DS18B20数字温度计设计实验报告

单片机原理及应用 课程设计报告书

题 目: DS18B20数字温度计

姓名学号:

指导老师: 万青

设计时间: 2015年12月

电子与信息工程学院

目 录

1.

1.1.

1.2. 引 言 ............................................................................................................................. 3 设计意义 ................................................................................................................ 3 系统功能要求 ....................................................................................................... 3

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

方案设计 ..................................................................................................................... 4 硬件设计 ..................................................................................................................... 2 软件设计 ..................................................................................................................... 5 系统调试 ..................................................................................................................... 7 设计总结 ..................................................................................................................... 8 附 录 ............................................................................................................................. 9 作品展示 ................................................................................................................... 15 参考文献 ................................................................................................................... 17

DS18B20数字温度计设计

1. 引 言

1.1. 设计意义

在日常生活及工农业生产中,经常要用到温度的检测及控制,传统的测温元

件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压,再转换成对应的

温度,需要比较多的外部硬件支持。其缺点如下:

● 硬件电路复杂;

● 软件调试复杂;

● 制作成本高。

本数字温度计设计采用美国DALLAS 半导体公司继DS1820之后推出的一种改

进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件,测温范围为-55~125℃,最高分辨

率可达0.0625℃。

DS18B20可以直接读出被测温度值,而且采用三线制与单片机相连,减少了

外部的硬件电路,具有低成本和易使用的热点。

1.2. 系统功能要求

设计出的DS18B20数字温度计测温范围在-55~125℃,误差在±0.5℃以内,

采用LED 数码管直接读显示。

2. 方案设计

按照系统设计功能的要求,确定系统由3个模块组成:主控制器、测温电

路和显示电路。

数字温度计总体电路结构框图如4.1图所示:

图4.1

3. 硬件设计

温度计电路设计原理图如下图所示,控制器使用单片机AT89C2051,温度传

感器使用DS18B20,使用四位共阳LED 数码管以动态扫描法实现温度显示。

主控制器 单片机AT89C2051

具有低电压供电和小体积等特点,

两个端口刚好满足电路系统的设计需

要,很适合便携手持式产品的设计使用。系统可用两节电池供电。AT89C2051的

引脚图如右图所示:

1、VCC :电源电压。

2、GND :地。

3、P1口:P1口是一个8位双向I/O口。口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉

电阻,P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟

比较器的同相输入(ANI0)和反相输入(AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收

20mA 电流并能直接驱动LED 显示。当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端,

当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的写入“1”时,其

可用作输入端。当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上

拉电阻而流出电流。

4、P3口:P3口的P3.0~P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻 的七个双向I/O

口引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚

而不可访问。P3口缓冲器可吸收20mA 电流。当P3口写入“1”时,它们被内部

上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时,被外部拉低的P3口脚将用上拉电

阻而流出电流。

5、RST :复位输入。RST 一旦变成高电

平所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器

正在运行时,持续给出RST 引脚两个机器周

期的高电平便可完成复位。每一个机器周期

需12个振荡器或时钟周期。

6、XTAL1:作为振荡器反相器的输入和

内部时钟发生器的输入。

7、XTAL2:作为振荡器反相放大器的输出。

总线驱动器 74LS244

74LS244为3态8位缓冲器,一般用作总线驱动器。引脚图见上图。

显示电路

显示电路采用4位共阳极LED 数码管,从P1口输出段码,列扫描用P3.0

P3.3口来实现,列驱动用8055三极管。

温度传感器 DS18B20

DS18B20的性能特点:

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。DS18B20与单片机的接口

电路(引脚图见右图)

DS18B20可以采用电源供电方式,此时DS18B20

的第1 脚接地,第2脚作为信号线,第3脚接电源。

4. 软件设计

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

度子程序和显示数据刷新子程序等。

4.1 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的测量温度

值。温度测量每1s 进行一次。主程序流程图如图4.1所示。

4.2 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。在读出时必须进行CRC

校验,校验有错时不能进行温度数据的改写。读出温度子程序流程图如下图所示:

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

读出时须进行CRC 校验,校验有错时不进行温度数据的改写。得出温度子程序流

程图如下图所示。

温度转换命令子程序 温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令。当

采用12位分辨率时,转换时间约为750ms 。在本程序设计中,采用1s 显示程序

延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如下图所示。

计算温度子程序 计算温度子程序将RAM 中读取值进行BCD 码的转换运算,

并进行温度值正负的判定。计算温度子程序流程图如下左图所示.

现实数据刷新子程序 现实数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示

数据进行刷新操作,当最高数据显示位为0时,将符号显示位移入下一位。现实

数据刷新子程序流程图如下右图所示.

5. 系统调试

系统的调试以程序调试为主。

硬件调试比较简单,首先检查电感的焊接是否正确,然后可用万用表测试或

通电检测。

软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验,然后分别进行主程

序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序和现实数据刷新子

程序等的编程及调试

由于DS18B20与单片机采用串行数据传送,因此,对DS18B20进行读/写编

程时必须严格地保证读/写时序;否则将无法读取测量结果。本程序采用单片机

汇编或C 语言编写用Wave3.2或Keil C51编译器编程调试。

软件调试到能显示温度值,并且在有温度变化时显示温度能改变,救基本完

成。

性能测试可用制作的温度机和已有的成品温度计同时进行测量比较。由于

DS18B20的精度很高,所以误差指标可以限制在0.5℃以内。

另外,-55~+125℃的测温范围使得该温度计完全适合一般的应用场合,其低

电压供电特性可做成用电池供电的手持温度计。

DS18B20温度计还可以在高低温报警、远距离多点测温控制等方面进行应用

开发,但在实际设计中应注意以下问题;

1、DS18B20工作时电流高大1.5mA ,总线上挂接点数较多且同时进行转换时

要考虑增加总线驱动,可用单片机端口在温度转换时导通一个MOSFET 供电。

2、连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的,因此在用DS18B20进行长距

离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配等问题。

3、在DS18B20测温程序设计中,向DS18B20发出温度转换命令后,程序总要等待DS18B20的返回信号。一旦某个DS18B20接触不好或断线,当程序读DS18B20时,将没有返回信号,程序进入死循环。这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时要给予一定的重视。

6. 设计总结

历时2个星期的单片机课程设计已经结束了,在这两个星期的时间里,我们在老师的指导下完成了基于DS18B20的数字温度计的设计和制作。在进行实验的过程中,我们了解并熟悉DS18B20、AT89C2051以及74LS244的工作原理和性能。并且通过温度计的制作,我们将电子技能实训课堂上学到的知识进行运用,并在实际操作中发现问题,解决问题,更加增加对知识的认识和理解。

在课程设计的过程中,也遇到了一些问题。比如最开始根据课本上的电路图进行合理的设计布局和布线。有些同学的布局不合理,导致焊接的过程中任务相当繁重,并且不美观。在之后的烧程序调试的时候,出现问题之后,没有合理布线的同学在查找问题的过程中相当棘手。

在焊接过程中,出现最多的就是虚焊问题。对于这个问题,在焊接的过程中,我尽量依照书中的指导,尽量将焊点焊成水滴状,最后接电后再根据数码管的显示情况进行逐个排查。

在将程序烧到单片机之后,接上电源,发现数码管没有出现正常的“000.0”,而是出现了“666.6”,在检查线路无误之后,和其他的同学讨论之后得出结论:书中程序是对于单片机、电阻及数码管是直接连接而设计的,而在加入了74LS244之后,要将8个输入输出端口进行掉序。于是,我便将8个端口进行调换,之后再次接通电源,数码管显示“000.0”,调试成功。

在自己的温度计制作完成之后,我还帮助其他没有完成的同学进行检修,并且成功帮助2位同学找到问题进行解决,最后都调试成功。

总之,在这2个星期中,通过自己在实验室动手制作数字温度计,不仅将课本的知识与实践相结合,而且在实践中更加深入了解书中原本抽象的知识。这也

是整个课程设计中最有收获的地方。

7. 附 录

源程序代码

/*********************************************************************/

//

// DS18B20温度计C 程序

// 2005.2.28通过调试

/*********************************************************************/

//使用AT89C2051单片机,12MHZ 晶振,用共阳LED 数码管

//P1口输出段码,P3口扫描

//#pragma src(d:\aa.asm)

#include "reg51.h"

#include "intrins.h" //_nop_();延时函数用

#define Disdata P1 //段码输出口

#define discan P3 //扫描口

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit DQ=P3^7; //温度输入口

sbit DIN=P1^0; //LED小数点控制

uint h;

//

//

//*******温度小数部分用查表法**********//

Uchar code ditab[16]={0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09}

uchar code

dis_7[12]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff,0xbf};

/* 共阳LED 段码表 "0" "1" "2" "3" "4" "5" "6" "7" "8" "9" "不亮" "-" */

uchar code scan_con[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7}; // 列扫描控制字 uchar data temp_data[2]={0x00,0x00}; // 读出温度暂放 uchar data display[5]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};//显示单元数据, 共4个数据, 一个运算暂存用

//

//

//

/***********11微秒延时函数**********/

//

void delay(uint t)

{

for(;t>0;t--);

}

//

/***********显示扫描函数**********/

scan()

{

char k;

for(k=0;k

{

Disdata=dis_7[display[k]];

if(k==1){DIN=0;}

discan=scan_con[k];delay(90);discan=0xff;

}

}

//

//

/***********18B20复位函数**********/

ow_reset(void)

{

char presence=1;

while(presence)

{

while(presence)

{

DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0; // delay(50); // 550us DQ=1; // delay(6); // 66us presence=DQ; // presence=0继续下一步

}

delay(45); //延时500us

presence = ~DQ;

}

DQ=1;

}

//

//

/**********18B20写命令函数*********/

//向 1-WIRE 总线上写一个字节

void write_byte(uchar val)

{

uchar i;

for (i=8; i>0; i--) //

{

DQ=1;_nop_();_nop_();

DQ = 0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//5us

DQ = val&0x01; //最低位移出

delay(6); //66us

val=val/2; //右移一位

}

DQ = 1;

delay(1);

}

//

/*********18B20读1个字节函数********/

//从总线上读取一个字节

uchar read_byte(void)

{

uchar i;

uchar value = 0;

for (i=8;i>0;i--)

{

DQ=1;_nop_();_nop_();

value>>=1;

DQ = 0; //

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); //4us

DQ = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); //4us

if(DQ)value|=0x80;

delay(6); //66us

}

DQ=1;

return(value);

}

//

/***********读出温度函数**********/

//

read_temp()

{

ow_reset(); //总线复位

write_byte(0xCC); // 发Skip ROM命令

write_byte(0xBE); // 发读命令

temp_data[0]=read_byte(); //温度低8位

temp_data[1]=read_byte(); //温度高8位

ow_reset();

write_byte(0xCC); // Skip ROM

write_byte(0x44); // 发转换命令

}

//

/***********温度数据处理函数**********/

work_temp()

{

uchar n=0; //

if(temp_data[1]>127)

{temp_data[1]=(256-temp_data[1]);temp_data[0]=(256-temp_data[0]);n=1;}//负温度求补码

display[4]=temp_data[0]&0x0f;display[0]=ditab[display[4]];

display[4]=((temp_data[0]&0xf0)>>4)|((temp_data[1]&0x0f)

display[1]=display[4]%100;

display[2]=display[1]/10;

display[1]=display[1]%10;

if(!display[3]){display[3]=0x0A;if(!display[2]){display[2]=0x0A;}}//最高位为0时都不显示

if(n){display[3]=0x0B;}//负温度时最高位显示"-"

}

//

//

/**************主函数****************/

main()

{

Disdata=0xff; //初始化端口

discan=0xff;

for(h=0;h

ow_reset(); // 开机先转换一次

write_byte(0xCC); // Skip ROM

write_byte(0x44); // 发转换命令

for(h=0;h

{scan();} //开机显示"8888"2秒

while(1)

{

read_temp(); //读出18B20温度数据

work_temp(); //处理温度数据

for(h=0;h

{scan();} //显示温度值2秒

}

}

//

//*********************结束**************************//

作品展示


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