本科毕业设计-多路智能温度测控系统设计课程设计.doc

天津理工大学 通信工程 课程设计电子技术课程设计题目：多路智能温度测控系统设计 学 院 计算机与通信工程学院 专 业 通信工程 学 号 20081672 姓 名 * 指导老师 * 2011年5月目 录摘要 3关键字 3前言 3一Proteus内容简介4二、设计目的4三、设计内容4四、DS18B20简介5五、单片机简介9六、基本设计原理9七、设计步骤10八、Proteus设计图11九、Proteus仿真调试11十、软件设计13结语总结 14参考文献 14附录115附录217摘 要：本文介绍了数字温度传感器DS18B20测温的基本原理以及基于DS18B20的多点温度测量系统的设计过程，包括软件设计和硬件设计两大部分。软件部分给出了软件设计思想及软件流程图，硬件部分给出了单片机、测温电路、显示电路设计。单片机使用AT89C52单片机，温度传感器使用美国DALLAS公司最新推出的DS18B20数字式温度传感器,显示模块采用LCD显示。基于DS18B2O的多点测温系统在实际中应用广泛，测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少、转换速度快、给硬件电路设计工作带来极大的方便并且缩短了开发周期。关键词：DS18B20 多点温度测量 单片机 Proteus仿真前 言随着电子技术的快速发展，我们生活中的方方面面几乎都充斥着电子产品，我们也无时无刻不享受着电子技术带给我们的便利。作为电子专业的大学生，我们应当在享受电子生活带给我们的便捷的同时，应该更多的理解与思考电子产品的设计过程，并能在已有的集成芯片和单片机等微控制器的基础上，自己动手亲身体验电子设计的过程，以便于将课本上的理论实践化，做到学以致用，更好的掌握单片机等元器件的应用，锻炼独立解决问题的能力。本课程设计题目是基于DS18B20的多路智能温度测控系统设计，主要介绍了DS18B20的工作过程和原理，以及基于它的系统设计。在这个设计里，根据要求设计了两个DS18B20与单片机之间的单端口通信，可以推广到多个DS18B20。通过学习了解掌握了Proteus 原理图设计及仿真方法，熟悉Keil开发环境。在设计过程中参考或引用了基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真，DS18B20数据手册等参考资料以及网络上的相关资料。在此，向这些技术资料的作者表示感谢。由于设计者的学识水平有限，加之时间仓促，作品不够完善，不足之处在所难免，敬请老师指导和改正。一Proteus内容简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430、Cortex和DSP系列处理器。它是能进行模拟电路、数字电路、模数混合电路、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI 调试器、键盘和LCD、LED 系统的设计与仿真的平台。Proteus 具备原理图设计、电路分析与仿真、PCB 设计功能,可以通过调入程序的编译结果. hex 或. cof 文件来调试单片机程序,还可直接嵌入到 Microchip 公司的单片机调试软件 MPLAB IDE中,进行程序的调试和仿真。二、设计目的1、掌握单片机基本编程技术及外围电路的搭建2、熟练掌握DS18B20的基本操作并了解其工作原理3、熟练掌握Proteus原理图设计及仿真三、设计内容1、单片机最小系统设计2、DS18B20与单片机的单口通信设计3、Proteus原理图的绘制与仿真4、单片机程序编写四、DS18B20简介DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire,即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，可以节约硬件资源，而且使用较为方便。DS18B20产品的特点 （1）只要求一个端口即可实现通信。 （2）在 DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4）测量温度范围在55C到125C之间。 （5）数字温度计的分辨率用户可以从 9位到 12 位选择。 （6）内部有温度上、下限告警设置。DS18B20的引脚介绍 TO-92封装的DS18B20的引脚排列见下图 DS18B20的使用方法由于 DS18B20 采用的是 1Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问。 由于 DS18B20是在一根 I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。（此图为以下时序图的图例）DS18B20的复位时序DS18B20的读时序 对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15us之内释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20进行一个读时序过程，至少需要60us才能完成。（下图左边为读“0”时序，右边为读“1”时序）DS18B20的写时序 对于 DS18B20 的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。（下图左边为读“0”时序，右边为读“1”时序）单片机检测到DS18B20的存在，即可向其发送ROM操作命令 每一片DS18B20在其ROM中都存有其唯一的64位序列号，在出厂前已写入片内ROM中，主机在进入操作程序前必须逐一接入18B20用读ROM（33H）命令将该18B20的序列号读出并登陆。当主机需要对众多在线18B20进行操作是，首先要发出匹配ROM命令（55H）之后的操作就是针对该18B20的。而所谓跳过ROM命令即为：之后的操作是对所有18B20的框图中先有跳过ROM，即是启动所有18B20进行温度变换之后，通过匹配ROM再逐一地读回每个18B20的温度数据。在18B20组成的测温系统中，主机在发出跳过ROM命令之后，再发出统一的温度转换启动码44H就可以实现所有18B20的统一转换，再经过1s后，就可以用很少的时间去逐一读取。64-bit ROM数据结构图：低8位为产品类型编码（DS18B20均为10h），中间48位为每个器件唯一的序号，高8位为CRC（循环冗余校验）码。DS18B20中有用于存储测得的温度值的两个8位RAM存储器，编号为0号到1号。1号存储器存放温度值的符号，如果温度为负，则1号存储器8位全为1，否则全为0。0号存储器用于存放温度值的补码，LSB（最低位）的“1”表示0.5摄氏度。将存储器中的二进制数求补再转化成十进制数并处以2就得到被测温度值（-55摄氏度125摄氏度）。温度/数据转换关系转换示例五、单片机简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。六、基本设计原理单片机在本设计中充当了重要的角色，是整个温度测控系统的核心，作为控制中心而存在，与本设计中的另一个重要部分DS18B20进行数据通信并控制LCD液晶屏显示输出，完成了整个多点温度的测控任务，DS18B20、AT89C52单片机、LCD液晶屏构成了整个多点温度测控系统。本设计共采用了2片DS18B20芯片并接于P1.1口采用AT89C52作为控制中心与DS18B20完成单口通信，读取DS18B20采集的温度信息，并经过处理交由1602LCD显示。本设计出于只阐述说明原理考虑只使用了2片DS18B20芯片，并外接了一个开关用于这2片芯片温度数据之间的切换。系统框图如下所示。 系统框图AT89C52DS18B20DS18B20LCD1602七、设计步骤1、查阅 DS18B20芯片datasheet，熟悉其工作原理2、在Proteus环境下绘制系统原理图3、在Keil开发环境下编写程序4、将程序导入Proteus下仿真5、根据仿真结果改写程序6、撰写设计报告八、Proteus设计图说明：左下角为两个DS18B20芯片，DQ端同接于AT89C52的P1.1口，右上角为1602LCD，P3.3口接开关，通过它的开关切换两片DS18B20之间的温度显示。九、Proteus仿真调试在Proteus中使用多个DS18B20 时，必须改变器件的属性，使仿真中的每个器件序列号各不相同。具体做法：右击DS18B20，选中Edit Properties选项，在其中改变ROM Serial Number的值（在该对话框下还可以改变Granularity的数值，即改变每次调整温度的额度）。在Proteus中，可以人为改变3个字节的器件序列号。要想得到全部8个字节，一个简单的方法就是每一次总线上只连接一个器件，利用0x33读器件序列号的命令在程序中得到完整的器件序列号。将测试序列号的程序烧入Proteus下AT89C51中，程序中定义通信端口为P1.1只需将DS18B20依次与单片机连接即可。并在运行中点击菜单项debug，选中watch window，按alt+A，即出现图1所示对话框，在Name项中输入a，在Address项中输入0x08，点击add，在Watch Window窗口中即可看到序列号低八位的值。然后依次输入0x090x0f，再点击done键，即可获得所有64位序列号。所得序列号如图2所示（本设计共用了两个DS18B20）。测试程序详见附录1 程序中包含向DS18B20发送一个字节,读取一个字节,以及DS18B20的初始化等子程序。 图 1图 2 十、软件设计1、软件流程图判断K=1？读取1ST DS18B20LCD显示读取2ND DS18B20LCD显示初始化DS18B20开始是否主程序流程图 DS18B20读取温度流程图开始初始化DS18B20跳过读序列号操作匹配ROM启动温度转换读序列号匹配ROM读取温度寄存器 2、关键模块说明本程序由主函数main.c 、 头文件ds18b20.h 、 lcd1602.h (为便于调用特将其编为.h文件)三部分组成。主函数main.c中处理了由DS18B20采集的温度信息并交由1602LCD显示，并设置了一个开关，当打开开关显示1ST的温度，闭合开关显示2ND的温度。ds18b20.h 是DS18B20的驱动程序，包含了DS18B20的初始化函数、读写一个字节的函数、匹配ROM函数、温度读取函数。Lcd1602.h是1602LCD的驱动程序，包含了LCD初始化等程序，使用时只需在主程序中调用GotoXY()函数即可让LCD1602显示字母数字等信息。具体程序见附录2。结语总结 在本次课程设计中，我对于芯片的学习能力有了一定了提高，对于初次接触的DS18B20芯片能通过阅读它的数据手册了解其使用方法，并付诸于软件编程思想。在设计中碰到了一些困难，如在实现多个DS18B20的单总线通信时，遇到了编程上的瓶颈，接着又在Proteus仿真中遇到了不会读取DS18B20的序列号的困难，幸而被一一克服，才得以完成本设计最终的仿真实现。第一次亲自动手编写此类较为冗长的程序，将所学的C语言运用到实际，才发现实践总是高于理论的，在实际应用中总会出现困难。在完成本设计后，本人感觉工程设计能力有较大的提升，培养了系统的思维能力，总之得到了很好的锻炼。参考文献1、 唐颖. 单片机原理与应用及C51程序设计.北京：北京大学出版社，20082、 周润景.张丽娜.基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真.北京：北京航空航天大学出版社，2006附录1DS18B20 ROM系列号测试程序#includesbit DQ = P11; /定义通信端口 unsigned char a8;/延时程序void delay_18B20(unsigned int i) while(i-);/初始化函数Init_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ复位 delay_18B20(4); /稍做延时 DQ = 0; /单片机将DQ拉低 delay_18B20(100); /精确延时 大于 480us DQ = 1; /拉高总线 delay_18B20(40); /读一个字节 ReadOneChar(void)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i0;i-) DQ = 0; / 给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; / 给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; delay_18B20(10); return(dat);/写一个字节 WriteOneChar(unsigned char dat)unsigned char i=0;for (i=8; i0; i-)DQ = 0;DQ = dat&0x01; delay_18B20(10); DQ = 1; dat=1; void main(void) unsigned char i;Init_DS18B20(); WriteOneChar(0x33);for(i=0;i8;i+)ai=ReadOneChar();/将Rom序列号存入a中 附录2主程序1、main.c#include#include#includeunsigned char TempBuffer6;sbit k=P30;void delay(unsigned int i) while(i-);void main(void) unsigned int temp;Init_DS18B20();delay(5000); while(1) if(k=1)/打开开关显示1ST DS18B20 temp = ReadTemperature(1); if(flag_Negative_number)TempBuffer0=-; else TempBuffer0=+; TempBuffer1=temp/1000+0;/百位数 TempBuffer2=temp%1000/100+0;/十位数 TempBuffer3=temp%100/10+0;/个位数 TempBuffer5=temp%10+0;/小数位 TempBuffer4=.; /小数点 LCD_Initial(); GotoXY(0,0); Print( 1st DS18B20); GotoXY(0,1); Print(temp:); GotoXY(5,1); Print(&TempBuffer0); GotoXY(11,1); Print( cent); delay(50000); else /闭合开关显示2ND DS18B20 temp = ReadTemperature(2); if(flag_Negative_number)TempBuffer0=-; else TempBuffer0=+; TempBuffer1=temp/1000+0;/百位数 TempBuffer2=temp%1000/100+0;/十位数 TempBuffer3=temp%100/10+0;/个位数 TempBuffer5=temp%10+0;/小数位 TempBuffer4=.; /小数点; LCD_Initial(); GotoXY(0,0); Print( 2nd DS18B20); GotoXY(0,1); Print(temp:); GotoXY(5,1); Print(&TempBuffer0); GotoXY(11,1); Print( cent); delay(50000); 2、ds18b20.h#ifndef _DS18B20_H_#define _DS18B20_H_sbit DQ = P11; /定义通信端口 unsigned char flag_Negative_number = 0;/负数标志unsigned char code str1=0x28,0x30,0xc5,0xb8,0x00,0x00,0x00,0x8e;unsigned char code str2=0x28,0x31,0xc5,0xb8,0x00,0x00,0x00,0xb9;/晶振11.0592MHz void delay_18B20(unsigned int i) while(i-);/初始化函数Init_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ复位 delay_18B20(4); /稍做延时 DQ = 0; /单片机将DQ拉低 delay_18B20(100); /精确延时 大于 480us DQ = 1; /拉高总线 delay_18B20(40); /读一个字节 ReadOneChar(void)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i0;i-) DQ = 0; / 给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; / 给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; delay_18B20(10); return(dat);/写一个字节 WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; delay_18B20(10); DQ = 1; dat=1; /匹配ROMMatchRom(unsigned char a) char j; WriteOneChar(0x55);/发送匹配ROM命令 if(a=1) for(j=0;j8;j+) WriteOneChar(str1j);/发送18B20的序列号，先发送低字节 if(a=2) for(j=0;j8;j+) WriteOneChar(str2j);/发送18B20的序列号，先发送低字节 /读取温度ReadTemperature(unsigned char z)unsigned char a=0;unsigned char b=0;unsigned int t=0; Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作Init_DS18B20();if(z=1)MatchRom(1); /匹配ROM 1if(z=2)MatchRom(2); /匹配ROM 2WriteOneChar(0x44);/*启动温度转换*/delay_18B20(5);Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xcc);/读序列号Init_DS18B20(); if(z=1)MatchRom(1); /匹配ROM 1if(z=2)MatchRom(2);/匹配ROM 2 WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度a=ReadOneChar();b=ReadOneChar();/启动下一次温度转换Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换t=b;t0x0fff) t=t+1;flag_Negative_number = 0xff;t=t*0.625; /有效位到小数点后2位return(t);#endif3、lcd1602.h#ifndef LCD_CHAR_1602_2005_4_9#define LCD_CHAR_1602_2005_4_9#include /Port definitionssbit LcdRs= P20;sbit LcdRw= P21;sbit LcdEn = P22;sfr DBPort = 0x80;/P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.数据端口/内部等待函数unsigned char LCD_Wait(void)LcdRs=0;LcdRw=1;_nop_();LcdEn=1;_nop_();/while(DBPort&0x80);/在用Proteus仿真时，注意用屏蔽此语句，在调用GotoXY()时，会进入死循环， /可能在写该控制字时，该模块没有返回写入完备命令，即DBPort&0x80=0x80 /实际硬件时打开此语句LcdEn=0;return DBPort;/向LCD写入命令或数据#define LCD_COMMAND0 / Command#define LCD_DATA1 / Data#define LCD_CLEAR_SCREEN0x01 / 清屏#define LCD_HOMING 0x02 / 光标返回原点void LCD_Write(bit style, unsigned char input)LcdEn=0;LcdRs=style;LcdRw=0;_nop_();DBPort=input;_nop_();/注意顺序LcdEn=1;_nop_();/注意顺序LcdEn=0;_nop_();LCD_Wait();/设置显示模式#define LCD_SHOW0x04 /显示开#define LCD_HIDE0x00 /显示关 #define LCD_CURSOR0x02 /显示光标#define LCD_NO_CURSOR0x00 /无光标 #define LCD_FLASH0x01 /光标闪动#define LCD_NO_FLASH0x00 /光标不闪动void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode)LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x08|DisplayMode);/设置输入模式#define LCD_AC_UP0x02#define LCD_AC_DOWN0x00 / default#define LCD_MOVE0x01 / 画面可平移#define LCD_NO_MOVE0x00 /defaultvoid LCD_SetInput(unsigned char InputMode)LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x04|InputMode);/初始化LCDvoid LCD_Initial()LcdEn=0;LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38); /8位数据端口,2行显示,5*7点阵LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR); /开启显示, 无光标LCD_Write(LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREEN); /清屏LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE); /AC递增, 画面不动/*void GotoXY(unsigned char x, unsigned char y)if(y=0)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|x);if(y=1)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|(x-0x40);void Print(unsigned char *str)while(*str!=0)LCD_Write(LCD_DATA,*str);str+;#endif23