数字温度计方案设计说明

. . . . 电子技术综合设计方案报告姓名：健学号：04091442 姓名：传达学号： 04091434 姓名：马利学号： 04091427 专业与班级：电气工程09-3班设计题目：数字温度计的设计时间： 2011 2012 学年第（1）学期指导教师：袁小平成绩：日期：一、引言随着时代的进步和发展，单片机技术已经普与到我们生活、工作、科研、各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文主要介绍了一个基于89S51单片机的测温系统，利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统，对软件编程以与各模块系统进行了分析，对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量。DS18B20与AT89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。二、实施方案该系统主要由温度测量和数据采集两部分电路组成，实现的方法有很多种，本方案采用数字温度芯片DS18B20实现。AT89S51 在工业控制上有着广泛的应用，编程技术与外围功能电路的配合使用都很成熟。该系统利用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。系统框图如图1所示单片机显示电路驱动电路按键输入电路测温电路扩展接口：对时间和温度信息定点存储，并与计算机进行数据交换时钟电路复位电路报警电路图1-DS18B20温度测温系统框图三、课题任务基本要求：可测量温度围：000.0-102.0，温度分辨力：0.4。测量相对误差：2%，用数码管实时显示被测量的温度。提高要求：实现多个温度点的实时测量，实现温度的分档测量(102、51、25.5)。四、方案比较与选择方案一：基于MAX6576的数字温度计。输出信号为占空比为50%的方波。输出信号的周期与热力学温度成正比。MAX6576是采用单线输出方式，通过引脚OUT输出连续的方波信号，信号周期与所处环境（K）成正比。单线输出方式可以减少与为控制器连接的引脚数量。MAX6576的测温围为-40125。它将被测温度转换为周期T(单位为us)。MAX6576在25时，多数产品的测温精度可达到0.8（最大不超过3）；外围电路简单，使用时基本不需要外围元件；工作电源电压围是2.75.5V，典型值为3.3V或5V，工作电流仅为140uA。选择AT89C51进行单片机控制，用LCD1602实现温度显示。方案二：基于AT89S52单片机和DS18B20的数字温度计。采用数字温度芯片DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和AT89C51单片机构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,也可直接与计算机连接。测温围55125，固有测温分辨率0.5。采用AT89S51单片机控制，用四位八段式共阴极数码管显示。方案选择：两方案的比较：1、 我们从分析电路可以知道两个方案在理论上都是可行的。2、从芯片选择上看：MAX芯片的市场覆盖率大大低于DS18B20,而且可供查阅的资料以与功能方面有较大的局限。而DS1820芯片已经有了较为广泛的应用，方便购买以与学习使用。所以选择方案二中的DS18B20芯片。3、从单片机的选择上来看：C51和S51都是常见的单片机，但是我们在C51单片机的程序拷制过程中出现了问题，因此选用S51单片机。4、显示部件的选择：相比LCD与LED，对于LED的掌握更见娴熟，所以倾向于使用LED数码管。综合上面的比较，而且方案二的系统扩展性非常强，该测温系统电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单。故选择方案二设计。五、电路原理与工作过程（1） DS18B20简单介绍DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量围为-55+125 摄氏度，可编程为9位12 位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以与用户设定的报警温度存储在EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。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 的性能特点：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DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件与转换电路集成在形如一只三极管的集成电路适应电压围更宽，电压围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电温围55125，在-10+85时精度为0.5零待机功耗可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温在9位分辨率时最多在93.75ms把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms把温度值转换为数字，速度更快用户可定义报警设置报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件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负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作以上特点使DS18B20非常适用与多点、远距离温度检测系统。DS18B20部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图2所示，DQ 为数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源；GND为地信号；VDD为可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。图2-外部封装形式DS18B20部结构：图13为DS1820的部框图，它主要包括寄生电源、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（含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触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。DS18B20采用3脚PR35 封装或8脚SOIC封装，其部结构框图如图 6所示图3-DS18B20部结构框图64b闪速ROM的结构如下：8bit检验CRC48bit序列号8bit工厂代码（10H）MSBLSBMSBLSBMSBLSB开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48 位，最后8位是前面56 位的CRC 检验码，这也是多个DS18B20 可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。主机操作ROM的命令有五种，如表所列指 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 温度传感器的部存储器还包括一个高速暂存和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM 的结构为字节的存储器，结构如图4所示。便笺式存储器（上电状态）温度测量值LSB(50H)温度测量值MSB(50HTH高温寄存器TL低温寄存器配位寄存器预留（FFH）预留（OCH）预留（IOH）循环冗余码校验(CRC)E2PROM(85)Byte0Byte1TH高温寄存器TL低温寄存器配位寄存器Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6Byte7Byte8图4-高速暂存RAM结构图前2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRCLSB MSB当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.062 5 /LSB形式表示。温度值格式如下：232221202-12-22-32-4 MSB LSBSSSSS262524MSB LSB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。图中，S表示位。对应的温度计算：当符号位S=0时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，表示测得的温度植为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。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。DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625LSB形式表示。表1是部分温度值对应的二进制温度表示数据。表1-部分温度值温度/二进制表示十六进制表示+12500000111 1101000007D0H+25.062500000001 100100010191H+0.500000000 000010000008H000000000 000000000000H-0.511111111 11111000FFF8H-25.062511111110 01101111FE6FH-5511111100 10010000FC90HDS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节容作比较，若TTH或TTL,则将该器件的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前 56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理：DS18B20的测温原理如图15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图2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，于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，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。预置斜率累加器比较低温度系数振荡器计数器1温度寄存器Tx预置=0高温度系数振荡器-0计数器2T1加1停止T2图5-DS18B20测温原理图在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD单片机显示电路设计：单片机采用动态LED显示，用P2.4P2.7控制选择四个数码管的位置，用P0.0P0.7控制字形输出。六、程序设计系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。汇编语言程序：DATA_BUSBITP3.3FLAGBIT00HTEMP_LEQU 30HTEMP_HEQU31HTEMP_DP EQU32HTEMP_INTEQU33HTEMP_BAIEQU34HTEMP_SHIEQU35HTEMP_GEEQU36HDIS_BAIEQU37HDIS_SHIEQU38HDIS_GE EQU39HDIS_DP EQU3AHDIS_ADD EQU3BHORG 0000H AJMPSTARTORG 0050HSTART:MOV SP,#40HMAIN:LCALL READ_TEMP LCALL PROCESS AJMPMAIN; ;= 读温度程序=READ_TEMP: LCALL RESET_PULSE MOV A,#0CCHMOVA,#44HLCALL WRITELCALL DISPLAYLCALL RESET_PULSEMOVA,#0CCHLCALL WRITEMOVA,#0BEHLCALL WRITELCALL READRET; ;= 复位脉冲程序=RESET_PULSE:RESET:SETBDATA_BUSNOPNOPCLRDATA_BUSMOVR7,#255DJNZR7,$SETB DATA_BUSMOVR7,#30DJNZR7,$JNB DATA_BUS,SETB_FLAGCLRFLAGAJMPNEXTSETB_FLAG:SETB FLAGNEXT:MOV R7,#120DJNZR7,$SETB DATA_BUSJNBFLAG,RESET RET; ;=写命令=WRITE:SETBDATA_BUSMOVR6,#8CLRCWRITING:CLRDATA_BUSMOVR7,#5DJNZR7,$RRCAMOVDATA_BUS,CMOVR7,#30HDJNZR7,$SETBDATA_BUSNOPDJNZR6,WRITINGRET; = ;循环显示段位=DISPLAY:MOV R4,#200DIS_LOOP:MOVA,DIS_DPMOVP2,#0FFHMOVP0,A CLRP2.7LCALLDELAY2MSMOVA,DIS_GEMOVP2,#0FFHMOVP0,ASETBP0.7 CLRP2.6LCALLDELAY2MSMOVA,DIS_SHIMOVP2,#0FFHMOVP0,ACLRP2.5LCALLDELAY2MSMOVA,DIS_BAIMOVP2,#0FFHMOVP0,AMOVA,TEMP_BAICJNEA,#0,SKIPAJMPNEXTTSKIP:CLRP2.4LCALLDELAY2MSNEXTT:NOPDJNZR4,DIS_LOOPRET=读命令=READ:SETBDATA_BUSMOVR0,#TEMP_LMOV R6,#8MOVR5,#2CLRCREADING:CLRDATA_BUSNOPNOPSETBDATA_BUSNOPNOPNOPNOPMOVC,DATA_BUSRRCAMOVR7,#30HDJNZR7,$SETBDATA_BUSDJNZR6,READINGMOVR0,AINC R0MOVR6,#8SETBDATA_BUSDJNZR5,READINGRET=数据处理=PROCESS:MOV R7,TEMP_LMOVA,#0FHANLA,R7MOVTEMP_DP,AMOV R7,TEMP_LMOVA,#0F0HANLA,R7SWAPAMOVTEMP_L,AMOVR7,TEMP_HMOVA,#0FHANLA,R7SWAPAORLA,TEMP_LMOV B,#64HDIVABMOVTEMP_BAI,AMOVA,#0AHXCHA,BDIVABMOVTEMP_SHI,AMOVTEMP_GE,BMOVA,TEMP_DPMOV DPTR,#TABLE_DPMOVCA,A+DPTRMOVDPTR,#TABLE_INTERMOVC A,A+DPTRMOVDIS_DP,AMOVA,TEMP_GEMOV DPTR,#TABLE_INTERMOVCA,A+DPTRMOV DIS_GE,AMOVA,TEMP_SHIMOV DPTR,#TABLE_INTERMOVCA,A+DPTRMOVDIS_SHI,AMOVA,TEMP_BAIMOV DPTR,#TABLE_INTERMOVCA,A+DPTRMOV DIS_BAI,ARETDELAY2MS:MOVR6,#3LOOP3:MOVR5,#250DJNZR5,$DJNZR6,LOOP3RETTABLE_DP:DB00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06HDB06H,07H,08H,08H,09H,09HTABLE_INTER:DB03FH,006H,05BH,04FH,066HDB06DH,07DH,07H,07FH,06FHEND七、元件清单DS18B201AT89S511四位八段共阴极数码管1NPN三极管41K电阻9电解电容（22uf）1电容（22nf）212MHZ晶振1排阻（4.7k）1开关1按钮1八、仿真与调试过程1、PROTEUS仿真电路图：2、电路的PCB制板：Protel电路图：3、Protel pcb图：九、参考文献1育才.单片微型计算机与其应用.东南大学.20042德金粤初.单片机接口电路与应用程序实例.航天航空大学.1990. 3新民王燕芳.微型计算机控制技术.电子工业2003 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