外部脈 沖進(jìn)行計(jì)數(shù) （ 5）四個(gè) 8 位可編程的并行 I/O 端口，每個(gè)端口既可作輸入， 也可 作輸桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè) 論文 7 出 （ 6）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信 （ 7）中斷控制系統(tǒng) 、 （ 8）內(nèi)部時(shí)鐘電路 STC89c52 部分引腳說明 ： 1. 時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2： XTAL2(18 腳 )：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；在 8051 片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。 要檢查 8051/8031 的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看 XTAL2 端是否有脈沖信號(hào)輸出。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。當(dāng)此輸入端保持備用電源的輸入端。RST 引腳的第二功能是 VPD,即接入 RST 端，為 RAM 提供備用電源，以保證存儲(chǔ)在 RAM 中的信息不丟失，從而合復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。當(dāng) 8051 上電正常工作后， ALE 引腳不斷向外輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率 fOSC 的 1/6。 平時(shí)不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 端也以振蕩頻率的 1/6 固定輸出正脈沖，因而 ALE 信號(hào)可以用作對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。如有脈沖信號(hào)輸出，則8051/8031 基本上是好的 。 此引腳的第二功能 PROG 在對(duì)片內(nèi)帶有 4KB EPROM 的 8751 編程寫入 (固化程序 )時(shí)，作為編程脈沖輸入端。在訪問片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 PSEN 端有效，即允許讀出 EPROM／ ROM 中的 指令 碼。要檢查一個(gè) 8051/8031 小系統(tǒng)上電后 CPU 能否正常到 EPROM／ ROM 中讀取指令碼，也可用示波器看 PSEN 端有桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè) 論文 8 無脈沖輸出。 EA/Vpp(31 腳 )：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端 /固化編程電壓輸入端。 當(dāng) 輸入信號(hào) EA 引腳接低電平 (接地 )時(shí)， CPU 只訪問外部 EPROM/ROM 并執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。此引腳的第二功能是 Vpp 是對(duì) 8751 片內(nèi) EPROM 固化編程時(shí)，作為施加較高編程電壓 (一般 12V～ 21V)的輸入端。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。作輸入 口使用時(shí)要先寫 1,這就是準(zhǔn)雙向口的含義。在此期間，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。 P1口每位能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 P2口 (～ ， 21~28 腳 )： P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向I/O 口。在訪問片外 EPROM/RAM 時(shí)，它輸出高 8 位地址。 P3 口每位能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) LS型 TTL負(fù)載。 ： (RXD)串行數(shù)據(jù)發(fā)送。 ： (INT1)外部中斷 1輸入。 ： (T1)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1的外部計(jì)數(shù)輸入。 ： (RD)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè) 論文 9 顯示電路 顯示電路采用 8 位共陰極 LED 數(shù)碼管 其中的 前 5 位 ， P0 口 高電平有效 ，作為段碼輸出并作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。采用動(dòng)態(tài)掃描的方式顯示。 1. 74HC573 11 腳接 ACC，鎖存不起作用，相當(dāng)于直通。 2. 74HC138 ABC 賦值 0~7，則輸出端分別是 Y0~Y7 置“ 0”，如 P2=0，則 Y0=0； P2=6； 則 Y6=0；即選通第七個(gè)數(shù)碼管。均采用軟 件消抖。 喇叭不同于蜂鳴器，不能直接賦值‘ 1’或‘ 0’需要直續(xù)賦值變化的電平。Led 燈 D2 連接單片機(jī) 口 ，當(dāng)溫度超過設(shè)定的上 下 限溫度時(shí) D2 閃爍報(bào)警 。當(dāng)溫度超過設(shè)定的上下限溫度時(shí)，程序控制繼電器自動(dòng)打開，控制加溫或者減溫系統(tǒng)進(jìn)行工作。 圖 37 繼電器控制電路 DS18B20 溫度傳感器 DS18B20 溫度傳感器是美國 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)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信； 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 ～ ； 溫度以 9 或 12 位數(shù)字量讀出； 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，但不能工作。 64 位 ROM 的位結(jié)構(gòu)如圖 38 所示。非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和TL，可通過軟件寫入戶報(bào)警上下限。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3 所示。第 5 個(gè)字節(jié)為配置寄存器 [9]，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辯率。該字節(jié)各位的定義如圖 38 所示。 在 DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動(dòng)， R1 和 R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度 位數(shù)，即用來設(shè)置分辯率，定義方法見表 1。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辯率和轉(zhuǎn)換時(shí)間溫度 LSB 溫度 MSB TH 用戶字節(jié) 1 TL 用戶字節(jié) 2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè) 論文 15 權(quán)衡考慮。轉(zhuǎn)換完成后溫度值就以 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)。溫度值格式如圖 46 所示。表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將被補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。 LS 字節(jié) MS 字節(jié) 圖 311 溫度數(shù)據(jù)值格式 DS18B20 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。因此，可用多只 DS18B20 同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行報(bào)警搜索。 DS18B20 的測(cè)量原理如圖 311 所示。圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)， 表 2 DS18B20 溫度與測(cè)得值對(duì)應(yīng)表 溫度 /℃ 二進(jìn)制表示 十六進(jìn)制表示 ＋ 125 0000 0111 1101 0000 07D0H ＋ 85 0000 0101 0101 0000 0550H ＋ 0000 0001 1001 0001 0191H ＋ 0000 0000 1010 0010 00A2H ＋ 0000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H 23 2 21 20 21 2