基于DS18B20的温度检测系统-课程设计

《测控系统原理与设计》课程设计报告课题：温度检测系统班级物理系电三学号0941732509417322学生姓名罗柱、李亚成指导教师朱高峰2012年4月一、绪论1课题要求本设计要求系统测量的温度的点数为4个，测量精度为0.5℃，测温范围为-20℃～+80℃。采用液晶显示温度值和路数，显示格式为:温度的符号位,整数部分,小数部分,最后一位显示℃。显示数据每一秒刷新一次。二、总体方案设计基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成2.1方案介绍本该方案使用了AT89C51单片机作为控制核心,以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，采用多个温度传感器对各点温度进行检测，通过4×4键盘模块对正常温度进行设置显示电路采用128×64LCD模块，使用LM386作为报警电路中的功率放大器。如图2.1为系统总体框图。图2.1基于数字温度传感器测量系统框图本课题采用数字温度传感器DS18B20作为测为测温元件,它具有如下特点:（1）只要求一个端口即可实现通信。（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。（4）测量温度范围在－55C到＋125C之间。（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）内部有温度上、下限告警设置。三、硬件电路设计3.1测温电路单片机温度传感器温度传感器LCD显示电路集成功放报警器4×4键盘温度传感器DS18B20温度传感器温度传感器基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成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，它能直接读出北侧温度，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：①独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；②多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；③无须外部器件；④可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V；⑤零待机功能；⑥温度以9或12位数字量读出；⑦用户可定义的非易失性温度报警设置；⑧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；⑨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3.1所示。基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成图3.1DS18B20内部结构图64位ROM的位结构如图3.2所示。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。非易失性温度报警器触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。图3.264位ROM结构图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3.3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节是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工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如图3.4所示。低5位一直为1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要改动，R1和R0决定温度转换得精度位数，即用来设置分辨率，定义方法见表1。基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成图3.3高速暂存RAM结构图图3.4配置寄存器表1DS18B20分辨率的定义规定由表1可见,DS18B20温度转换的时间比较长,而且设定的分辨率越高,所需要的温度转换时间越长。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字节保存未用,表现为逻辑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。温度值格式如图3.5所示。图3.5温度数据值格式当符号位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基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成进制;当符号位S=1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码转换为原码,再计算十进制。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。表2DS18B20温度与测得值对应表在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码(CRC)。主机根据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ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理如图3.6所示。图中第温度系数晶振的震荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲送给减法计数器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就对低温度系数震荡器产生的时钟脉冲计数,进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数震荡器来决定,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,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所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的预置值将被重新装入,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就是所测温度值。图3.6中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形性,其输出用于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,直到温度寄存器值达到被预测值。另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成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ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。图3.6DS18B20测温原理图DS18B20与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式,此时DS18B20的1脚接地,2脚作为信号线,3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式,如图3.7所示.单片机端口接单线总线,为为保证有效DS18B20时钟周期内提供足够的电流,可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。图3.7DS18B20采用寄生电源的电路图当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线,因此发送接口必须是三态的。3.2键盘电路设计基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成3.2.1行列式键盘与单片机接口电路根据本设计需要，本系统采用了4×4键盘实现对温度值和功能键的设定。行列式键盘与单片机的接口电路如图3.8所示，H0-H3为行线，接单片机P2口的高4位，L0-L3为列线，接单片机P2口的低4位。初始化时键盘行线为高电平，列线为低电平。图3.84×4键盘结构3.2.2键盘面板键盘面板如图3.9所示,本系统使用的键盘有10数字键，5个功能按键。在系统启动时，先按“设置”键，然后按相应的数字键，按“左移”或者“右移”键改变其他温度的值。按“确认”键之后系统正式启动。系统在运行过程之中可以通过按“重新设置”键，对温度重新进行设置。0213设置确认右移左移重新设置987645基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成图3.9键盘面板3.3显示电路设计3.3.1LCD引脚分布及功能12864液晶显示屏共有20个引脚，其引脚名称及引脚编号的对应关系如图3.10所示：图3.1012864液晶显示模块引脚分布3.3.2单片机与图形液晶的接口电路LCD与单片机的接口电路如图3.11所示：图3.11LCD与单片机的接口电路3.4报警电路设计1234567891011121314151617181920VSSVDDVORSR/WEDB0DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1CS1CS2/RSTVEEAK基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成本系统设计中有报警器，使用LM386作为报警器的功率放大器，如图3.12所示。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。LM386的输入端接单片机的引脚P3.4，输出端接扬声器。当实际温度超过设置的温度值时，单片机引脚输出一定频率的信号，信号经过音频功放放大后，发出报警声。四、软件设计4.1主程序主程序先对系统资源进行初始化,调用LCD显示子程序，显示启动画面。然后进入键盘设置界面。当设置键按下后，开始设置各点的温度，设置完之后，如果确认键按下，则系统开始工作。首先调用DS18B20初始化子程序，再发送ROM命令,读取DS18B20转换的温度值。当读取的温度大于设置的温度值时,报警器开始报警,LCD显示温度的实际值、设置值、路数、状态。接下来对第二、三、四路温度进行采集，处理，显示。主程序流程如图4.1所示：图3.12报警器电路基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成初始化设置键按下?设置各点温度确认键按下?YN读取温度值温度值高于设置值调用LCD显示报警YN初始化命令发送ROM命令匹配第一路读取温度值温度值高于设置值调用LCD显示报警YN初始化命令发送ROM命令匹配第二路读取温度值温度值高于设置值调用LCD显示报警YN初始化命令发送ROM命令匹配第三路读取温度值温度值高于设置值调用LCD显示报警YN初始化命令发送ROM命令匹配第四路开始基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成4.1主程序流程图4.2子程序4.2.1DS18B20程序流程设计片机对DS18B20的控制方法，设计出如下程序流程：图4.2写命令子程序流程图图4.3DS18B20复位子程序流程图DQ置1DQ置0延时573微秒DQ置1延时，等待DS18B20响应DQ=0？初始化成功返回DQ初始化不成功YNi=8置DQ0DQ=DAT&0X01DQ置1DQ右移一位i--i=0返回YNi=8DAT右移一位DQ置0DQ置1DQ=1DAT=DAT|0X80读完8位？NYNY返回DAT基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成图4.4DS18B20读温度子程序流程图4.2.2显示程序流程显示是实现人机对话的重要部分，在这里选用12864LCD显示器可实现对汉字、字符和图片的显示,LCD的引脚功能在上面已经做了说明，下面是其相关指令的介绍。根据上面指令结合系统要实行的功能，其显示子程序流程如图4.5所示。图4.5显示子程序流程图4.2.3键盘程序流程i=0调用写数据子程序i=16?i=i+1NY写入页地址写入起始列地址j=j+1j=2?页地址加1结束N调用写数据子程序i=16?i=i+1NY写入起始页地址写入起始列地址结束i=0调用写数据子程序i=128?i=i+1NY写入页地址写入起始列地址j=j+1j=8?页地址加1结束Nj=0i=0j=0b)写16*16汉字子程序流程图a)写8*16字符子程序流程图c)写图片子程序流程图基于DS18B20的温度控制系统设计罗柱、李亚成键盘中断程序是用来设在系统起动时各环境温度的极值,其程序流程图如图4.6所示:图4.6键盘程序流程五、系统仿真调试读P2口高四位数据到ROWROW与LINE相与为KEYP2口低四位置1读P2口低四位数据到LINEKEY=0XEE?KEY=0XEB?KEY=0XED?KEY=0