基于AT89S52和DS18B20的数字温度计设计资料.docx

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基于AT89S52和DS18B20的数字温度计设计资料

题目：

基于AT89S52和DS18B20的数字温度计设计

一、设计要求

数字式温度计要求测温范围为－55～125°C，精度误差在±0.5°C以内，液晶显示。

二、方案确定

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AT89S52为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示功能。

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把所测得的温度信号发送到AT89S52单片机上，经过单片机处理，然后在1602LCD上进行显示。

其温度测量及显示电路原理图如下：

220V转5V电路原理图如下：

2.1元器件的介绍

2.1.1单片机的选择

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程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单片机结构见图2.1：

图2.1AT89S52结构图

2.2.2传感器的选择

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、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列、各种封装形式，DQ为数据输入/输出引脚。

开漏单总线接口引脚。

当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源；GND为地信号；VDD为可选择的VDD引脚。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

2.2.3LCD的选择

此设计中采用1602LCD对温度进行显示。

图2.21602LCD实物示意图

2.2温度检测电路

DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。

DS18B20的电源供电方式有2种:

外部供电方式和寄生电源方式。

工作于寄生电源方式时,VDD和GND均接地,他在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用,原理是当1Wire总线的信号线DQ为高电平时,窃取信号能量给DS18B20供电,同时一部分能量给内部电容充电,当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。

但寄生电源方式需要强上拉电路,软件控制变得复杂（特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PROM时）,同时芯片的性能也有所降低。

因此,在条件允许的场合,尽量采用外供电方式。

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。

外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。

在开发中使用外部电源供电方式，毕竟比寄生电源方式只多接一根VCC引线。

在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。

由于DS18B20只有一根数据线，因此它和主机（单片机）通信是需要串行通信，而AT89S51有两个串行端口，所以可以不用软件来模拟实现。

经过单线接口访问DC18B20必须遵循如下协议：

初始化、ROM操作命令、存储器操作命令和控制操作。

要使传感器工作，一切处理均严格按照时序。

三、软件设计

3.1概述

整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。

从软件的功能不同可分为两大类：

一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。

二是执行软件（子程序），它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。

每一个执行软件是一个小的功能执行模块。

这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。

各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。

首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。

3.2程序模块

主程序需要调用2子程序，各模块程序功能如下：

●LCD显示程序：

向LCD的显示送数，控制系统的显示部分。

●温度测试及处理程序：

对温度芯片送过来的数据进行处理和显示。

主程序流程见图3.1。

图3.1主程序流程图图3.2DS18B20初始化流程

3.3各模块流程设计

下面对主要子程序的流程图做介绍。

3.3.1温度检测流程

DS18B20在单片机控制下分三个阶段:

●18B20初始化：

初始化流程图见图3.2；

●读18B20时序：

读DS18B20流程见图3.3；

●写18B20时序：

写DS18B20流程见图3.4；

图3.3读18B20流程图图3.4写18B20流程图

3.3.2液晶显示的设置

显示模式的设置：

写入指令码WriteInstruction（0x38），设置功能16*2显示，5*7点阵，8位数据接口；

显示/开关及光标设置：

写入指令码WriteInstruction（0x0c），设置开显示，不显示光标，光标不闪烁；

写入指令码WriteInstruction（0x06），设置：

光标右移，字符不移；

写入指令码WriteInstruction（0x01），清屏幕指令，将以前的显示内容清除；

写入指令码函数WriteInstruction（），写指令过程:

输入：

RS=0，D0-D7=指令码，E=高脉冲；

写入数据函数WriteData（）,写指令过程:

输入：

RS=1,D0-D7=数据，E=高脉冲；

数据指针设置:

指令码80H+地址码（0-27H）显示第一行的字符，指令码80H+地址码（40H-67H）显示的第二行字符。

四、硬件的调试

完成的硬件焊接电路见附录。

在硬件调试过程中，出现了许多问题。

在设计电源电路中使用了整流桥进行整流，但是在硬件焊接完毕后，测得的输出电压不正常。

后来利用四个二极管搭建一个整流桥接入电路，输出的电压就正常。

此外，电路中使用了78L05稳压管将从整流桥出来的电压稳在5V，可是78L05输出的电压不是5V，因此自己加了了1K的可调电阻将输出的电压进行转换来给单片机供电。

在焊接外围电路（1602LCD显示电路和18B20数字测温电路）之前，通过在单片的P2.7口接入一个发光二极管，来调试单片机的最小系统是否能正常工作。

单片机中烧入的程序来控制LED的亮和灭。

一步调试很成功。

接下来自己将外围电路焊接进去，可是1602LCD不显示。

经过自己对各个接口端功能的认真分析，发现自己将背光电压调的太高导致1602LCD亮度太高，所以显示的字符看不见，就误认成电路连接有误。

在调低背光电压后，正常显示。

最后出现的问题是在一切正常的情况下1602LCD上显示的是没有找到DS18B20传感器，请检查电路。

经过认真仔细检查电路后，没有发现任何错误。

硬件检查没问题，只能是软件程序编写有错，经过认真查看所编程序，发现里面对DS18B20的信号输入接口设置错了。

改正后，重新编译烧进单片机，电源打开后，能正常显示温度了。

经过以上过程，自己设计的电路达到了开始设想的功能，课程设计圆满结束。

总结和体会

本设计利用AT89S52芯片控制温度传感器DS18B20，再辅之以部分外围电路实现对环境温度的测控，性能稳定，精度教高，而且扩展性能很强大。

由于DS18B20的测量精度只有±0.5度，往往很多场合需要更加精确的温度，在所测温度精度不变的基础上必须对数据进行校正。

由于DS18B20是基于带隙结构的数字式温度传感器，PN结增量电压正比于IC绝对温度（PTAT），它的测温精度较高,但存在着一定的误差.不过,其误差在时间和外部环境变化的条件下,保持相当高的稳定性。

它充分利用监控计算机的处理能力，在监控计算机上用线性插补的数学方法对其进行误差校正补偿，能轻易地将其提高其精度。

在本次设计的过程中，我发现很多的问题，这次设计真的让我长进了很多，单片机C语言课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，这一次，我全部用的都是16进制的数直接加减，感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握。

五、元件清单（名称、型号、数量）

元件名称

型号

数量

单片机芯片

AT89S52

1

温度传感器

DS18B20

1

晶振

12MHz

1

220V转7.5V变压器

1

电容

100pF

2

22uF、0.01uF

各1

104

2

1000uF/25V

1

220uF/25V

LCD

1602

1

电阻

1K、4.7K

各1

10K

2

470

1

万能板

1

IC插座

1

导线

若干

稳压块

78L05

1

发光二极管

1

二极管

IN4007

5

开关

1

附录：

程序：

//DS18B20温度检测及其液晶显示

#include//包含单片机寄存器的头文件

#include//包含_nop_（）函数定义的头文件

unsignedcharcodedigit[10]={"0123456789"};//定义字符数组显示数字

unsignedcharcodeStr[]={"TestbyDS18B20"};//说明显示的是温度

unsignedcharcodeError[]={"Error!

Check!

"};//说明没有检测到DS18B20

unsignedcharcodeTemp[]={"Temp:

"};//说明显示的是温度

unsignedcharcodeCent[]={"Cent"};//温度单位

/*******************************************************************************

以下是对液晶模块的操作程序

*******************************************************************************/

sbitRS=P2^0;//寄存器选择位，将RS位定义为P2.0引脚

sbitRW=P2^1;//读写选择位，将RW位定义为P2.1引脚

sbitE=P2^2;//使能信号位，将E位定义为P2.2引脚

sbitBF=P0^7;//忙碌标志位，，将BF位定义为P0.7引脚

/*****************************************************

函数功能：

延时1ms

（3j+2）*i=（3×33+2）×10=1010（微秒），可以认为是1毫秒

***************************************************/

voiddelay1ms（）

{

unsignedchari,j;

for（i=0;i<4;i++）

for（j=0;j<33;j++）

;

}

/*****************************************************

函数功能：

延时若干毫秒

入口参数：

n

***************************************************/

voiddelaynms（unsignedcharn）

{

unsignedchari;

for（i=0;i

delay1ms（）;

}

/*****************************************************

函数功能：

判断液晶模块的忙碌状态

返回值：

result。

result=1，忙碌;result=0，不忙

***************************************************/

bitBusyTest（void）

{

bitresult;

RS=0;//根据规定，RS为低电平，RW为高电平时，可以读状态

RW=1;

E=1;//E=1，才允许读写

_nop_（）;//空操作

_nop_（）;

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作四个机器周期，给硬件反应时间

result=BF;//将忙碌标志电平赋给result

E=0;//将E恢复低电平

returnresult;

}

/*****************************************************

函数功能：

将模式设置指令或显示地址写入液晶模块

入口参数：

dictate

***************************************************/

voidWriteInstruction（unsignedchardictate）

{

while（BusyTest（）==1）;//如果忙就等待

RS=0;//根据规定，RS和R/W同时为低电平时，可以写入指令

RW=0;

E=0;//E置低电平（根据表8-6，写指令时，E为高脉冲，

//就是让E从0到1发生正跳变，所以应先置"0"

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作两个机器周期，给硬件反应时间

P0=dictate;//将数据送入P0口，即写入指令或地址

_nop_（）;

_nop_（）;

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作四个机器周期，给硬件反应时间

E=1;//E置高电平

_nop_（）;

_nop_（）;

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作四个机器周期，给硬件反应时间

E=0;//当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令

}

/*****************************************************

函数功能：

指定字符显示的实际地址

入口参数：

x

***************************************************/

voidWriteAddress（unsignedcharx）

{

WriteInstruction（x|0x80）;//显示位置的确定方法规定为"80H+地址码x"

}

/*****************************************************

函数功能：

将数据（字符的标准ASCII码）写入液晶模块

入口参数：

y（为字符常量）

***************************************************/

voidWriteData（unsignedchary）

{

while（BusyTest（）==1）;

RS=1;//RS为高电平，RW为低电平时，可以写入数据

RW=0;

E=0;//E置低电平（根据表8-6，写指令时，E为高脉冲，

//就是让E从0到1发生正跳变，所以应先置"0"

P0=y;//将数据送入P0口，即将数据写入液晶模块

_nop_（）;

_nop_（）;

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作四个机器周期，给硬件反应时间

E=1;//E置高电平

_nop_（）;

_nop_（）;

_nop_（）;

_nop_（）;//空操作四个机器周期，给硬件反应时间

E=0;//当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令

}

/*****************************************************

函数功能：

对LCD的显示模式进行初始化设置

***************************************************/

voidLcdInitiate（void）

{

delaynms（15）;//延时15ms，首次写指令时应给LCD一段较长的反应时间

WriteInstruction（0x38）;//显示模式设置：

16×2显示，5×7点阵，8位数据接口

delaynms（5）;//延时5ms　，给硬件一点反应时间

WriteInstruction（0x38）;

delaynms（5）;//延时5ms　，给硬件一点反应时间

WriteInstruction（0x38）;//连续三次，确保初始化成功

delaynms（5）;//延时5ms　，给硬件一点反应时间

WriteInstruction（0x0c）;//显示模式设置：

显示开，无光标，光标不闪烁

delaynms（5）;//延时5ms　，给硬件一点反应时间

WriteInstruction（0x06）;//显示模式设置：

光标右移，字符不移

delaynms（5）;//延时5ms　，给硬件一点反应时间

WriteInstruction（0x01）;//清屏幕指令，将以前的显示内容清除

delaynms（5）;//延时5ms　，给硬件一点反应时间

}

/************************************************************************

以下是DS18B20的操作程序

************************************************************************/

sbitDQ=P2^3;

unsignedchartime;//设置全局变量，专门用于严格延时

/*****************************************************

函数功能：

将DS18B20传感器初始化，读取应答信号

出口参数：

flag

***************************************************/

bitInit_DS18B20（void）

{

bitflag;//储存DS18B20是否存在的标志，flag=0，表示存在；flag=1，表示不存在

DQ=1;//先将数据线拉高

for（time=0;time<2;time++）//略微延时约6微秒

;

DQ=0;//再将数据线从高拉低，要求保持480~960us

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

}

/*****************************************************

函数功能：

从DS18B20读取一个字节数据

出口参数：

dat

***************************************************/

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

dat>>=1;

_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

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

//将单片机检测到的电平信号DQ存入r[i]

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）;//返回读出的十进制数据

}

/*****************************************************

函数功能：

向DS18B20写入一个字节数据

入口参数：

dat

***************************************************/

WriteOneChar（unsignedchardat）

{

unsignedchari=0;

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;//将数据线从高拉低时即启动写时序

DQ=dat&0x01;//利用与运算取出要写的某位二进制数据,

//并将其送到数据线上等待DS18B20采样

for（time=0;time<10;time++）

;//延时约30us，DS18B20在拉低后的约15~60us期间从数据线上采样

DQ=1;//释放数据线

for（time=0;time<1;time++）

;//延时3us,两个写时序间至少需要1us的恢复期

dat>>=1;//将dat中的各二进制位数据右移1位

}

for（time=0;time<4;time++）

;//稍作延时,给硬件一点反应时间

}

/******************************************************************************

以下是与温度有关的显示设置

********************