单片机温度传感器系统课程设计

课程设计题目：数字温度传感器测温显示系统2已知技术参数和设计要求：1、已知技术参数：芯片：89C51（1）、8155（1）、74LS14（1）、7407（2）、75452（3）。共阴极数码管六个、温度传感器DS18B20、0.1K电阻五个，0.3K电阻一个，1K电阻一个，2.2K电阻四个，3K电阻一个，4.7K电阻一个，8.2K电阻一个，0.1K*8排电阻一个，4.7UF/3.3UF电解电容四个，10UF电解电容两个，47UF/33UF电解电容一个，30P/33P瓷片电容两个，0.1UF独石电容一个，0.01UF独石电容两个。三极管9013一个发光二极管（红）一个按钮开关四个晶振11.0592一个单排插针/座（3）一个短路块一个单排插座（3）一个单排插座（30）两个DIP40两个DIP14三个DIP8三个蜂鸣器一个电源线（红、黑各一条）2、设计要求：扩展数字温度传感器DS18B20进行温度检测，显示器用六位共阴极数码管显示，设计按键4个。控制系统能够实现：1，系统实时检测室内温度并在数码管上显示；2，用按键对温度控制的上下限进行设定；3，当超过温度上限时，蜂鸣器报警，低于下限时，发光二极管发光。3工作计划安排：2007.7.9：领取元器件、查阅有关主要元件的资料、了解温度传感器DS18B20的原理、功能及应用。2007.7.10：分析电路图原理和各元器件间的连接，将元器件按要求焊在电路板上。2007.7.11~2007.7.12：学习温度传感器DS18B20的软件设计方法、对系统的整体进行程序设计、完成编程。2007.7.13~2007.7.14：完成编程、并进行上机调试，试试各项功能是否达到设计要求，改正程序中的错误，并对程序进行修改完善。2007.7.15~2007.7.16：由组员对各元件进行市场调研。2007.7.17：撰写任务说明书。同组设计者及分工：4摘要随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：①传统的分立式温度传感器，②模拟集成温度传感器，③智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度传感器测温显示系统，可以设置上下报警温度，当所测温度超过温度上限，蜂鸣器可以报警，当温度低于温度下限，发光二极管发光显示。文章介绍了数字温度传感器DS18B20的结构特征及控制方法，并对以此传感器，89C51单片机为控制器构成的温度测量装置的工作原理及程序设计作了相关的介绍。关键词：单片机AT89C51，数字温度传感器DS18B20，蜂鸣器，发光二极管，六位共阴极数码管5目录正文总体设计方案一、主控制器…………8二、温度传感器…………81.DS18B20的特性介绍…………92.DS18B29的内部结构…………93.DS18B29的存储器…………104.DS18B29的控制方法…………115.DS18B29的测温原理…………126.DS18B20与单片机的接口…………127.系统整体硬件电路…………138.系统软件算法…………13三、结语…………21总结与体会…………22参考文献…………236正文总体设计方案如下图一，主控制器单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。AT89C51单片机是ATMEL公司生产的高性能8位单片机，主要功能特性如下：①兼容MCS-51指令系统；②32个双向I/O口，两个16位可编程定时/计数器；③1个串行中断，两个外部中断源；④可直接驱动LED；⑤低功耗空闲和掉电模式；⑥4kB可反复擦写(1000次)FLASIROM；⑦全静态操作O～24MHz；⑧128×8b内部RAM。该款芯片的超低功耗和良好的性能价格比使其非常适合嵌入式产品应用。主控制器单片机复位报警点按键调六位数码管显示温度传感器7二，温度传感器DS18B20DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，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。1,DS18B20特性介绍DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它的体积更小、适用电压更宽、更经济，DS18B20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，它的测量温度范围为－55～＋125℃，在－10～＋85℃范围内，精度为±0.5℃，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3～5.5V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可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。可以选择更小的封装方式，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E2PROM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，继“一线总线”的早期产品后，DS18B20开辟了温度传感器技术的新概念，DS18B20和DS18B22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,DS18B20的内部结构DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如8图2所示，主要由4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，配制寄存器。DS18B20的管脚排列如图所示。3,DS18B20温度传感器的存储器64位ROM的结构开始８位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后８位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如图3所示。头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第５个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3所示。低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。由表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。9高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。第９字节读出前面所有８字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20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第１、２字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。4,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，如表所示：指令约定代码操作说明温度转换44H启动DS18B20进行温度转换10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TH、TL字节读电源供电方式B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPUCPU对DS18B20的访问流程是：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。5,DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理是这这样的,器件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振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。器件中还有一个计数门，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℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，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计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。6,DS18B20温度传感器与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B2011时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。7,系统整体硬件电路7.1主板电路12U4A740734U4B740756U4C740798U4D74071110U4E74071312U4F740712U5A7407C130PC230PCRY11.059212345678PR0.1K*7R101KE210UFG10F9Z8A7B6E1D2Z3C4Dp5U6LED8G10F9Z8A7B6E1D2Z3C4Dp5U7LED8G10F9Z8A7B6E1D2Z3C4Dp5U8LED8G10F9Z8A7B6E1