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最新版课程设计报告
多点温度计设计
学生:
彭珍珍指导教师:
李北明
1.课程设计方案
1.1．课程设计要求
1.1.1.基本要求
利用数字温度传感器与单片机结合来测量温度。
利用数字温度传感器DS18B20采集温度信号，计算后用LED1602字符型液晶显示相应的温度值。
数字温度计所测量的温度采用数字显示，控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B20。
首先进行预设计，根据选定硬件电路方案，充分利用单片机软、硬件资源。
主要设计指标有测量两点或两点以上的温度，测温范围均为：
0～100℃；
每点温度分辨力：
0.0625℃；测量速率：
2次/秒自动连续测量。
1.1.2.扩展要求
用图形液晶显示温度曲线，当前温度、单位等，利用单片机实现一些扩展功
能，如：
实现超温报警等，或结合自身能力实现其他功能。
1.2．课程设计内容
1.2.1设计方案
根据课程设计要求，制定课程设计方案。
采用专用集成数字化温度传感器DS18B20测温，它具有接口简单、直接数字量输出、精度高等优点。
DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它的温度检测与数字检测数据全集成于一个芯片之上，测量范围为-55～+125℃，在-10～+85℃内，精度为±0.0625℃，完全可以满足设计指标要求。
在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号,这个序列号是出厂前已经刻录在DS18B20中，需要用户使用前进行读取。
它还可以实现“一线总线”的数字方式传输，即在一个端口上，可以挂很多数字温度传感器，通过读取每个DS18B20的序列号，进行匹配后完成多个DS18B20的测温过程，电路简单，易于实现。
另DS18B20支持3～5.5V的电源范围，使得系统设计更加方便灵活。
DS18B20支持报警温度设置，用户设定的报警温度保存在EEPROM存储器，满足部分扩展要求，并且掉电后依然保存，方便随时的通断电。
单片机控制模块以ATMEL公司生产的AT89C52单片机为主控核心，AT89C52单片机价格便宜，语言简单，是单片机初学者的基本入门课程，对于初学者来说使用容易，且可用性强。
在完成对DS18B20所采集的温度进行读取、输出并控制LED1602实时显示外，为了满足扩展要求，增加显示时间模块，完成对时间的设置，以达到设计要求。
温度显示模块选用字符型LED1602，1602使用技术成熟，价格便宜，对于实时显示温度、单位等可以满足要求。
按键模块直接使用普通按键，操作简单，价格便宜。
系统框图如图1所示。
图1多点测温系统框图
1.2.2设计内容
根据制定的实验方案，进行课程设计，其内容包括硬件电路设计和系统软件设计，其主要模块包括AT89C52单片机主控制模块、多个DS18B20测温模块、LED1602液晶显示模块和按键模块。
硬件电路较为简单，参照单片机AT89C52和数字温度传感器DS18B20的工作原理和技术手册，以及实验方案中的蜂鸣器设计、按键设计，完成硬件电路图的设计和绘制。
系统软件分为两大部分，DS18B20的序列号读取程序和温度测量程序。
根据DS18B2的工作过程和读写时序、AT89C52工作特点和想要达到的设计效果，进行程序的编写。
具体工作过程为：
下载读序列号程序，读取两个DS18B20中的序列号，并记录下来；根据读取的序列号更改数组内容后，重新下载程序，进行多点测温过程，由DS18B20温度传感器芯片测量当前温度，通过程序匹配不同的DS18B20，传送各个DS18B20的测量值，将结果送入单片机；通过AT89C52单片机芯片对送入的测量温度读数进行计算和转换，并将此结果送入液晶显示模块，同时判断是否超过设定的警戒温度，决定蜂鸣器是否工作；LED1602模块将送来的值显示于显示屏上。
单片机通过扫描按键，进入不同的子程序，完成时间的显示。
1.3．课程设计原理
1.3.1DS18B20工作原理
1.3.1.1DS18B20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。
DS18B20引脚功能描述见表1。
表1DS18B20详细引脚描述
DS18B20引脚图如图2所示。
1.3.1.2DS18B20的主要特性
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 。
（2）独特的单线接口方式，DS18B20在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 。
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃ （6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃可实现高精度测温。
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快 。
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 。
（9）负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
1.3.1.3DS18B20内部结构
DS18B20的内部框图如图2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。
（注：
INTERNALVDD-内部VDD64-BITROMAND1-wirePROT-64位ROM和单线端MEMORYCONTROLLOGIC-存储器控制逻辑SCRATCHPAD暂存器TEMPERATURESENSOR温度传感器ALARMHIGHTRIGGER（TH）REGISTER上限温度触发ALARMLOWTRIGGER（TL）REGISTER下限温度触发8-BITCRCGENERTOR8位CRC产生器POWERSUPPLLYSENSE电源探测PARASITEPOWERCIRCUIT寄生电源电路）。
图2DS18B20内部框图
1.3.1.4DS18B20中4个主要数据部件
①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。
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。
②DS18B20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。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H，如表2所示。
（注：
TEMPERATURE-温度，DIGITALOUTPUT-数字输出）
表2DS18B20温度数据表
③DS18B20温度传感器的存储器
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EEPROM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
④配置寄存器
表3配置寄存器
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，如表4所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
表4R1与R0确定传感器分辨率设置表
1.3.1.5DS18B20工作过程
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。
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3-6所示，每个ROM命令都是8bit长。
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5所示。
表5DS18B20功能命令表
1.3.1.5DS18B20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，4.7kΩ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3所示。
图3初始化脉冲
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4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命令后，必须马上产生读时序，以便DS18B20能够传送数据。
所有读时序至少60µs，且在两次独立的读时序之间至少需要1µs的恢复时间。
每次读时序由主机发起，拉低总线至少1µs。
在主机发起读时序之后，DS18B20开始在总线上传送1或0。
若DS18B20发送1，则保持总线为高电平；若发送0，则拉低总线。
当传送0时，DS18B20在该时序结束时释放总线，再由上拉电阻将总线拉回空闲高电平状态。
DS18B20发出的数据在读时序下降沿起始后的15µs内有效，因此主机必须在读时序开始后的15µs内释放总线，并且采样总线状态。
DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。
只需将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。
图4DS18B20读/写时序图
1.3.1.6DS18B20测温原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20测温原理如图5所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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。
图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
图5DS18B20测温原理框图
1.3.2LED1602工作原理
1.3.2.1LED1602简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
一般1602字符型液晶显示器实物如图6所示。
图61602实物图
1.3.2.2LED1602的基本参数及引脚功能
1602LED分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。
1602LED主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
引脚功能说明：
1602LED采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表6所示。
表61602引脚说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
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。
第5脚：
R/W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R/W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R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
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。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
1.3.2.3LED1602的时序及指令说明
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表7所示。
表71602控制指令表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平、0为低电平）
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
与HD44780相兼容的芯片时序表如表8所示。
表8基本操作时序表
读状态
输入
RS=L，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
输入
RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
输出
无
读数据
输入
RS=H，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=数据
写数据
输入
RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
输出
无
读写操作时序如图7和图8所示。
图7读操作时序
图8写操作时序
1.3.2.4LED1602的RAM地址映射及标准字库表
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，图9是1602的内部显示地址。
图91602LCD内部显示地址
在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。
每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如图10所示，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”
图10字符代码与图形对应图
1.3.2.5LED1602的初始化（复位）过程
延时：
15mS
写指令：
38H（不检测忙信号）
延时：
5mS
写指令：
38H（不检测忙信号）
延时：
5mS
写指令：
38H（不检测忙信号）
以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号。
写指令38H：
显示模式设置
写指令08H：
显示关闭
写指令01H：
显示清屏
写指令06H：
显示光标移动设置
写指令0CH：
显示开及光标设置
2.课程设计硬件电路设计
2.1.单片机最小系统模块
以AT89C52为核心组成的单片机最小系统，主要包括时钟振荡电路，复位电路。
正5V电源接到89C52的40脚（VCC）和20脚（GND）接地。
时钟振荡电路的18脚（XTAL1）和19脚（XTAL2）外接12MHz的晶振和2个30pF的电容，振荡频率就是晶振的固有频率，经过一定的电路连接实现设计的功能。
复位电路采用上电自动复位和手动复位相结合的方式接到89C52的9脚。
时间调节的按键模块包括时、分、光标调节和计数按键组成，分别接在单片机I/O口的P1.0~P1.3口，并通过10K的上拉电阻接5V电源。
单片机最小系统原理图如图11所示。
图11单片机最小系统电路图
2.2.DS18B20测温电路
由于DS18B20工作在单总线方式，所以它与单片机的接口电路非常简单。
采用“一线总线”的数字方式传输，将两个DA18B20的数字输入输出引脚（引脚2）以并联的方式接在单片机I/O口的P2.3口，引脚1（GND）接地，引脚3（VDD）通过一个4.7K的上拉电阻接5V电源。
蜂鸣器报警电路，驱动三极管的基极通过一个1K的电阻接在单片机I/O口的P2.4口，三极管集电极接5V电压源，发射机接蜂鸣器VDD脚，蜂鸣器另一管脚接地。
具体电路图如图12所示。
图12DS18B20测温电路
2.3.LED1602显示电路
LED1602液晶数据输入输出口DB0~DB7通过一个10K的上拉排阻分别接在单片机的P0.0~P0.7，1602的GND、VO和BGGND接地，VCC和BGVCC接5V电压源。
具体电路图如图13所示。
图13LED1602显示电路
2.4.系统总电路图
综合以上各部分电路，系统总体电路图如图14所示。
图14系统总电路图
3.课程设计软件设计与流程图
3.1.系统软件流程图
N
Y
N
Y
图15系统软件流程图
3.2.系统源程序（附录3）
3.2.1读取序列号程序
3.2.2多点测温程序
4.课程设计成果
4.1.Proteus仿真结果
Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。
它可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
对于工程设计及教学起到很大的辅助功能。
本设计首先采用Proteus进行软件仿真，对设计方案进行验证和反复修改，减少了更改硬件电路的麻烦和对硬件的损伤，对设计效果可以提前进行明朗的验证和查错。
具体仿真结果如图16、17所示。
图16读序列号仿真结果
Proteus软件中默认的DS18B20的序列号为2830C5BE，将多点测温程序中的数组改为以上序列号，进行仿
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