采用DS18B20温度传感器的数字温度计设计.docx
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采用DS18B20温度传感器的数字温度计设计
电子设计实验报告
专业计算机科学与技术
指导教师董双元
学生组合谢军窦华华葛昕
设计题目采用DS18B20传感器的数字温
度计设计
2004年5月10日
采用DS18B20温度传感器的数字温度计设计
采用DS18B20温度传感器的数字温度计设计
谢军窦华华葛昕
（河南科技大学计算机系）
摘要：
本文介绍了一种采用DS18B20的数字温度计设计方案。
方案利用AT89S52单片机控制DS18B20进行数据采集并由HS1602液晶显示模块显示结果，另外，采集结果可由RS-232-C接口送入计算机显示并存储。
按键控制实现过界报警温度设定和实时监控，利用AT24C08芯片进行存储，实现温度测量存储与再现。
关键字：
温度采集，存储再现，过界报警，串行通信
TheconceptionofthenumericalthermometerbasedonDS18B20
ZhouYanhua,WangXiaobin,ZhouHuanjun
（ComputerScienceDepartment,HuBeiNormalUniversity）
Abstract:
Inthispage,weintroducedaconceptionofthenumericalthermometerbasedonDS18B20.TheconceptionmakesuseofAT89S52controlDS18B20tocarryonthedatacollection,anddisplaystheresultusetheHS1602liquidcrystaldisplaymodule.Moreover,theresultcanbesentintothecomputerbytheinterfaceofRS-232-Ctodisplayandstore.Thekeycontrolcarriesoutthetemperaturesettingofovertheboundarytoalarm,andreal-timemonitoring.AndmakesuseofthechipofAT24C08carriesonthestorage,andcarryingoutthetemperaturemeasurementstorageandreappearing.
Keywords:
Temperaturecollect,Storingtoreappear,Overtheboundarytoalarm,Serialcommunication
1引言
随着电子技术的发展，人们的生活日趋数字化，多功能的数字温度计可以给我们的生活带来很大的方便；支持“一线总线”接口的温度传感器简化了数字温度计的设计，降低了成本；以美国MAXIM/DALLAS半导体公司的单总线温度传感器DS18B20为核心，以ATMEL公司的AT89S52为控制器设计的DS18B20温度控制器结构简单、测温准确、具有一定控制功能的智能温度控制器。
2总体设计
2.1方案论证
2.1.1温度传感器
方案一：
采用热敏电阻可满足测温要求，但热敏电阻精度低，重复性和可靠性较差，对于精度要求较高的测温不适用，而且采用热敏电阻要求复杂的电路和算法，增加了设计复杂度。
方案二：
采用专用的集成温度传感器（如AD590、LM35/LM45）和数字化温度传感器（DS18B20、DS1620）测温，数字化温度传感器具有接口简单、直接数字量输出、精确度高等优点。
DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，它的测量温度范围为－55～＋125℃，在－10～＋85℃范围内，精度为±0.5℃，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等，DS18B20支持3～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、更方便、更便宜、体积更小。
DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃，分辨率设定及用户设定的报警温度存储在E2PROM中，掉电后依然保存。
因此，本方案选用DS18B20作为温度测量传感器。
2.1.2单片机系统
目前比较流行51系列单片机和凌阳单片机。
AT89C51单片机需要用仿真器来实现软硬件的调试，较为繁琐；AT89S52八位单片机除具有AT89C51单片机所有的优点外，具有更大的程序存储空间，可在线仿真的功能，方便调试。
凌阳十六位单片机虽然可以更好的完成控制功能，但较AT89S52八位单片机价格昂贵，而且编程以及外围功能电路的设计都不及AT89S52成熟。
因此，选用AT89S52八位单片机作为温度采集的控部分。
2.1.3电源模块
采用普通的直流电源实现电路简单，而且采用集成电源芯片设计的直流电源电压比较稳定，完全满足系统各模块的供电要求，但是普通直流电源体积比较大，变压器的散热对测温精度也有影响，所以，选用锂离子手机充电电池和配套的锂电池充电器作为系统的供电模块。
手机用的锂电池电压范围是3.6V到4.2V，限定充电电压是4.25V，完全满足AT89S52和DS18B20等各模块的工作电压范围。
2.1.4显示模块
由于系统要求实现测量环境温度、测量体温、过界报警设置、温度存储再现等多种功能，要显示的信息不仅仅是温度值，所以采用数码管显示几乎不可能。
另外，手机电池电量有限，而数码管耗电较大，不符合设计要求。
因此，选用常见的HS1602液晶显示模块显示测温结果。
2.1.5确定方案
为了不失通用性和智能性，本方案采用AT89S52单片机作为控制器，单总线温度传感器DS18B20进行温度采集。
电源部分没有采用普通的直流电源而利用锂离子手机充电电池和配套的锂电池充电器，手机用的锂电池电压范围是3.6V到4.2V，限定充电电压是4.25V，完全满足AT89S52和DS18B20等各模块的工作电压范围。
由于手机电池电量有限，所以显示模块使用HS1602液晶显示模块而没有使用数码管。
2.2总体设计
本方案设计的系统由按键控制模块、单片机系统、温度传感器模块、液晶显示模块、存储模块、串口通信模块和电源模块组成，其总体架构如图1。
单片机系统
电源模块
温度传感器模块
液晶显示模块
串口通信模块
按键模块
存储模块
程序控制
图1系统总体设计
3硬件设计
3.1单片机系统
方案采用AT89S52单片机作为控制器，完成所有的控制功能，包括：
✧温度传感器DS18B20的初始化和读去温度值
✧HS1602液晶模块驱动
✧按键识别和控制
✧温度存储及读去
✧和PC机的串口通信
单片机系统的电路如图2。
图2单片机系统电路
3.2温度传感器模块
3.2.1DS18B20原理
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，管脚排列如图3所示。
图中GND为地，DQ为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平，Vcc是外部+5V电源端，不用时应接地，NC为空脚。
图3DS18B20的外部结构
DS18B20内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL解发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分，内部结构如图4。
图4DS18B20内部结构
寄生电源由二极管VD1、VD2和寄生电容C组成，电源检测电路用于判定供电方式，寄生电源供电时，VDD端接地，器件从单线总线上获取电源，在DQ线呈低电平时，改由C上的电压Vc继续向器件供电。
该寄生电源有两个优点：
第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读ROM。
若采用外部电源VDD，则通过VD2向器件供电。
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，如图5所示。
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是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。
主机操作ROM的命令有五种，如表1所示。
图564位ROM的结构
表1DS18B20的ROM命令
指令
说明
读ROM（33H）
读DS1820的序列号
匹配ROM（55H）
继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位
跳过ROM（CCH）
此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820
搜ROM（F0H）
识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备
报警搜索（ECH）
仅温度越限的器件对此命令作出响应
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。
其内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。
当计数门打开时，DS18B20对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。
芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。
测量结果存入温度寄存器中。
一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位被码形式读出，表2给出了温度和数字量的关系。
表2DS1820温度数字对应关系表
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E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低8位，第二个字节是温度的高8位，第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新，第六、七、八个字节用于内部计算，第九个字节是冗余检验字节，如表3所示。
表3DS18B20暂存器分布
寄存器内容
字节地址
温度最低数字位
0
温度最高数字位
1
高温限制
2
低温限制
3
保留
4
保留
5
计数剩余值
6
每度计数值
7
CRC校验
8
该字节各位的意义为TMR1R011111，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，用户不用改动，R1和R0用来设置分辨率，DS18B20出厂时被设置为12位，分辨率设置如表4所示。
表4分辨率设置表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
ROM命令令和暂存器的命令如表1和表5。
表5DS18B20暂存器的命令
指令
说明
温度转换（44H）
启动在线DS1820做温度A/D转换
读数据（BEH）
从高速暂存器读9bits温度值和CRC值
写数据（4EH）
将数据写入高速暂存器的第2和第3字节中
复制（48H）
将高速暂存器中第2和第3字节复制到EERAM
读EERAM（B8H）
将EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字节
读电源供电方式（B4H）
了解DS1820的供电方式
3.2.2DS18B20电路连接
由于DS18B20工作在单总线方式，其硬件接口非常简单，仅需利用系统的一条I/O线与DS18B20的数据总线相连即可，如图6所示。
图6DS18B20电路
3.3存储模块
3.3.1AT24C08结构
本方案利用AT24C08芯片进行存储，实现温度测量存储与再现。
AT24C08是ATMEL公司生产的串行EEPROM（8K，1024×8），直接通过I2C总线的SDA中的器件地址码变更来变换读写功能，当从串行时钟线SCL输入正边缘时钟信号时，数据进入每一个EEPROM器件，在负边缘时数据从每个器件中输出，串行数据线SDA双向输送时，该脚用漏极开路驱动，1、2、3脚作器件地址输入。
其外部引脚及引脚功能如图7所示。
图7AT24C08外部引脚及引脚功能
AT24C08内部主要由EEPROM存储阵列及其行和列译码电路、电源泵/定时、串行多路调制器、数据寄存器、I2C总线控制逻辑电路组成，如图8所示。
电源泵的设置免除外设置的写入高压电源；数据寄存器保证了页写数据的装载空间；器件地址比较器用于辩识自己的从地址。
图8AT24C08内部结构图
3.3.2AT24C08工作原理
从地址选择
AT24C08片内的存储空间地址采用了一个字地址（WORDADR）字节的寻址，故片内寻址范围为256字节。
页写功能
EEPROM写入时，总需要一定的写入时间（5~15ms），因此，在写入时无法连续写入多个数据字节，在E2PROM器件中设有一定容量的数据寄存器，用户一次写入EEPROM的数据字节不大于页写字节数时可按通常RAM的写入速度装载至EEPROM中的数据寄存器中，随后启动自动写入定时控制逻辑，经过5~10ms自动将数据寄存器中的数据同步写入EEPROM的指定单元中。
AT24C08的页写字节数为16。
页地址空间的“翻卷”
对应于页写字节数，数据寄存器分别有2、3、4位页地址，为字地址的低位部分。
在写入时，写入数据按照字地址（WORDADR）的最低部分，定为在数据寄存器的页地址空间、数据寄存器地址的低位部分，溢出时不会向字地址的高位部分进位，这就造成写入数据在地址的“翻卷”。
EEPROM的写周期时序
由于页写功能的设置，I2C总线对AT24C08的操作只体现在对其数据寄存器的装载，在数据装载完毕，E2PROM接收到I2C总线发送的停止位后，自动启动一个内部同步的写周期，将数据寄存器中的数据写入EEPROM阵列中，在这个内部写入周期中所有输入皆无效。
写周期结束后AT24C08才允许对总线响应。
3.3.3AT24C08的连接电路
图9AT24C08连接电路
3.4液晶显示模块
HS1602采用标准的16脚接口，其引脚如表6所示，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示模块对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，可以通过一个10K的电位器调整对比度。
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
LEDA和LEDK为背光电源，LEDA接5V正电源，LEDK接GND。
D0~D7为8位双向数据线。
表6接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
DataI/O
5
R/W
读/写选择端（H/L）
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
用HS1602液晶显示模块显示字符或字符串之前必须对其进行初始化，HS1602液晶显示模块的初始化流程如下：
✧5.0初始化过程（复位过程）
✧5.1延时15ms
✧5.2写指令38H（不检测忙信号）
✧5.3延时5ms
✧5.4写指令38H（不检测忙信号）
✧5.5延时5ms
✧5.6写指令38H（不检测忙信号）
✧5.7（以后每次写指令、读/写数据之前均需检测忙信号）
✧5.8写指令38H：
显示模式设置
✧5.9写指令38H：
显示关闭
✧5.10写指令01H：
显示清屏
✧5.11写指令06H：
显示光标移动设置
✧5.12写指令0CH：
显示开关及光标位置
HS1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了128个不同的点阵字符图形，如表7所示。
表7CGROM中的字符代码与图形对应关系
高低
0000
0010
0011
0100
0101
0110
0111
0000
CGRAM
0
@
P
\
p
0001
！
1
A
Q
a
q
0010
”
2
B
R
b
r
0011
#
3
C
S
c
s
0100
$
4
D
T
d
t
0101
%
5
E
U
e
u
0110
&
6
F
V
f
v
0111
’
7
G
W
g
w
1000
（
8
H
X
h
x
1001
）
9
I
Y
i
y
1010
*
:
J
Z
j
z
1011
+
;
K
[
k
{
1100
<
L
¥
l
|
1101
-
=
M
]
m
}
1110
.
>
N
^
n
→
1111
/
?
O
_
o
←
HS1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表8所示。
它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
表8HS1602液晶模块内部的控制器控制指令
指令
指令码
说明
RS
R/W
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
清屏
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
清显示,光标回位
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
ADD=0时,回原位
输入方式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
决定是否移动以及移动方向
显示开关
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
D-显示,C-光标,B-光标闪烁
移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
移动光标及整体显示
功能设置
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
DL-数据位数,L-行数,F-字体
CGRAM地址设置
0
0
0
1
A5A4A3A2A1A0
设置CGRAM的地址
DDRAM地址设置
0
0
1
A6A5A4A3A2A1A0
设置DDRAM的地址
忙标志/读地址计数器
0
1
BF
AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0
读出忙标志位（BF）及AC值
CGRAM/DDRAM数据写
1
0
写数据
将内容写入RAM中
CGRAM/DDRAM数据读
1
1
读数据
将内容从RAM中读出
HS1602液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口，电路如图10所示。
图10AT89S52和HS1602液晶模块连接电路
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表9是HS1602的内部显示地址。
即第1行的显示地址应为80H+显示位置，第2行的显示地址应为C0H+显示位置。
表9HS1602的内部显示地址
显示位置
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
第1行
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
8A
8B
8C
8D
8E
8F
第2行
C0
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C9
CA
CB
CC
CD
CE
CF
3.5串口通信模块
RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（recommendedstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改，在这之前，有RS232B、RS232A，它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
RS-232C适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。
PC机常用DB-9连接器作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器，它只提供异步通信的9个信号，9针串口功能见表10，并且对电缆长度也有要求：
RS-232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m（50英尺）。
可见这个最大的距离是在码元畸变小于4%的前提下给出的，为了保证码元畸变小于4%的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于2500pF。
表109针串口功能一览表
针脚
功能
针脚
功能
1
载波检测
6
数据准备完成
2
接收数据
7
发送请求
3
发送数据
8
发送清除
4
数据终端准备完成
9
振铃指示
5
信号地线
本方案对RS-232-C接口采用3线制（RXD、TXD、GND）软握手的零MODEM方式进行单片机和PC之间的数据通信，即PC机和单片机的发送数据线（TXD）与接收数据（RXD）交叉连接，二者的地线（GND）直接相连，其它信号线如握手信号线均不用，而采用软件握手。
但由于RS-232-C的逻辑电对地是对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同，逻辑0电平规定为+5~+15V之间，逻辑1是电平为-5~-15V之间，因此利用MAX232芯片进行电平转换，电路连接如图11。
图11RS-232-C通信连接电路
3.6电源模块
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