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本次课程设计,就是用单片机实现温度控制,传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器,但热敏电阻的可靠性差,测量温度准确率低,而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。
本次采用DS18B20数字温度传感器来实现基于51单片机的数字温度计的设计。
传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点而下面利用温度传感器DS18B20设计并制作了一款基于AT89C52的4位数码管显示的数字温度计,其电路简单,软硬件结构模块化,易于实现。
该数字温度计利用DS18B20温度传感器及其接口电路完成温度的测量并转换成模拟电压信号,经由模数转换器ADC0804转换成单片机能够处理的数字信号,然后送到单片机AT89C52中进行处理变换,最后将温度值显示在4位七段码LED显示器上。
系统以AT89C52单片机为控制核心,加上DS18B20测温电路、4位温度数据显示电路以及外围电源、时钟电路等组成。
2设计任务及要求
2.1设计任务
现代社会生活中,多功能的数字温度计可以给我们的生活带来很大的方便;
支持“一线总线”接口的温度传感器简化了数字温度计的设计,降低了成本;
以美国MAXIM/DALLAS半导体公司的单总线温度传感器DS18B20为核心,以ATMEL公司的AT89C52为控制器设计的DS18B20温度控制器结构简单、测温准确、具有一定控制功能的智能温度控制器。
此次课程设计,就是用单片]实现温度控制,传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器,但热敏电阻的可靠性差,测量温度准确率低,而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。
该数字温度计利用DS18B20温度传感器及其接口电路完成温度的测量,然后送到单片机AT89C52中进行处理变换,最后将温度值显示在4位七段数码LED显示器上。
2.2设计要求
设计一个基于单片机的DS18B20数字温度计。
课程设计要求:
Ø
5V供电;
使用DS18B20测量温度;
4位数码LED显示;
测量精度为0.1度;
设计温度控制器原理图,并用proteus进行仿真;
设计和绘制软件流程图,用C语言进行程序编写。
3课程设计方案及器材选用分析
3.1设计总体方案及设计图
提及到温度的检测,我们首先会考虑传统的测温元件有热电偶和热电阻,而热电偶和热电阻测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的外部硬件支持,硬件电路复杂,软件调试也复杂,制作成本高。
因此,本数字温度计设计采用智能温度传感器DS18B20作为检测元件,测温范围为-55°
C至+125°
C,最大分辨率可达0.0625°
C。
DS18B20可以直接读出被测量的温度值,而采用三线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点。
按照系统设计功能的要求,确定系统由三个模块组成:
主控制器AT89C52,温度传感器DS18B20,驱动显示电路。
总体电路框图如下:
主控制器
AT89C52
显示电路
DS18B20
图3.1系统总体框图
温度计电路设计总体设计方框图如图1所示,控制器采用单片机AT89C52,温度传感器采用DS18B20,用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装。
图3.2 总体设计方框图
主控制器:
单片机AT89C52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。
显示电路:
显示电路采用4位共阴LED数码管。
3.2器材选用分析
3.2.1DS18B20温度传感器
1.DS18B20的特点
本设计的测温系统采用芯片DS18B20,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。
实现方法简介
DS18B20采用外接电源方式工作,一线测温一线与STC89C51连接,测出的数据放在寄存器中,将数据经过BCD码转换后送到LED显示。
DS18B20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。
DS18B20的性能特点如下:
●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;
●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能;
●无须外部器件;
●可通过数据线供电,电压范围为3.0~5.5V;
●零待机功耗;
●温度以9或12位数字;
●用户可定义报警设置;
●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,高速暂存器。
DS18B20的管脚排列如图2-3-1所示。
64位光刻ROM是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列号。
不同的器件地址序列号不同。
图3.3DS18B20的内部结构
图3.4DS18B20的引脚分布图
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2-3-2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下图所示。
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。
图3.5DS18B20的字节定义
DS18B20高速暂存器共9个存存单元,如表所示:
表3-1DS18B20的引脚分布图
序号
寄存器名称
作
用
0
温度低字节
以16位补码形式存放
4、5
保留字节1、2
1
温度高字节
6
计数器余值
2
TH/用户字节1
存放温度上限
7
计数器/℃
3
HL/用户字节2
存放温度下限
8
CRC
以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算:
12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个高低两个8位的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才能得到实际温度。
高8位
S
26
25
24
低8位
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
表3-2DS18B20的字节存放表
由下图可以看到,Dsl8820的内部存储器是由8个单元组成,其中第0、1个存放测量温度值,第2、3分别存放报警温度的上下限值,第4单元为配置单元,5、6、7单元在DSl8820这里没有被用到。
对于第4个寄存器,用户可以设置温度转换精度,系统默认12bit转换精度,相当于十进制的0.0625℃,其转换时间大约为750磷。
具体见表2-4-1。
图3.6内部存储器结构图
表3-3温度精度配置
R1
R0
转换精度(16进制)
转换精度(十进制)
转换时间
9bit
0.5
93.75ms
1
10bit
0.25
187.5ms
11bit
0.125
375ms
12bit
0.0625
750ms
由表3-3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。
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2-4-2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表3-4温度精度配置
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.0625
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
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。
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。
另外,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的各种操作按协议进行。
操作协议为:
初使化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
由于DS18B20采用的“一线总线”结构,所以数据的传输与命令的通讯只要通过微处理器的一根双向I/o口就可以实现。
DSl8B20约定在每次通信前必须对其复位,具体的复位时序如图2-4-2所示。
图3.7复位时序图
图2-4-3中所示,tRSTL为主机发出的低电平信号,本文中有AT89S52提供,tRSTL的最小时延为
,然后释放总线,检查DSl8B20的返回信号,看其是否已准备接受其他操作,其中tPDHIGH时间最小为
,最长不能超过
,否则认为DS18B20没有准备好,主机应继续复位,直到检测到返回信号变为低电平为止。
表3-5DS18B20的ROM操作指令
操作指令
33H
55H
CCH
F0H
ECH
含义
读ROM
匹配ROM
跳过ROM
搜索ROM
报警搜索ROM
表3-6DS18B20的存储器操作指令
4EH
BEH
48H
44H
D8H
B4H
写
读
内部复制
温度转换
重新调出
读电源
主机一旦检测到DS18B20的存在,根据DS18B2的工作协议,就应对ROM进行操作,接着对存储器操作,最后进行数据处理。
在DS18B20中规定了5条对ROM的操作命令。
见表2-4-3。
主机在发送完ROM操作指令之后,就可以对DS18B20内部的存储器进行操作,同样DS18B20规定了6条操作指令。
见表2-4-4。
DS18B20的读、写时序图见图2-4-3。
图3.8DS18B20的读写时序图
2.DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,而对AT89S51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
图3.9DS18B20的复位时序
图3.10DS18B20的读时序
图3.11DS18B20的写时序
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。
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。
DS18B20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之内就得释放单线。
3.2.2AT89C52单片机介绍
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS
8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
1、兼容MCS51指令系统
2、8kB可反复擦写(大于1000次)FlashROM;
3、32个双向I/O口;
4、256x8bit内部RAM;
5、3个16位可编程定时/计数器中断;
6、时钟频率0-24MHz;
7、2个串行中断,可编程UART串行通道;
8、2个外部中断源,共8个中断源;
9、2个读写中断口线,3级加密位;
10、低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能;
11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式,以适应不同产品的需求。
AT89C52为8位通用微处理器,采用标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU
的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
P0口
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的
方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑
门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉
电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),
参见表1。
Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
参见表1。
表.P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2,时钟输出
P1.1
T2EX(定时/计数器2)
P2口
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑
门电路。
对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻
辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
PSEN
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是