毕业设计（论文）基于DS18B20的便携式数字温度计的设计

1、目 录摘要前言第1章 方案论证( 4 ) 1.1 单片机的选用( 4 )1.2 显示接口的选定( 4 )1.3 驱动方案的选定( 4 )第2章 硬件结构( 5 )2.1 ds18b20的介绍及工作原理( 5 )2.1.1 ds18b20简介( 5 )2.1.2 ds18b20的内部结构( 5 )2.1.3 ds18b20的测温过程( 7 )2.1.4 单线总线系统( 7 )2.2 at89c2051单片机的介绍(10)2.3 74ls244的介绍(11)2.4 7406的介绍(12)2.5七段led数码显示器的介绍(12)第3章 硬件控制电路设计(13) 第4章 软件控制程序的设计(14) 第

2、5章 电路板的制作与调试(17) 5.1 注意事项(17) 5.2 绘制电路原理图和pcb板(17)5.3 焊接(17)5.4 调试(17)第6章 总结(18)致谢(19)参考文献(20)附录 摘 要 随着现代化生产和科学研究的发展，人们对温度过程控制的要求越来越高。文章介绍以单片机at89c2051为核心的智能温度控制系统。它使用一线制数字温度传感器ds18b20采集温度，与传统测温装置相比，具有结构简单、测温精度高、应用面广等特点。另外,系统还扩展了和上位计算机的串行通信，实现远程监控。整个系统不但成本低廉、而且使用和扩展方便，可广泛应用于人们日常生活、工农业生产和科学研究领域,为广泛深入

3、应用提供了借鉴。 关键词: at89c2051单片机；ds18b20；led动态显示；温度；测量abstractwith the development of moden industry and science research, it is higher of the demand of temperature controlling. the article introduces the intellectual temperature control system based on single chip microcomputer of at89c2051. it makes use

4、 of 1-wire digital temperature sensor of ds18b20 to collect temperature.compared with the traditional measuring system, it features simple construction, accurate measuring and wide application. in addition, it develops serial communication of pc, achieves long-distance monitor and control. this syst

5、em is low-cost and convenient to use. it can apply to peoples daily life, scientific research and industrial and agricultural production.keyword: at89c2051；ds18b20；led display panel；temperature；examined前 言 随着科学技术的不断进步与发展，温度控制在工业控制、电子测温计、医疗仪器、家用电器等各种温度控制系统中广泛应用。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成向智能化、网络化的方向飞速

6、发展，其中以美国dallas公司生产的ds18b20数字温度传感器为代表。ds18b20是一种单总线（1-wrie）数字温度传感器,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理，在一条总线上可挂接多个ds18b20芯片，微处理器只需1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。 本文介绍以at89c2051单片机为控制核心，由数字温度传感器ds18b20组成的测温系统进行温度测量，用七段数码管led实时显示温度。 第一章 方案论证1.1 单片机的选用 单片机作为控制ds18b20温度测量以及led显示的中央处理单元，担负着重要的任务，所以对单片机的

7、选择十分的重要。现在利用率比较高的主要是mcs-51系列单片机和at89c51系列的单片机，at89c51单片机是一款低损耗、高性能、cmos8位微处理器，片内有4kb在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除，数据保存时间为10年。它与mcs-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全替代mcs-51系列单片机，而且能使系统具有许多mcs-51系列单片机没有的功能。at89c51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，提高系统可靠性，降低成本。可用5v电压编程，而且擦写时间仅需10ms，适合于许多嵌入式控制领域。工作电压范围为2.7v6.0v，全静态工作，工作频宽为d

8、c24mhz内。另外，at89c51还具有mcs-51系列单片机的所有优点，具有1288字节内部ram，32位双向输入输出线，2个16位定时/计时器，5个中断源，2个中断优先级，1个全双工异步串行口及时钟发生器等。基于以上mcs-51与at89c51的比较，以及at89c2051除i/o端口数较少之外，其他结构部件基本与 at89c2051差不多，我的设计选用at89c2051单片机。 1.2 显示接口的选定1. 静态显示接口 在静态软件译码显示接口下，每一位led数码显示器的驱动电路相对独立，当需要n位显示时就必须有n个驱动电路，所以硬件资源占用较多。 2.动态扫描显示接口所谓动态动态显示，

9、就是在多位led数码显示器的应用中，由于受到动态扫描显示硬件结构的限制，在某一瞬间只有一位led数码显示器被点亮，当要点亮下一位led数码显示块时，当前被点亮的led数码块必须熄灭后才能显示下一位，依次逐位显示完全内容后又开始新的一轮显示，如此周而复始的不断刷新。当扫描刷新频率达到适当值时，我们的眼睛就感觉不到显示器是一位一位被点亮的，而看到的是稳定的清晰地显示，这就是人的“视觉暂留效应”所产生的效果。基于了解静态接口显示和动态接口显示的特点，再结合我毕业设计的要求我选择采用动态扫描显示接口。1.3驱动方案的选定在我的毕业设计中，我选用74ls244用于段信号的驱动，选用7406用于位信号的驱

10、动。由于每个发光二极管均有其额定工作电流（510ma）,所以实际使用时在每个发光二极管回路中接限流电阻，使其工作在额定电流范围内。第二章 硬件结构2.1 ds18b20的介绍及工作原理2.1.1 ds18b20简介 ds18b20是美国dallas半导体公司继ds1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。它具有以下10种特性: (1) 独特的单线接口方式: ds18b20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。 (2) 在使用中传送串行数据，不需要任何外部元件。 (3) 可用数据线或外部电源供电，电压范围: +3.0v+5.5v。 (4) 测温范围:-5

11、5+125，-10+85时测量精度为0.5。 (5) 通过编程可实现912位的数字读数方式，在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。 (6) 用户可自设定非易失性的报警上下限值，一旦测量温度超过此设定值,即可给出一报警标志。(7) 支持多点组网功能,多个ds18b20可以并联在惟一的总线上, 实现多点测温。(8) 每片ds18b20上有唯一的64bit识别码,可轻松组建分布式温度测量网络。 (9)零功耗等待。 (10)应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。2.1.2 ds18b20的内部结构 （1）ds18b20的封装有3脚、6脚和8脚三种方式，如

12、图所示三脚形式。其中dq为数字信号输入/输出端，gnd为电源地，vdd为外接供电电源输入端。 （2）ds18b20内部结构如图2所示。它主要由64位光刻rom、温度传感器、非易失性温度报警触发器th和tl、配置寄存器四部分组成。 64位激光rom 每只ds18b20都有一个唯一的长达64位的编码，最前面8位是单线系列编码，下面48位是一个唯一的序列号，最后8位是以上56位的crc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。温度传感器 ds18b20中的温度传感器可完成对温度的测量，温度以16bit带符号位扩展的二进制补码形式给出

13、，数据通过单线接口以串行方式传输。高速暂存存储器 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 eepram。后者用于存储th,tl值。数据先写入ram,经校验后再传给eepram。高速暂存存储器是一个9字节的存储器，前两个字节包含测得的温度信息，第3、4个字节是th和tl，是易失性的，每次上电复位时被刷新，第5个字节是配置寄存器的临时复制，每次上电复位时被刷新，第6、7、8个字节未用，第9个字节读出的是前面所有8个字节的crc码，可用来确保通信正确。 配置寄存器 配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节,他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。crc发生器d

14、s18b20中有八位crc存储在64位rom的最高有效字节中。2.1.3 ds18b20的测温过程 ds18b20通过一种片上温度测量技术来测量温度。下图给出了测量温度的方框图。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用来向计数器1提供固定频率的脉冲信号。高温度系数晶振的振荡频率受温度影响较大,随温度的变化而明显改变,其产生的信号作为计数器2的脉冲输入,用于控制闸门的关闭时间。初态时,计数器1和温度寄存器被预置在与-55 相对应的一个基值上。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,在计数器2控制的闸门时间到达之前,如果计数器1的预置值减到0,则温度寄存器的值将作加1运算,与此同

15、时,用于补偿和修正测温过程中非线性的斜率累加器将输出一个与温度变化相对应的计数值,作为计数器1的新预置值,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控制的闸门时间到达亦即计数到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。ds18b20完成一次温度转换后，就拿温度值和存储在th和tl中的值进行比较。如果测得的温度高于th或低于tl，器件内部就会置位一个报警标志。每进行一次测温就对这个标志进行一次更新。2.1.4 单线总线系统 单线总线系统包括一个总线控制器和一个或多个从机。ds18b20是从机。关于这种总线分三个题目讨论：硬件结构、执行序

16、列和单线信号。 单线总线只有一条定义的数据线，重要的是每一个挂在总线上的器件都能驱动它。为此每一个总线上的器件都必须是漏极开路或三态输出。ds18b20的单总线端口是漏极开路式的。一个多点总线有一个单线总线和多个挂与其上的从机构成。单线总线需要一个5k的上拉电阻。 单线总线的空闲状态是高电平。无论任何理由需要暂停某一执行过程时，如果还想恢复执行的话，总线必须停留在空闲状态。在恢复期间，如果单线总线处于非活动状态，位与位之间的恢复时间可以无限长。如果总线停留在低电平超过480us,总线上所有的器件都将被复位。执行序列 通过单线总线端口访问ds18b20的协议如下： 初始化 rom操作命令 存储器

17、操作命令 执行/数据初始化 通过单线总线上的所有执行都从一个初始化命令开始。初始化序列包括一个由总线控制器发出的复位脉冲和跟有其后由从机发出的存在脉冲。rom操作指令 一旦总线控制器探测到一个存在脉冲，它就可以发出5个rom命令中的任一个。read rom 这个命令允许总线控制器读到ds18b20的8位系列编码、唯一的序列号和8位crc码。只有在总线上存在单只ds18b20的时候才能使用这个命令。如果总线上不止一个从机，当所有从机试图同时传送信号时就会发生数据冲突。match rom 匹配rom命令，后跟64位rom序列，让总线控制器在多点总线上定位一只特定的ds18b20.只有和64位rom

18、序列完全匹配的ds18b20才能响应随后的存储器操作命令。所有和64位序列不匹配的从机都将等待复位脉冲。这条命令在总线上有单个或多个器件时都可以使用。skip rom 这个命令允许总线控制器不用提供64位rom编码就用存储器操作命令，在单点总线情况下用以节省时间。如果总线上不止一个从机，在skip rom命令之后跟着发一条读命令，由于多个从机同时传送信号，总线上就会发生数据冲突。search rom 当一个系统初次启动时，总线控制器可能并不知道单线总线上有多少器件或它们的64位rom编码。搜索rom命令允许总线控制器用排除法识别总线上所有从机的64位编码。alarm rom 这条命令的流程图和

19、search rom相同。然而，只有在最近一次测温后遇到符合报警条件的情况，ds18b20才会响应这条命令。报警条件定义为高于th或低于tl。只要ds18b20不掉电，报警状态将一直保持，直到下一次测得的温度值达不到报警条件。i/o信号 ds18b20需要严格的协议以确保数据的完整性。协议包括集中单线信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。和ds18b20间的任何通讯都需要以初始化序列开始，初始化序列如图所示 总线控制器（tx）发出一个复位脉冲，然后释放总线，进入接收状态（rx）。单线总线由5k上拉电阻拉到高电平。探测到i/o引

20、脚上的上升沿以后，ds18b20等待1560us,然后发出存在脉冲。存储器操作命令write scratchpad 这个命令向ds18b20的暂存器中写入数据，开始位置在地址2.接下来写入的两个字节将被存到暂存器中的地址位置2和3.可以在任何时刻发出复位命令来中止写入。read scratchpad 这个命令读暂存器中的内容。读取将从字节0开始，一直进行下去，直到第9字节读完。如果不想读完所有字节，控制器可以在任何时间发出复位命令来中止读取。copy scratchpad 这个命令将暂存器中的内容拷贝到ds18b20的eeprom存储器中，即把温度报警触发字节存入非易失性存储器里。如果总线控制

21、器在这条命令之后跟着发出读时间隙，而ds18b20又忙于把暂存器拷贝到eeprom存储器，ds18b20就会输出一个“0”，如果拷贝结束的话，ds18b20则输出“1”。convert t 这条命令启动一次温度转换而无需其他数据。温度转换命令被执行，而后ds18b20保持等待状态。如果总线控制器在这条命令之后跟着发出读时间隙，而ds18b20又忙于做时间转换的话，ds18b20将在总线上输出“0”，若温度转换完成，则输出“1”。recall e2 这条命令将报警触发器里的值拷回暂存器。这种拷回操作在ds18b20上电时自动执行，这样器件一上电暂存器中马上就存在有效的数据了。若在这条命令之后发出

22、读时间隙，器件会输出温度转换忙的标识：“0”=忙，“1”=完成。read power supply 若把这条命令发给ds18b20后发出读时间隙，器件会返回它的电源模式：“0”=寄生电源，“1”=外部电源。写时间隙 在主机对ds18b20写数据( 主机对ds18b20发送各种命令)时, 先将数据线激发为低电平,该低电平应大于1s。然后根据写“1”或写“0”来使数据线变高或继续为低。ds18b20将在数据线变成低电平后15s60s对数据线进行采样。要求写入ds18b20的数据持续时间应大于60s而小于120s,两次写数据之间的时间间隔应大于1s。写时隙的时序如图3所示: 读时间隙 当主机从ds1

23、8b20读数据时,主机先向数据线激发出低电平,然后释放,以使数据线再升为高电平。ds18b20在数据线从高电平变为低电平的15s内将数据送到数据线上。主机可在15s后读取数据线以获得数据。其时序图如图4所示 2.2 at89c2051单片机的介绍 at89c2051单片机是89系列中的抵挡型产品，有20条引脚，由于该单片机体积小，能适应宽电压范围工作，所以特别适合于低功耗便携式的仪器。下面介绍一下它的引脚功能。p1口：p1口是一个8位准双向i/o端口，其输出缓冲器可吸收20ma电流，因此能以灌电流的方式直接驱动led显示，当p1口作为输入口时，必须先对其写“1”。p3口：p3口只有7位（p3.

24、0p3.5,p3.7）。p3口是内部带有上拉电阻的准双向i/o端口。p3.6用于固定片内模拟比较器的输出信号。因为无引脚输出固不可用指令进行访问。rst：复位端vcc:电源电压输入gnd：地由于at89c2051不能进行外扩数据存储器的扩展，因此movx类指令不能使用。2.3 74ls244的介绍 74ls244在此作为驱动器来使用，驱动led的段信号。如上图所示74ls244的引脚图，从扩展的输入口输入数据可以用下面两条指令完成： mov dptr ， #7fffh movx a ， dptr2.4 7406的介绍 7406是集电极开路输出的六相反向驱动器，其主要电特性的典型值如下： tpl

25、h : 10nstphl : 15ns pd : 15.5mw 其引脚图为： 2.5七段led数码显示器的介绍 led数码显示器是有发光二极管组成的显示字段的显示器件。这种显示器分为共阴极和共阳极两种形式，在本设计中，我采用的是共阴极形式。所谓共阴极led数码显示是指所有发光二极管的阴极连在一起，形成该模块的公共端。 通常七段led数码显示器有8个发光二极管，其中七个发光二极管构成一个“8”，一个发光二极管用于显示小数点，这8个笔段分别用ah表示。 第3章 硬件控制电路设计 本系统以ds18b20作为温度传感器,atmel公司的简化型8051单片机at89c2051作为处理器,配以温度显示、蜂

26、鸣器作为温度控制输出单元。整个系统力求结构简单,功能完善。硬件电路如图所示。系统工作原理如下:ds18b20进行现场温度测量,将测量数据送入at89c2051 p3.0口,经单片机处理后显示温度值,并与设定的报警温度上、下限值比较,若高于设定上限值或低于设定下限值则蜂鸣器发出报警。通过io接口芯片的74ls244和7406分别控制4块7段led显示的段码和位码。 】第4章 软件控制程序的设计在该软件控制程序中，其流程图如下：开始初始化调用ds18b20子程序调温度数据处理子程序所测温度是否超过限定值设置报警标志 y n调用led显示子程序打开报警，设置延时参数是否存在报警标志 n y关掉报警是

27、否到达延时时间y n n y yn n 主程序流程图时时间 y n 主程序流程图 开始初始化ds18b20 写跳过rom命令写启动温度转换命令延时初始化ds18b20写跳过rom命令写读数据命令读取温度数据 ds18b20温度采集子程序 开始开始设置循环次数为2设置循环次数为8 指定低8位存放地址a待写命令字节存放入累加器a带进位循环右移一位设置循环次数为8cy=0？总线置1（p3.0），延时19微秒 n y 读数据,循环移1位 y写0时隙操作写1时隙操作延时循环8次？ 移完？ n n y y保存数据，调整地址指针结束 写命令子程序w-id 读完？ n y 结束 读命令子程序r_id第5章 电

28、路板的制作与调试5.1 注意事项1. 绘制原理图和pcb时走线要尽量整齐漂亮。2. 焊接和调试时注意用电安全，在进行集成电路和其它元器件的插拔前必须切除电源。3. 焊接时注意元器件的引脚，避免折断。5.2 绘制电路原理图和pcb板根据设计好的原理和选好的元器件，用protel绘制原理图和pcb板，尽量做到布局简单巧妙，走线整齐漂亮。5.3 焊接焊接是整个电路过程中重要的环节之一。线路板材料的好坏，焊接水平的高低等等都将影响到电路的正常工作。因此必须认真对待每个环节，注意一系列细节问题，尽量避免出错。以下是在焊接过程中的所得：1. 元器件的焊接技巧由于焊接的经验不多，所以在焊接中部分集成块的插座焊的不平，在老师的指导下我们先焊对角再慢慢调整。2. 走线由于某些原因，部分元器件需要用