1、單片機(jī)原理及應(yīng)用 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)題 目： DS18B20數(shù)字溫度計(jì)姓名學(xué)號(hào)：20133522080 趙曉磊 20130123096 段石磊 20133522028 付 成指導(dǎo)老師： 萬(wàn)青 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2015年12月 電子與信息工程學(xué)院目 錄1.引 言11.1.設(shè)計(jì)意義11.2.系統(tǒng)功能要求12.方案設(shè)計(jì)13.硬件設(shè)計(jì)24.軟件設(shè)計(jì)55.系統(tǒng)調(diào)試76.設(shè)計(jì)總結(jié)87.附 錄98.作品展示159.參考文獻(xiàn)17DS18B20數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)1. 引 言1.1. 設(shè)計(jì)意義在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常要用到溫度的檢測(cè)及控制，傳統(tǒng)的測(cè)溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)

2、的溫度，需要比較多的外部硬件支持。其缺點(diǎn)如下： 硬件電路復(fù)雜； 軟件調(diào)試復(fù)雜； 制作成本高。本數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測(cè)元件，測(cè)溫范圍為-55125，最高分辨率可達(dá)0.0625。DS18B20可以直接讀出被測(cè)溫度值，而且采用三線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的熱點(diǎn)。1.2. 系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)出的DS18B20數(shù)字溫度計(jì)測(cè)溫范圍在-55125，誤差在0.5以內(nèi)，采用LED數(shù)碼管直接讀顯示。2. 方案設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，確定系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成：主控制器、測(cè)溫電路和顯示電路。數(shù)字

3、溫度計(jì)總體電路結(jié)構(gòu)框圖如4.1圖所示：AT89C2051主控制器DS18B20顯示電路掃描驅(qū)動(dòng) 圖4.13. 硬件設(shè)計(jì)溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)原理圖如下圖所示，控制器使用單片機(jī)AT89C2051，溫度傳感器使用DS18B20，使用四位共陽(yáng)LED數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)溫度顯示。主控制器 單片機(jī)AT89C2051具有低電壓供電和小體積等特點(diǎn)，兩個(gè)端口剛好滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用。系統(tǒng)可用兩節(jié)電池供電。AT89C2051的引腳圖如右圖所示： 1、VCC：電源電壓。2、GND：地。 3、P1口：P1口是一個(gè)8位雙向I/O口。口引腳P1.2P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1

4、要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(ANI0)和反相輸入(AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收 20mA電流并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示。當(dāng)P1口引腳寫(xiě)入“1”時(shí)，其可用作輸入端，當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時(shí)，它們將因內(nèi)部的寫(xiě)入“1”時(shí)，其可用作輸入端。當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時(shí)，它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流。 4、P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻 的七個(gè)雙向I/O口引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問(wèn)。P3口緩沖器可吸收20mA電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1

5、”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí)，被外部拉低的P3口腳將用上拉電阻而流出電流。 5、RST：復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，持續(xù)給出RST引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需12個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。 6、XTAL1：作為振蕩器反相器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 7、XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 總線驅(qū)動(dòng)器 74LS24474LS244為3態(tài)8位緩沖器，一般用作總線驅(qū)動(dòng)器。引腳圖見(jiàn)上圖。顯示電路 顯示電路采用4位共陽(yáng)極LED數(shù)碼管，從P1口輸出段碼，列掃描用P3.0P3.3口來(lái)實(shí)現(xiàn)，列驅(qū)動(dòng)用8

6、055三極管。溫度傳感器 DS18B20DS18B20的性能特點(diǎn)：1、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 2、獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 3、 DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。 4、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 5、溫范圍55+125，在-10+85時(shí)精度為0.5。 6、可編程 的分辨率為912位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0

7、.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。 7、在9位分辨率時(shí)最多在 93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。8、測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一線總線串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。9、負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。DS18B20與單片機(jī)的接口電路（引腳圖見(jiàn)右圖）DS18B20可以采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的第1 腳接地，第2腳作為信號(hào)線，第3腳接電源。 4. 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序和顯示數(shù)據(jù)刷

8、新子程序等。 4.1 主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測(cè)量溫度值。溫度測(cè)量每1s進(jìn)行一次。主程序流程圖如圖4.1所示。 4.2 讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)。在讀出時(shí)必須進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不能進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫(xiě)。讀出溫度子程序流程圖如下圖所示： 初始化 調(diào)用顯示子程序 1s到?初次上電 讀出溫度值 溫度計(jì)酸處理 顯示數(shù)據(jù)刷新 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令 讀出溫度子程序 讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)。在讀出時(shí)須進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫(xiě)。得出溫度子程序流程圖如下圖所示。發(fā)DS18B20復(fù)位

9、指令CRC校驗(yàn)正確？ 發(fā)跳過(guò)ROM指令移入溫度暫存器發(fā)讀取溫度指令 結(jié)束讀取操作，CRC校驗(yàn) 9字節(jié)完？ 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令。當(dāng)采用12位分辨率時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為750ms。在本程序設(shè)計(jì)中，采用1s顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如下圖所示。 發(fā)DS18B20復(fù)位命令 發(fā)跳過(guò)ROM命令 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令 結(jié)束 計(jì)算溫度子程序 計(jì)算溫度子程序?qū)AM中讀取值進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定。計(jì)算溫度子程序流程圖如下左圖所示.現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)刷新子程序 現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對(duì)顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高數(shù)據(jù)顯

10、示位為0時(shí)，將符號(hào)顯示位移入下一位。現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖如下右圖所示.溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器 開(kāi)始計(jì)算小數(shù)位溫 度BCD值十位數(shù)0？溫度零下？計(jì)算整數(shù)位溫 度BCD值百位數(shù)0？置+標(biāo)志溫度值取補(bǔ)碼置一標(biāo)志百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)（不顯示符號(hào)）十位數(shù)顯示符號(hào)百位數(shù)不顯示結(jié)束 結(jié)束 5. 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試以程序調(diào)試為主。硬件調(diào)試比較簡(jiǎn)單，首先檢查電感的焊接是否正確，然后可用萬(wàn)用表測(cè)試或通電檢測(cè)。軟件調(diào)試可以先編寫(xiě)顯示程序并進(jìn)行硬件的正確性檢驗(yàn)，然后分別進(jìn)行主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序和現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)刷新子程序等的編程及調(diào)試由于DS18B20與單片機(jī)采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，對(duì)DS

11、18B20進(jìn)行讀/寫(xiě)編程時(shí)必須嚴(yán)格地保證讀/寫(xiě)時(shí)序；否則將無(wú)法讀取測(cè)量結(jié)果。本程序采用單片機(jī)匯編或C語(yǔ)言編寫(xiě)用Wave3.2或Keil C51編譯器編程調(diào)試。軟件調(diào)試到能顯示溫度值，并且在有溫度變化時(shí)顯示溫度能改變，救基本完成。性能測(cè)試可用制作的溫度機(jī)和已有的成品溫度計(jì)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量比較。由于DS18B20的精度很高，所以誤差指標(biāo)可以限制在0.5以內(nèi)。另外，-55+125的測(cè)溫范圍使得該溫度計(jì)完全適合一般的應(yīng)用場(chǎng)合，其低電壓供電特性可做成用電池供電的手持溫度計(jì)。DS18B20溫度計(jì)還可以在高低溫報(bào)警、遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測(cè)溫控制等方面進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下問(wèn)題；1、DS18B20工作時(shí)電流

12、高大1.5mA，總線上掛接點(diǎn)數(shù)較多且同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)要考慮增加總線驅(qū)動(dòng)，可用單片機(jī)端口在溫度轉(zhuǎn)換時(shí)導(dǎo)通一個(gè)MOSFET供電。2、連接DS18B20的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的，因此在用DS18B20進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配等問(wèn)題。3、在DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號(hào)。一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀DS18B20時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)要給予一定的重視。6. 設(shè)計(jì)總結(jié)歷時(shí)2個(gè)星期的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束了，在這兩個(gè)星期的時(shí)間里

13、，我們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下完成了基于DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)和制作。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，我們了解并熟悉DS18B20、AT89C2051以及74LS244的工作原理和性能。并且通過(guò)溫度計(jì)的制作，我們將電子技能實(shí)訓(xùn)課堂上學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行運(yùn)用，并在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，更加增加對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也遇到了一些問(wèn)題。比如最開(kāi)始根據(jù)課本上的電路圖進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)布局和布線。有些同學(xué)的布局不合理，導(dǎo)致焊接的過(guò)程中任務(wù)相當(dāng)繁重，并且不美觀。在之后的燒程序調(diào)試的時(shí)候，出現(xiàn)問(wèn)題之后，沒(méi)有合理布線的同學(xué)在查找問(wèn)題的過(guò)程中相當(dāng)棘手。在焊接過(guò)程中，出現(xiàn)最多的就是虛焊問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，在焊

14、接的過(guò)程中，我盡量依照書(shū)中的指導(dǎo)，盡量將焊點(diǎn)焊成水滴狀，最后接電后再根據(jù)數(shù)碼管的顯示情況進(jìn)行逐個(gè)排查。在將程序燒到單片機(jī)之后，接上電源，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管沒(méi)有出現(xiàn)正常的“000.0”，而是出現(xiàn)了“666.6”，在檢查線路無(wú)誤之后，和其他的同學(xué)討論之后得出結(jié)論：書(shū)中程序是對(duì)于單片機(jī)、電阻及數(shù)碼管是直接連接而設(shè)計(jì)的，而在加入了74LS244之后，要將8個(gè)輸入輸出端口進(jìn)行掉序。于是，我便將8個(gè)端口進(jìn)行調(diào)換，之后再次接通電源，數(shù)碼管顯示“000.0”，調(diào)試成功。在自己的溫度計(jì)制作完成之后，我還幫助其他沒(méi)有完成的同學(xué)進(jìn)行檢修，并且成功幫助2位同學(xué)找到問(wèn)題進(jìn)行解決，最后都調(diào)試成功。總之，在這2個(gè)星期中，通過(guò)自己在

15、實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手制作數(shù)字溫度計(jì)，不僅將課本的知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，而且在實(shí)踐中更加深入了解書(shū)中原本抽象的知識(shí)。這也是整個(gè)課程設(shè)計(jì)中最有收獲的地方。7. 附 錄源程序代碼/*/ / DS18B20溫度計(jì)C程序/ 2005.2.28通過(guò)調(diào)試/*/使用AT89C2051單片機(jī)，12MHZ晶振，用共陽(yáng)LED數(shù)碼管/P1口輸出段碼，P3口掃描/#pragma src(d:aa.asm)#include reg51.h#include intrins.h /_nop_();延時(shí)函數(shù)用#define Disdata P1 /段碼輸出口#define discan P3 /掃描口#define uchar unsign

16、ed char#define uint unsigned intsbit DQ=P37; /溫度輸入口sbit DIN=P10; /LED小數(shù)點(diǎn)控制uint h;/*溫度小數(shù)部分用查表法*/Uchar code ditab16=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09uchar code dis_712=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff,0xbf;/* 共陽(yáng)LED段碼表 0 1 2 3 4 5 6 7

17、8 9 不亮 - */ uchar code scan_con4=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7; / 列掃描控制字uchar data temp_data2=0x00,0x00; / 讀出溫度暫放uchar data display5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/顯示單元數(shù)據(jù),共4個(gè)數(shù)據(jù),一個(gè)運(yùn)算暫存用/*11微秒延時(shí)函數(shù)*/void delay(uint t)for(;t0;t-);/*顯示掃描函數(shù)*/scan()char k; for(k=0;k0; i-) /DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ = 0;_nop_();_nop_();_no

18、p_();_nop_();_nop_();/5usDQ = val&0x01; /最低位移出delay(6); /66usval=val/2; /右移一位DQ = 1;delay(1); /*18B20讀1個(gè)字節(jié)函數(shù)*/從總線上讀取一個(gè)字節(jié)uchar read_byte(void)uchar i;uchar value = 0;for (i=8;i0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_();value=1;DQ = 0; /_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4usDQ = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4us

19、if(DQ)value|=0x80;delay(6); /66usDQ=1;return(value);/*讀出溫度函數(shù)*/read_temp()ow_reset(); /總線復(fù)位write_byte(0xCC); / 發(fā)Skip ROM命令write_byte(0xBE); / 發(fā)讀命令temp_data0=read_byte(); /溫度低8位temp_data1=read_byte(); /溫度高8位ow_reset();write_byte(0xCC); / Skip ROMwrite_byte(0x44); / 發(fā)轉(zhuǎn)換命令/*溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)*/work_temp()uchar n=0; /if(temp_data1127) te