基于DS18B20温控实验报告

基于DS18B20温控实验报告一、实验目的：温湿度与生产及生活密切相关。像仓库、农田、生产过程，温度变化会影响品质；精密仪器、半导体器件，过温而导致性能降低，另外，人们的生活质量提高，对室内环境的高要求也需要对温度的适时监控，可见，温度传感器的应用范围是很广的。而在日常生活中，温度，尤其是水温的测控尤为重要，婴儿奶瓶，热水壶等等一系列产品对温度测控的需求相当的迫切。虽然市面上已经有许多成品测温仪器，但我们希望，通过自己的努力，能够作出一款功能齐全，制作简单的温度测控仪器。希望能在在精进学识的同时培养我们的动手能力。二、设计要求：1.基本要求1)测量温度范围0℃~100℃2)精度△℃0.125℃3)显示测量温度4)自动控制温度2.发挥部分1)能够设定温度上下限，若温度超过预定范围，应能报警2)能自动将温度控制在限定的范围内三、资料准备：2.1DS18B20简介DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为±2°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。2.1.1DS18B20中的温度传感器对温度的测量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。2.1.2DS18B20的内部结构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、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下:DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。1)64位的ROM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)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E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。2.1.4DS18B20的时序由于DS18B20采用的是单总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。2.1.4.1DS18B20的复位时序2.1.4.2DS18B20的读时序对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。2.1.4.3DS18B20的写时序对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。2.1.5DS1820使用中注意事项DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。3)连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。4)在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。四、实验内容：简述本课题目前执行情况目前，课题的前期准备已基本完成，硬件电路设计和软件设计已基本完成。测温模块仿真已通过，其他模块仿真正在进行。系统框架设计如下图所示：温度测量模块我们采用DS18B201.下图为温度测量的原理图：2.LED显示模块本课题的LED显示模块是由一个四联共阳七段数码管组成。七段数码管是由若干发光二极管组合而成的，一般的“8”字形显示块由“a、b、c、d、e、f、g、h”8发光二极管组成。四个七段数码管分别与P0口相连，通过对单片机输入程序达到控制显示输出的目的（如图）。四个七段数码管由单片机的P2.0~P2.3控制亮灭，P2.0~P2.3分别对应Q2~Q5,当P2.0~P2.3其中之一置高电平，对应的三级管导通，段码管亮，置低电平，对应的三级管截止，段码管灭。键盘输入模块温度测量模块LED显示模块升温电路控制器模块电源模块3.键盘输入模块键盘输入模块中，我们使用3个键盘分别控制最低温度下限和最高温度上限的设定。4.控制器模块本课题的控制器模块式采用89C51单片机作为MCU，如图89C5189C51的P0.0~P0.7作为四联七段数码管总线；P2.4作为连接DS18B20的I/O口；P1.7作为升温电路的控制端；P2.0~P2.3控制四个七段数码管的亮灭。6.电源电路给系统电路输入一个稳定的+5V的电源（如图）。五、实验步骤1.使用专业软件进行电路图的绘制2.在绘图完成后，根据绘制的电路图进行软件的设计和开发0.1uF470uF0.1uF1000uF输出+5V7805输入电源3.在专业软件中进行软件的仿真测试4.测试成功后开始设计并焊接电路板5.在完成的电路板上进行上电仿真操作，并针对不完善的地方进行修改和微调六、实验成果和总结经过半个月设计，调试和实践，我们已经在焊接完成的电路板上成功仿真运行了显示模块和温度测试模块。仿真运行结果符合最初的实验设计要求。在实验过程中，我们小组分工比较明确。但是在软件画图时由于专业软件使用的不熟悉，导致画图过程中的不顺利。然而，在我们全组的努力下，终于还是成功实用protues绘制成功了实验电路图，并且在软件上成功实现程序的仿真。在软件设计方面，由于我们在前期软件画图时的不顺利，我们就提前开始了软件编写，不过，由于编写盲目性比较大，最终在程序调试阶段失败。虽然经历了一次失败，但是由于之前的准备工作相对充足，在软件画图完成后，我们在这个环节并没有遇到太大困难，最终在组长的编写和我们的修改下，还是成功完成。硬件设计阶段，由于第一次软件设计的失败，也导致了第一次硬件设计的不完善，在第二次软件仿真成功后，我们按照步骤操作进行重新设计和焊接，并且在第一次上板仿真就成功通过。在下一阶段，我们还要继续完成电路的控温模块，加入加热模块和控制操作，实现通过设定温度上下限，超出设定部分发警报或自动调控等功能。我相信在我们全组的努力下，下阶段的目标还是能比较成功实现的。