数字温度计设计报告
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20## 年 6 月 27日
数字温度计报警实训报告
随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活、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89c51单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，特别是数字温度传感器DS18B20的数据采集过程。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实现温度采集和显示，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，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。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。
实习目的
1. 了解数数字温度计及工作原理。
2. 进一步掌握数字温度计设计方法。
3. 进一步掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。
4. 进一步掌握keil和仿真软件的应用。
5. 进一步熟悉集成电路的引脚安排。
温度传感器
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，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。DS18B20的性能特点如下：
●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
●无须外部器件；
●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；
●零待机功耗；
●温度以９或１２位数字；
●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；
●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；
DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。
图2 DS18B20内部结构
64位ROM的结构开始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ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如图3所示。头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ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，它的内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。该字节各位的定义如图3所示。低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
图3 DS18B20字节定义
由表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。第９字节读出前面所有８字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
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。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。
当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表1 DS18B20温度转换时间表
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报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报警搜索。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
DS18B20的测温原理是这这样的,器件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振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。器件中还有一个计数门，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℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，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计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。
表2 一部分温度对应值表
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的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据
主板电路
系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，如图5 所示。
图5 单片机主板电路
温度计程序
#include<reg51.h>
#include<intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit DQ = P3^6;
sbit beep = P3^7;
sbit Hled = P1^4;
sbit Lled = P1^5;
bit ds18b20_ok=1;//18b20正常标志
bit halarm=0,lalarm=0; //高低温警报标志
uint Time0_Count=0;
char tempvalaue_hl[2]={70,-20};
uchar CurrentT=0; //当前读取温度整数部分
uchar temp_value[]={0x00,0x00};//从18b20读取的温度
uchar display_digit[]={0,0,0,0};//待显示的的温度数位
uchar code DSY_CODE[] =
{
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00
};
uchar code df_Table[] =
{
0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9
};
/**********************延时函数**************/
void delay(uint m)
{
while(m--);
}
/**********************初始化DS18b20**************/
uchar resetDS18B20()
{
uchar flag;
DQ=1;
delay(8);
DQ=0;
delay(90);
DQ=1;
delay(8);
flag=DQ;
delay(100);
return flag;
}
/**********************DS18b20读指令**************/
uchar ReadOnebyte()
{
uchar i,dat=0;
DQ=1;
_nop_();
for(i=0;i<8;i++)
{
DQ=0;
dat>>=1;
DQ=1;
_nop_();
_nop_();
if(DQ)
dat|=0x80;
delay(30);
DQ=1;
}
return dat;
}
/**********************DS18b20写指令**************/
void WriteOnebyte(uchar dat)
{
uchar i;
for(i=0;i<8;i++)
{
DQ=0;
DQ=dat&0x01;
delay(5);
DQ=1;
dat>>=1;
}
}
/**********************读取温度**************/
void Read_Temperature()
{
if(resetDS18B20() == 1 )
ds18b20_ok=0; //有问题
else
{
WriteOnebyte(0xcc);
WriteOnebyte(0x44);
resetDS18B20();
WriteOnebyte(0xcc);
WriteOnebyte(0xbe);
temp_value[0]=ReadOnebyte();
temp_value[1]=ReadOnebyte();
tempvalaue_hl[0]=ReadOnebyte();
tempvalaue_hl[1]=ReadOnebyte();
ds18b20_ok=1;
}
}
/**********************设置温度报警**************/
void Set_Alarm_Temp_Value()
{
resetDS18B20();
WriteOnebyte(0xcc);
WriteOnebyte(0x4e);
WriteOnebyte(tempvalaue_hl[0]); //高八位
WriteOnebyte(tempvalaue_hl[1]); //低八位
WriteOnebyte(0x7f);
resetDS18B20();
WriteOnebyte(0xcc);
WriteOnebyte(0x48);
}
/**********************温度显示程序**************/
void Display_Temperature()
{
uchar i;
uchar t=150;
uchar ng=0,np=0;
char Signed_Current_Temp;
if( (temp_value[1]&0xf8)==0xf8)
{
temp_value[1]=~temp_value[1];
temp_value[0]=~temp_value[0]+1;
if( temp_value[0]==0x00) temp_value[1]++;
ng=1;
np=0xfd;
}
//查表得到小数
display_digit[0]=df_Table[temp_value[0]&0x0f];
//zhengshubufen
CurrentT=((temp_value[0]&0xf0)>>4)|((temp_value[1]&0x07)<<4);
//有符号的温度值
Signed_Current_Temp=ng? -CurrentT:CurrentT;
//高低文警报
halarm=Signed_Current_Temp>=tempvalaue_hl[0] ?1:0;
lalarm=Signed_Current_Temp<=tempvalaue_hl[1] ?1:0;
//将整数部分分解为三位待显示数字
display_digit[3]=CurrentT/100;
display_digit[2]=CurrentT%100/10;
display_digit[1]=CurrentT%10;
if(display_digit[3]==0)
{
display_digit[3]=10;
np=0xfe;
if(display_digit[2]==0)
{
display_digit[2]=10;
np=0xfd;
}
}
for(i=0;i<30;i++)
{
P0=DSY_CODE[display_digit[0]];
P2=0xf7;
delay(t);
P2=0xff;
P0=(DSY_CODE[display_digit[1]])|0x80;
P2=0xfb;
delay(t);
P2=0xff;
P0=DSY_CODE[display_digit[2]];
P2=0xfd;
delay(t);
P2=0xff;
P0=DSY_CODE[display_digit[3]];
P2=0xfe;
delay(t);
P2=0xff;
if(ng)//如果为负数则在调整后的位置显示—
{
P0=0x40;
P2=np;
delay(t);
P2=0xff;
}
}
}
/**********************zhuchengxu**************/
void main (void)
{
IE=0x82;
TMOD=0x01;
TH0=-1000/256;
TL0=-1000%256;
TR0=0;
Hled=1;
Lled=1;
Set_Alarm_Temp_Value();
Read_Temperature();
delay(50000);
delay(50000);
while(1)
{
Read_Temperature();
if(ds18b20_ok)
{
if(halarm==1||lalarm==1)
TR0=1;
else
TR0=0;
Display_Temperature();
}
else
{
P0=P2=0x00;
}
}
}
/**********************报警中断服务程序******/
void T0_INT() interrupt 1
{
TH0=-1000/256;
TL0=-1000%256;
beep=!beep;
if(++Time0_Count==400)
{
Time0_Count=0;
if(halarm)
Hled=~Hled;
else Hled=1;
if(lalarm)
Lled=~Lled;
else Lled=1;
}
}
主程序
主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图7所示。
图7 主程序流程图 图8读温度流程图
读出温度子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图8示
图9 温度转换流程图
心得与体会
经过一周的单片机课程设计，终于完成了我们的数字温度计课程设计，虽 然课程设计做的不是特别好，但从心底里说，还是高兴的，因为我们收获了很多很多，这些在平常的学习当中是收获不到的，但高兴之余不得不静下来深思！
在本次课程设计的过程中，让我学到了很多、长进了很多，单片机课程设计的重点在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过一些程序，但觉的要写好一个程序并不是一件简单的事，所以我们只能不断的调试不断的修改才能把程写的更好。所以得出结论是：有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握，实践才是硬道理，实践是检验真理的唯一标准。
通过这次的课程设计，我们真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，这样我们才能更好的理解、掌握这些知识，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。
通过这次对数字温度计的设计与制作，让我们了解了设计电路的程序，也让我们了解了关于数字温度计的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，在实际接线中有着各种各样的条件制约着。并且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。
从这次的课程设计中，我真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识应用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。