基于DS18B20的智能温度检测系统 精品.docx

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基于DS18B20的智能温度检测系统精品

电子系统综合设计

题目基于DS18B20的智能温度检测系统

学号

姓名

所属系机械工程学院

专业电子信息工程

班级10级电信本一班

指导教师

摘要

DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。

本文结合实际使用经验，介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机下的硬件连接及软件编程，并给出了软件流程图。

在此次设计中，我们采用LED显示温度，实现并焊接制作一个具有多种I/O接口的综合性功能电路，温度的测量值要精确到小数点的后1位，并采用单片机编程的方式使其使用方便、精度高。

另外还通过protues软件对设计的数字钟进行了有效的仿真，使得设计的电子产品更具有实用性，该系统可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域。

关键字：

温度测量；LED；数字温度传感器；单片机

Abstract

   Asakindofhigh-accuracydigitalnettemperaturesensor，DS18B20canbeusedbuildingasensorneteasily.Itcanalsomakethenetsimpleandreliablewithit'sspecial1-wireinterface.ThispaperintroducestheapplicationofDS18B20withsinglechipprocessor.

Thesystemisconstitutedbytwopartsthetemperaturemeasuredpartanddisplayedpart.ThetemperaturemeasuredparthasaRS232interface.ItusedAT89C51ofATMELcompanyandDS18B20ofDALLAScompany.ThedisplayedpartusesPC.Thissystemisappliedinsuchdomainsaswarehousedetectingtemperature；air-conditionercontrollingsysteminbuildingandsupervisoryproductiveprocessetc.

Keywords：

temperaturemeasure；LED；digitalthermometer；singlechipprocessor

目录

摘要·········································································2

Abstract····································································3

1绪论·······································································5

2整体方案设计···························································5

2.1STC89C51单片机基础·········································5

2.2DS18B20的基本性质··········································6

3智能温度检测系统的硬件设计·········································8

3.1LED电路·····························································8

3.2STC89C51单片机电路···············································9

3.3DS18B20电路·······················································12

4智能温度检测系统的软件设计·········································15

4.1系统软件设计流程图··················································15

4.2智能温度检测系统的源程序代码·····································17

4.3只能温度检测系统的原理图··········································24

5系统硬件仿真································································24

5.1硬件仿真的介绍······················································24

5.2仿真结果现象描述····················································25

6总结············································································26

参考文献·········································································27

1绪论

在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。

消防电气的非破坏性温度检测，电力电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械…等设备温度过热检测。

温度检测系统应用十分广阔。

  温度检测系统有则共同的特点：

测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。

若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。

这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。

所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：

温度传感器的选择和主控单元的设计。

温度传感器应用范围广泛、使用数量少，方便测量。

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

2整体方案设计

2.1STC89C51单片机基础

（1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU

（2）工作电压：

3.4V-5.5V（5V单片机）/2.0V-3.8V（3V单片机

（3）工作频率范围：

0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz.实际工作频率可达48MHz.

（4）用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节

（5）片上集成512字节RAM

（6）通用I/O口（27/23个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）

可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏

每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器

可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

（8）EEPROM功能

（9）看门狗

（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）

（11）时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。

用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。

常温下内部R/C振荡器频率为：

5.2MHz～6.8MHz。

精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选4MHz～8MHz

（12）有2个16位定时器/计数器

（13）外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

（14）PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器或4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可支持）

（15）STC89Cc516AD具有ADC功能。

10位精度ADC，共8路

（16）通用异步串行口（UART）

（17）SPI同步通信口，主模式/从模式

（18）工作温度范围：

0-75℃/-40-+85℃

（19）封装：

PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20（超小封状，定货）

2.2DS18B20的基本性质

1、DS18B20性能特点

①采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）

②测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃

③内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，

④适配各种单片机或系统机，

⑤用户可分别设定各路温度的上、下限，

⑥内含寄生电源。

2、DS18B20内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。

DS18B20的管脚排列如图1所示。

64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。

不同的器件地址序列号不同。

图1DS18B20引脚分布图8位产品系列号48位产品序号8位CRC编码DS18B20高速暂存器共9个存存单元0温度低字节以16位补码形式存放4、5保留字节1、21温度高字节6计数器余值2TH/用户字节1存放温度上限7计数器/℃3HL/用户字节2存放温度下限8CRC

以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：

12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个高低两个8位的RAM中，二进制中的前面5位是符号位。

如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625才能得到实际温度。

高8位SSSSS262524低8位232221202-12-22-32-4

3、DS18B20控制方法

在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。

无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。

DS18B20有六条控制命令，

44H启动DS18B20进行温度转换

读暂存器BEH读暂存器9个字节内容

写暂存器4EH将数据写入暂存器的TH、TL字节

复制暂存器48H把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中

重新调E2RAMB8H把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器

读电源供电方式B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号CPU

5、CPU对DS18B20的访问流程

先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。

DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。

如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

6、系统组成

由DS18B20构成的智能温度测量装置由三部分组成：

DS18B20温度传感器、89C2051、显示模块。

产品的主要技术指标：

①测量范围：

-55℃-+125℃，②测量精度：

0.5℃，③反应时间≤500ms。

3智能温度检测系统的硬件设计

3.1LED电路

在电子技术中，由LED数码管显示0～9的数是常用的显示技术。

数码管显示时，可用LCD（液晶），也可用LED数码管显示0～9的数。

这里利用PIC16F84A单片机控制的数码管LED显示电路，如下图所示。

下图是4位LED数码管显示电路，也可以扩展成更多的位或减少到一位数的显示。

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

①静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：

），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

②动态显示驱动：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

3.2STC89C51单片机电路

    一、ISP与IAP编程方式

    STC89C系列单片机芯片内置了ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程）功能，无需专用编程器即可通过串口（P3.0/P3.1）用STC提供的STC-ISP.exe软件进行烧录。

　　新出厂的STC89C51系列单片机芯片，已经设置为单片机彻底放电后再复位，即会先进行ISP监控。

当单片机检测到P3.0/RxD引脚有合法的下载命令流时，就会先将用户程序下载并烧录到用户程序区，再运行用户程序，否则软复位到用户程序区，运行用户程序。

在进行ISP烧录时，可以选择下次冷启动时是依旧先进行ISP监控，还是需要P1.0和P1.1引脚同时为0才进行ISP监控，否则跳过ISP监控直接运行用户程序（见图）。

　  二．6时钟，机器周期模式

    标准的8051每个机器周期为12时钟。

增强型的STC89C系列单片机在进行ISP烧录程序时，可以设置为6时钟/机器周期（双倍速）或12时钟/机器周期工作模式.

　　6时钟/机器周期（双倍速）工作模式下，定时器的计数速度会加倍，相应的12时钟/机器周期模式下的串口波特率也会加倍，因此单片机使用的最高的波特率可以提高一倍。

　　三．降低簟片机对外部电磁辐射

    通过设置6时钟/机器周期．（双倍速），可以将外接晶振频率降低一半，能有效降低对外部电磁辐射（EMI）。

　　更重要的是，STC89C系列单片机可以关闭ALE输出，最有效地降低EMI。

　　通过将ALEoff位（AUXR.0）置1，可以使ALE引脚仅在读取外接存储器时才有变化电平输出，从而降低对外部电磁辐射。

　四、内部扩展RAM

  STC89C系列单片机中的51/52/53（RC系列）在原有8052共256字节RAM的基础上，又扩展了256字节RAM，共有512字节RAM（000H～1FFH）。

54/58/516（RD+系列）则扩展了1024字节RAM，共有1280字节RAM（000H～3FFH）。

　　通过设置EXTRAM位（见表1），在使用MOVX@DPTR，A/MOVXA，@DPTR指令时，如访问在内部RAM范围内将会访问到内部RAM，超出此范围才会访问外部RAM。

访问内部RAM时，不影响P0口/P2口/P3.6/P3.

　五．双DPTR数据指针

    标准的8051只有一个16位的DPTR数据指针，这样在进行数据块复制等动作时，必须对源地址指针和目标地址指针进行暂存，编程会非常麻烦。

STC89C系列单片机内有两个DPTR数据指针DPTR0/DPTR1，可以通过设置DPS位（AUXR1.0）方便地选择，DPS置0则选中DPTRO，置1则选中DPTR1。

通过执行INCAUXR1指令，能对DPS快速切换，并不影响AUXR1的高位。

此用法与PHILIPS单片机完全一致。

　　六．扩晨P4口

    从引脚图上可以看出，PLCC-44、PQFP-44两种封装方式比PDIP-40多出的4个引脚在STC89C51RC/RD+系列单片机上被做成了P4口（SFR地址为0E8H），由P4.0～P4.3四条口线组成，使用方式上与原有I/0完全一致，可以位操作。

　　七、内置看门狗电路

      RC/RD+型号的STC89C系列单片机均内置了看门狗电路。

内置看门狗由看门狗定时器控制寄存器WDT_CONTR（见表2）控制。

　　EN_WDT位（WDT_CONTR.5）为看门狗允许位，置1时即启动看门狗。

CLR_WDT位（WDT_CONTR.4）为看门狗清零位，置1则看门狗将重新计数，此位由硬件自动清零。

IDLE_WDT位（WDTl_CONTR.3）为看门狗空闲模式位，当置为1时，看门狗在“空闲模式”时继续计数，当清零时，看门狗在“空闲模式”时不计数。

PS2～PS0位（WDT_CONTR．2～0）用于设定看门狗溢出时间，看门狗溢出时间=（N×Pre-scale×32768）/晶振频率。

其中N为每个机器周期的时钟数，标准模式为12，双倍速时为6。

Pre-scale为PS2～PS0位所设定的预分频值。

　　八.软复位功能

    STC89C系列单片机新增加的ISP_CONTR特殊功能寄存器（SFR地址为0E7H），实现了单片机系统软复位（热启动之一）功能。

用户只需简单地控制ISP_CONTR特殊功能寄存器的其中商位SWBS/SWRST就可以系统复位了。

SWBS位（ISP_CONTR.6）选择从用户应用程序区启动（0），还是从ISP程序区启动

（1）。

要与SWRST位配合才可以实现，SWRST位（ISP_CONTR.5）置0则无操作，置1则实现系统复位，硬件自动清零。

软复位与硬件复位一样，所有的特殊功能寄存器都会复位到初始值，I/O口也会初始化。

　　九．带A/D功能的89LE系列

    STC89LE51/52/54/58/516AD型号均内带一个8位精度的高速A/D转换器，扩展RAM均为256字节（共512字节，仅能用MOVXA，@Ri/MOVXA，@Ri指令访问），不能设置6时钟/机器周期（双倍速）模式，其余均与前几部分相同。

另有一款STC89LE516X2，比STC89LE516AD增加6时钟/机器周期（双倍速）模式。

A/D转换器为电压输入型，可做按键扫描、电池电压检测、频谱检测等。

　　STC89LE516AD/X2系列允许将P1.0～P1.7作为A/D口使用，P1_ADC_EN特殊功能寄存器（SFR地址为097H）作为A/D转换输入通道允许控制，相应位为“1”时，对应的P1．x口被允许作为A/D转换使用，内部上拉电阻自动断开。

3.3DS18B20电路

    DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。

DS18B20测温原理如图3所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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即为所测温度。

图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

图3：

DS18B20测温原理框图

DS18B20有4个主要的数据部件：

（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

（2） 

（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

 （3）DS18B20温度传感器的存储器

 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

    （4）配置寄存器

    低五位一直都是"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，用户不要去改动。

R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：

（DS18B20出厂时被设置为12位）

四、高速暂存存储器

    高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。

当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。

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