基于ds18b20的多点测温教材.docx
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基于ds18b20的多点测温教材
基于DS18B20的单总线
多点测温系统
、
摘要：
本文主要介绍了一个基于DS18B20单片机的测温系统，详细描述了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，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。
随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多产品对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时有温度传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时作出决定。
在这样的形式下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要
关键词：
DS18B20，AT89c51，多点测温
一、任务分工：
表1—1任务分工表
二、功能描述：
1.使用前程序读取序列号，一次性写入代码中。
此系统写入了三个传感器的序列号。
2.上电，显示“welcome”开机画面。
3.按键1功能选择键，可以选择显示相应的节点，显示所有节点温度，显示平均温度。
4.按键2确认键，按键1选择相应的界面后，按确认键，，同时对传感器进行数据采集，并显示温度。
三、方案选择：
一）总线方案：
方案一：
单端口单总线的多点测温
典型应用如图所示，所有DS18B20并联后其数据线连接到处理器的一个端口线上，显著特点是只占用单片机的一个端口。
每个DS18B20内部均有一个唯一的64位序列号，在工作之前先将主系统与DS18B20逐个连接，分别读出序列号并存储在单片机中，根据序列号就可以对同一总线上多个DS18B20进行识别控制，分别读取其温度。
图3—1DS18B20单总线连接图
其主要设计思想是：
当单片机需要对众多DS18B20中某一个进行操作，首先发出匹配命令，接着单片机把存储的64位序列号发送到总线，只有此序列号的DS18B20才接收相应的命令，之后的操作就是针对该DS18B20的。
设计优缺点：
这种测温连接方法是电路连接简单，硬件开销小。
缺点是该方案是由多个DS18B20并联连接在一起的，他们之间会有一定的相互影响。
最重要的是，在这种方案中，多个器件串接在总线上，对所有器件的查询操作，需要一个一个分别识别，完成一次查询需要花费大量时间，降低了系统效率，对一些实时性要求较高的设计不大适用。
方案二：
多端口并行法
各个DS18B20数据线分别连接到不同的端口，工作时，单片机同时对各个DS18B20进行统一的并行操作，对所有DS18B20而言，其命令的接收与数据的传送是同步进行的，所花费时间等同于操作单个DS18B20所用时间。
图3—2DS18B20多端口连接图
这种方案最大好处是节省时间，能满足对实时性要求较高的温度测量系统设计需求，同时由于这种方法不涉及序列号问题节省了读取与匹配的操作过程。
而其缺点也显而易见，占用的端口数较多，每个测试点需要一个连接线，硬件资源开销大
方案二：
I²C总线
两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。
它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。
通过串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。
每个器件都有一个唯一的地址识别（无论是微控制器——MCU、LCD驱动器、存储器或键盘接口），而且都可以作为一个发送器或接收器（由器件的功能决定）。
而DS18B20只有一根数据线，I²C总线需要一根数据线与一根地址线，无法实现。
综上所述：
为了更好的节省硬件资源，达到多点测控，我们选择方案二。
二）液晶显示方案：
方案一：
LCD1602
图3—3LCD引脚图
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。
方案二：
LCD12864
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
两者各自优点：
1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。
1602采用并口传输，速度比12864串口快。
12864顾名思义像素是128*64，能显示8*4个汉字，因型号不同，有的带汉字库，有的不带，能显示图像效果，功能比1602强大。
综上所述：
1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。
1602采用并口传输，速度比12864串口快。
四、硬件设计：
一）系统框图：
图4—1多点测温系统框图
温度传感器DS18B20检测到环境温度进行转换保存高速缓存RAM中，主控器STC89C51在发出命令后在读取数据进行处理，按键扫描再输出数据到LCD1602控制其显示的具体温度值。
图4—2系统仿真图：
二）各部分硬件介绍：
1.STC89C51单片机
图4—3STCSTC89C51单片机引脚图
①电源引脚
Vcc（40脚）：
典型值＋5V。
Vss（20脚）：
接低电平。
②外部晶振
X1、X2分别与晶体两端相连接。
当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号，X1接地。
③输入输出口引脚：
P0口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
P1口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
P2口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
P3口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
④控制引脚：
RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。
RST/Vpd（9脚）：
复位信号输入端（高电平有效）。
第二功能：
加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。
ALE/-PROG（30脚）：
地址锁存信号输出端。
第二功能：
编程脉冲输入。
-PSEN（29脚）：
外部程序存储器读选通信号。
-EA/Vpp（31脚）：
外部程序存储器使能端。
第二功能：
编程电压输入端（+21V）。
2.温度传感器DS18B20
图4—3DS18B20引脚图
温度传感器电路直接采用DS18B20设计，相比于模拟温度传感器，这种设计方法可以节省电路连接。
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一个端口引脚进行通讯
2）每个器件有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中
3）简单的多点分布式测温应用
4）无需外部器件
5）可通过数据线供电。
供电范围为3.0V到5.5V
6）测温范围为-55～＋125℃（－67～＋257℉）
7）在－10～＋85℃范围内精确度为±0.5℃
8）温度计分辨率可以被使用者选择为9～12位
9）最多在750ms内将温度转换为12位数字
10）用户可定义的非易失性温度报警设置
11）应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统
64位ROM的位结构如图3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4—464位ROM结构图
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。
该字节各位的定义热图5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4—6配置寄存器
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。
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8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4—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.显示器LCD1602
图4—8LCD尺寸图
LCD1602采用标准的16脚接口，其中:
第1脚：
VSS为地电源
第2脚：
VDD接5V正电源
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15～16脚：
空脚
三）仿真电路：
1）开机仿真图：
图4—9开机仿真图
2）选择界面仿真图：
图4—10.1选择界面仿真图
2）温度显示界面仿真图：
图4—10.1温度显示界面仿真图
五、数据处理：
一）程序变量说明：
1.序列号存储数组:
SN[3][8]
将实现读取的序列号保存在此变量中，方便后续程序的读取调用。
定义方式为：
ucharSN[3][8]=
{
0x28,0x1a,0x10,0xaa,0x05,0x00,0x00,0x71,
0x28,0x9a,0x51,0xaa,0x05,0x00,0x00,0xbf,
0x28,0xb1,0x4d,0xaa,0x05,0x00,0x00,0xac,
};
2.字符串存取数组：
dis[]、table1[]、table2[]、table3[]、table4[]、choose1[]、choose2[]、choose3[]、chooseAl[]、chooseAv[]、enter[]
将需要显示的字符窜分别保存在响应的数组里，进行模块化封装，方便在主程序与子程序之间调用显示，例如：
ucharcodedis[]="Welcome!
";
ucharcodechooseAv[]="DISPLAYAVERAGE";
3.键盘返回值num
每个按键对应一个返回值，本系统为了体现简介节约的理念，只设置了两个按键，按键1返回值1，按键2返回值2。
返回值储存在num变量中，有利于按键符合功能的实现。
4.功能变量k
每一个k值对应一个功能，通过按键来判断k值的不同
num值
k值
功能
0
欢迎界面
1
1—6
对应节点选择界面
5
平均温度选择界面
2
>10
读取并转换温度
11—16
对应节点节点温度显示界面
15
平均温度显示界面
二）程序数据处理：
1.温度数据处理
DS18B20初始默认值11位，最后一位位符号位，正温度为正，负温度为负，精度为0.0625，实际温度：
tvalue[j]=d*0.625（为实际温度的10倍）
tvalue[j]—储存j节点的的实际温度
d—采集的前10位温度
符号位判断：
tvalue[j]<0x07fftflag[j]=0
tvalue[j]>=0x07fftflag[j]=1
tflag[j]—储存j节点的温度符号
2.显示数据处理：
disdata[0]=flagdat—显示符号位
disdata[1]=tvalue[0]%1000/100+0x30—显示十位
disdata[2]=tvalue[0]%100/10+0x30—显示个位
disdata[3]=0x2e—显示小数点
disdata[4]=tvalue[0]%10+0x30—显示小数一位
三）人机界面设计：
初始界面，无任何操作，如图5—1：
图5—1欢迎界面
功能选择界面（按键1选择），如图5—2、图5—3：
图5—2功能界面，显示所有温度
图5—2功能界面，显示平均温度
温度显示界面（按键2选择），如图5—4、图5—5：
图5—4温度显示界面，显示第二节点温度
图5—5温度显示界面，显示所有节点温度
六、软件设计：
1.语言选择：
程序选择C语言编写，语言的结构性更强，移植性更强。
2.资源配置：
端口
资源
P1
LCD数据端
P2.0~P2.2
LCD控制端
P2.5
DS18B20数据端
P3.0
功能按键
P3.1
显示按键
3.程序流程图：
A.主程序：
将各部分功能函数封装，写在子程序中，主程序只负责调用，大大减少了主程序的冗杂度，增加代码的可读性。
开始上电，主程序运行，初始化LCD，并且显示开机画面。
进入while循环，不断扫描按键，如果按键按下，会返回相应的num值。
判断num值，对功能变量k操作，使k的值在1~5，11~15循环显示。
再判断相应的k值，显示相应的功能。
并且循环扫面。
B.LCD初始化流程图：
LCD设置函数，两行显示，输入后光标右移，屏幕不移动，光标不显示。
C.DS18B20数据处理流程图：
DS18B20数据处理，通过for循环，依次发送一次序列号，匹配对应节点温度传感器，采集数据温度，转换成实际温度值，保存在数组中。
不断循环，直至所有序列号发送完毕。
4.主要代码：
a）主程序代码：
voidmain（）
{
LCD_init（）;
LED1=0;
Show（）;
while
（1）
{
keyscan（）;
if（num==1）
{
LCD_write_command（0x01）;
if（k>10）k=k-10;
k++;
if（k>5）k=1;
num=0;
}
if（num==2）
{
LCD_write_command（0x01）;
if（k<10）k=k+10;
if（k>15）k=10;
num=0;
}
if（k>0&&k<10）
{
Ent（）;
}
if（k==1）
{
ShowC1（）;
}
if（k==2）
{
ShowC2（）;
}
if（k==3）
{
ShowC3（）;
}
if（k==4）
{
ShowAl（）;
}
if（k==5）
{
ShowAv（）;
}
if（k>10）
{
change_temp（）;
read_temp（）;
}
if（k==11）
{
ShowChar1（）;
display_DS1（）;
}
if（k==12）
{
ShowChar2（）;
display_DS2（）;
}
if（k==13）
{
ShowChar3（）;
display_DS3（）;
}
if（k==14）
{
ShowCharAl（）;
display_DS1（）;
delay（40）;
display_DS2（）;
delay（40）;
display_DS3（）;
}
if（k==15）
{
ShowCharA（）;
display_DSA（）;
}
}
}
b）LCD初始化代码：
voidLCD_init（void）
{
LCD_write_command（0x08）;
LCD_write_command（0x38）;
LCD_write_command（0x0c）;
LCD_write_command（0x06）;
LCD_write_command（0x01）;
delay_n40us（100）;
}
c）按键扫描代码：
voidkeyscan（）
{
if（key1==0）
{
delay（10）;
if（key1==0）
{
num=1;
while（!
key1）;
}
}
if（key2==0）
{
delay（10）;
if（key2==0）
{
num=2;
while（!
key2）;
}
}
}
5.程序占有资源：
片内rom：
56B片外rom：
0Bram：
2970B
七、测试结果与数据分析：
T1
T2
T3
平均温度
温度计
误差
实验室
26.8
26.7
26.8
26.8
26.4
0.4
电子楼前
30.5
30.5
30.5
30.5
30.6
-0.1
致远楼
29.3
29.3
29.5
29.4
29.4
0
本部篮球场
29.5
29.5
29.5
2.95
29.2
0.3
怡远楼
30.0
30.0
30.1
30.0
29.2
0.8
电子楼一楼大厅
29.1
29.0
29.0
29.0
27.2
1.8
表7—1数据测试表
结论：
1.在一定误差范围内，各节点传感器的温度精度正常。
2.怡远楼和电子楼一楼大厅的数据误差超过实际传感器的精度
0.5℃。
3.各节点温度显示稳定，不会出现个别节点的跳变情况。
误差分析：
1.市场长标准的数字温度计一般误差在1℃,DS18B20的误差在0.5
℃,因此实际测量的允许最大误差应该在1.5℃。
2.选取的温度计为食物温度计,与被测物接触面积较大,而DS18B20
接触面积较小,测量本身存在读取误差。
八、参考文献：
[1]LCD1602数据手册
[2]DS18B20数据手册
[3]郭天祥．51片机C语言教程．电子工业出版社．2009．1
[4]陈蕾．单片机原理与接口技术．机械工业出版社．2012．8
[5]潘勇．孟庆斌．基于DS18B20的多点温度测量系统设计．
电子测量技术．2008．09
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