单片机 温度传感器设计.doc

基于FPGA温度传感器DS18B20的设计

摘 要: 本文利用数字温度传感器 DS18B20 的数据接口和特点 ,阐述了一种基于现场可编程门阵列( FPGA)控制DS18B20的方法。使用 FPGA 作为控制器 ,严格控制DS18B20 的时序 ,在单总线上实现读写功能 ,完成测量数字温度的功能。将测量的二进制数转换为BCD码 ,并通过数码管显示。系统设计使用 Verilog 语言。

关键字：DS18B20;LED
1、前言
目前，单片机已经在测控领域中获得了广泛的应用，它除了可以测量电信以外，还可以用于温度、湿度等非电信号的测量，能独立工作的单片机温度检测、温度控制系统已经广泛应用很多领域。
单片机是一种特殊的计算机,它是在一块半导体的芯片上集成了CPU,存储器，RAM，ROM，及输入与输出接口电路，这种芯片称为:单片机。由于单片机的集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，重量轻，能耗低，价格便宜，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便的优点，使它迅速的得到了推广应用，目前已成为测量控制系统中的优选机种和新电子产品中的关键部件。单片机已不仅仅局限于小系统的概念，现已广泛应用于家用电器，机电产品，办公自动化用品，机器人，儿童玩具，航天器等领域。
2、设计任务及要求
2.1 设计任务
现代社会生活中，多功能的数字温度计可以给我们的生活带来很大的方便；支持“一线总线”接口的温度传感器简化了数字温度计的设计，降低了成本；以美国MAXIM/DALLAS半导体公司的单总线温度传感器DS18B20为核心，以ATMEL公司的AT89S52为控制器设计的DS18B20温度控制器结构简单、测温准确、具有一定控制功能的智能温度控制器。
此次课程设计，就是用单片机[现温度控制，传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。本次采用DS18B20数字温度传感器来实现基于单片机的数字温度计的设计。
2.2设计要求
设计一个基于单片机的DS18B20数字温度计。课程设计要求：
Ø 5V供电；
Ø 温度采集采用DS18B20；
Ø 4位LED显示；
Ø 2个按键；
Ø 设计温度控制器原理图，学习用protel画出该原理图，并用proteus进行仿真；
设计和绘制软件流程图，用C语言进行程序编写。
2.3 课程谁方案及方案论证
2.3.1课程设计方案
这次设计的数字温度计设计采用智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55°C至+125°C，最大分辨率可达0.0625°C。DS18B20可以直接读出被测量的温度值，而采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路。按照系统设计功能的要求，确定系统由三个模块组成：主控制器AT89C51，温度传感器DS18B20，驱动显示电路。总体电路框图如下：

主控制器
AT89C51

DS18B20
驱动显示电路

2.3.2 方案论证
此设计使用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。
3、总体设计框图
3.1总框图
温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。
主 控 制 器
LED显 示
温 度 传 感 器
单片机复位
时钟振荡
报警点按键调整

总体设计方框图
主控制器：单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
显示电路：显示电路采用3位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。
3.2器材选用
3.2.1 DS18B20
本设计的测温系统采用芯片DS18B20，DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它的体积更小，适用电压更宽，更经济。其特点如下:
●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
●无须外部器件；
●可通过数据线供电，电压范围为3.0—5.5Ｖ；
●零待机功耗；
●温度以9位或12位数字；
●用户可定义报警设置；
●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
●负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图2-3-1所示。64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。  64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如图2-3-2所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如下图所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，

DS18B20的字节定义
DS18B20高速暂存器共9个存存单元，如表所示：
序号
寄存器名称
作    用
序号
寄存器名称
0
温度低字节
以16位补码形式存放
4、5
保留字节1、2
1
温度高字节
6
计数器余值
2
TH/用户字节1
存放温度上限
7
计数器/℃
3
HL/用户字节2
存放温度下限
8
CRC

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
由于DS18B20采用的“一线总线”结构，所以数据的传输与命令的通讯只要通过微处理器的一根双向I／o口就可以实现。DSl8B20约定在每次通信前必须对其复位。
图中tRSTL为主机发出的低电平信号，本文中有AT89c52提供，tRSTL的最小时延为，然后释放总线，检查DSl8B20的返回信号，看其是否已准备接受其他操作，其中tPDHIGH时间最小为，最长不能超过，否则认为DS18B20没有准备好，主机应继续复位，直到检测到返回信号变为低电平为止。
DS18B20的ROM操作指令
操作指令
33H
55H
CCH
F0H
ECH
含义
读ROM
匹配ROM
跳过ROM
搜索ROM
报警搜索ROM

DS18B20的存储器操作指令
操作指令
4EH
BEH
48H
44H
D8H
B4H
含义
写
读
内部复制
温度转换
重新调出
读电源
主机一旦检测到DS18B20的存在，根据DS18B2的工作协议，就应对ROM进行操作，接着对存储器操作，最后进行数据处理。在DS18B20中规定了5条对ROM的操作命令。主机在发送完ROM操作指令之后，就可以对DS18B20内部的存储器进行操作，同样DS18B20规定了6条操作指令。
3.3 AT89C51单片机介绍
3.3.1 单片机主要性能
他有8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、 全静态操作：0Hz～33Hz 、三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符 。
3.3.2. AT89c51的功能特性
AT89C51 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
3.3. 3 引脚说明
P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能
P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5 MOSI（在系统编程用）
P1.6 MISO（在系统编程用）
P1.7 SCK（在系统编程用）
P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 。
TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89c51特殊功能（第二功能）使用，如下所示。 在flash编程和校验时.
　　端口引脚 第二功能
　　P3.0 RXD(串行输入口)
　　P3.1 TXD(串行输出口)
　　P3.2 INT0(外中断0)
　　P3.3 INT1(外中断1)
　　P3.4 T0(定时/计数器0)
　　P3.5 T1(定时/计数器1)
　　P3.6 WR(外部数据存储器写选通)
　　P3.7 RD(外部数据存储器读选通)
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
3.4 软件流程图
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。
3.4.1主程序流程图
主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图所示。
初始化
调用显示子程序
1S到？
初次上电
读出温度值温度计算处理显示数据刷新
发温度转换开始命令
N
Y
N
Y
Y
发DS18B20复位命令
发跳过ROM命令
发读取温度命令
读取操作，CRC校验
9字节完？
CRC校验正？确？
移入温度暂存器
结束
N
N
Y

主程序流程图 读温度流程图
3.4.2 度温度子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。

发DS18B20复位命令
发跳过ROM命令
发温度转换开始命令
结束

3.4.3 温度转换子程序
温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。
3.4.4 计算温度子程序
计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图

温度数据移入显示寄存器
十位数0？
百位数0？
十位数显示符号百位数不显示
百位数显示数据（不显示符号）
结束
N
N
Y
Y
开始
温度零下?
温度值取补码置“—”标志
计算小数位温度BCD值
计算整数位温度BCD值
结束
置“+”标志
N
Y

计算温度流程图 显示数据刷新流程图
4、DS18B20显示程序
#include <reg51.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char //宏定义
sbit p34=P2^4;
sbit p35=P2^5;
sbit p36=P2^6;
sbit dp=P0^7;
sbit p37=P2^7;
sbit DQ=P2^2; //定义DS18B20总线I/O
sbit SET=P3^1; //定义选择报调整警温度上限和下限（1为上限，0为下限）
/****P3.2和P3.3为调整温度报警增加键和减少键******/
sbit LING=P2^0; //定义响铃
signed char m; //温度值全局变量
bit sign=0; //外部中断状态标志
signed char shangxian=38; //上限报警温度，默认值为38
signed char xiaxian=6; //下限报警温度，默认值为5
uchar code LEDData[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf};
/*****延时子程序*****/
void Delay(uint i)
{
while( i-- );
}
/*****初始化DS18B20*****/
void Init_DS18B20(void)
{
unsigned char x=0;

DQ=1;
Delay(8); //稍做延时
DQ=0; //单片机将DQ拉低
Delay(80); //精确延时，大于480us
DQ=1; //拉高总线
Delay(14);
x=DQ; //稍做延时后，如果x=0则初始化成功，x=1则初始化失败
Delay(20);
}

/*****读一个字节*****/
unsigned char ReadOneChar(void)
{
unsigned char i=0;
unsigned char dat=0;
for (i=8;i>0;i--)
{
DQ=0; // 给脉冲信号
dat>>=1;
DQ=1; // 给脉冲信号
if(DQ)
dat|=0x80;
Delay(4);
}
return(dat);
}

/*****写一个字节*****/
void WriteOneChar(unsigned char dat)
{
unsigned char i=0;
for (i=8; i>0; i--)
{
DQ=0;
DQ=dat&0x01;
Delay(5);
DQ=1;
dat>>=1;
}
}
void Tmpchange(void) //发送温度转换命令
{
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0x44); //启动温度转换
}
/*****读取温度*****/
unsigned int ReadTemperature(void)
{
unsigned char a=0;
unsigned char b=0;
unsigned int t=0;
float tt=0;
Tmpchange();
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器
a=ReadOneChar(); //读低8位
b=ReadOneChar(); //读高8位
t=b;
t<<=8;
t=t|a;
tt=t*0.0625;
t= tt*100+0.5; //放大10倍输出并四舍五入
return(t);
}

/*****显示开机初始化等待画面*****/
Disp_init()
{
P0 = 0x80; //显示-
p34=1;p35=0;p36=0;p37=0;
Delay(200);
P0 = 0x80;
p34=0;p35=1;p36=0;p37=0;
Delay(200);
P0 = 0x80;
p34=0;p35=0;p36=1;p37=0;
Delay(200);
P0 = 0x80;
p34=0;p35=0;p36=0;p37=1;
Delay(200);
P0 = 0x80;

}

/*****显示温度子程序*****/
Disp_Temperature() //显示温度
{
uint a,b,c,d,e;
e=ReadTemperature(); //获取温度值
a=e/1000; //计算得到十位数字
b=e/100-a*10; //计算得到个位数字
d=e%10; //计算得到小数点后两位
c=(e%100)/10; //计算得到小数点后一位
m=e/100;
if(m>shangxian || m<xiaxian) LING=1; //温度不在范围内报警
else LING=0;
p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;
P0 =LEDData[d]; //显示小数点后两位
p34=1;p35=0;p36=0;p37=0;
Delay(300);
p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;
P0 =LEDData[c]; //显示小数点后一位
p34=0;p35=1;p36=0;p37=0;
Delay(300);
p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;
P0 =LEDData[b]; //显示个位
dp=0;
p34=0;p35=0;p36=1;p37=0;
Delay(300);
p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;
P0 =LEDData[a]; //显示十位
p34=0;p35=0;p36=0;p37=1;
Delay(300);
p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; //关闭显示

}

disptiaozheng()
{
uchar f,g,j,k;
f=shangxian/10;
g=shangxian%10;
j=xiaxian/10;
k=xiaxian%10;
p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;
P0 =0xc0; //显示0
p34=1;p35=0;p36=0;p37=0;
Delay(200);
p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;
P0 =0xc0; //显示0
p34=0;p35=1;p36=0;p37=0;
Delay(200);
p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;
if(SET==1)
{
P0 =LEDData[g];
dp=0; //显示上限温度个位
}
else
{
P0 =LEDData[k];
dp=0;
}
p34=0;p35=0;p36=1;p37=0;
Delay(200);
p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;
if(SET==1) P0 =LEDData[f]; //显示上限温度十位
else
{
if(f==0) P0=0x00; //不显示下限温度十位
else P0 =LEDData[j]; //显示下限温度十位
}
p34=0;p35=0;p36=0;p37=1;
Delay(200);
p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; //关闭显示
Delay(20);
}

/*****外部中断0服务程序*****/
void int0(void) interrupt 0
{

EX0=0; //关外部中断0
sign=1;
if(SET==1) shangxian++;
else xiaxian++;
Delay(500);
EX0=1;
}

/*****外部中断1服务程序*****/
void int1(void) interrupt 2
{

EX1=0; //关外部中断0
sign=1;
if(SET==1) shangxian--;
else xiaxian--;
Delay(500);
EX1=1;
}

/*****主函数*****/
void main(void)
{
uint z;
IT0=1;
IT1=1;
EX0=1;
EX1=1;
EA=1;
ReadTemperature();
LING=0;
for(z=0;z<100;z++)
{
Disp_init();
}
while(1)
{
Disp_Temperature();
if(sign==1)
{
for(z=0;z<300;z++)
disptiaozheng();
sign=0;
}
}
}
5.软件仿真
5.1 QUARTUS II仿真
程序编写完以后，我们先对其进行仿真，初步验证电路图和程序的可行性和正确性。
打开Quartus II软件。

创建程序：有三个v文件，LED_CTL.v 是数码管显示功能模块，DS18B20_CTL.v 是温度传感器的控制模块，TEMP.v 为顶层模块，实例化了前面两个模块，并将采集的温度值送至数码管进行显示。

编译无误后，下载调试，如图9所示：

5.2 proteus仿真图

6、课程设计心得
本次的课程设计花了大量的时间，分别进行了BS18D20电路原理图的设计，电路仿真图的设计以及实物电路板的焊制三个过程。我知道，课程设计一般强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础
这次课设让我对单片机有了进一步的了解，而且对Proteus仿真软件的有了一定了解。体会到了Proteus仿真软件的强大。
通过本次课设，能够使我们熟练掌握单片机控制电路的设计、程序编写和整体焊接及系统调试，从而全面地提高我们对单片机的软件、硬件等方面的理解，进而增强我们在实践环节的动手操作能力。譬如，我们可以根据实验指导书的要求，完成BS18D20电路的硬件设计、电路器件的选择、单片机软件的运行、以及整体系统调试，并写出完善的设计报告。在进行课设之前，要求我们具备数字电路、模拟电路、电路基础、微机原理、电力电子、电机学和单片机等相关课程的知识，并具备一些基本的实践操作水平，为以后的就业打好一定的基础。
7.参考文献　
[1]　 张五一，张道光.微机原理与接口技术.郑州：河南科学技术出版社，2006
[2]　 李广弟.单片机基础. 北京：北京航空航天大学出版社，1994
[3]　 廖常初.现场总线概述.电工技术，1999.
[4] 倪晓军.单片机原理与接口技术教程.北京：清华大学出版社，2009
[5] 姚年春 向华Protel99SE基础教程. 北京.人民名邮电出版社，2009
[6] 韩颖; Proteus在单片机技术实训教学中的应用[J];中国科教创新导刊;2008年31期
[7] 周灵彬;张靖武.PROTEUS的单片机教学与应用仿真[J].单片机与嵌入式系统应用;2008年01期

XVIII