基于单片机和DS18B20的温度采集系统.docx
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基于单片机和DS18B20的温度采集系统
目录
第1章概述……...………………………………………………………….2
第2章测温器件原理和特性………………...……………………….….3
2.1DS18B20工作原理…………………………………………………3
2.2DS18B20特性…………………………………………………….4
第3章硬件电路设计……...…………...………………...……………….5
3.1测温电路的原理…………...……………………………………….5
3.2部分接口电路原理与设计…………...………….....………..…......5
3.3测温电路总体的电路设计………...….………...………………….7
第4章软件电路设计…………...…......……………………..….………8
4.1程序主要部分………………………………………………………….8
4.2完整的程序……………………………………………………………..9
第5章安装与调试………...………...………..……….………..…….......9
5.1电路参数的选取与安装……...…………...…………………...….....9
5.2调试…………...……….…...…………………………..……….....….9
第6章总结………...………….....……………..…………………...…........10
参考文献……….....…………...………………….........…………………..…11
附录1硬件系统电路…………..…..…………...………………...…………..12
附录2完整的程序………..……………...……...………………………….13
第1章概述
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比，他能够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。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
21世纪是电子的世纪，电子产业带来的革命成为世界争相发展高新技术产业的亮点。
预计2008年世界电子行业将形成50万亿美元的产值。
电子产品已经深入到各个领域甚至进入到平常百姓家里。
随着电子技术的发展，数字温度计的种类可谓五花八门，最近一种简易数字温度计的出现马上风靡大江南北，深受消费者青睐。
它外形小巧便携式设计，可放在任何地方。
该产品已经投放市场，很快轰动神州大地，消费者争相购买，很多家庭也纷纷在各自家门外挂起了这样的智能温度计，具有非常大的市场前景。
第2章测温器件原理和特性
2．1DS18B20工作原理
DS18B20的测温原理如图2.1所示，图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震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，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后进行计数，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℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器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2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度,这就是DS18B20的测温原理。
图2.1温度测量电路原理图
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
操作协议为：
初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
各种操作的时序图与DS1820相同，可参看文献［2］。
2．2DS18B20的特性
1．独特的单线接口方式：
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
2.在使用中不需要任何外围元件。
3.可用数据线供电，电压范围：
+3.0~+5.5V。
4.测温范围：
-55~+125℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
5.通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
6.用户可自设定非易失性的报警上下限值。
7.支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
8.负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常作。
第3章硬件电路设计
3.1测温电路的原理
如图3.1所示，模拟量的温度首先经过温度采集传感器即DS18B20，并在单片机的控制处理下，发送初始化命令，写入控制字，读出相应的转化数据，最后经过相应的处理送到显示系统上显示。
图3.1测温系统框图
3.2部分接口电路原理与设计
3.2.1DS18B20测温过程与电路设计
由于DS18B20采用的是单总线传输方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对单片机来说，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。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序（dsInit（）实现）、读时序（readByte（））、写时序（writeByte（））。
所有时序都是将主机作为主设备，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，进而完成对数据的采集。
电路设计可以参看图4.2关于DS18B20详细的引脚功能描述如下:
1、GND地信号；
2、DQ数据输入出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用在寄生电源下，此引脚可以向器件提供电源；漏极开路,常态下高电平。
通常要求外接一个约5kΩ的上拉电阻。
3、VCC可选择的VCC引脚。
电压范围:
3~5.5V;当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
图3.2DS18B20接口电路
3.2.2单片机工作过程与电路设计
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
在内部ROM中载入程序既可以实现对其的操作控制。
我们使用了AT89S52这款单片机，它具有内部ROM空间大，工作速度快等优点，便于以后的升级扩展，具体的技术细节请参看技术手册。
现在主流的MCS-51单片机要想正常工作必须配备复位和时钟电路，复位脚必需在振荡器起振后至少保持两个机器周期复位电平。
也就是说，复位脚（RST）复位电平保持时间应包含VCC的建立时间、振荡器起振时间和至少两个机器周期时间。
本次设计采用最基本的上电复位电路，具体参数和连接请参看图3.3。
另外的时钟电路则为整个系统提供了系统的时基，主要有一个晶振来起振，另外两个电容可以增强时钟电路的稳定性，具体参数和连接图请参看图3.4。
图3.3单片机复位电路
图3.4单片机时钟电路
3.2.3液晶显示电路设计
为了保证连接的简单和方便我们使用了一款8×2的字符型LCD，具体型号为VT082A它具有体积小、接口简单、功率损耗低和使用寿命长等许多优点，在各种设计中得到了广泛的使用。
它的操作时序完全符合6800的8位并行接口时序。
具体的控制字可以参考手册，操作的时序如图3.5所示：
图3.5液晶接口时序
3.3测温电路总体的电路设计
经过以上论述我们以AT89S52单片机为例，电路采用正常供电方式，当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。
只要在数据线上加一个上拉电阻4.7kΩ,另外2个脚分别接电源和地即可。
显示部分并没有采用数码管，而是使用了8×2型字符LCD。
（硬件电路图见附录1）
第4章软件设计
4．1程序主要部分
程序主要部分如下：
详细完整的程序请参看附录。
voidDelay_Us（inti）//微秒延时程序
voidCheck_Bf（void）//LCD读忙函数
voidLcd_W（unsignedchardat,unsignedcharcd）//LCD写命令或数据函数
voidLcd_Init（void）//LCD初始化函数
voiddsInit（）//DS18B20初始化函数
voiddsWait（）//DS18B20等待函数
bitreadBit（）//向DS18B20读取一位数据
unsignedcharreadByte（）//读取一字节数据,通过调用readBit（）来实现
voidwriteByte（unsignedchardat）//向DS18B20写入一字节数据
voidsendChangeCmd（）//向DS18B20发送温度转换命令
intgetTmpValue（）//获取当前温度值
voiddisplay（intv）//调用液晶显示函数
voidmain（void）//主函数
{
unsignedchari;
Lcd_Init（）;//调用液晶初始化函数
while
（1）//
{
sendChangeCmd（）;//启动温度转换
for（i=0;i<40;i++）
{
display（tempValue）;//调用显示函数
}
tempValue=getTmpValue（）;//调用读取函数获取温度
4.2详细完整的程序请参看附录2。
第5章安装与调试
5.1电路参数的选取与安装
在确定了电路主要的器件之后，我们可以查阅参考文献确定具体的电路参数，具体如下：
单片机选择AT89S52一片，单片机的复位电路需要22uf电容和1K电阻各一，时钟电路需要12M晶振一个60pf电容两个,测温电路只需要一个DS18B20和一个4.7K的电阻即可，显示电路只要一快LCD就可以完成显示任务。
1.电路的组装是在单元电路设计，参数计算和元器件选择的基础上，对理论设计进行验收，并进行修改完善，直至达到设计要求为止。
电路的组装与调试分为单元电路和整机两步进行。
2.电路组装是按照所设计的电路图把元器件可靠的安装连接好，使电路实现正常工作。
在组装前应尽可能把元器件检测一遍，保证所有元器件都合格。
在电路组装时应注意以下原则：
3.所有集成电路的组装方向要一致，以有利于布线和查线。
4.导线的颜色应该符合一般的使用习惯。
5.元器件安排从左向右或从右向左，不应形成环路使信号的输入极与输出极靠近。
6.连线尽量做到横平竖直，连线不能跨接在元器件上。
信号线与电源线不能长距离并行。
合理的布置地线，低频电路要一点接地。
5.2调试
电路的调试是在电路组装后进行的。
首先对电路工作状态和相应的参数进行测量，然后根据性能要求对电路的某些参数进行修改或变更，使之达到设计要求。
把整机组装好后就可以写入程序以便进行调试。
程序全文请参考附录。
在调试的时候应该单独调试，先调试显示电路的LCD,这样可以方便以后的进一步调试，当LCD正常工作之后即可调试DS18B20，对其要加倍注意他的时序要求，注意程序的写法，按要求操作直到达到理想的结果。
第6章总结
在本次课程设计过程中，使用了广泛的参考如：
电路，数、模电子技术，单片机技术，自动检测技术，电路板设计，智能仪器的设计应用，传感器的使用等方面的资料。
使得在本次设计中，接线等方面比较合理，运行平稳，没有任何故障。
设计成功，LCD 的显示范围从-55到+125，并具有5位的显示位数，这样的精度在一般的温度测试仪器上是很难见到的，由于LCD的使用也减小了硬件电路焊接的繁杂，减少了出错的机会。
在一定的温度范围内，不考虑器件导致的误差的话，精度已经达到了0.003。
由于设备的欠缺，最后的温度标定没能够实现，所以LCD的显示结果有一定的误差，其显示温度比真实温度偏高了一点。
参考文献
[1]李玉峰，倪虹霞.《MCS-51系列单片机原理与接口技术》.人民邮电出版社2004-5
[2]何宏,龚威,田志宏.《单片机原理与接口技术》.国防工业出版社2006-1
[3]朱勇,吴周桥,乔宇锋,唐新东.《ProtelDxp范例入门与提高》.清华大学出版社2004-1
[4]凌玉华，刘连浩，杨进宝等.《单片机原理及应用系统设计》.中南大学出版社2006-5
[5]邹振春.《MCS-51系列单片机原理及接口技术》.机械工业出版社2006-8
[6]赵晓安，杨鹏，耿恒山.《MCS-51单片机原理及应用》.天津大学出版社2001-3
[7]Martin,K..《数字集成电路设计》（英文版）（DigitalIntegratedCircuitDesign（TheOxfordSeriesinElectricalandComputerEngineering）.OxfordUniversityPress，电子工业出版社
[8]韩建国，廖俊必，[英国]GuiyunTian.《单片机原理及应用》（英文版）.高等教育出版社
附录1：
硬件电路图
附录2完整的程序：
#include"REGX52.h"
#defineRWP1_0
#defineENP1_1
#defineRSP1_2
#defineDQP1_3
#defineLCD_PP2
inttempValue;
voidDelay_Us（inti）
{
while（i--）;
}
voidCheck_Bf（void）
{
unsignedcharshuju;
do
{
RS=0;
RW=1;
EN=1;
shuju=LCD_P;
EN=0;
}
while（（shuju>>7）&1）;
Delay_Us（20）;
}
voidLcd_W（unsignedchardat,unsignedcharcd）
{
Check_Bf（）;
RS=cd;//cd=0为指令,为1为数据
RW=0;
EN=1;
LCD_P=dat;
EN=0;//下降沿有效
}
voidLcd_Init（void）
{
Lcd_W（0x38,0）;
Lcd_W（0x08,0）;
Lcd_W（0x01,0）;
Lcd_W（0x0f,0）;
Lcd_W（0x06,0）;
Lcd_W（0x80,0）;
}
//通过DS18B20测试当前环境温度,并通过数码管显示当前温度值,目前显示范围:
-55~+125度
//延时函数,对于11.0592MHz时钟,例i=10,则大概延时10ms.
voiddelay（unsignedinti）
{
unsignedintj;
while（i--）
{
for（j=0;j<125;j++）;
}
}
//初始化DS18B20
//让DS18B20一段相对长时间低电平,然后一段相对非常短时间高电平,即可启动
voiddsInit（）
{
//对于11.0592MHz时钟,unsignedint型的i,作一个i++操作的时间大于为8us
unsignedinti;
DQ=0;
i=100;//拉低约800us,符合协议要求的480us以上
while（i>0）i--;
DQ=1;//产生一个上升沿,进入等待应答状态
i=4;
while（i>0）i--;
}
voiddsWait（）
{
unsignedinti;
while（DQ）;
while（~DQ）;//检测到应答脉冲
i=4;
while（i>0）i--;
}
//向DS18B20读取一位数据
//读一位,让DS18B20一小周期低电平,然后两小周期高电平,
//之后DS18B20则会输出持续一段时间的一位数据
bitreadBit（）
{
unsignedinti;
bitb;
DQ=0;
//写"1",将DQ拉低15us后,在15us~60us内将DQ拉高,即完成写1
if（b）
{
DQ=0;
i++;i++;//拉低约16us,符号要求15~60us内
DQ=1;
i=8;while（i>0）i--;//延时约64us,符合写时隙不低于60us要求
}
else//写"0",将DQ拉低60us~120us
{
DQ=0;
i=8;while（i>0）i--;//拉低约64us,符号要求
DQ=1;
i++;i++;//整个写0时隙过程已经超过60us,这里就不用像写1那样,再延时64us了
}
}
}
voidsendChangeCmd（）//向DS18B20发送温度转换命令
{
dsInit（）;//初始化DS18B20,无论什么命令,首先都要发起初始化
dsWait（）;//等待DS18B20应答
delay
（1）;//延时1ms,因为DS18B20会拉低DQ60~240us作为应答信号
writeByte（0xcc）;//写入跳过序列号命令字SkipRom
writeByte（0x44）;//写入温度转换命令字ConvertT
}
voidsendReadCmd（）//向DS18B20发送读取数据命令
{
dsInit（）;
dsWait（）;
delay
（1）;
writeByte（0xcc）;//写入跳过序列号命令字SkipRom
writeByte（0xbe）;//写入读取数据令字ReadScratchpad
}
intgetTmpValue（）//获取当前温度值
{
unsignedinttmpvalue;
intvalue;//存放温度数值
floatt;
unsignedcharlow,high;
sendReadCmd（）;
//连续读取两个字节数据
low=readByte（）;
high=readByte（）;
//将高低两个字节合成一个整形变量
//计算机中对于负数是利用补码来表示的
//若是负值,读取出来的数值是用补码表示的,可直接赋值给int型的value
tmpvalue=high;
tmpvalue<<=8;
tmpvalue|=low;
value=tmpvalue;
//使用DS18B20的默认分辨率12位,精确度为0.0625度,即读回数据的最低位代表0.0625度
t=value*0.0625;
Lcd_W（datas[3]+30,1）;
Lcd_W（datas[4]+30,1）;
Lcd_W（0xdf,1）;
Lcd_W（'C',1）;
}
voidmain（void）
{
unsignedchari;
Lcd_Init（）;
while
（1）
{
//启动温度转换
sendChangeCmd（）;
//显示5次
for（i=0;i<40;i++）
{
display（tempValue）;
}
tempValue=getTmpValue（）;
}
}
升级会员 