DS18B20温度传感器课程设计报告Word文件下载.docx
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基于DS18B20的温度传感器
2、课程设计目的
通过基于MCS-51系列单片机AT89C51和DS18B20温度传感器检测温度，熟悉芯片的使用，温度传感器的功能，数码显示管的使用，汇编语言的设计；
并且把我们这一年所学的数字和模拟电子技术、检测技术、单片机应用等知识，通过理论联系实际，从题目分析、电路设计调试、程序编制调试到传感器的选定等这一完整的实验过程，培养了学生正确的设计思想，使学生充分发挥主观能动性，去独立解决实际问题，以达到提升学生的综合能力、动手能力、文献资料查阅能力的作用，为毕业设计和以后工作打下一个良好的基础。
3、设计任务和要求
以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个数字温度计，采用数字温度传感器DS18B20为检测器件，进行单点温度检测，检测精度为±
0.5摄氏度。
温度显示采用LCD1602显示，两位整数，一位小数。
系统总体仿真图
板上实现效果图
4、正文
（一）、方案选择与论证
根据设计任务的总体要求，本系统可以划分为以下几个基本模块，针对各个模块的功能要求，分别有以下一些不同的设计方案：
（1）、温度传感模块
方案一：
采用热敏电阻，热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的，也不能满足测量范围。
在温度测量系统中，也常采用单片温度传感器，比如AD590，LM35等。
但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能送给计算机，这样就使测温系统的硬件结构较复杂。
另外，这种测温系统难以实现多点测温，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。
方案二：
采用单总线数字温度传感器DS18B20测量温度，直接输出数字信号。
便于单片机处理及控制，节省硬件电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，此元件线形性能好，在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51构成的温度装置，它直接输出温度的数字信号到微控制器。
每只DS18B20具有一个独有的不可修改的64位序列号，根据序列号可访问不同的器件。
这样一条总线上可挂接多个DS18B20传感器，实现多点温度测量，轻松的组建传感网络。
综上分析，我们选用第二种方案。
温度传感模块仿真图
（2）、显示模块
方案一：
采用8位段数码管，将单片机得到的数据通过数码管显示出来。
该方案简单易行，但所需的元件较多，且不容易进行操作，可读性差，一旦设定后很难再加入其他的功能，显示格式受限制，且大耗电量大，不宜用电池给系统供电。
采用液晶显示器件，液晶显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求，对后续的园艺通兼容性高，只需将软件作修改即可，可操作性强，也易于读数，采用RT1602两行十六个字符的显示，能同时显示其它的信息如日期、时间、星期、温度。
综上分析，我们采用了第二个方案
显示模块仿真图
三、系统的具体设计与实现
（1）、系统的总体设计方案
采用AT89S52单片机作为控制核心对温度传感器DS18B20控制，读取温度信号并进行计算处理，并送到液晶显示器LCD1602显示。
按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：
主控制器、测温电路和显示电路。
数字温度计总体电路结构框图如图下所示。
（2）、硬件电路设计
a、单片机控制模块
该模块由AT89C51单片机组成在设计方面，AT89C51的EA接高电平，其外围电路提供能使之工作的晶振脉冲、复位按键，四个I/O分别接8路的单列IP座方便与外围设备连接。
当AT89C51芯片接到来自温度传感器的信号时，其内部程序将根据信号的类型进行处理，并且将处理的结果送到显示模块，发送控制信号控制各模块。
b、温度传感器模块
DS18B20相关资料
1、DS18B20原理与分析DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比，它能够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。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
以下是DS18B20的特点：
（1）独特的单线接口方式：
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）在使用中不需要任何外围元件。
（3）可用数据线供电，电压范围：
+3.0~+5.5V。
（4）测温范围：
-55-+125℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
（5）通过编程可实现9-12位的数字读数方式。
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
（8）负压特性，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。
2、DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理上图所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器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就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，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的预置将重新被装入，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，如此循环直到减法计数器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，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，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（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
DS18B20工作过程一般遵循以下协议：
初始化——ROM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序列开始。
初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。
存在脉冲让总线控制器知道DS1820在总线上且已准备好操作。
②ROM操作命令一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便可以发出器件ROM操作命令之一。
所有ROM操作命令均为8位长。
这些命令如下：
ReadROM（读ROM）[33h]
此命令允许总线主机读DS18B20的8位产品系列编码，唯一的48位序列号，以及8位的CRC。
此命令只能在总线上仅有一个DS18B20的情况下可以使用。
如果总线上存在多于一个的从属器件，那么当所有从片企图同时发送时将发生数据冲突的现象（漏极开路会产生线与的结果）。
MatchROM（符合ROM）[55h]此命令后继以64位的ROM数据序列，允许总线主机对多点总线上特定的DS1寻址。
只有与64位ROM序列严格相符的DS18B20才能对后继的存贮器操作命令作出响应。
所有与64位ROM序列不符的从片将等待复位脉冲。
此命令在总线上有单个或多个器件的情况下均可使用。
SkipROM（跳过ROM）[CCh]
在单点总线系统中，此命令通过允许总线主机不提供64位ROM编码而访问存储器操作来节省时间。
如果在总线上存在多于一个的从属器件而且在SkipROM命令之后发出读命令，那么由于多个从片同时发送数据，会在总线上发生数据冲突（漏极开路下拉会产生线与的效果）。
SearchROM（搜索ROM）[F0h]
当系统开始工作时，总线主机可能不知道单线总线上的器件个数或者不知道其64位ROM编码。
搜索ROM命令允许总线控制器用排除法识别总线上的所有从机的64位编码。
AlarmSearch（告警搜索）[ECh]
此命令的流程与搜索ROM命令相同。
但是，仅在最近一次温度测量出现告警的情况下，DS18B20才对此命令作出响应。
告警的条件定义为温度高于TH或低于TL。
只要DS18B20一上电，告警条件就保持在设置状态，直到另一次温度测量显示出非告警值或者改变TH或TL的设置，使得测量值再一次位于允许的范围之内。
贮存在EEPROM内的触发器值用于告警。
③存储器操作命令
WriteScratchpad（写暂存存储器）[4Eh]
这个命令向DS18B20的暂存器中写入数据，开始位置在地址2。
接下来写入的两个字节将被存到暂存器中的地址位置2和3。
可以在任何时刻发出复位命令来中止写入。
ReadScratchpad（读暂存存储器）[BEh]
这个命令读取暂存器的内容。
读取将从字节0开始，一直进行下去，直到第9（字节8，CRC）字节读完。
如果不想读完所有字节，控制器可以在任何时间发出复位命令来中止读取。
CopyScratchpad（复制暂存存储器）[48h]
这条命令把暂存器的内容拷贝到DS18B20的E2存储器里，即把温度报警触发字节存入非易失性存储器里。
如果总线控制器在这条命令之后跟着发出读时间隙，而DS18B20又正在忙于把暂存器拷贝到E2存储器，DS18B20就会输出一个“0”，如果拷贝结束的话，DS18B20则输出“1”。
如果使用寄生电源，总线控制器必须在这条命令发出后立即起动强上拉并最少保持10ms。
ConvertT（温度变换）[44h]
这条命令启动一次温度转换而无需其他数据。
温度转换命令被执行，而后DS18B20保持等待状态。
如果总线控制器在这条命令之后跟着发出读时间隙，而DS18B20又忙于做时间转换的话，DS18B20将在总线上输出“0”，若温度转换完成，则输出“1”。
如果使用寄生电源，总线控制器必须在发出这条命令后立即起动强上拉，并保持500ms。
RecallE2（重新调整E2）[B8h]
这条命令把贮存在E2中温度触发器的值重新调至暂存存储器。
这种重新调出的操作在对DS18B20上电时也自动发生，因此只要器件一上电，暂存存储器内就有了有效的数据。
在这条命令发出之后，对于所发出的第一个读数据时间片，器件会输出温度转换忙的标识：
“0”=忙，“1”=准备就绪。
ReadPowerSupply（读电源）[B4h]
对于在此命令发送至DS18B20之后所发出的第一读数据的时间片，器件都会给出其电源方式的信号：
“0”=寄生电源供电，“1”=外部电源供电。
④处理数据
DS18B20的高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如图3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。
DS18B20温度数据表
上表是DS18B20温度采集转化后得到的12位数据，存储在DS18B20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或等于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。
温度转换计算方法举例：
例如当DS18B20采集到+125℃的实际温度后，输出为07D0H，则：
实际温度=07D0H╳0.0625=2000╳0.0625=1250C。
例如当DS18B20采集到-55℃的实际温度后，输出为FC90H，则应先将11位数据位取反加1得370H（符号位不变，也不作为计算），则：
实际温度=370H╳0.0625=880╳0.0625=550C。
2、显示模块LCD1602资料（这里主要介绍下指令说明及时序）
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表10-14所示：
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
2
光标返回
*
3
置输入模式
I/D
S
4
显示开/关控制
D
C
B
5
光标或字符移位
S/C
R/L
6
置功能
DL
N
F
7
置字符发生存贮器地址
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
读出的数据内容
表10-14：
控制命令表
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平、0为低电平）
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
与HD44780相兼容的芯片时序表如下：
读状态
输入
RS=L，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
无
读数据
RS=H，R/W=H，E=H
D0—D7=数据
写数据
RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
表10-15：
基本操作时序表
读写操作时序如图10-55和10-56所示：
图10-55读操作时序
图10-56写操作时序
四、软件设计
系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换子程序、计算温度子程序、显示等等。
1、主程序
主要功能是完成DS18B20的初始化工作，并进行读温度，将温度转化成为压缩BCD码并在显示器上显示传感器所测得的实际温度。
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，在读出时需要进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
其程序流程图如下图所示。
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位分辩率时转换时间约为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。
流程图图如下
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。
流程图如下：
#include<
reg52.h>
intrins.h>
typedefunsignedcharuint8;
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
sbitDQ=P3^3;
//定义DQ引脚为P3.3
ucharcodeBw[10]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};
//百位编码
ucharcodeXsw[16]={0x30,0x31,0x31,0x32,0x33,0x33,0x34,0x34,0x35,0x36,0x36,0x37,0x38,0x38,0x39,0x39};
//小数位编码
sbitRS=P2^0;
sbitRW=P2^1;
sbitEN=P2^2;
sbitBUSY=P0^7;
ucharwendu;
uchartemp_g,temp_d;
unsignedcharcodeword1[]={"
Temperature:
"
};
voiddelay（uintxms）
{
uinti,j;
for（i=xms;
i>
0;
--i）
for（j=110;
j>
--j）;
}
voidDelayus（intt）//在11.059MHz的晶振条件下调用本函数需要24μs，然后每次计数需16μs
ints;
for（s=0;
s<
t;
s++）;
等待繁忙标志
voidwait（void）
P0=0xFF;
do
{
RS=0;
RW=1;
EN=0;
EN=1;
}while（BUSY==1）;
EN=0;
写数据
voidw_dat（uint8dat）
wait（）;
P0=dat;
RS=1;
RW=0;
EN=1;
写命令
voidw_cmd（uint8cmd）
P0=cmd;
RS=0;
发送字符串到LCD
voidw_string（uint8addr_start,uint8*p）
w_cmd（addr_start）;
while（*p!
='
\0'
）
w_dat（*p++）;
}
初始化1602
voidInit_LCD1602（void）
w_cmd（0x38）;
//16*2显示，5*7点阵，8位数据接口
w_cmd（0x0c）;
//显示器开、光标开、光标允许闪烁
w_cmd（0x06）;
//文字不动，光标自动右移
w_cmd（0x01）;
//清屏
ucharReset（）//完成单总线的复位操作。
uchard;
DQ=0;
//将DQ线拉低
Delayus（29）;
//保持480μs.复位时间为480μs，因此延时时间为（480-24）/16=28.5，取29μs。
DQ=1;
//DQ返回高电平
Delayus（3）;
//等待存在脉冲.经过70μs之后检测存在脉冲，因此延时时间为（70-24）/16=2.875，取3μs。
d=DQ;
//获得存在信号
Delayus（25）;
//等待时间隙结束
return（d）;
//返回存在信号，0=器件存在,1=无器件
voidwrite_bit（ucharbitval）//向单总线写入1位值：
bitval
//将DQ拉低开始写时间隙
if（bitval==1）
DQ=1;
//如果写1，DQ返回高电平
Delayus（5）;
//在时间隙内保持电平值，
//Delayus函数每次循环延时16μs，因此Delayus（5）=5*16+24=104μs
}
voidds18write_byte（charval）//向单总线写入一个字节值：
val
uchari;
uchartemp;
for（i=0;
i<
8;
i++）//写入字节,每次写入一位
{
temp=val>
>
i;
temp&
=0x01;
write_bit（temp）;
ucharread_bit（）//从单总线上读取一位信号，所需延时时间为15μs，因此无法调用前面定义
{//的Delayus（）函数，而采用一个for（）循环来实现延时。
//将DQ
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