DS18B20数字温度计的设计与实现毕业论文Word下载.docx
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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，这就为用最低的成本制作出用途更广，精度更高的便携带的数字温度计提供了可能。
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。
单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有三十多年了。
由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。
单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域，对各个行业的技术改造和产品更新换代起着重要的推动作用。
单片机有两种基本结构形式：
一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。
另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器。
目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。
本设计讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。
不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。
1.2国内外现状及水平
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。
随着国内外工艺的日益发展，温度检测技术也不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括一些几种方法：
（1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计，包括玻璃温度计、双金属温度计、压力温度计等；
（2）利用热电效应技术制成的温度检测元件；
利用此项技术制成的温度检测元件主要是热电偶。
热电偶发展较早，比较成熟，至今仍未应用最广泛的检测元件。
热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。
常用热电偶镍铬-镍硅、镍铬-康铜、铂铑-铂、铂锗30-铂锗6等；
（3）利用热阻效应制成的温度计：
可分为电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏测温元件；
（4）利用热幅原理制成的高温计；
辐射测温在近年相对其他的测温领域显得活跃些，热辐射高温计通常分为两种：
一种是单色辐射高温计，一般称为光学高温计；
另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射，。
而受热物体放出的辐射能的多少，与他的温度有一定的关系。
热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的。
（5）利用声学原理进行温度测量；
声学法温度检测技术是近年来发展起来的一项新技术，利用该技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布进行检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制。
声学温度检测技术的基本原理是通过测量声波传感器之间的声波传播时间以最小二乘原理重建温度的测量方法。
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
1.3课题研究的目的意义
数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。
温度计是常用的热工仪表，常用于工业现场作为过程的温度测量。
在工业生产过程中，不仅需要了解当前温度读数，而且还希望能了解过程中的温度变化情况。
随着工业现代化的发展，对温度测量仪表的要求越来越高，而数字温度表具有结构简单，抗干扰能力强，功耗小，可靠性高，速度快等特点，更加适合于工业过程中以及科学试验中对温度进行在线测量的要求。
近年来，数字温度表广泛应用在各个领域，它与模拟式温度表相比较，归纳起来有如下特点。
⑴准确度高，⑵测量范围宽、灵敏度高，⑶测量速度快，⑷使用方便、操作简单，⑸抗干扰能力强，⑹自动化程度高，⑺读数清晰、直观方便。
数字温度计的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表。
数字化是当前计量仪器仪表发展的主要方向之一。
而高准确度数字温度计的出现，又使温度计进入了精密标准测量领域。
与此相适应，测量的可靠性、准确性显得越来越重要。
1.4课题研究内容
本设计主要介绍了用单片机和数字温度传感器DS18B20相结合的方法来实现温度的采集，以单片机AT89C51芯片为核心，辅以温度传感器DS18B20和LED数码管及必要的外围电路，构成了一个多功能单片机数字温度计。
该装置适用于人民的日常生活和工、农业生产的温度测量与报警，实现对温度的监测。
其主要研究内容包括两方面，一是对系统硬件部分的设计，包括温度采集电路和显示电路；
二是对系统软件部分的设计，应用C语言实现温度的采集与显示。
通过利用数字温度传感器DS18B20进行设计，能够满足实时检测温度的要求，同时通过LED数码管的显示功能，可以实现不间断的温度显示，并带有复位功能。
本次设计的主要思路是利用51系列单片机，数字温度传感器DS18B20和LED数码显示器，构成实现温度检测与显示的单片机控制系统，即数字温度计。
通过对单片机编写相应的程序，达到能够实时检测周围温度的目的。
通过对本课题的设计能够熟悉数字温度计的工作原理及过程，了解各功能器件（单片机、DS18B20、LED）的基本原理与应用，掌握各部分电路的硬件连线与程序编写，最终完成对数字温度计的总体设计。
根据实验要求实现测温范围在-55~125oC，误差在±
0.5oC以内的LED数码管显示。
第二章系统方案设计
2.1设计任务和要求
本次课程设计课题是数字温度计的设计，设计任务为：
（1）根据设计要求，选用AT89C51单片机为核心器件；
（2）温度检测器件采用DS18B20数字式温度传感器，利用单总线式连接方式与单片机的串行接口P0.0引脚相连；
（3）显示电路采用4个LED数码管显示器接P1口并行显示温度值，数码管由P3口（P3.0～P3.3）选通，动态显示。
（4）给出全部电路和源程序。
2.2设计方案
根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。
选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样/保持电路、运放、数/模转换电路以及进行长距离传输时的串/并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。
该系统的总体设计思路如下：
温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器用4位共阳LED数码管以动态扫描法实现。
检测范围-55摄氏度到125摄氏度。
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2.1所示。
图2.1数字温度计总体电路结构框图
第三章电路设计
3.1AT89C51介绍
单片机AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，如图3.1所示。
该器件采用ATMEL高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。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51的主要特性介绍：
与MCS-51兼容；
4K字节可编程FLASH存储器；
寿命：
1000写/擦循环；
数据保留时间：
10年；
全静态工作：
0Hz-24MHz；
三级程序存储器锁定；
128×
8位内部RAM；
32可编程I/O线；
两个16位定时器/计数器；
有5个中断源；
可编程串行通道；
具有低功耗的闲置和掉电模式；
具有片内振荡器和时钟电路；
图3.1AT89C51
3.2单片机最小系统
单片机最小系统是内部时钟接引脚XTAL1和XTAL2，采用18KHz的晶振CRYSTAL，用两个30pF的电容进行稳压；
复位电路接引脚RST，用一个6.8K的电阻作上拉电阻，10μF的电容过滤干扰信号，分别如图3.2和图3.3所示：
图3.2内部时钟电路
RST
图3.3上电复位电路
3.3LED显示电路
显示电路采用4位共阳LED数码管，从P0口输出段码，列扫描用P3.0~P3.3口来实现，P0口上拉电阻为R×
8集成电阻，P3串口上拉电阻为10WATT1K电阻，列驱动用MPSA65三极管，如图3.4所示。
图3.4LED显示电路
3.4DS18B20温度传感器介绍
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“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行数字信号供处理器处理。
DS18B20的性能特点如下：
●独特的单线接口方式仅需要一个端口引脚进行通信；
●多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；
●无需外部器件；
●可通过数据线供电，电压范围：
3.0～5.5V；
●测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃
●零待机功耗
●温度以9或12位数字量读出；
●用户可定义的非易失性温度报警设置；
●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
●负电压特性，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
DS18B20结构特点。
它采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3.5所示:
图3.5DS18B20内部结构框图
64b闪速ROM的结构如下：
8bit检验CRC
48bit序列号
8bit工厂代码（10H）
MSBLSBMSBLSBMSBLSB
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。
主机操作ROM的命令有五种，如表3.1所列：
指
令
说
明
读ROM（33H）
读DS1820的序列号
匹配ROM（55H）
继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位
跳过ROM（CCH）
此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820
搜ROM（F0H）
识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备
报警搜索（ECH）
仅温度越限的器件对此命令作出响应
表3.1主机操作ROM的命令
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E2PRAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如表3.2所示。
Byte0
温度测量值LSB（50H）
Byte1
温度测量值MSB（50H）
E2PRAM
Byte2
TH高温寄存器
Byte3
TL低温寄存器
Byte4
配位寄存器
Byte5
预留（FFH）
Byte6
预留（0CH）
Byte7
预留（10H）
Byte8
循环冗余码校验（CRC）
表3.2高速暂存RAM结构图
前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。
温度低位LSB
温度高位MSB
TH
TL
配置
保留
8位CRC
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。
单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。
温度值格式如下：
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
MSBLSB
S
26
25
24
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，以+25.0625为例，它的十六进制表示为0191H，转换为十进制为401D，那么401×
0.0625=25.0625；
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。
图中，S表示位。
对应的温度计算：
当符号位S=0时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；
当S=1时，表示测得的温度植为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。
表3.3是部分温度值对应的二进制温度表示数据。
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+25.0625
0000000110010001
0191H
+0.5
0000000000001000
0008H
0000000000000000
0000H
-0.5
1111111111111000
FFF8H
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
表2.3部分温度值
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,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告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告警搜索。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。
主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
DS18B20测温原理:
DS18B20的测温原理如图2.6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图3.6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。
图3.6DS18B20测温原理图
在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：
首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。
考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：
Ts=（Tz-0.25℃）+（CD-Cs）/CD
3.5温度传感器DS18B20与单片机的连接
DS18B20的DQ引脚与单片机的P3.7口连接，采用外部电源供电方式，如图2.7所示。
P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，其输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。
对该端口写“1”即在指令中安排一条SETBP3.7指令，可通过内部上拉电阻将该端口拉至高电平，此时该端口可做输入口使用。
图3.7测温电路
P3.7
3.6过温报警电路
用MPSA65三极管做位驱动，CONN-SIL2规格的蜂鸣器和红色LED灯作报警提示。
P1.3
图3.8过温报警电路
第四章程序设计
4.1温度采集DS18B20部分程序设计分析
由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的一般操作过程为：
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。
初始化：
单片机将数据线拉低480-960us后释放，等待15-60us，单总线器件即可输出一个持续时间为60-240us的低电平（应答信号），单片机收到此应答后即可进行后续操作；
写时序：
当主机将数
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