基于AT89C51单片机的测温系统.docx
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基于AT89C51单片机的测温系统
引言
本文主要介绍了一个基于AT89C51单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，特别是数字温度传感器DS18B20的数据采集过程，并介绍了利用C语言编程对DS18B20的访问，该系统可以方便的实现实现温度采集和显示，使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点。
DS18B20与AT89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量。
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、测温精确、功能多样话等优点。
其主要用于对测温要求准确度比较高的场所，或科研实验室使用，该设计使用STC89C52单片机作控制器，数字温度传感器DS18B20测量温度，单片机接受传感器输出，经处理用LED数码管实现温度值显示。
一、设计要求
通过基于MCS-51系列单片机AT89C51和DS18B20温度传感器检测温度，熟悉芯片的使用，温度传感器的功能，数码显示管的使用，C语言的设计；并且把我们这一年所学的数字和模拟电子技术、检测技术、单片机应用等知识，通过理论联系实际，从题目分析、电路设计调试、程序编制调试到传感器的选定等这一完整的实验过程，培养了学生正确的设计思想，使学生充分发挥主观能动性，去独立解决实际问题，以达到提升学生的综合能力、动手能力、文献资料查阅能力的作用，为毕业设计和以后工作打下一个良好的基础。
以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个数字温度计，采用数字温度传感器DS18B20为检测器件，进行单点温度检测，检测精度为0.5摄氏度。
温度显示采用3位LED数码管显示，两位整数，一位小数。
具有键盘输入上下限功能，超过上下限温度时，进行声音报警。
二、基本原理
原理简述：
数字温度传感器DS1820把温度信息转换为数字格式；通过“1－线协议”，单片机获取指定传感器的数字温度信息，并显示到显示设备上。
通过键盘，单片机可根据程序指令实现更灵活的功能，如单点检测、轮转检测、越限检测等。
基于DS1820数字温度传感器的温度检测及显示的系统原理图如图
图2.1基于DS1820的温度检测系统框图
三：
主要器件介绍（时序图及各命令序列，温度如何计算等）
系统总体设计框图
由于DS18B20数字温度传感器具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠，所以在该设计中采用DS18B20数字温度传感器测量温度。
测温电路设计总体设计框图如图所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，显示采用4位LED数码管，报警采用蜂鸣器、LED灯实现，键盘用来设定报警上下限温度。
图3.1测温电路设计总体设计框图
1.控制模块
AT89S52单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含有8kb的可系统编程的Flash只读程序存储器，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8051指令系统及引脚。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程的Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.显示模块
显示电路采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2口的高四位为位选端。
用动态扫描的方式进行显示，这样能有效节省I/O口。
3.温度传感器
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：
1.独特的单线接口方式仅需要一个端口引脚进行通信
2.多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能
3.无需外部器件
4.可通过数据线供电，电压范围：
3.0～5.5V
5.测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
6.零待机功耗
7.温度以9或12位数字量读出
8.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
9.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
四：
硬件电路原理框图
由于本次实验是在学习板上做的，所以没有硬件接线图，原理主要讲解DS18B20的工作原理。
1·硬件设计
1.单片机系统电路原理图
图4.1系统电路原理图
2.DS18B20温度传感器电路设计
电源供电方式如图，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。
图4.2DS18B20温度传感器电路
3.报警电路设计
报警电路是在测量温度大于上限或小于下限时提供报警功能的电路。
该电路是由一个蜂鸣器组成，具体的电路如图所示
图4.3报警电路
4.显示电路设计
显示电路是由四位一体的共阴数码管进行显示的
2·软件设计
（1）DS18B20内部结构
如图所示
主要由4部分组成：
64位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。
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，每个DS18B20的64位序列号均不相同。
64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X^8＋X^5＋X^4＋1）。
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。
DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位二进制形式提供，形式表达，其中S为符号位。
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2是部分温度值对应的二进制温度表示数据。
（2）DS18B20的工作时序
DS18B20的一线工作协议流程是：
初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输
初始化时序
主机首先发出一个480－960微秒的低电平脉冲，然后释放总线变为高电平，并在随后的480微秒时间内对总线进行检测，如果有低电平出现说明总线上有器件已做出应答。
若无低电平出现一直都是高电平说明总线上无器件应答。
做为从器件的DS18B20在一上电后就一直在检测总线上是否有480－960微秒的低电平出现，如果有，在总线转为高电平后等待15－60微秒后将总线电平拉低60－240微秒做出响应存在脉冲，告诉主机本器件已做好准备。
若没有检测到就一直在检测等待。
接下来就是主机发出各种操作命令，但各种操作命令都是向DS18B20写0和写1组成的命令字节，接收数据时也是从DS18B20读取0或1的过程。
因此首先要搞清主机是如何进行写0、写1、读0和读1的。
写周期最少为60微秒，最长不超过120微秒。
写周期一开始做为主机先把总线拉低1微秒表示写周期开始。
随后若主机想写0，则继续拉低电平最少60微秒直至写周期结束，然后释放总线为高电平。
若主机想写1，在一开始拉低总线电平1微秒后就释放总线为高电平，一直到写周期结束。
而做为从机的DS18B20则在检测到总线被拉底后等待15微秒然后从15us到45us开始对总线采样，在采样期内总线为高电平则为1，若采样期内总线为低电平则为0。
对于读数据操作时序也分为读0时序和读1时序两个过程。
读时隙是从主机把单总线拉低之后，在1微秒之后就得释放单总线为高电平，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。
若要送出1则释放总线为高电平。
主机在一开始拉低总线1微秒后释放总线，然后在包括前面的拉低总线电平1微秒在内的15微秒时间内完成对总线进行采样检测，采样期内总线为低电平则确认为0。
采样期内总线为高电平则确认为1。
完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成
让DS18B20进行一次温度的转换，那具体的操作就是：
（1）.主机先作个复位操作，
（2）.主机再写跳过ROM的操作（CCH）命令，
（3）.然后主机接着写个转换温度的操作命令，后面释放总线至少一秒，让DS18B20完成转换的操作。
在这里要注意的是每个命令字节在写的时候都是低字节先写，例如CCH的二进制为11001100，在写到总线上时要从低位开始写，写的顺序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”。
整个操作的总线状态如下图。
（3）初始化时序程序
bitInit_DS18B20（void）
{
bitflag;//储存DS18B20是否存在的标志，flag=0，存在；flag=1，不存在
DQ=1;//先将数据线拉高
for（time=0;time<2;time++）;//略微延时约6微秒//再将数据线从高拉低，要求保持480~960us
DQ=0;
for（time=0;time<200;time++）;//略微延时约600微秒//以向DS18B20发出一持续480~960us的低电平复位脉冲
DQ=1;//释放数据线（将数据线拉高）
for（time=0;time<10;time++）;//延时约30us（释放总线后需等待15~60us让DS18B20输出存在脉冲）
flag=DQ;//让单片机检测是否输出了存在脉冲（DQ=0表示存在）
for（time=0;time<200;time++）;//延时足够长时间，等待存在脉冲输出完毕
return（flag）;//返回检测成功标志
unsignedcharReadOneChar（void）
{
unsignedchari=0;
unsignedchardat;//储存读出的一个字节数据
for（i=0;i<8;i++）
{
DQ=1;//先将数据线拉高
_nop_（）;//等待一个机器周期
DQ=0;//单片机从DS18B20读书据时,将数据线从高拉低即启动读时序
_nop_（）;//等待一个机器周期
DQ=1;//将数据线"人为"拉高,为单片机检测DS18B20的输出电平作准备
for（time=0;time<2;time++）;//延时约6us，使主机在15us内采样
dat>>=1;
if（DQ==1）
dat|=0x80;//如果读到的数据是1，则将1存入dat
else
dat|=0x00;//如果读到的数据是0，则将0存入dat
for（time=0;time<8;time++）;//延时3us,两个读时序之间必须有大于1us的恢复期
}
return（dat）;//返回读出的十六进制数据
WriteOneChar（unsignedchardat）
{
unsignedchari=0;
for（i=0;i<8;i++）
{
DQ=1;//先将数据线拉高
_nop_（）;
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