基于单片机的DS18B20设计实验报告.docx

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基于单片机的DS18B20设计实验报告

第1章引言

在日常生活及工农业生产中经常要涉及到温度的检测及控制，传统的测温元件有热点偶，热敏电阻还有一些输出模拟信号得温度传感器，而这些测温元件一般都需要比较多的外部硬件支持。

其硬件电路复杂，软件调试繁琐，制作成本高，阻碍了其使用性。

因此美国DALLAS半导体公司又推出了一款改进型智能温度传感器——DS18B20。

本设计就是用DS18B20数字温度传感器作为测温元件来设计数字温度计。

本设计所介绍的数字温度计与传统温度计相比，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，主要用于测温比较准确得场所，或科研实验室使用。

该设计控制器使用单片机STC89C51，测温传感器使用DS18B20,显示器使用LED.

第2章任务与要求  

2.1测量范围-50~110°C，精确到0.5°C；

2.2 利用数字温度传感器DS18B20测量温度信号； 

2.3所测得温度采用数字显示，计算后在液晶显示器上显示相应得温度值；

第3章方案设计及论证

3.1温度检测模块的设计及论证

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，其中还涉及到电阻与温度的对应值的计算，感温电路比较麻烦。

而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差。

进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，电路简单，精度高，软硬件都以实现，而且使用单片机的接口便于系统的再扩展，满足设计要求。

3.2显示模块的设计及论证

LED是发光二极管Light Emitting Diode 的英文缩写。

LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。

它采用低电压扫描驱动，具有如下优点：

1、耗电省、2、使用寿命长、3、成本低、4、亮度 高、5、视角大、6、可视距离远、7、规格品种多。

3.3控制器模块的设计及论证

单片机是指一个集成在一块电路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：

中央处理单元CPU、存储器/RAMROM和各种/IO接口，目前大部分还会具有外部存储扩展。

采用STC89C52单片机。

它是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8的微处理器。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器技术制造，与工业标准51MCS指令集和输出管脚相兼容。

属于51单片机系列，是C51单片机向下完全兼容51全部系列产品。

该款单片机片内含8k Bytes ISP（I-system programmable）可反复擦写1000次的Flash只读存储器，可以通过串口进行程序的烧写，内带2k Bytes EEPROM存储空间，4个8位的可编程并行I/O口（P0口，P1口，P2口，P3口），一个全双工串口，5个中断源，2级中断优先权，3个16位的定时器/计数器），具有四种工作方式以及特殊功能寄存器（SFR）等。

3.4数字温度计总体设计

第4章硬件设计

4.1主控制器模块电路 

4.1.1 STC89C52主要功能及引脚介绍

单片机STC89C52具有低电压供电高性能COMS8位单片机，片内含有8K bytes 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，在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52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。

STC89C52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，STC89C52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。

8位微控制器8K字节在系统可编程 Flash。

图4-1为STC89C52的引脚图：

其各引脚介绍如下：

P0 口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下， P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1 口：

P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。

对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口 使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能：

 P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 

P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5 MOSI（在线系统编程用）

P1.6 MISO（在线系统编程用）

P1.7 SCK（在线系统编程用）

P2 口：

P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL逻辑电平。

对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。

在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。

在使用 8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3 口：

P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。

对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因，将输出电流（IIL）。

 P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能：

      P3.0 RXD（串行输入口）    

  P3.1 TXD（串行输出口）  

P3.2 INTO（外中断0）   

 P3.3 INT1（外中断1）  

  P3.4 TO（定时/计数器0）  

   P3.5 T1（定时/计数器1）      

P3.6 WR（外部数据存储器写选通） 

     P3.7 RD（外部数据存储器读选通） 

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，则单片机复位。

4.1.2STC89C52 最小系统的基本电路 

最小系统是指能进行正常工作的最简单电路。

STC89C52最小应用系统它包含五个电路部分：

电源电路、时钟电路、复位电路、片内外程序存储器选择电路、输入输出接口电路。

其中电源电路、时钟电路、复位电路是保证单片机系统能够正常工作的最基本的三部分电路，缺一不可。

（1）电源电路 

芯片引脚VCC一般接上直流稳压电源+5V，引脚GND接电源+5V的负极，电源电压范围在4—5.5之间，可保证单片机系统能正常工作。

为提高电路的抗干扰性能，通常在引脚VCC和GND直接接上一个10μF的电解电容和一个0.1μF陶片电容，这样可以抑制杂波串扰，从而有效确保电路稳定性。

（2）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。

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。

在本设计中时钟采用内部方式产生，晶振振荡频率使用12MHZ。

4.1.3 STC89C52 与各部分功能块电路的连接 

其中P0.0-P0.7,P2.0-P2.7,P3.0-P3.7接串口输入输出端，PI.0接DS18B20的DQ端，XTAL2,XYAL1接晶振，P0口还接上拉电阻：

EA*接电源.

4.2显示电路模块  

MT05011AR的引脚图

4.3DS18B20温度显示模块 

4.3.1DS18B20的功能和引脚介绍 

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；

●温度以9或12位数字读数； 

●零待机功耗； 

●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详细引脚功能描述如下表所示

4.3.2DS18B20的测温原理 

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。

4.3.1DS18B20温度传感器与单片机的接口电路 

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。

另一种是寄生电源供电方式，单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。

采用寄生电源供电方式时VDD端接地。

由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。

第5章软件设计

5.1主程序流程图

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度在一定时间间隔下进行一次。

这样可以在一定时间之内测量一次被测温度，其程序流程如下图所示：

5.2读出温度子程序流程图

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验， 校验有错时不进行温度数据的改写。

其程序流程图如下图所示：

5.3 温度转换命令子流程图 

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，开始执行如下。

温度转换命令子程序流程图如下图所示：

5.4 温度计算子流程图 

将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其流程图如下所示：

第6章系统调试与结果

6.1 调试

系统的调试以程序为主。

硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。

软件调试则可以先编写显示程序并进行硬件的正确行检验，然后分别进行主程序、度温度子程序、显示子程序、报警子程序等的编程及调试，由于DS18B20与单片机采用串行数据的传送，因此，对DS18B20进行读写编程时必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测量结果。

本程序采用单片机C语言编写，用Keil C51编译器编程调试，软件调试直到能够显示温度值，而且在有温度变化时显示温度能改变，并在预设范围内正常显示，超过预设范围时蜂鸣器产生报警信号，直到温度在预设范围内蜂鸣器停止报警，温度正常显示，此时软件调试基本完成 

6.2 结果

仿真结果如图：

硬件焊接结果：

LED灯亮，但温度不显示.引脚连接正确。