基于51单片机的多点温度测量系统设计.docx
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基于51单片机的多点温度测量系统设计
第一章摘要…………………………………………………………………2
第二章引言…………………………………………………………………2
第三章DS18B20温度传感器相关介绍……………………………………3
3.1DS18B20的特点………………………………………………3
3.2DS18B20工作过程及时序……………………………………3
3.3DS18B20结构图………………………………………………5
第四章LED数码管介绍……………………………………………………8
第五章硬件的设计……………………………………………………10
5.1温度采集模块………………………………………………11
5.2温度显示模块………………………………………………11
第六章软件的设计…………………………………………………………12
6.1读18B20的ROM系列号程序………………….……..……12
6.2温度的转换与读取程序………………………………………17
6.3温度在数码管显示的程序……………………………………23
第七章心得体会……………………………………………………………26
参考资料……………………………………………………………27
第一章摘要
本次课程设通过基于MCS-51系列单片机SST80C51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，LED数码管的使用，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、检测技来掌握相关知识。
第二章引言
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。
进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
在工农业生产中，温度检测及其控制占有举足轻重的地位，随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。
要达到较高的测量精度需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差等问题，使温度检测复杂化。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。
采用单片机对温度采集进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控数据的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
第三章DS18B20温度传感器相关介绍
3.1DS18B20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。
3.2DS18B20工作过程及时序
DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。
高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。
初始时，计数器1预置的是与-55℃相对应的一个预置值。
以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。
为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。
计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加1℃计数器所需要的计数个数。
DS18B20内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。
在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25℃进行比较，若低于0.25℃，温度寄存器的最低位就置0；若高于0.25℃，最低位就置1；若高于0.75℃时，温度寄存器的最低位就进位然后置0。
这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表
0.5℃，四舍五入最大量化误差为±1/2LSB，即0.25℃。
温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其余8位以二进制补码形式表示温度值。
测温结束时，这9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节，8位温度数据占据第二字节。
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。
DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。
当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。
芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。
测量结果存入温度寄存器中。
一般情况下的温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最后以16位补码形式读出。
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
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。
ROM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。
这些命令列表如下：
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DS18B20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。
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。
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。
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。
3.3DS18B20结构图
图1管脚排列图
在TO-92和SO-8的封装中引脚有所不同，具体差别请查阅PDF手册，在TO-92封装中引脚分配如下：
1（GND）：
地
2（DQ）：
单线运用的数据输入输出引脚
3（VDD）：
可选的电源引脚
第四章LED数码管的介绍
LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。
这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮。
一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。
发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。
常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。
图2数码管引脚定义图
八段LED数码显示管原理和结构：
数码管分为共阳型和共阴型，共阳极型就是发光管的正极都连在一起，作为一条引线，负极分开。
八段数码发光管就是8个发光二极管组成的，在空间排列成为8字型带个小数点，只要将电压加在阳极和阴极之间相应的笔画就会发光。
8个发光二极管的阳极并接在一起，8个阴极分开，因此称为共阳八段数码管。
相反则为共阴八段数码管。
共阴极八段译码管显码表：
（输入为sp、g、f、e、d、c、b、a）
输入
输出
输入
输出
3FH
0
7FH
8
06H
1
6FH
9
5BH
2
77H
A
4FH
3
7CH
B
66H
4
39H
C
6DH
5
5EH
D
7DH
6
79H
E
07H
7
71H
F
动态显示驱动：
数码管动态显示介面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增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的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，取决于单片机对位元选通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，该位元就显示出字形，没有选通的数码
管就不会亮。
透过分时轮流控制各个LED数码管的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，每位元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体的余辉效应，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资料，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。
第五章硬件的设计
温度采集系统的硬件部分主要是由温度采集模块、MSC51处理模块、温度显示模块组成：
图3系统硬件框图
5.1温度采集模块：
图4温度采集模块电路原理图
两个18B20的输入/输出端口接在同一根总线上，GND接地，VCC端口接+5V电源，DQ端口接单片机的P2.0口
5.2温度显示模块：
图5温度显示模块电路原理图
51单片机通过CH452驱动八共阴极数码管显示，其中CH452的SCL输入端口接单片机的P2.2，SDA输入输出端口接P2.1口。
第六章软件的设计
程序的编写主要分为读18B20的ROM系列号的程序，温度的转换与读取程序，温度在数码管显示的程序。
6.1读18B20的ROM系列号的程序
在编写读18B20的ROM系列号的程序的过程中需要分为几个子程序如：
初始化，写时序，读时序，读ROM系列号等过程
图6读ROM序列号流程图
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharbusf[8];
sbitDQ=P2^0;
/*22.11484MHz时微秒级延时*****************/
voiddelayus（ucharus）
{
while（us--）;
}
/*22.11484MHz时毫秒级延时*****************/
voiddelayms（uintxms）
{
uintx,y;
for（x=xms;x>0;x--）
for（y=229;y>0;y--）;
}
voidDQ_Init（void）
{
DQ=1;
_nop_（）;_nop_（）;
DQ=0;
delayus（150）;//492us
DQ=1;
delayus（30）;//103us
while（DQ==1）;
delayus（150）;//492us
}
ucharDQ_read（void）
{
uchari,rdata;
for（i=0;i<8;i++）
{
rdata=rdata>>1;
DQ=1;
_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;
DQ=0;
_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;
DQ=1;
delayus
（2）;
if（DQ==1）
{
rdata=rdata|0x80;
}
else
{
rdata=rdata&0x7F;
}
delayus（12）;//45us
}
DQ=1;
returnrdata;
}
voidDQ_write（ucharsdata）
{
uchari;
for（i=0;i<8;i++）
{
DQ=1;
_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;
DQ=0;
_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;
if（（sdata&0x01）==1）
DQ=1;
else
DQ=0;
delayus（17）;//60+us
sdata=sdata>>1;
}
DQ=1;
}
voidget_num（）
{
uchari;
DQ_Init（）;
DQ_write（0x33）;
for（i=0;i<8;i++）
{
busf[i]=DQ_read（）;
}
}
voidmain（）
{
delayms（1000）;
while
（1）
{
get_num（）;
delayms（1000）;
P0=busf[0];
}
}
6.2温度的转换与读取程序
二．温度的读取与相应转换程序中主要包括初始化，跳过ROM，温度转换，匹配ROM，写入指令读暂存器温度，温度值的转换成实际温度等过程。
图7温度读取与转换流程图
#include
#include"C_Delay.h"
#include"PIN.h"
#include"DS18B20.h"
ucharTH,TL;
uintTEMP;
/*18b20的ROM地址：
单个连接读取*/
unsignedcharrom1[8]={0x28,0xfe,0x97,0x4a,0x03,0x00,0x00,0x86};
unsignedcharrom2[8]={0x28,0xe6,0x7b,0x79,0x02,0x00,0x00,0xec};
/*1-wire通信初始化***********************/
voidDQ_Init（void）
{
DQ=1;
_nop_（）;_nop_（）;
DQ=0;
delayus（150）;//492us
DQ=1;//释放总线
delayus（30）;//103us
while（DQ==1）;//等到18B20
delayus（150）;//492us
}
/*1-wire通信读1字节***********************/
ucharDQ_read（void）
{
uchari,rdata;
for（i=0;i<8;i++）
{
rdata=rdata>>1;
DQ=1;
_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;
DQ=0;
_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;
DQ=1;
delayus
（2）;//12us,加上前面DQ之后的时间，大约14-15us
if（DQ==1）
{
rdata=rdata|0x80;
}
else
{
rdata=rdata&0x7F;
}
delayus（12）;//45us
}
DQ=1;
returnrdata;
}
/*1-wire通信写1字节***********************/
voidDQ_write（ucharsdata）
{
uchari;
for（i=0;i<8;i++）
{
DQ=1;
_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;
DQ=0;
_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;
if（（sdata&0x01）==1）
DQ=1;
else
DQ=0;
delayus（17）;//60+us
sdata=sdata>>1;
}
DQ=1;//释放总线
}
uintget_Temp（ucharon）
{uchari;
DQ_Init（）;
DQ_write（0xcc）;//跳过ROM
DQ_write（0x44）;//开始转换温度
delayms（750）;
DQ_Init（）;
DQ_write（0x55）;//matchROM
if（on==1）
{
for（i=0;i<8;i++）
{
DQ_write（rom1[i]）;
}
}
if（on==2）
{
for（i=0;i<8;i++）
{
DQ_write（rom2[i]）;
}
}
DQ_write（0xBE）;
TL=DQ_read（）;
TH=DQ_read（）;
TEMP=TH;
TEMP=（TEMP<<8）|TL;
TEMP=（unsignedint）（TEMP*0.0625*100+0.5）;
returnTEMP;
}，
6.3温度在数码管显示的程序
三．温度显示部分程序主要包括初始化，通过CH452进行温度—代码的转换，通过按键逐一显示在LED数码管上等过程。
图8温度显示流程图
#include
#include
#include"CH452CMD.h"
#include"C_Delay.h"
//#include"DS1302.h"
#include"DS18b20.h"
//#include"AD_TLC549.h"
#include"PIN.h"
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
//位定义
//sbitLED=P0^0;
//sbitLED1=P0^1;
//sbitFMQ=P3^3;
//全局变量定义
ucharkeyValue;//键值
//bitisRTCSet=0;//1302是否调时模式
//ucharTimeOn;
//显示缓冲区
ucharDISBUF[8]={0x10,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10};
//DS1302时间缓冲区
ucharDATETIME[7]={0,0x27,0x21,0x19,0x08,0x02,0x11};
//显示数据类型
enumRTCMode{
time=0,
date=1
}RTC_Display=time;
/*CH452显示程序*****************************************/
voidCH452_Fresh_Display（void）
{//配置CH452：
采用BCD译码方式，8个数码管
CH452_Write（CH452_SYSON2）;
CH452_Write（CH452_BCD）;//BCD译码,8个数码管
CH452_Write（CH452_DIG7|DISBUF[4]）;
CH452_Write（CH452_DIG6|DISBUF[5]）;
CH452
升级会员 