资源描述
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
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1 15
附录2 17
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－55°C到＋125°C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 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。
（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
AT89C52
DS18B20
DS18B20
LCD1602
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0x09—0x0f，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 DS18B20
LCD显示
读取2ND DS18B20
LCD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，2008
2、 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1
DS18B20 ROM系列号测试程序
#include<reg52.h>
sbit DQ = P1^1; //定义通信端口
unsigned char a[8];
//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;i>0;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; i>0; 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;i<8;i++)
a[i]=ReadOneChar();//将Rom序列号存入a[]中
}
附录2
主程序
1、main.c
#include<reg52.h>
#include<ds18b20.h>
#include<lcd1602.h>
unsigned char TempBuffer[6];
sbit k=P3^0;
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)TempBuffer[0]='-';
else TempBuffer[0]='+';
TempBuffer[1]=temp/1000+'0';//百位数
TempBuffer[2]=temp%1000/100+'0';//十位数
TempBuffer[3]=temp%100/10+'0';//个位数
TempBuffer[5]=temp%10+'0';//小数位
TempBuffer[4]='.'; //小数点
LCD_Initial();
GotoXY(0,0);
Print(" 1st DS18B20");
GotoXY(0,1);
Print("temp:");
GotoXY(5,1);
Print(&TempBuffer[0]);
GotoXY(11,1);
Print(" cent");
delay(50000);
}
else //闭合开关显示2ND DS18B20
{
temp = ReadTemperature(2);
if(flag_Negative_number)TempBuffer[0]='-';
else TempBuffer[0]='+';
TempBuffer[1]=temp/1000+'0';//百位数
TempBuffer[2]=temp%1000/100+'0';//十位数
TempBuffer[3]=temp%100/10+'0';//个位数
TempBuffer[5]=temp%10+'0';//小数位
TempBuffer[4]='.'; //小数点;
LCD_Initial();
GotoXY(0,0);
Print(" 2nd DS18B20");
GotoXY(0,1);
Print("temp:");
GotoXY(5,1);
Print(&TempBuffer[0]);
GotoXY(11,1);
Print(" cent");
delay(50000);
}
}
}
2、ds18b20.h
#ifndef __DS18B20_H__
#define __DS18B20_H__
sbit DQ = P1^1; //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;i>0;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; i>0; i--)
{
DQ = 0;
DQ = dat&0x01;
delay_18B20(10);
DQ = 1;
dat>>=1;
}
}
//匹配ROM
MatchRom(unsigned char a)
{
char j;
WriteOneChar(0x55);//发送匹配ROM命令
if(a==1)
{
for(j=0;j<8;j++)
WriteOneChar(str1[j]);//发送18B20的序列号，先发送低字节
}
if(a==2)
{
for(j=0;j<8;j++)
WriteOneChar(str2[j]);//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 1
}
if(z==2)
{
MatchRom(2); //匹配ROM 2
}
WriteOneChar(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 1
}
if(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;
t<<=8;
t=t|a;
flag_Negative_number = 0;
if(t>0x0fff)
{
t=~t+1;
flag_Negative_number = 0xff;
}
t=t*0.625; //有效位到小数点后2位
return(t);
}
#endif
3、lcd1602.h
#ifndef LCD_CHAR_1602_2005_4_9
#define LCD_CHAR_1602_2005_4_9
#include <intrins.h>
//Port definitions
sbit LcdRs = P2^0;
sbit LcdRw = P2^1;
sbit LcdEn = P2^2;
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_COMMAND 0 // Command
#define LCD_DATA 1 // Data
#define LCD_CLEAR_SCREEN 0x01 // 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_SHOW 0x04 //显示开
#define LCD_HIDE 0x00 //显示关
#define LCD_CURSOR 0x02 //显示光标
#define LCD_NO_CURSOR 0x00 //无光标
#define LCD_FLASH 0x01 //光标闪动
#define LCD_NO_FLASH 0x00 //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_UP 0x02
#define LCD_AC_DOWN 0x00 // default
#define LCD_MOVE 0x01 // 画面可平移
#define LCD_NO_MOVE 0x00 //default
void LCD_SetInput(unsigned char InputMode)
{
LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x04|InputMode);
}
//初始化LCD
void 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++;
}
}
#endif
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