基于单片机的DS18B20多点测温系统LCD1602显示完全免费.docx
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基于单片机的DS18B20多点测温系统LCD1602显示完全免费
河南科技学院
HENANKEJIXUEYUAN
毕业论文（设计）
中文题目:
基于单片机的DS18B20温度传感器测温系统设计
英文题目:
ADesignoftheDS18B20TemperatureTestSystemBasedonMCU
姓名牛鸿昌刘东
学号************
专业班级应用电子技术
指导教师赵小静
提交日期2013年5月20日
教务处制
基于单片机的DS18B20温度传感器测温系统设计
姓名：
**班级：
***
指导老师：
***职称：
**
（惠州学院电子科学系，广东，惠州，516007）
摘要
随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多产品对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时有温度传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时作出决定。
在这样的形式下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。
本课题以AT89C52单片机系统为核心，能对多点温度进行实时巡检。
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，可以使用户轻松的组建起传感器网络，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。
关键词：
DS18B20多点测温单片机LCD1602
Abstract
Astheindustryandthesocietydeveloping,thetemperaturebecomesmoreandmoreimportantandalotofproductsaresensitivetotemperature.However,temperaturemeasuringapparatusinthemarketnowonlycancheckandmeasurethetemperatureofonepoint,atthesametime,thetemperatureinformationisnotrealtimeandtheprecisionislow.Ittakesagreatoftroublesfortheindustry-controllerstomakedecision.Inthissituation,designandimplementoneapplicablesystemwhichcanwatchmeasureandcontrolthetemperatureandthemeasuringresultsisrealtimeandtheprecisionisgreatismoreessential.Inordertomeetingthisapplication,thispapertalkaboutTheMultiple-Point’stemperatureMeasuringSystem.
Thissystembasedonsinglechipcomputer,caninspectandcontrolmultipletemperaturesinrealtime. Asakindofhigh-accuracydigitalnettemperaturesensor，DS18B20canbeusedbuildingasensorneteasily.Itcanalsomakethenetsimpleandreliablewithit'sspecial1-wireinterface.ThispaperintroducestheapplicationofDS18B20withsinglechipprocessor.
Keywords：
DS18B20Multi-pointtemperatureMCULCD1602
第一章 绪论
1.1课题背景
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。
传感器主要大体经过了三个发展阶段：
模拟集成温度传感器。
该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
此种传感器具有功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等；模拟集成温度控制器。
模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。
某些增强型集成温度控制器（例如TC652/653）中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。
但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别；智能温度传感器。
能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
温度传感器的发展趋势。
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。
传感器在温度测控系统中的应用。
目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。
对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。
此种产品测温范围大都在-200℃~800℃之间，分辨率12位，最小分辨温度在0.001~0.01之间。
自带LED显示模块，显示4位到16位不等。
有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。
该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。
多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。
针对目前市场的现状，本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机多路测温系统。
1.2本课题研究意义
随着科学技术的不断进步与发展，温度控制在工业控制、电子测温计、医疗仪器、家用电器等各种温度控制系统中广泛应用，且由过去的单点测量向多测量发展。
目前温度传感器有模拟和数字两类传感器，为了克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A／D转换器的弊端，大多数多点测温控制系统采用数字传感器，并大大方便了系统的设计。
比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635、SMT160-30等。
在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。
随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。
美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，具有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用I/0端口即可完成与微处理器的通信；在-10～+85℃温度范围内具有
0．5℃精度；用户可编程设定9～12位的分辨率。
以上特性使得DS18B20非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。
1.3本课题的任务
本课题主要是实现对温度进行多点同时测量并准确显示。
整个系统由单片机控制，要能够接收DS18B20温度传感器的数据并显示出来，可以从键盘输入命令，系统根据命令，选择对应的传感器，并由LCD1602进行温度实时显示。
设计一种合理、可行的单片机监控软件，完成多点测量和显示的任务，并编写硬件底层驱动程序。
1.4系统整体目标
利用STC89C52单片机设计一个能够对不同环境多点温度同时进行测量的系统。
该系统能够同时对多个点的温度进行测量采集，通过LCD1602进行实时显示。
第二章方案论证比较与选择
2.1引言
温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。
对于控制系统可以采用计算机、单片机等。
2.2方案设计
2.2.1方案一
方案一DS18B20一对一连接方案，就是一个I/O口连接一个DS18B20，这种方案虽然占用单片机的三个I/O口，但采用这种方案大大的简化了编程难度，缩短了设计周期，同时也能保证系统的稳定，方案一的框图如图2.1所示。
图2-1DS18B20多I/O口连接方案
2.2.2设计方案二
方案二DS18B20单线连接方案，就是三个DS18B20连接到单片机的一个I/0口上，这种方案只用到单片机的一个I/O口，大大的节约了单片机I/O口资源。
缺点是在时序上比较复杂，DS18B20的编程增加了读ROM程序，搜索ROM和匹配ROM程序。
方案二的框图如图2.2所示。
图2.2DS18B20单线连接方案
2.3方案的比较与选择
方案一是把DS18B20的三个DQ端分别接到单片机的三个不同的I/O口，这种接法虽然占用的I/O口比较多，但是它的时序比较简单，不需要读取ROM序列号程序，搜索ROM序列号程序，匹配ROM序列号程序，软件上简化了很多。
方案二是四DS18B20D的四个DQ端接到单片机的一个I/O口。
这种接法在硬件上节省了三个I/O口，在硬件上简化了不少。
但是在软件上时序就增加了难度，需要添加读ROM序列号程序，搜索ROM序列号程序，匹配ROM序列号程序。
本设计由于功能比较简单I/O口资源丰富，同时时间比较紧张，所以通过两个方案的比较，决定选用方案一。
第三章硬件设计
3.1STC89C52单片机简介
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
1.时钟电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3.1（a）所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图3.1（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图3.1时钟电路
2.复位及复位电路
（1）复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表一所示。
表一寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
（2）复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图3.2所示：
图3.2复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3.4（a）所示。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3.4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，
其电路如图3.3（c）所示：
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图3.3复位电路
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
本系统的复位电路采用图3.3（c）按键脉冲复位方式。
STC89C52具体介绍如下：
①主电源引脚（2根）
VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源
GND（Pin20）：
接地线
②外接晶振引脚（2根）
XTAL1（Pin19）：
片内振荡电路的输入端
XTAL2（Pin20）：
片内振荡电路的输出端
③控制引脚（4根）
RST/VPP（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存允许信号
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚（32根）
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
P0口（Pin39～Pin32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口（Pin1～Pin8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口（Pin21～Pin28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7
P3口（Pin10～Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
STC89C52主要功能如表二所示。
表二STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
3.2DS18B20介绍
3.2.1 温度传感器DS18B20
DS18B20是美国DSLLAS半导体公司推出的第一篇支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串型数字信号供处理器处理。
1.DS18B20温度传感器特性
1）适应电压范围宽，电压范围在3.0～5.5V，在寄生电源方式下可有数据线供电。
2）独特的单线接口方式，它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的双向通信。
3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
4）在使用中不需要任何外围元件，全部传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
5）测温范围-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃。
6）可编程分辨率为9～12位，对应的可分辨率温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
7）在9位分辨率时，最多在93.78ms内把温度转换为数字；12位分辨率时，最多在750ms内把温度转换为数字，显示速度快。
8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
9）负压特性。
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
2.应用范围
1）冷冻库、粮仓、储罐、电信机房、电力机房、电缆线槽等测温和控制领域。
2）轴瓦、缸体、纺织、空调等狭小空间工业设备测温和控制。
3）汽车空调、冰箱、冷柜以及中低纬度干燥箱等。
4）供热、制冷管道热量计量、中央空调分户热能计量等。
1.引脚介绍
DS18B20实物如图3.5所示。
图3.5实物图
DS18B20有两种封装：
三角TO-92直插式（用的最多、最普遍的封装）和八角SOIC贴片式，封装引脚见图3.6。
表3.2.1列出了DS18B20的引脚定义。
（a）DS18B20To-92（b）DS18B20八角SOIC
图3.6DS18B20引脚封装图
引脚
定义
GND
电源负极
DQ
信号输入输出
VDD
电源正极
NC
空
表3.2.1DS18B20引脚定义
2.硬件连接
①DS18B20寄生电源供电方式
如下面图3.7（a）所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：
在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。
独特的寄生电源方式有三个好处：
1）进行远距离测温时，无需本地电源
2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM
3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温
要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。
因此，该电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。
并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。
②DS18B20寄生电源强上拉供电方式
改进的寄生电源供电方式如下面图3.7（b）所示，为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多10μS内把I/O线转换到强上拉状态。
在强上拉方式下可以解决电流供应不足的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。
③DS18B20的外部电源供电方式
如下面图3.7（c）所示，在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，其VDD端用3～5.5V电源供电，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。
注意：
在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。
（a）外部电源供电方式（c）寄生电源供电方式
（b）寄生电源强上拉供电方式
图3.7
3.工作原理
硬件电路连接好以后，单片机需要怎么样工作才能将DS18B20中的温度数据读取出来呢？
下面将给出详细分析。
首先我们来看控制DS18B20的指令：
1）33H—读ROM。
读DS18B20温度传感器ROM的编码（即64位地址）。
2）55H—匹配ROM。
发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20并使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读/写做准备。
3）F0H—搜索ROM。
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数，识别64位ROM地址，为操作个器件做好准备。
4）CCH—跳过ROM。
忽略64为ROM地址，直接向18B20发温度转换命令，适用于一个从机工作。
5）ECH—告警搜索命令。
执行后只有温度超过设定值上限或下限的芯片才做出响应。
以上这些指令设计的存储器是64位光刻ROM，表3.2.2列出了它的含义。
表3.2.264位光刻ROM各位定义
64位光刻ROM中的序列号是出厂前被光刻好的，它可以看做该DS18B20的地址序列码。
其各位排列顺序是：
开始8位为产品类型标号，接下来48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的CRC循环冗余校验码（CR=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一条总线上挂接多个DS18B20的目的。
下面介绍以上几条指令的用法。
当主机需要对众多在线DS18B20中的某一个进行操作时，首先应将主机逐个与DS18B20挂接，读出其序列号；然后再将所有的DS18B20挂接到总线上，单片机发出匹配ROM命令（55H），紧接着主机提供的64位序列（包括DS18B20的48位序列号）之后的操作就是针对该DS18B20的。
如果主机只对一个DS18B20进行操作，就不需要读取ROM编码以及匹配ROM编码了，只要用跳过ROM（CCH）命令，就可以进行如下温度转换和读取操作。
1）44H—温度转换。
启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。
结果存入内部9字节的RAM中。
2）BEH—读暂存器。
读内部RAM中9字节的温度数据。
3）4EH—写暂存器。
发出向内部RAM的2、3字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。
4）48H—复制暂存器。
将RAM中第2,3字节的内容复制到E2ROM中。
5）B8H—重调E2ROM中内容回复到RAM中的第3，4字节。
6）B4H—读供电方式。
读DS18B20的供电模式。
寄生供电时，DS18B20发送0；外接电源供电时，DS18B20发送1。
以上这些指令涉及的存储器为高速暂存器RAM和可电擦出E2ROM，见表3.2.3。
表3.2.3高速暂存器RAM
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