单片机DS18B20水温控制系统设计.docx
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单片机DS18B20水温控制系统设计
单片机DS18B20水温控制系统设计
一．引言
在一些温控系统电路中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成A／D转换器能接收的模拟量，再经过采样／保持电路进行A／D转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。
但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高。
本文介绍单片机结合DS18B20水温控制系统设计，因此，本系统用一种新型的可编程温度传感器（DS18B20），不需复杂的信号调理电路和A／D转换电路能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，可根据不同需要用于各种场合。
目录
一．引言...
二．设计目的...
三．系统功能...
四．系统设备...
五．温度控制总体方案与原理...
1．系统模块图...
2．系统模块总关系图...
六．温度转换核心及其算法...
1.温度传感器DS18B20原理与特性...
DSl8B20的管脚及特点...
DS18B20的内部结构...
DS18B20的内存结构...
DS18B20的测温功能...
DSl820工作过程中的协议...
温度传感器与单片机通讯时序...
2.温度转换算法及分析...
七．硬件设计说明...
1．系统总体电路图...
2．各个模块电路图...
输入系统...
输出系统...
芯片系统...
八．软件设计说明...
1．总模块的流程图...
2．各个模块的流程图...
读取温度DS18B20模块的流程...
键盘扫描处理流程...
九．操作指引...
按键功能...
显示温度...
设定温度...
十．参考文献...
程序源代码...
二．设计目的
设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。
水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。
利用单片机AT89S52实现水温的智能控制，使水温能够在40-90度之间实现控制温度调节。
利用仪器读出水温，并在此基础上将水温调节到我们通过键盘输入的温度（其方式是加热或降温），而且能够将温度显示在我们的七段发光二极管板上。
三．系统功能
1.可以对温度进行自由设定，到那时必须在0－100摄氏度单位内，设定时可以适时的显示说设定的温度值，温度是可以自由设置的，传感器的检测值与设定的温度比较，可以显示在七段发光二极管上。
2.温度由1台1000w电炉来实现，如果温度不在40－90度之间，则在LED上显示“8888”,表示错误。
3.能够保持不间断显示水温，显示位数4位，分别为百位，个位，十位，和小数位。
（但由于规定不超过90度，所以百位也就没有实现，默认的百位是不显示的）
四．系统设备
ME300B最小系统板
DS18B20数字温度传感器（集成了A/D转换功能）
1000W电炉
温度计
继电器
风扇
盛水器皿
六．温度转换核心及其算法1.温度传感器DS18B20原理与特性本系统采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，大大简化了电路的复杂度，以及算法的要求。
首先先来介绍一下DS18B20这块传感器的特性及其功能:
DSl8B20的管脚及特点DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。
（如图：
1）GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。
VDD为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围3．O～5．5V。
本文使用外部电源供电。
主要特点有：
1.用户可自设定报警上下限温度值。
2.不需要外部组件，能测量－55～+125℃范围内的温度。
3.－10℃~+85℃范围内的测温准确度为±0．5℃。
4.通过编程可实现9～l2位的数字读数方式，可在至多750ms内将温度转换成12位的数字，测温分辨率可达0．0625℃。
5.独特的单总线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现与微处理器双向通讯。
DS18B20的内部结构DS18B20内部功能模块如图2所示，主要由4部分组成：
64位光刻R0M（图3）、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
R0M中的64位序列号是出厂前被光刻好的，他可以看作是该DSISB20的地址序列码，每个DSI8B20的64位序列号均不相同。
高低温报警触发器TH和TL，配置寄存器均由一个字节的E2PROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH，TL或配置寄存器写入。
配置寄存器中R1，R0决定温度转换的精度位数：
R1R0＝’00’,9位精度，最大转换时间为93.75ms；R1R0=‘01’,10位精度，最大转换时间为187.5ms；R1R0=‘10’,11位精度，最大转换时间为375ms；R1R0=’11’,12位精度，最大转换时间为750ms；未编程时默认为12位精度。
本系统采用的也是12位的精度。
DS18B20的内存结构DSI8B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM（便笺式的内部存储器）和一个非易失性的可电擦除的EEPROM，后者存放高温和低温触发器TH，TL和结构寄存器。
便笺存储器包含了9个连续字节（0～8），前两个字节是测得的温度信息（图4），字节0的内容是温度的低8位，字节1是温度的高8位，字节2是TH（温度上限报警），字节3是TL（温度下限报警），字节4是配置寄存器（图5），用于确定输出分辨率9到12位。
第5、6、7个字节是预留寄存器，用于内部计算。
字节8是冗余检验字节，校验前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。
DS18B20的测温功能当DSI8B20接收到温度转换命令后，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0，1字节。
单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0．0625℃／LSB形式表示。
温度值格式如图4所示，其中“S”为标志位，对应的温度计算：
当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。
图4下面的表是对应的一部分温度值。
DSI8B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH做比较，若T>TH或TRoM操作命令->存储器操作命令->处理数据1初始化单总线上的所有处理均从初始化开始2ROM操作品令总线主机检测到DSl820的存在便可以发出ROM操作命令之一这些命令如指令代码ReadROM（读ROM）[33H]MatchROM（匹配ROM）[55H]SkipROM（跳过ROM][CCH]SearchROM（搜索ROM）[F0H]Alarmsearch（告警搜索）[ECH]3存储器操作命令指令代码WriteScratchpad（写暂存存储器）[4EH]ReadScratchpad（读暂存存储器）[BEH]CopyScratchpad（复制暂存存储器）[48H]ConvertTemperature（温度变换）[44H]RecallEPROM（重新调出）[B8H]ReadPowersupply（读电源）[B4H]温度传感器与单片机通讯时序2.温度转换算法及分析由于DS18B20转换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行计算转换。
温度高字节（MSByte）高5位是用来保存温度的正负（标志为S的bit11～bit15），高字节（MSByte）低3位和低字节来保存温度值（bit0~bit10）。
其中低字节（LSByte）的低4位来保存温度的小数位（bit0~bit3）。
由于本程序采用的是0.0625的精度，小数部分的值，可以用后四位代表的实际数值乘以0.0625，得到真正的数值，数值可能带几个小数位，所以采取小数舍入，保留一位小数即可。
也就说，本系统的温度精确到了0.1度。
算法核心：
首先程序判断温度是否是零下，如果是，则DS18B20保存的是温度的补码值，需要对其低8位（LSByte）取反加一变成原码。
处理过后把DS18B20的温度Copy到单片机的RAM中，里面已经是温度值的Hex码了，然后转换Hex码到BCD码，分别把小数位，个位，十位，百位的BCD码存入RAM中。
由于百位没有用，默认情况是置为0A，在显示屏上没有任何显示。
温度算法核心代码DATA_DEAL:
MOVA,TEMPERATURE_H；TEMPERATURE_H存放的是DS18B20转换后的高8位的值（上图的MSByte）ANLA,#80H；判温度是否零下JZTEMPC1；A为0，说明是正数，跳往TEMPC1,如果是负数，则对低8为进行补码处理CLRCMOVA,TEMPERATURE_L；为负数，对低8位（上图的LSByte）求补CPLA；取反加1ADDA,#01HMOVTEMPERATURE_L,A；取补码后存回TEMPERATURE_L，此时TEMPERATURE_L里面的值就可以表示温度了MOVA,TEMPERATURE_HCPLAADDCA,#00H；高位TEMPERATURE_H取反，加上从低位TEMPERATURE_L进来的位MOVTEMPERATURE_H,A；写回TEMPERATURE_HMOVTEMPERATURE_HC,#0BHSJMPTEMPC11TEMPC1:
MOVTEMPERATURE_HC,#0AHTEMPC11:
MOVA,TEMPERATURE_HCSWAPAMOVTEMPERATURE_HC,AMOVA,TEMPERATURE_LANLA,#0FH；取A低4位（小数位，单位是0.0625）,得出来的数要乘以0.0625,通过查表来算出值MOVDPTR,#TEMPDOTTABMOVCA,@A+DPTR；查表MOVTEMPERATURE_LC,A；TEMPERATURE_LC的低四位保存小数部分BCDMOVDIS_BUF_X,A；小数位的BCD码送入显示buffer中MOVA,TEMPERATURE_L；整数部分ANLA,#0F0H；得到个位单个数值SWAPA；SWAP后就得到个位真正的个位MOVTEMPERATURE_L,AMOVA,TEMPERATURE_HANLA,#0FHSWAPAORLA,TEMPERATURE_LMOVTEMPERATURE_ZH,A；组合后的值存入TEMPERATURE_ZHLCALLHtoB；转换HEx值成为BCD码MOVTEMPERATURE_L,A；TEMPERATURE_L目前存入的是十位和个位的BCD编码ANLA,#0F0HSWAPAORLA,TEMPERATURE_HC；TEMPERATURE_HC低4位存放十位数BCDMOVTEMPERATURE_HC,AMOVA,TEMPERATURE_LANLA,#0FHSWAPA；TEMPERATURE_LC高4位存放个位数BCDORLA,TEMPERATURE_LCMOVTEMPERATURE_LC,AMOVA,R7JZTEMPC12ANLA,#0FHSWAPAMOVR7,AMOVA,TEMPERATURE_HC；TEMPERATURE_HC高4位存放百位数BCDANLA,#0FHORLA,R7MOVTEMPERATURE_HC,ATEMPC12:
RET；小数部分码表TEMPDOTTAB:
DB00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06H,06H,07H,08H,08H,09H,09H结果温度值的BCD码存放到TEMPERATURE_HC（百位和十位），TEMPERATURE_LC（个位和小数位）中七．硬件设计说明1．系统总体电路图2．各个模块电路图输入系统1．键盘模块我们用的下面四个独立键盘中的三个，分别是：
K2，K3，K4。
1．温度测量模块DS18B20通过P3.3口和AT89S52进行通讯。
输出系统
1． 继电器模块
下图是一个蜂鸣器和一个继电器的图，我们只用到了继电器的图，继电器和单片机的P1.3口进行通讯。
单片机DS18B20水温控制系统设计程序源码
TEMPERATURE_LDATA31H;DS18B20低8位Buffer
TEMPERATURE_HDATA30H;DS18B20高8位Buffer
TEMPERATURE_HCDATA32H ;计算后的百位和十位的BCD码存放BUFFER
TEMPERATURE_LCDATA33H ;计算后的个位和小数位的BCD码存放BUFFER
TEMPERATURE_ZHDATA34H ;计算后十位和个位HEX码的存放BUFFER
DIS_BUF_XDATA35H;数码管小数位Buffer
DIS_BUF_GDATA36H ;数码管个位Buffer
DIS_BUF_SDATA37H ;数码管十位Buffer
DIS_BUF_BDATA38H ;数码管百位Buffer
KEY_BUF_GDATA39H;键盘输入后，的个位值
KEY_BUF_SDATA49H;键盘输入后，的十位值
KEY_BUF_BDATA41H;键盘输入后，的百位值
K_UPEQUP1.5 ;上调按钮
K_DOWNEQUP1.6 ;下调按钮
K_ENTEREQUP1.7 ;输入数据确认按钮
P_DS18B20EQUP3.3 ;读取DS18B20的输入端口
P_SWITCHEQUP1.3 ;继电器控制端口,1－风扇，0－电炉
FLAGEQU20H.0 ;标志位,确定是否存在DS18B20
ENTER_FLAGEQU20H.1 ;键盘输入的标志位,为0说明键盘正在输入，为1说明键盘输入退出
;程序开始执行
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0100H
MAIN:
MOVSP,#60H ;初始化
MOVKEY_BUF_G,#00H ;由于KEY_BUF是由用户输入的，所以先赋值初始化
MOVKEY_BUF_S,#00H
MOVKEY_BUF_B,#00H
NEXT:
LCALL READ_TEMP;调用读温度子程序
JBFLAG,NORMAL ;判断是否有DS18B20的存在
CALLERR ;不存在时显示错误信息
AJMP NEXT
NORMAL:
LCALLDATA_DEA ;处理从DS18B20得到的数据
LCALLSET_DIS_BUF ;赋值给DIS_BUF_X,G,S,B
LCALLDISPLAY ;调用数码管显示子程序
LCALLSCAN_KEY ;扫描键盘
LCALLSWITCH ;处理继电器
AJMP NEXT
;程序名称:
ERR
;功能:
程序出错处理，显示四个8，即8888
;入口参数:
无
;出口参数:
DIS_BUF_X,DIS_BUF_G,DIS_BUF_S,DIS_BUF_B
ERR:
MOVDIS_BUF_X,#08H;如果没有找到DS18B20，那么就显示错误，错误显示为888
MOVDIS_BUF_G,#08H
MOVDIS_BUF_S,#08H
MOVDIS_BUF_B,#08H
LCALLDISPLAY
RET
;程序名称:
DATA_DEAL
;功能:
处理采集后的的数据
;入口参数:
TEMPERATURE_L
;出口参数:
DIS_BUF_G,DIS_BUF_S,DIS_BUF_B
DATA_DEAL:
MOV A,TEMPERATURE_H ;判温度是否零下
ANL A,#80H
JZ TEMPC1 ;A为0，说明是正数，跳往TEMPC1,如果是负数，则对低8为进行补码处理
CLR C
MOV A,TEMPERATURE_L ;二进制数求补（双字节）
CPL A ;取反加1
ADD A,#01H
MOV TEMPERATURE_L,A ;取补码后存回TEMPERATURE_L，此时TEMPERATURE_L里面的值就能表示温
;度了，不过还要继续处理一下。
MOV A,TEMPERATURE_H
CPL A
ADDC A,#00H ;高位TEMPERATURE_H取反，加上从低位TEMPERATURE_L进来的位
MOV TEMPERATURE_H,A ;写回TEMPERATURE_H
MOV TEMPERATURE_HC,#0BH
SJMP TEMPC11
TEMPC1:
MOV TEMPERATURE_HC,#0AH
TEMPC11:
MOV A,TEMPERATURE_HC
SWAP A
MOV TEMPERATURE_HC,A
MOV A,TEMPERATURE_L
ANL A,#0FH ;取A低4位（小数位，单位是0.0625）,得出来的数要乘以0.0625,通过查表来算出值
MOV DPTR,#TEMPDOTTAB
MOVC A,@A+DPTR ;查表
MOV TEMPERATURE_LC,A ;TEMPERATURE_LC LOW=小数部分BCD
MOV DIS_BUF_X,A ;小数位的BCD码送入显示buffer中
MOV A,TEMPERATURE_L ;整数部分
ANL A,#0F0H ;得到个位‘单个数值
SWAP A ;SWAP后就得到个位真正的个位
MOV TEMPERATURE_L,A
MOV A,TEMPERATURE_H
ANL A,#0FH
SWAP A
ORL A,TEMPERATURE_L
MOV TEMPERATURE_ZH,A ;组合后的值存入TEMPERATURE_ZH
LCALL HtoB ;转换HEx值成为BCD码
MOV TEMPERATURE_L,A ;TEMPERATURE_L目前存入的是十位和个位的BCD编码
ANL A,#0F0H
SWAP A
ORL A,TEMPERATURE_HC ;TEMPERATURE_HCLOW位=十位数BCD
MOV TEMPERATURE_HC,A
MOV A,TEMPERATURE_L
ANL A,#0FH
SWAP A ;TEMPERATURE_LCHI位=个位数BCD
ORL A,TEMPERATURE_LC
MOV TEMPERATURE_LC,A
MOV A,R7
JZ TEMPC12
ANL A,#0FH
SWAP A
MOV R7,A
MOV A,TEMPERATURE_HC ;TEMPERATURE_HCHI=百位数BCD
ANL A,#0FH
ORL A,R7
MOV TEMPERATURE_HC,A
TEMPC12:
RET
; 小数部分码表
TEMPDOTTAB:
DB 00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06H,06H,07H,08H,08H,09H,09H
;0.0625->00H
;0.0625*2=0.125->01H
;0.0625*3=0.1875->01H
;0.0625*4=0.25->02H
;0.0625*5=0.3125->03H
;以此类推..........
;程序名称:
HtoB
;功能:
十六进制转BCD
;入口参数:
A
;出口参数:
R7
HtoB:
MOV B,#064H ;100
DIV AB ;a/100
MOV R7,A ;
MOV A,#0AH
XCH A,B
DIV AB
SWAP A
ORL A,B
RET
;程序名称:
INIT_TEMP
;功能:
初始化DS18B20,确定DS18B20是否是存在的
;入口参数:
无
;出口参数:
FLAG
INIT_TEMP:
SETB P_DS18B20
NOP
CLRP_DS18B20 ;主机发出延时537微秒的复位低脉冲
MOVR0,#6BH
MOVR1,#04H
TSR1:
DJNZ R0,$
MOV 40,
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