基于DS18B20的51单片机LCD1602液晶显示测温系统.docx
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基于DS18B20的51单片机LCD1602液晶显示测温系统
《单片机原理及应用》
课程设计报告
LCD1602液晶显示18b20温控实验
专业：
电气工程及其自动化
班级：
10电工（3）班
*******
****************
提交日期：
2013-06-21
第一部分设计任务
1.1设计题目及求要求……………………………………………………………………3
1.2.1方案一…………………………………………………………………3
1.2.4方案分析………………………………………………………………3
第二部分设计方案
2.1总体设计方案说明……………………………………………………3
2.2实物电路图………………………………………………………………4
第三部分电路设计与器件选择
3.1DS18B20工作原理和功能说明······························……4
3.2LCD1602工作原理和功能说明……………………………………………16
第四部分 4.1实验程序………………………………………………………28
第五部分 5.1课程设计总结（心得体会）…………………………………34
第六部分6.1参考文献………………………………………………………34
1.1设计题目及求要求
用电子元器件和单片机通过编写程序做成能实时显示温度的仪器。
1.2.1方案
用通用型1602液晶显示器和DS18B20温度传感器组成温度显示仪，并编写程序用51单片机来控制和连接1602液晶显示器和DS18B20温度传感器。
1.2.2方案分析
1602液晶显示器能显示ASCII码字符，数字、大小写字母、和各种符号。
而且其体积小、功耗低、显示操作简单，显示值清晰，正常温度范围为-20~+60。
DS18B20温度传感器采用单总线协议，与单片机接口仅需用一个I/O接口无需任何外部元件，直接将环境温度转化成数字信号，从而大大简化了传感器于微处理机的接口。
DS18B20温度传感器支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，其测试范围在-50~+125.C。
测试结果直接输出数字温度信号，以“一位总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC效验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
电源板极性接反时，芯片不会因发热而烧毁。
且它具有微型化、低功耗、高新能、抗干扰能力强、一赔微处理器等优点。
考虑到1602液晶显示器和DS18B20温度传感器有诸多优点，顾用二者来完成实验。
2.1总体设计方案说明
分别用DS18B20温度传感器和1602液晶显示器来测试温度和现实数据。
编写程序和利用51单片机来控制电路。
2.2实物电路图
3.1DS18B20的工作原理
①DS18B20数字温度传感器概述
DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有
线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20产品的特点
●只要求一个端口即可实现通信。
●在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
●实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
●测量温度范围在－55.C到＋125.C之间。
●数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
●内部有温度上、下限告警设置。
TO－92封装的DS18B20的引脚排列见右图，其引脚功能描述见表
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数字输入输出引脚,开漏单总线接口引脚,当使用寄生电源时,可向电源提供电源
3
VDD
可选择的VDD引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必须接地
表3-2 DS18B20详细引脚功能描述
②DS18B20的内部结构
DS18B20的内部框图下图所示，DS18B20的内部有64位的ROM单元，和9字节的暂存器单元。
64位ROM存储器件独一无二的序列号。
暂存器包含两字节（0和1字节）的温度寄存器，用于存储温度传感器的数字输出。
暂存器还提供一字节的上线警报触发（TH）和下线警报触发（TL）寄存器（2和3字节），和一字节的配置寄存器（4字节），使用者可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。
暂存器的5、6和7字节器件内部保留使用。
第八字节含有循环冗余码（CRC）。
使用寄生电源时，DS18B20不需额外的供电电源；当总线为高电平时，功率由单总线上的上拉电阻通过DQ引脚提供；高电平总线信号同时也向内部电容CPP充电，CPP在总线低电平时为器件供电。
（字节5~8就不用看了）。
图为暂存器
暂存器介绍
A.温度寄存器（0和1字节）
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
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；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。
DS18B20的温度操作是使用16位，也就是说分辨率是0.0625。
BIT15~BIT11是符号位，为了就是表示转换的值是正数还是负数。
█要求出正数的十进制值，必须将读取到的LSB字节，MSB字节进行整合处理，然后乘以0.0625即可。
Eg：
假设从，字节0读取到0xD0赋值于Temp1，而字节1读取到0x07赋值于Temp2，然后求出十进制值。
unsignedintTemp1,Temp2,Temperature;
Temp1=0xD0;//低八位
Temp2=0x07;//高八位
Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）*0.0625;//又或者
Temperature=（Temp1+Temp2*256）*0.0625;//Temperature=125
█在这里我们遇见了一个问题，就是如何求出负数的值呢？
我们必须判断BIT11~15是否是1，然后人为置一负数标志。
Eg.假设从，字节0读取到0x90赋值于Temp1，而字节1读取到0xFC赋值于Temp2，然后求出该值是不是负数，和转换成十进制值。
unsignedintTemp1,Temp2,Temperature;
unsignedcharMinus_Flag=0;
Temp1=0x90;//低八位
Temp2=0xFC;//高八位
//Temperature=（Temp1+Temp2*256）*0.0625;//Temperature=64656
//很明显不是我们想要的答案
if（Temp2&0xFC）//判断符号位是否为1
{
Minus_Flag=1;//负数标志置一
Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）//高八位第八位进行整合
Temperature=（（~Temperature）+1）;//求反，补一
Temperature*=0.0625;//求出十进制
}//Temperature=55;
else
{
Minus_Flag=0;
Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）*0.0625;
}
█如果我要求出小数点的值的话，那么我应该这样做。
Eg：
假设从，字节0读取到0xA2赋值于Temp1，而字节1读取到0x00赋值于Temp2，
然后求出十进制值，要求连同小数点也求出。
unsignedintTemp1,Temp2,Temperature;
Temp1=0x90;//低八位
Temp2=0xFC;//高八位
//实际值为10.125
//Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）*0.0625;//10，无小数点
Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）*（0.0625*10）;//101，一位小数点
//Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）*（0.0625*100）;//1012，二位小数点
█如以上的例题，我们可以先将0.0625乘以10，然后再乘以整合后的Temperature变量，就可以求出后面一个小数点的值（求出更多的小数点，方法都是以此类推）。
得出的结果是101，然后再利用简单的算法，求出每一位的值。
unsingedcharTen,One,Dot1
Ten=Temperature/100;//1
One=Temperature%100/10;//0
Dot1=%10;//1
求出负数的思路也一样，只不过多出人为置一负数标志，求反补一的动作而已。
自己发挥想象力吧。
B.字节2~3：
TH和TL配置
TH与TL就是所谓的温度最高界限，和温度最低界限的配置。
可以使用软件来试验。
C字节4：
配置寄存器
BIT7出厂的时候就已经设置为0，用户不建议去更改。
而R1与R0位组合了四个不同的转换精度，00为9位转换精度而转换时间是93.75ms，01为10位转换精度而转换时间是187.5ms，10为11位转换精度而转换时间是375ms，11为12位转换精度而转换时间是750ms（默认）。
该寄存器还是留默认的好，毕竟转换精度表示了转换的质量。
低五位一直都是"1"，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
表3-6R1与R0确定传感器分辨率设置表
R1
R0
传感器精度/bit
转换时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
D.字节5~7，保留位，8：
CRC
光刻ROM介绍
光刻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。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻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温度传感器的存储器介绍
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
2DS18B20的工作过程
DS18B20一般都是充当从机的角色，而单片机就是主机。
单片机通过一线总线访问DS18B20的话，需要经过以下几个步骤：
①DS18B20复位（初始化），DS18B20复位。
在某种意义上就是一次访问DS18B20的开始，或者可说成是开始信号。
②执行ROM指令（ROM命令跟随着需要交换的数据）；ROM指令，也就是访问，搜索，匹配，DS18B20个别的64位序列号的动作。
在单点情况下，可以直接跳过ROM指令。
（而跳过ROM指令的字节是0xCC,后面介绍）
③执行DS18B20功能指令（RAM指令），功能命令跟随着需要交换的数据。
DS18B20复位（初始化）
在初始化过程中，主机通过拉低单总线至少480µs，以产生复位脉冲（TX）。
然后主机释放总线并进入接收（RX）模式。
当总线被释放后，5kΩ的上拉电阻将单总线拉高。
DS18B20检测到这个上升沿后，延时15µs~60µs，通过拉低总线60µs~240µs产生应答脉冲。
DS18B20功能指令有很多种，数据手册里有更详细的介绍。
这里仅列出比较常用的几个DS18B20功能指令。
0x44：
开始转换温度。
转换好的温度会储存到暂存器字节0和1。
0xEE：
读暂存指令。
读暂存指令，会从暂存器0到9，一个一个字节读取，如果要停止的话，必须写下DS18B20复位。
访问DS18B20必须严格遵守这一命令序列，如果丢失任何一步或序列混乱，DS18B20都不会响应主机（除了SearchROM和AlarmSearch这两个命令，在这两个命令后，主机都必须返回到第一步）。
一般上我们都是使用单点，也就是说单线总线上仅有一个DS18B20存在而已。
所以我们无需刻意读取ROM里边的序列号来，然后匹配那个DS18B20？
而是更直接的，跳过ROM指令，然后直接执行DS18B20功能指令。
ROM命令：
ROM命令通过每个器件64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件（如果有多个器件挂在总线上）与之进行通信。
DS18B20的ROM如表3-4所示，每个ROM命令都是8bit长。
功能命令：
主机通过功能命令对DS18B20进行读/写Scratchpad存储器，或者启动温度转换。
DS18B20的功能命令如表3-7所示。
指令
协议
功能
读ROM
33H
读DS18B20中的编码（即64位地址）
符合ROM
55H
发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20,使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备
搜索ROM
0F0H
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作好准备
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址，直接向DS18B20V温度转换命令，适用于单个DS18B20工作
报警搜索命令
0ECH
执行后，只有温度超过庙宇值上限或下限的片子才做出响应
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500ms（典型为200ms）,结果丰入内部9字节RAM中
读暂存器
BEH
读内部RAM中9字节的内容
写暂存器
4EH
发出向内部RAM的第3、4字节写上、下温度数据命令，紧该温度命令之后，传达两字节的数据
复制暂存器
48H
将RAM中第3、4字内容复制到E2PROM中
重调E2PROM
0B8H
将E2PROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节
读供电方式
0B4H
读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0”，外部供电时DS18B20发送“1”
表3-7
DS18B20的信号方式
DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。
该协议定义了几种信号类型：
复位脉冲、应答脉冲、写和读。
除了应答脉冲所有这些信号都由主机发出同步信号。
总线上传输的所有数据和命令都是以字节的低位在前。
a.初始化序列：
复位脉冲和应答脉冲
初始化波形如图3-8所示。
DS18B20的复位时序如下：
1.单片机拉低总线480us~950us,然后释放总线（拉高电平）。
这时DS18B20会拉低信号，大约60~240us表示应答。
2.DS18B20拉低电平的60~240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，那么表示复位成功，DS18B20拉低电平60~240us之后，会释放总线。
C程序举例
//DS1820C51子程序
//这里以11.0592M晶体为例，不同的晶体速度可能需要调整延时的时间
//sbitDQ=P2^1;//根据实际情况定义端口
voiddsreset（）//18B20复位，初始化函数
{
uinti;
ds=0;
i=103;
while（i>0）i--;
ds=1;
i=4;
while（i>0）i--;
}DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。
由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。
当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。
b.读和写时序
在写时序期间，主机向DS18B20写入指令；而在读时序期间，主机读入来自DS18B20的指令。
在每一个时序，总线只能传输一位数据。
读/写时序如图3-9所示。
●写时序
存在两种写时序：
“写1”和“写0”。
主机在写1时序向DS18B20写入逻辑1，而在写0时序向DS18B20写入逻辑0。
所有写时序至少需要60µs，且在两次写时序之间至少需要1µs的恢复时间。
两种写时序均以主机拉低总线开始。
在写时序开始后的15µs~60µs期间，DS18B20采样总线的状态。
如果总线为高电平，则逻辑1被写入DS18B20；如果总线为低电平，则逻辑0被写入DS18B20。
●写时序
DS18B20写步骤如下：
1.单片机拉低电平大约10~15us,。
2.单片机持续送指定电平大约20~45us的时间。
3.释放总线
如果要读或者写一个字节，就要重复以上的步骤八次。
使用for循环，和数据变量的左移和或运算，实现一个字节读与写。
函数延迟的时间，必须模拟非常准确，因为单线总线对时序的要求敏感点。
//向1-WIRE总线上写一个字节
voidtempwritebyte（BYTEdat）//向18B20写一个字节数据
{
uinti;
BYTEj;
bittestb;
for（j=1;j<=8;j++）
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if（testb）//写1
{
ds=0;
i++;i++;
ds=1;
i=8;while（i>0）i--;
}
else
{
ds=0;//写0
i=8;while（i>0）i--;
ds=1;
i++;i++;
}
}
}}
●读时序
DS18B20读步骤如下：
1.在读取的时候单片机拉低电平大约1us
2.单片机释放总线，然后读取总线电平。
这时候DS18B20会送出电平。
3.读取电平过后，延迟大约40~45微妙
//从1-wire总线上读取一个字节
bittempreadbit（void）//读1位函数
{
uinti;
bitdat;
ds=0;i++;//i++起延时作用
ds=1;i++;i++;
dat=ds;
i=8;while（i>0）i--;
return（dat）;
}
BYTEtempread（void）//读1个字节
{
BYTEi,j,dat;
dat=0;
for（i=1;i<=8;i++）
{
j=tempreadbit（）;
dat=（j<<7）|（dat>>1）;//读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在DAT里
}
return（dat）;
}A.DS18B20开始转换：
1.DS18B20复位。
2.写入跳过ROM的字节命令，0xCC。
3.写入开始转换的功能命令，0x44。
4.延迟大约750~900毫秒
B.DS18B20读暂存数据：
1.DS18B20复位。
2.写入跳过ROM的字节命令，0xCC。
3.写入读暂存的功能命令，0xee。
4.读入第0个字节LSByte，转换结果的低八位。
5.读入第1个字节MSByte，转换结果的高八位。
6.DS18B20复位，表示读取暂存结束。
//读取温度
voidtempchange（void）//DS18B20开始获取温度并转换
{
dsreset（）;
delay
（1）;
tempwritebyte（0xcc）;//写跳过读ROM指令
tempwritebyte（0x44）;//写温度转换指令
}
uintget_temp（）//读取寄存器中存储的温度数据
{
BYTEa,b;
dsreset（）;
delay
（1）;
tempwritebyte（0xcc）;
tempwritebyte（0xbe）;
a=tempread（）;//读低8位
b=tempread（）;//读高8位
temp=b;
temp<<=8;//两个字节组合为1个字
temp=temp|a;
temp=temp*（0.625）;//温度值扩大10倍，精确到1位小数
returntemp;//temp是整型
}
voidds1820disp（uinttemp1）//温度值显示
{
disdata[0]=temp1/1000+0x30;//百位数
disdata[1]=temp1%1000/100+0x30;//十位数
disdata[2]=temp1%100/10+0x30;//个位数
disdata[3]=0x2e;
disdata[4]=temp1%10+0x30;//小数位
}
简单归纳
单线总线高电平为闲置状态。
单片机访问DS18B20必须遵守，DS18B20复位-->执行ROM指令-->执行DS18B20功能指令。
而在单点上，可以直接跳过ROM指令。
DS18B20的转换精度默认为12位，而分辨率是0.0625。
DS18B20温度读取函数参考步骤：
A.DS18B20开始转换：
1.DS18B20复位。
2.写入跳过ROM的字节命令，0xCC。
3.写入开始转换的功能命令，0x44。
4.延迟大约750~900毫秒
B.DS18B20读暂存数据：
1.DS18B20复位。
2.写入跳过ROM的字节命令，0xCC。
3.写入读暂存的功能命令，0xee。
4.读入第0个字节LSByte，转换结果的低八位。
5.读入第1个字节MSByte，转换结果的高八位。
6.DS18B20复位，表示读取暂存结束。
C.数据求出十进制：
1.整合LSByte和MSByte的数据
2.判断是否为正负数（可选）
3.求得十进制值。
正数乘以0.0625，一位小数点乘以0.625，二位小数点乘以6.25。
4.十进制的“个位”求出。
DS18B20的应用电路
DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。
下面就是DS18B20几个不同应用方式下的测温电路图：
1.DS18B20寄生电源供电方式电路图
如下图所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：
在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。
独特的寄生电源方式有三个好处：
1）进行远距离测温时，无需本地电源
2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM
3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温
要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必
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