基于数字温度传感器的数字温度计--课程设计.doc

西安文理学院物理与机械电子工程学院

课程设计报告

专业班级 10级电子信息工程2班
课 程 单片机原理与接口技术
题 目 基于数字温度传感器的数字温度计

学 号 08101100219
学生姓名 李斌
指导教师 魏坤

2013年11月
西安文理学院物理与机械电子工程学院

课程设计任务书

学生姓名 专业班级 学 号
指导教师 职 称 教研室
课 程
题目

任务与要求

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开始日期 完成日期

年 月 日

目录
设计目的……………………………………………4
设计任务和要求……………………………………4
总体设计方案……………………………………… 4
功能模块设计与分析……………………………… 9
电路的安装与调试…………………………………11
实验仪器及元器件清单……………………………11
心得体会……………………………………………11
附录一 系统电路图………………………………… 16

一、设计目的
本设计以AT89S52单片机（海翔HX-V2开发板）为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、数码管扫描电路，显示电路。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度的采集，量化，输出，显示的目的。文中还着重介绍了软、硬件设计及C语言实现部分，在这里采用模块化编程结构。主要模块有：端口定义程序、函数定义及主函数程序、定时器中断程序、延时函数程序、DS18B20初始化定义程序。通过本次课程设计，更加深对51单片机的了解，进一步加深我们对51单片机解决实际问题的工作能力。
二、 设计要求和任务
利用数字温度传感器DS18B20与单片机结合来测量温度。利用数字温度传感器DS18B20测量温度信号，计算后在LED数码管上显示相应的温度值。其温度测量范围为-55 0C～125 0C，精确到0.5 0C。数字温度计所测量的温度采用数字显示，控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据，实现温度显示。

设计要求
(1) 根据设计任务要求给出实现原理及具体实现方案；
(2) 给出电路设计的具体电路，编写出相应的温度采集显示程序；
(3) 通过相应软件进行调试，给出调试结果，并进行相应分析；
(4) 论文要求思路清晰，结构合理，语言流畅，书写格式符合要求。

设计任务
设计一个具有基于DS1820数字温度传感器的温度检测及显示的系统。要求系统具有以下功能：
(1) 一路温度检测；
(2) 具有数码管显示功能；
(3) 具有动态扫描功能；
(4) 定时器控制扫描时间；
(5) 温度变化数码管能及时刷新显示温度；
三、总体设计方案
1、DS18B20
1.1 DS18B20的工作原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
   DS18B20有4个主要的数据部件：
（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

表1: DS18B20温度值格式表
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

表2: DS18B20温度数据表
（3）DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
（4）配置寄存器
该字节各位的意义如下：
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
表3： 配置寄存器结构
低五位一直都是"1"，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
表4： 温度分辨率设置表
1.2 DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1－Wire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。
DS18B20的初始化
　　（1） 先将数据线置高电平“1”。
　　（2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）
　　（3） 数据线拉到低电平“0”。
　　（4） 延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。
　　（5） 数据线拉到高电平“1”。
　　（6） 延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。
　　（7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。
　　（8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。
DS18B20的写操作
　　（1） 数据线先置低电平“0”。
　　（2） 延时确定的时间为15微秒。
　　（3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。
　　（4） 延时时间为45微秒。
　　（5） 将数据线拉到高电平。
　　（6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。
　　（7） 最后将数据线拉高。
DS18B20的读操作
　　（1）将数据线拉高“1”。
　　（2）延时2微秒。
　　（3）将数据线拉低“0”。
　　（4）延时3微秒。
　　（5）将数据线拉高“1”。
　　（6）延时5微秒。
　　（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。
　　（8）延时60微秒。
2、AT89C51
2.1 AT89C51简介
AT89S51美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K BytesISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及AT89C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。单片机AT89S51强大的功能可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
2.2 AT89C51功能
AT89S51提供以下标准功能：40个引脚、4K Bytes Flash片内程序存储器、128 Bytes的随机存取数据存储器（RAM）、32个外部双向输入/输出（I/O）口、5个中断优先级2层中断嵌套中断、2个数据指针、2个16位可编 程定时/计数器、2个全双工串行通信口、看门狗（WDT）电路、片内振荡器及时钟电路。此外，AT89S51可降
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：程序存储允许()输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次有效,即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器时,没有两次有效的信号。
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)。需要注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端保持高电平(接VCC端)，CPU则执行内部程序存储器中的指令。
四、 功能模块设计与分析
1、DS18B20温度模块
DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号处理器处理。
DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。
因此，下图电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。

2、 数码管显示模块
74LS138
①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2))和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。
②利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。
③若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。
④可用在8086的译码电路中，扩展内存。
2引脚功能
A0~A2：地址输入端
STA（E1）：选通端
/STB（/E2）、/STC（/E3）：选通端（低电平有效）
/Y0~/Y7：输出端（低电平有效）
VCC：电源正
GND：地
A0~A2对应Y0——Y7；A0,A1,A2以二进制形式输入，然后转换成十进制，对应相应Y的序号输出低电平，其他均为高电平；
①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2))和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。
②利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。
③若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。
④可用在8086的译码电路中，扩展内存。
74LS573
74LS573与74LS373–8数据锁存器
引入几个概念：
1. 真值表参见74LS373的PDF的第2页：
Dn LE OE On
H H L H
L H L L
X L L Qo
X X H Z 这个就是真值表，表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。
每个芯片的数据手册（datasheet）中都有真值表。
布尔逻辑比较简单，在此不赘述；
2. 高阻态
就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态，否则会将芯片烧毁；高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。
3. 数据锁存
当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持；这个概念在并行数据扩展中经常使用到。
4. 数据缓冲
加强驱动能力。74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。
OE：output_enable，输出使能；
LE：latch_enable，数据锁存使能，latch是锁存的意思；
Dn：第n路输入数据；
On：第n路输出数据；再看这个真值表，意思如下：
第四行：当OE＝1是，无论Dn、LE为何，输出端为高阻态；
第三行：当OE＝0、LE＝0时，输出端保持不变；
第二行第一行：当OE＝0、LE＝1时，输出端数据等于输入端数据；
结合下面的波形图，在实际应用的时候是这样做的：a． OE＝0；
b． 先将数据从单片机的口线上输出到Dn；
c． 再将LE从0->1->0
d． 这时，你所需要输出的数据就锁存在On上了，输入的数据在变化也影响不到输出的数据了；实际上，单片机现在在忙着干别的事情，串行通信、扫描键盘……单片机的资源有限啊。
在单片机按照RAM方式进行并行数据的扩展时，使用movx @dptr, A这条指令时，这些时序是由单片机来实现的。后面的表格中还有需要时间的参数，你不需要去管它，因为这些参数都是几十ns级别的，对于单片机在12M下的每个指令周期最小是1us的情况下，完全可以实现；如果是你自己来实现这个逻辑，类似的指令如下：mov P0,A ;将数据输出到并行数据端口
clr LE
setb LE
clr LE ;
上面三条指令完成LE的波形从0->1->0的变化74ls573跟74LS373逻辑上完全一样，只不过是管脚定义不一样，数据输入和输出端各在一侧，PCB容易走线。五、电路的安装与调试
第一次上电调试，设置温度上限为35摄氏度，温度下限为28摄氏度。但温度却不显示出来，后经检查发现原来是DS18B20初始化时间设置不对，导致没法读到DS18B20的温度值，延时时间重设后才显示出温度值来。再经实际接电调试，一切运行正常。
串口调试时，刚开始是发送一个数据便显示一个数据便打开一次中断，这样导致数据更换太慢，没法同时显示几个数据，后将所有要显示的数据一个一个储存起来后再打开中断，一起送出去，这样问题解决了，发送和接收都没有错误了。
六、 实验仪器及元器件清单
DS18B20,AT89S52,海翔HX-V2开发板，KILL开发环境，win7电脑。
七、心得体会
本次课程设计，回顾起此次单片机课程设计，我仍感慨颇多，的确，从理论到实践，在接近两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法，以及调试，怎样万用表检查电路，用对单片机C语言掌握得不好，怎样修改程序……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在魏坤老师的辛勤指导下，终于迎逆而解。同时，在魏坤老师那里我学得到很多实用的知识以及他的认真严谨的科学态度，让我终生受益！同时，对给过我帮助的同学再次表示忠心的感谢！

完整程序：
#include<reg52.h> //包含头文件，一般情况不需要改动，头文件包含特殊功能寄存器的定义
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int;
/******************************************************************/
/* 定义端口 */
/******************************************************************/
sbit DQ=P3^7; //ds18b20 端口
/******************************************************************/
/* 全局变量 */
/******************************************************************/
uint temp;
uchar flag_get,count,num,minute,second;
uchar code tab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
//7段数码管段码表共阳0__9
uchar str[6];
/******************************************************************/
/* 函数声明 */
/******************************************************************/
void delay1(uchar MS); //延时函数
unsigned int ReadTemperature(void); //读取温度
void Init_DS18B20(void); //初始化
unsigned char ReadOneChar(void); //读一个字节
void WriteOneChar(unsigned char dat); //写一个字节
void delay(unsigned int i); //延时函数
/******************************************************************/
/* 主函数 */
/******************************************************************/
main()
{
unsigned char TempH,TempL;
TMOD|=0x01;//定时器设置
TH0=0xef; //TH0=(65536-4000)/256;
TL0=0xf0; //TL0=(65536-4000)%256;
IE=0x82;
TR0=1;
P2=0x00;
count=0;
while(1)
{
str[5]=0x39; //显示C符号
str[1]=tab[TempH/100]; //十位温度
str[2]=tab[(TempH%100)/10]; //十位温度
str[3]=tab[(TempH%100)%10]|0x80; //个位温度,带小数点
str[4]=tab[TempL];
if(flag_get==1) //定时读取当前温度正负
{
temp=ReadTemperature();
if(temp&0x8000)
{
str[0]=0x40;//负号标志
temp=~temp; // 取反加1
temp +=1;
}
else
str[0]=0;
TempH=temp>>4;
TempL=temp&0x0F;
TempL=TempL*6/10;//小数近似处理
flag_get=0;
}
}
}
/******************************************************************/
/* 定时器中断 */
/******************************************************************/
void tim(void) interrupt 1 using 1//中断，用于数码管扫描和温度检测间隔
{
TH0=0xef;//定时器重装值 或 //TH0=(65536-4000)/256;
TL0=0xf0; //TL0=(65536-4000)%256;
num++;
if (num==50)
{num=0;
flag_get=1;//标志位有效
second++;
if(second>=60)
{second=0;
minute++;
}
}
count++;
if(count==1)
{P2=0;
P0=str[0];}//数码管扫描
if(count==2)
{P2=1;
P0=str[1];}
if(count==3)
{ P2=2;
P0=str[2];
}
if(count==4)
{ P2=3;
P0=str[3];
}
if(count==5)
{ P2=4;
P0=str[4];
}
if(count==6)
{ P2=5;
P0=str[5];
count=0;}
}
/******************************************************************/
/* 延时函数 */
/******************************************************************/
void delay(unsigned int i)//延时函数
{
while(i--);
}
/******************************************************************/
/* 初始化 */
/******************************************************************/
void Init_DS18B20(void)
{
unsigned char x=0;
DQ = 1; //DQ复位
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(10);
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(5);
}
/******************************************************************/
/* 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(5);
}
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;
}
delay(5);
}
/******************************************************************/
/* 读取温度 */
/******************************************************************/
unsigned int ReadTemperature(void)
{
unsigned char a=0;
unsigned int b=0;
unsigned int t=0;
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换
delay(200);
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作
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(); //低位
b=ReadOneChar(); //高位
b<<=8;
t=a+b;
return(t);
}