基于DS18B20的温度检测系统课程设计.docx
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基于DS18B20的温度检测系统课程设计
《测控系统原理与设计》课程设计报告
课题：
温度检测系统
班级物理系电三学号0941732509417322
学生姓名罗柱、李亚成
指导教师朱高峰
2012年4月
一、绪论
1课题要求
本设计要求系统测量的温度的点数为4个，测量精度为0.5℃，测温范围为-20℃～+80℃。
采用液晶显示温度值和路数，显示格式为:
温度的符号位,整数部分,小数部分,最后一位显示℃。
显示数据每一秒刷新一次。
二、总体方案设计
2.1方案介绍
本该方案使用了AT89C51单片机作为控制核心,以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，采用多个温度传感器对各点温度进行检测，通过4×4键盘模块对正常温度进行设置显示电路采用128×64LCD模块，使用LM386作为报警电路中的功率放大器。
如图2.1为系统总体框图。
图2.1基于数字温度传感器测量系统框图
本课题采用数字温度传感器DS18B20作为测为测温元件,它具有如下特点:
（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。
三、硬件电路设计
3.1测温电路
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，它能直接读出北侧温度，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；
⑤零待机功能；
⑥温度以9或12位数字量读出；
⑦用户可定义的非易失性温度报警设置；
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采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3.1所示。
图3.1DS18B20内部结构图
64位ROM的位结构如图3.2所示。
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。
非易失性温度报警器触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
图3.264位ROM结构图
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擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3.3所示。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节是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工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。
该字节各位的定义如图3.4所示。
低5位一直为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，用户不要改动，R1和R0决定温度转换得精度位数，即用来设置分辨率，定义方法见表1。
图3.3高速暂存RAM结构图
图3.4配置寄存器
表1DS18B20分辨率的定义规定
由表1可见,DS18B20温度转换的时间比较长,而且设定的分辨率越高,所需要的温度转换时间越长。
因此,在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存RAM的第6,7,8字节保存未用,表现为逻辑1。
第9字节读出前面所有8字节的CRC码,可用来检验数据,从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收温度转换命令后,开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2字节。
单片机可以通过单线接口读出数据,读数据时低位在先,高位在后,数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。
温度值格式如图3.5所示。
图3.5温度数据值格式
当符号位S=0时,表示测得的温度值为正值,可以直接将二进制位转换为十进制;当符号位S=1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码转换为原码,再计算十进制。
表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表2DS18B20温度与测得值对应表
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。
主机根据ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20的CRC值作比较,以判断主机收到ROM数据是否正确。
DS18B20的测温原理如图3.6所示。
图中第温度系数晶振的震荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲送给减法计数器1;高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入.图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数震荡器产生的时钟脉冲计数,进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数震荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1,温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1所对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置值将被重新装入,减法计数器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就是所测温度值。
图3.6中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形性,其输出用于减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直到温度寄存器值达到被预测值。
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的各种操作必须按协议进行。
操作协议为:
初始化DS18B20→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
图3.6DS18B20测温原理图
DS18B20与单片机的接口电路
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3.7所示.单片机端口接单线总线,为为保证有效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。
图3.7DS18B20采用寄生电源的电路图
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和GND端均接地。
由于单线制只有一根线,因此发送接口必须是三态的。
3.2键盘电路设计
3.2.1行列式键盘与单片机接口电路
根据本设计需要，本系统采用了4×4键盘实现对温度值和功能键的设定。
行列式键盘与单片机的接口电路如图3.8所示，H0-H3为行线，接单片机P2口的高4位，L0-L3为列线，接单片机P2口的低4位。
初始化时键盘行线为高电平，列线为低电平。
图3.84×4键盘结构
3.2.2键盘面板
键盘面板如图3.9所示,本系统使用的键盘有10数字键，5个功能按键。
在系统启动时，先按“设置”键，然后按相应的数字键，按“左移”或者“右移”键改变其他温度的值。
按“确认”键之后系统正式启动。
系统在运行过程
之中可以通过按“重新设置”键，对温度重新进行设置。
图3.9键盘面板
3.3显示电路设计
3.3.1LCD引脚分布及功能
12864液晶显示屏共有20个引脚，其引脚名称及引脚编号的对应关系如图3.10所示：
图3.1012864液晶显示模块引脚分布
3.3.2单片机与图形液晶的接口电路
LCD与单片机的接口电路如图3.11所示
：
图3.11LCD与单片机的接口电路
3.4报警电路设计
本系统设计中有报警器，使用LM386作为报警器的功率放大器，如图3.12所示。
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。
LM386的输入端接单片机的引脚P3.4，输出端接扬声器。
当实际温度超过设置的温度值时，单片机引脚输出一定频率的信号，信号经过音频功放放大后，发出报警声。
四、软件设计
4.1主程序
主程序先对系统资源进行初始化,调用LCD显示子程序，显示启动画面。
然后进入键盘设置界面。
当设置键按下后，开始设置各点的温度，设置完之后，如果确认键按下，则系统开始工作。
首先调用DS18B20初始化子程序，再发送ROM命令,读取DS18B20转换的温度值。
当读取的温度大于设置的温度值时,报警器开始报警,LCD显示温度的实际值、设置值、路数、状态。
接下来对第二、三、四路温度进行采集，处理，显示。
主程序流程如图4.1所示：
4.1主程序流程图
4.2子程序
4.2.1DS18B20程序流程设计
片机对DS18B20的控制方法，设计出如下程序流程：
图4.2写命令子程序流程图图4.3DS18B20复位子程序流程图
图4.4DS18B20读温度子程序流程图
4.2.2显示程序流程
显示是实现人机对话的重要部分，在这里选用12864LCD显示器可实现对汉字、字符和图片的显示,LCD的引脚功能在上面已经做了说明，下面是其相关指令的介绍。
根据上面指令结合系统要实行的功能，其显示子程序流程如图4.5所示。
图4.5显示子程序流程图
4.2.3键盘程序流程
键盘中断程序是用来设在系统起动时各环境温度的极值,其程序流程图如图4.6所示:
图4.6键盘程序流程
五、系统仿真调试
5.1程序加载
5.1.1程序编译
（1）启动KEIL，选择Project->NewProject，在弹出的对话框中输入工程的名字，点击保存；选择ATMEL公司的AT89C51单片机。
图5.3系统电路原理图
（2）在SourceGroup1上点击右键，选择“AddFilestoGroupSourceGroup1”，把所有的源文件加进来。
（3）点击Project->Buildtarget或者使用快捷键F9，编译工程。
当OutputWindows中提示“0Error”时，则程序编译成功，生成可执行文件1.HEX。
5.1.2程序加载
在编辑环境中双击AT89C51，在弹出的对话框中将编译生成可执行文件1.HEX加载进芯片中，设单片机的时钟工作频率为12MHZ。
5.4系统仿真图
（1）系统仿真图如下：
5.3系统仿真图
（2）温度值的设定
设置温度时，先点“设置”键，然后点击键盘上的按键输入温度；如果温度设置完毕，点击“确认键”，则系统启动成功并开始对各个环境的温度进行测量。
在设置过程之中可以通过“左移”或者“右移”按键对各个温度值进行设定，如图5.4和图5.5所示。
图5.4设置温度图5.5设置各个环境的温度
（3）系统运行
系统运行之后,DS18B20开始对环境进行测量,将环境的实际的温度显示在液晶屏上,同时液晶显示屏还显示环境温度的路数、事先设置的温度值和状态。
当实际温度值低于或者等于设置温度值时，将显示“正常”，否则将显示“报警”，同时报警器开始报警。
在系统运行过程之中，如果需要重新对温度值进行设定，则点击“重新设置”按键，重新设置各个环境温度的正常值的极值。
在PROTEUS仿真过程之中，可以通过调节DS18B20的面板上的“↑”或者“↓”。
图5.6第1路仿真结果图5.7第2路仿真结果
图5.8第3路仿真结果图5.9第4路仿真结果
附录
部分系统程序如下所示：
（1）LCD图片显示子程序
voidDisp_Img（unsignedcharcode*img）
{unsignedcharj,k;
for（k=0;k<8;k++）
{left（）;
Delay（10）;
write_com（Page_Add+k）;
write_com（Col_Add+0）;
for（j=0;j<64;j++）
{write_data（img[k*128+j]）;
}
right（）
write_com（Page_Add+k）;
write_com（Col_Add+0）;
for（j=0;j<64;j++）
{write_data（img[k*128+64+j]）;
}
}
}
（2）LCD写16*16汉字子程序
voidDisp_Chinese（unsignedcharpag,unsignedcharcol,charcode*hzk）
{
unsignedcharj=0,i=0;
for（j=0;j<2;j++）
{
write_com（Page_Add+pag+j）;
write_com（Col_Add+col）;
for（i=0;i<16;i++）
{
write_data（hzk[16*j+i]）;
}}}
voidmain（void）
{uchari;
P2=0XF0;
IT0=1;
TMOD=0x01;
TH0=0xff;
TL0=0xff;
ET0=1;
PT0=1;
EA=1;
Init_lcd（）;
Clr_Scr（）;
Display_ini（）;
delay（1500）;
EX0=1;
out:
Clr_Scr（）;
display1（）;
delay（1000）;
while（!
flag2）
{
KeyInput（）;
}
flag2=0;
Clr_Scr（）;
while
（1）
{
if（flag4==1）
gotonext;
}
elseif（zhen_temp[1]==num[1]）
{
if（zhen_temp[2]>num[2]）
flag7=1;
elseif（zhen_temp[2]{
flag7=0;
gotonext;
}
elseif（zhen_temp[2]==num[2]）
{
if（xiaoshu_temp[0]>num[3]）
flag7=1;
else
{
flag7=0;
gotonext;
}}}}}
flag5=0;
ds18b20_writecommand（0x44）;
delay（250）;
match_rom（ds18b20_num2）;
ds18b20_writecommand（0xbe）;
for（i=0;i<2;i++）
{
temp[i]=Ds18b20_Readdata（）;
}
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