DS18B20的多点温度检测系统的设计.docx
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DS18B20的多点温度检测系统的设计
1系统方案设计
1.1方案设计
方案一：
该方案由单片机、模拟温度传感器AD590、运算放大器、AD转换器、4×4键盘、LCD显示电路、集成功率放大器、报警器组成。
本方案采用模拟温度传感器AD590作为测温元件，传感器将测量的温度变换转换成电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器交将信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，传给给单片机，单片机将温度值进行处理之后用LCD显示，当温度值超过设置值时，系统开始报警。
图1.1方案一温度测量系统方案框图
方案二：
该方案使用了AT89C51单片机作为控制核心,以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，采用多个温度传感器对各点温度进行检测，通过4×4键盘模块对正常温度进行设置显示电路采用128×64LCD模块，使用LM386作为报警电路中的功率放大器。
图1.2方案二温度测量系统方案框
1.2方案论证
方案一采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器和AD转换器传送给处理器。
它控制虽然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度进行测量和监控。
由于采用了多个分立元件和模数转换器，容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。
方案二采用智能温度传感器DS18B20，它直接输出数字量，精度高，电路简单，只需要模拟DS18B20的读写时序，根据DS18B20的协议读取转换的温度。
此方案硬件电路简单，程序设计复杂一些，但是电子竞赛培训期间我编写过DS18B20、图形液晶、键盘的程序，而且设计过电路并成功地通过调试，并且我已经使用开发工具KEIL用C语言对系统进行了程序设计，用仿真软件PROTEUS对系统进行了仿真，达到了预期的结果。
由此可见，该方案完成具有可行性，体现了技术的先进性，经济上也没有问题。
综上所述，本课题采用方案二对系统进行设计。
2系统设计
2.1工作原理
基于DS18B20多点温度测量系统以AT89C51为中心器件，以KEIL为系统开发平台，用C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。
系统主要由传感器电路、液晶显示电路、键盘电路、报警电路组成，电路原理图2.1所示。
DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。
主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用图形液晶模块显示各点的温度。
在系统启动之时，可以通过4×4键盘设置各点温度的上限值，当某点温度超过设置值时，报警器开始报警，从而实现了对各点温度的实时监控。
每个DS18B20有自己的序列号，因此本系统可以在一根总线上挂接了4个DS18B20，通过CRC校验，对各个DS18B20的ROM进行寻址，地址符合的DS18B20才作出响应，接收主机的命令，向主机发送转换的温度。
采用这种DS18B20寻址技术，使系统硬件电路更加简单。
图2.1系统硬件电路原理图
2.2单元电路设计
2.1.1DS18B20与单片机接口电路设计
（1）DS18B20与单片机的接口技术
如图2.2所示：
DS18B20与单片机的接口电路非常简单。
DS18B20只有三个引脚，一个接地，一个接电源，一个数字输入输出引脚接单片机的IO口，电源与数字输入输出脚间需要接一个4.7K的电阻。
图2.2DS18B20与单片机接口电路
（2）中央处理器AT89C51简介
①AT89C51的特点
AT89C51具有以下几个特点：
●AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；
●片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；
●全静态工作,工作范围：
0Hz～24MHz；
●三级程序存储器加密；
●128×8位内部RAM；
●32位双向输入输出线；
●两个十六位定时器/计数器
●五个中断源,两级中断优先级；
●一个全双工的异步串行口；
●间歇和掉电两种工作方式。
②AT89C51的功能描述
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。
它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。
只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。
工作电压范围宽（2.7V~6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz～24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。
AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。
P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
③AT89C51引脚功能
AT89C51单片机40引脚分布如右图3.3.4。
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。
它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。
只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。
工作电压范围宽（2.7V~6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz～24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。
AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。
P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
表2P3口的第二功能
（3）DS18B20的工作原理
①DS18B20数字温度传感器概述
DS18B20数字温度计是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的引脚排列见图4-2，其引脚功能描述见表4-1。
表4-1 DS18B20详细引脚功能描述
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
②DS18B20的内部结构
DS18B20的内部框图如图4-3所示。
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。
图4-3DS18B20的内部框图
DS18B20加电后，处在空闲状态。
要启动温度测量和模拟到数字的转换，处理器须向其发出ConvertT[44h]命令；转换完后，DS18B20回到空闲状态。
温度数据是以带符号位的16-bit补码存储在温度寄存器中的，如图4-4所示：
图4.4温度寄存器格式
符号位说明温度是正值还是负值，正值时S=0，负值时S=1。
表4-2给出了一些数字输出数据与对应的温度值的例子。
温度
输出（2进制）
输出（16进制）
+125℃
0000011111010000
07D0H
+85℃
0000010101010000
0550H
+20.0625℃
0000000110010001
0191H
+10.125℃
0000000010100010
00A2H
+0.5℃
0000000000001000
0008H
0℃
0000000000000000
0000H
-0.5℃
1111111111111000
FFF8H
-10.125℃
1111111101011110
FF5EH
25.0625℃
1110111001101111
EE6FH
-55℃
1111111010010000
FE90H
表4-2温度/数据的关系
③DS18B20的命令序列
●初始化
●ROM命令跟随着需要交换的数据；
●功能命令跟随着需要交换的数据。
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）。
a．初始化：
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.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4-3所示，每个ROM命令都是8bit长。
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
告警搜索命令
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”
c.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4-4所示。
2.1.3显示电路设计
（1）LCD与单片机的接口电路
LCD与单片机的接口电路如图所示：
…………..
图LCD与单片机的接口电路
（2）引脚分布及功能
①12864液晶显示屏共有20个引脚，其引脚名称及引脚编号的对应关系如图
所示：
图12864液晶显示模块引脚分布图
②引脚功能如表1所示：
表112864液晶显示模块引脚功能
引脚
符号
引脚功能
引脚
符号
引脚功能
1
VSS
电源地
15
CS1
CS1=1：
芯片选择左边64*64点
2
VDD
电源+5V
16
CS2
CS2=1：
芯片选择右边64*64点
3
VO
液晶显示驱动电源0-5V
17
/RST
复位（低电平有效）
4
RS
H：
数据输入；L：
指令码输入
18
VEE
LCD驱动负电源
5
R/W
H：
数据读取；L：
数据写入
19
A
背光电源（+）
6
E
使能信号。
由H到L完成使能
20
K
背光电源（-）
7-14
DB0-DB7
数据线
有些型号的模块19、20脚为空脚
（2）图形液晶显示原理
12864液晶屏横向一共有128个点，纵向有64个点，全屏分为左半屏和右半屏，DDRAM表与128×64点的一一对应关系如表2所示：
表212864液晶模块内部结构
左半屏右半屏
CS1=1
CS2=1
Y=0
0
1
…
62
63
0
1
。
。
。
62
63
行号
X=0
↓
X=7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
DB7
0
↓
7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
8
↓
55
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
DB0
↓
DB7
56
↓
63
在液晶屏上显示16*16点阵汉字首先将汉字转换成相应的代码，在送入的液晶屏的相应的位置，下面以“学”字的显示为例进行说明，“学”字在液晶屏的上的点阵排布如图2所示，在显示时先输入汉字的第1页的16位数据，在输入第2页的16位数据，即第1页与第1列的公共部分即为要输入的第1个数据，第1页与第2列的公共部分即为第2个要输入的数据，按照这种取码方式可得出该字代码如下：
（注：
上面所说的第几页，第几列是相对汉字所说的）。
DB40h,30h,11h,96h,90h,90h,91h,96h
DB90h,90h,98h,14h,13h,50h,30h,00h
DB04h,04h,04h,04h,04h,44h,84h,7Eh
DB06h,05h,04h,04h,04h,06h,04h,00h
图形显示的工作原理与汉字显示相似，如果在某位置显示指定大小的图形时，首先利用图形取模软件，将图形的代码提取出来，再根据显示汉字的原理将每页码的数据写入相应的寄存器中即可。
（3）图形液晶控制方法
①读状态字（StausRead）
Rs
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
1
BUSY
0
ON/OFF
RESET
0
0
0
0
状态字是计算机了解12864-1当前状态的唯一的信息渠道。
状态字为一个字节，其中仅3位有效位，它们是：
BUSY表示当前12864-1接口控制电路运行状态。
BUSY=1表示12864正在处理计算机发来的指令或数据。
此时接口电路被封锁，不能接受除状态字以外的任何操作。
BUSY=0表示12864接口控制电路，已处于“准备好”状态，等待计算机的访问。
ON/OFF表示当前的显示状态。
ON/OFF=1表示关闭显示状态，ON/OFF表示开显示状态。
RESET表示当前12864-1的工作状态，即反映RST端的电平状态。
当RST为低电平状态时，12864-1处于复位工作状态，RESET=1。
当前RST为高电平状态时，12864-1为正常工作状态，RESET=0。
在指令设置和数据读写时要注意状态字中的BUSY标志。
只有在BUSY=0时，计算机对12864的操作才能有效。
因此计算机在每次对12864操作之前，都要读出状态字判断BUSY是否为“0”，则计算机需要等待，直至BUSY=0为止。
②显示开关设置（Displayon/off）
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
D
该指令设置显示开/关触发器的状态，由此控制显示数据的存储器的工作方式，从而控制显示屏上的显示状态。
当D=1为开显示设置，显示数据锁存器正常工作，显示屏上呈现所需的显示效果。
此时在状态字中ON/OFF=0。
当D=0为关显示设置，显示数据锁存器被置零，显示屏呈不显示状态，但显示存储器并没有被破坏，在状态字中ON/OFF=1。
③显示起始行设置（DisplayStartLine）
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
1
1
显示起始行（0~63）
该指令设置了显示起始行寄存器的内容。
KS0108有64行显示的管理能力，该指令中L5~L0为显示起始行的地址，取值在0~3FH（1~64行）范围内，它规定了显示屏上最顶一行所对应的显示存储器的地址。
如果定时间隔地，等间距地修改（如加一或减一）显示起始行寄器的内容，则显示屏将呈现内容向上或向下平滑滚动的显示效果。
④页面地址设置[SetPage（Xaddress）]
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
1
0
1
1
1
Page（0~7）
该指令设置了页面地址X地址寄存器的内容。
12864将显示存储器分成8页，指令代码中B2~B0就是要确定当前所要选择的页面地址，取值范围为0~7H，代表第1~8页。
该指令规定了以后的读/写操作将在哪一个页面上进行。
⑤列地址设置（SetYaddress）
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
1
Yaddress（0~63）
该指令设置了Y地址计数器的内容，DB5~DB0=0~3FH（1~64）代表某一个单元地址，随后的一次读或写数据将在这个单元上进行。
Y地址计数器具有自动加一功能，在每一次读/写数据后它将自动加一，所以在连续进行读/写数据时，Y地址计数器不必每次都设置一次。
页面地址的设置和列地址的设置将显示存储单元唯一地确定下来，为后来的显示数据的读/写作了地址的选通。
⑥写指令数据
RS
R/W
DB7
DB7
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
指令
此命令在在E的下降沿有效。
⑦ 写显示数据（WriteDisplayData）
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
1
0
显示数据
该操作将8位数据写入先前已确定的显示存储器的单元内，操作完成后列地址计数器自动加一。
⑧读显示数据（ReadDisplayDate）
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
1
1
显示数据
该操作将12864.-1接口部的输出寄存器的内容读出，然后列地址计数器自动加一。
2.1.4报警电路设计
（待续）
如图所示：
报警电路为语音功放LM386组成，
引脚功能
内部结构
3程序设计
3.1程序流程设计
（1）主程序流程设计
（2）子程序流程设计
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0、写1、读0和读1。
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
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。
初始化波形如图4-5所示。
图4-5初始化脉冲
b.读和写时序
在写时序期间，主机向DS18B20写入数据；而在读时序期间，主机读入来自DS18B20的数据。
在每一个时序，总线只能传输一位数据。
读/写时序如图3-6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。
产生写1时序：
主机拉低总线后，必须在15µs内释放总线，然后由上拉电阻将总线拉至高电平。
产生写0时序：
主机拉低总线后，必须在整个时序期间保持低电平（至少60µs）。
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。
●读时序
图4-6DS18B20读/写时序图
DS18B20只能在主机发出读时序时才能向主机传送数据。
所以主机在发出读数据
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