摘要
随着时代的进步和发展,单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研 、各
个领域,已经成为一种比较成熟的技术 , 本文主要介绍了一个基于 89S51 单片机
的测温系统,详细描述了利用数字温度传感器 DS18B20 开发测温系统的过程 ,重
点对传感器在单片机下的硬件连接 ,软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分
析,特别是数字温度传感器 DS18B20 的数据采集过程 。对各部分的电路也一一进
行了介绍,该系统可以方便的实现实现温度采集和显示,并可根据需要任意设定
上下限报警温度 ,它使用起来相当方便 ,具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积
小、功耗低等优点 ,适合于我们日常生活和工 、农业生产中的温度测量 ,也可以
当作温度处理模块嵌入其它系统中,作为其他主系统的辅助扩展。
DS18B20 与AT89C51 结合实现最简温度检测系统 ,该系统结构简单 ,抗干扰能力强 ,适合于
恶劣环境下进行现场温度测量,有广泛的应用前景。
关键词: 单片机 DS18B20 温度传感器 数字温度计 AT89S52
目录
1 概述...................................................................................................................4
1.1 课程设计的意义 ..................................................................................4
1.2 设计的任务和要求 ..............................................................................4
2 系统总体方案及硬件设计 ..............................................................................5
2.1 数字温度计设计方案论证 ...................................................................5
2.1.1 方案一.........................................................................................5
2.1.2 方案二........................................................................................5
2.2 系统总体设计 ........................................................................................6
2.3 系统模块................................................................................................7
2.3.1 主控制器...................................................................................7
2.3.2 显示电路...................................................................................8
2.3.3 温度传感器................................................................................8
2.3.4 报警温度调整按键 ....................................................................9
3 系统软件算法分析 .........................................................................................10
3.1 主程序流程图 .....................................................................................10
3.2 读出温度子程序 .................................................................................10
3.3 温度转换命令子程序 .........................................................................11
3.4 计算温度子程序 ................................................................................11
3.5 显示数据刷新子程序 ........................................................................11
3.6 按键扫描处理子程序 .........................................................................12
4 实验仿真........................................................................................................13
5 总结与体会....................................................................................................14
查考文献............................................................................................................15
附 1 源程序代码 ...............................................................................................16
1.1 课程设计的意义
1 概述
本次课程设计是在我们学过单片机后的一次实习,可增加我们的动手能力。特别是对
单片机的系统设计有很大帮助 。本课程设计由两个人共同完成 ,在锻炼了自己的同时也增强
了自己的团队意识和团队合作精神。
1.2 设计的任务和要求
1、基本范围-50℃-110℃
2、精度误差小于 0.5℃
3、LED 数码直读显示
4、可以任意设定温度的上下限报警功能
2 系统总体方案及硬件设计
2.1 数字温度计设计方案论证
2.1. 方案一
由于本设计是测温电路 ,可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应 ,在将随被测温
度变化的电压或电流采集过来 ,进行 A/D 转换后,就可以用单片机进行数据的处理 ,在显示
电路上,就可以将被测温度显示出来 ,这种设计需要用到 A/D 转换电路,其中还涉及到电阻
与温度的对应值的计算,感温电路比较麻烦 。而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的
影响出现较大的偏差。
2.1 2 方案二
进而考虑到用温度传感器 ,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,此传感器,可以很容易直接读取被测
温度值,进行转换,电路简单,精度高,软硬件都以实现,而且使用单片机的接口便于系统
的再扩展,满足设计要求。
从以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路比较简单,费用较低,可靠性高,软件设
计也比较简单,故采用了方案二。
2.2 系统总体设计
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。
图 2.2—1 总体设计方框图
图 2.2—2 系统仿真图
2.3 系统模块
系统由单片机最小系统、显示电路、按键、温度传感器等组成。
2.3. 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。
晶振采用 12MHZ。复位电路采用上电加按钮复位。
图 2.3.1—1 晶振电路
图 2.3.1—2 复位电路
2.3. 显示电路
显示电路采用 4 位共阴极 LED 数码管,P0 口由上拉电阻提高驱动能力 ,作为段码输出
并作为数码管的驱动。P2 口的低四位作为数码管的位选端。采用动态扫描的方式显示。
图 2.3.2 数码管显示电路
2.3. 温度传感器
DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感
器,与传统的热敏电阻等测温元件相比 ,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过
简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。 DS18B20 的性能特点如下:
1、独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;
2、多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能
3、无须外部器件;
4、可通过数据线供电,电压范围为 3.0~5.5V;
5、零待机功耗;
6、温度以9或12位数字;
7、用户可定义报警设置;
8、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;
9、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 可以采用两种方式供电 ,一种是采用电源供电方式 ,此时 DS18B20 的 1 脚接地,
2 脚作为信号线,3 脚接电源。另一种是寄生电源供电方式 ,如图 4 所示单片机端口接单线
总线,为保证在有效的 DS18B20 时钟周期内提供足够的电流,可用一个 MOSFET 管来完成对
总线的上拉。
当 DS18B20 处于写存储器操作和温度 A/D 转换操作时,总线上必须有强的上拉 ,上拉开
启时间最大为 10us。采用寄生电源供电方式时 VDD 端接地。由于单线制只有一根线,因此
发送接口必须是三态的。
2.3.4 报警温度调整按键
图 2.3.3 温度传感器与单片机的连接
本系统设计三个按键,采用查询方式,一个用于选择切换设置报警温度和当前温度 ,另
外两个分别用于设置报警温度的加和减。均采用软件消抖。
图 2.3.4 按键电路
3 系统软件算法分析
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,按键扫描处理子程序 等。
3.1 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 3.1 所
示。
图 3.1 主程序流程图
3.2 读出温度子程序
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。其程序流程图如图 3.2 示
3.3 温度转换命令子程序
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 。温度转换命令子程序流程
图如上图,图 3.3 所示
3.4 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 3.4 所示。
3.5 显示数据刷新子程序
显示数据刷新子程序主要是对 分离后的温度 显示数据进行刷新操作,当 标志位 位为 1
时将符号显示位移入第一位。程序流程图如图 3.5。
3.6 按键扫描处理子程序
按键采用扫描查询方式,设置标志位,当标志位为 1 时,显示设置温度,否则显示当前温度。
如下图 3.6 示。
图 3.6 按键扫描处理子程序
4 实验仿真
进入 protuse 后,连接好电路,并将程序下载进去。将 DS18B20 的改为 0.1,数码管显
示温度与传感器的温度相同。
图 4—1 温度显示仿真
当按下 SET 键一次时,进入温度报警上线调节,此时显示软件设置的温度报警上线 ,按 ADD
或 DEC 分别对报警温度进行加一或减一。
当再次按下 SET 键时,进入温度报警下线调节,此时显示软件设置的温度报警下线 ,按 ADD
或 DEC 分别对报警温度进行加一或减一。
图 4—2 温度调试仿真
当第三次按下 SET 键时,退出温度报警线设置。显示当前温度。
5 总结与体会
通过这次对数字温度计的设计与制作 ,让我了解了设计电路的程序 ,也让我了解了关于
数字温度计的原理与设计理念,要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的 。
但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样 ,因为,再实际接线中有着各种各样的条件制约
着。而且,在仿真中无法成功的电路接法 ,在实际中因为芯片本身的特性而能够成功 。所以,
在设计时应考虑两者的差异,从中找出最适合的设计方法。
通过这次学习,让我对各种电路都有了大概的了解 ,所以说,坐而言不如立而行 ,对于
这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。
在焊接过程中我曾将温度传感器的电源 、地焊反啦,导致温度传感器急剧发热 ,后经观
察和查询资料才得以改正。
从这次的课程设计中,我真真正正的意识到,在以后的学习中,要理论联系实际 ,把我
们所学的理论知识用到实际当中 ,学习单机片机更是如此 ,程序只有在经常的写与读的过程
中才能提高,这就是我在这次课程设计中的最大收获。
查考文献
【1】马忠梅,张凯,等 . 单片机的 C 语言应用程序设计(第四版) 北京航空航天大学
出版社
【2】薛庆军,张秀娟,等 .单片机原理实验教程
【3】廖常初.现场总线概述[J].电工技术,1999.
北京航天航空大学出版社
附 1 源程序代码
//DS18B20 的读写程序,数据脚 P2.7
//
//温度传感器 18B20 汇编程序,采用器件默认的 12 位转化 //
//最大转化时间 750 微秒,显示温度-55 到+125 度,显示精度 //
//为 0.1 度,显示采用 4 位 LED 共阳显示测温值
//
//P0 口为段码输入,P34~P37 为位选
/***************************************************/
#include "reg51.h"
//
#include "intrins.h"
#define dm P0
//_nop_();延时函数用
//段码输出口
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit DQ=P2^7;
sbit w0=P2^0;
sbit w1=P2^1;
sbit w2=P2^2;
sbit w3=P2^3;
sbit beep=P1^7;
sbit set=P2^6;
sbit add=P2^4;
sbit dec=P2^5;
int temp1=0;
uint h;
uint temp;
uchar r;
//温度输入口
//数码管 4
//数码管 3
//数码管 2
//数码管 1
//蜂鸣器和指示灯
//温度设置切换键
//温度加
//温度减
//显示当前温度和设置温度的标志位为 0 时显示当前温度
uchar high=35,low=20;
uchar sign;
uchar q=0;
uchar tt=0;
uchar scale;
//**************温度小数部分用查表法***********//
uchar code ditab[16]={0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09};
//小数断码表
uchar code table_dm[12]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40};
//共阴 LED 段码表
"0" "1" "2" "3" "4" "5" "6" "7" "8" "9" "不亮" "-"
uchar table_dm1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef}; //个位带小数点的断码表
uchar data temp_data[2]={0x00,0x00};
uchar data display[5]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};
//读出温度暂放
//显示单元数据,共 4 个数据和一个运算暂用
/*****************11us 延时函数*************************/
void delay(uint t)
{
for (;t>0;t--);
}
void scan()
{
int j;
for(j=0;j<4;j++)
{
switch (j)
{
case 0: dm=table_dm[display[0]];w0=0;delay(50);w0=1;//xiaoshu
case 1: dm=table_dm1[display[1]];w1=0;delay(50);w1=1;//gewei
case 2: dm=table_dm[display[2]];w2=0;delay(50);w2=1;//shiwei
case 3: dm=table_dm[display[3]];w3=0;delay(50);w3=1;//baiwei
// else{dm=table_dm[b3];w3=0;delay(50);w3=1;}
}
}
}
//***************DS18B20 复位函数************************/
ow_reset(void)
{
char presence=1;
while(presence)
{
while(presence)
{
DQ=1;_nop_();_nop_();//从高拉倒低
DQ=0;
delay(50);
DQ=1;
delay(6);
presence=DQ;
}
delay(45);
presence=~DQ;
}
DQ=1;
}
//550 us
//66 us
//presence=0 复位成功,继续下一步
//延时 500 us
//拉高电平
/****************DS18B20 写命令函数************************/
//向 1-WIRE 总线上写 1 个字节
void write_byte(uchar val)
{
uchar i;
for(i=8;i>0;i--)
{
DQ=1;_nop_();_nop_();
//从高拉倒低
DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); //5 us
}
DQ=val&0x01;
delay(6);
val=val/2;
}
DQ=1;
delay(1);
//最低位移出
//66 us
//右移 1 位
/****************DS18B20 读 1 字节函数************************/
//从总线上取 1 个字节
uchar read_byte(void)
{
uchar i;
uchar value=0;
for(i=8;i>0;i--)
{
DQ=1;_nop_();_nop_();
value>>=1;
}
DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
DQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
if(DQ)value|=0x80;
delay(6);
//4 us
//4 us
//66 us
DQ=1;
return(value);
}
/*****************读出温度函数************************/
read_temp()
{
ow_reset();
delay(200);
write_byte(0xcc);
write_byte(0x44);
ow_reset();
delay(1);
write_byte(0xcc);
write_byte(0xbe);
//总线复位
//发命令
//发转换命令
//发命令
temp_data[0]=read_byte(); //读温度值的第字节
temp_data[1]=read_byte(); //读温度值的高字节
temp=temp_data[1];
temp<<=8;
temp=temp|temp_data[0];
return temp;
}
// 两字节合成一个整型变量。
//返回温度值
/****************温度数据处理函数************************/
//二进制高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一字节,这个
//字节的二进制转换为十进制后,就是温度值的百、十、个位值,而剩
//下的低字节的低半字节转化成十进制后,就是温度值的小数部分
/********************************************************/
work_temp(uint tem)
{
uchar n=0;
if(tem>6348)
{tem=65536-tem;n=1;}
display[4]=tem&0x0f;
// 温度值正负判断
// 负温度求补码,标志位置 1
// 取小数部分的值
display[0]=ditab[display[4]]; // 存入小数部分显示值
display[4]=tem>>4;
display[3]=display[4]/100;
display[1]=display[4]%100;
display[2]=display[1]/10;
display[1]=display[1]%10;
// 取中间八位,即整数部分的值
// 取百位数据暂存
// 取后两位数据暂存
// 取十位数据暂存
//个位数据
r=display[1]+display[2]*10+display[3]*100;
/////符号位显示判断/////
if(!display[3])
{
{
}
}
display[3]=0x0a;
if(!display[2])
display[2]=0x0a;
}
if(n){display[3]=0x0b;}
//最高位为 0 时不显示
//次高位为 0 时不显示
//负温度时最高位显示"-"
void BEEP()
{
if((r>=high&&r<129)||r
{
beep=!beep;
}
else
}
{
}
beep=0;
//*********设置温度显示转换************//
void xianshi(int horl)
{
int n=0;
if(horl>128)
{
horl=256-horl;n=1;
}
display[3]=horl/100;
display[3]=display[3]&0x0f;
display[2]=horl%100/10;
display[1]=horl%10;
display[0]=0;
if(!display[3])
{
}
display[3]=0x0a;
if(!display[2])
{
display[2]=0x0a;
}
if(n)
{
//最高位为 0 时不显示
//次高位为 0 时不显示
}
}
display[3]=0x0b; //负温度时最高位显示"-"
//*********按键查询程序**************//
void keyscan()
{
int temp1; //最高温度和最低温度标志位
if(set==0)
{
while(1)
{
delay(500);//消抖
if(set==0)
{
temp1++;
}
while(!set)
scan();
}
if(temp1==1)
{
xianshi(high);
scan();
if(add==0)
{
while(!add)
scan();
high+=1;
}
if(dec==0)
{
while(!dec)
scan();
high-=1;
}
}
if(temp1==2)
{
xianshi(low);
if(add==0)
{
while(!add)
scan();
low+=1;
}
if(dec==0)
{
while(!dec)
scan();
low-=1;
}
scan();
}
if(temp1>=3)
{
temp1=0;
break;
}
}
}
/****************主函数************************/
void main()
{
dm=0x00;
w0=0;
w1=0;
w2=0;
w3=0;
for(h=0;h<4;h++)
{
display[h]=0;
}
ow_reset();
write_byte(0xcc);
write_byte(0x44);
for(h=0;h<100;h++)
{
scan();
}
while(1)
{
if (temp1==0)
{
//初始化端口
//开机显示"0000"
//开机先转换一次
//Skip ROM
//发转换命令
//开机显示"0000"
}
}
}
work_temp(read_temp());
BEEP();
scan();
keyscan();
else
keyscan();
//处理温度数据
//显示温度值
//***********************结束**************************//
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