基于AT89C51单片机的测温系统

引言本文主要介绍了一个基于AT89C51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，并介绍了利用C语言编程对DS18B20的访问，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。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。数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便、测温范围广、测温精确、功能多样话等优点。其主要用于对测温要求准确度比较高的场所，或科研实验室使用，该设计使用STC89C52单片机作控制器，数字温度传感器DS18B20测量温度，单片机接受传感器输出，经处理用LED数码管实现温度值显示。2一、设计要求通过基于MCS-51系列单片机AT89C51和DS18B20温度传感器检测温度，熟悉芯片的使用，温度传感器的功能，数码显示管的使用，C语言的设计；并且把我们这一年所学的数字和模拟电子技术、检测技术、单片机应用等知识，通过理论联系实际，从题目分析、电路设计调试、程序编制调试到传感器的选定等这一完整的实验过程，培养了学生正确的设计思想，使学生充分发挥主观能动性，去独立解决实际问题，以达到提升学生的综合能力、动手能力、文献资料查阅能力的作用，为毕业设计和以后工作打下一个良好的基础。以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个数字温度计，采用数字温度传感器DS18B20为检测器件，进行单点温度检测，检测精度为0.5摄氏度。温度显示采用3位LED数码管显示，两位整数，一位小数。具有键盘输入上下限功能，超过上下限温度时，进行声音报警。二、基本原理原理简述：数字温度传感器DS1820把温度信息转换为数字格式；通过“1－线协议”，单片机获取指定传感器的数字温度信息，并显示到显示设备上。通过键盘，单片机可根据程序指令实现更灵活的功能，如单点检测、轮转检测、越限检测等。基于DS1820数字温度传感器的温度检测及显示的系统原理图如图图2.1基于DS1820的温度检测系统框图三：主要器件介绍（时序图及各命令序列，温度如何计算等）系统总体设计框图由于DS18B20数字温度传感器具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠，所以在该设计中采用DS18B20数字温度传感器测量温度。测温电路设计总体设计框图如图所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，显示采用4位LED数码管，报警采用蜂鸣器、LED灯实现，键盘用来设定报警上下限温度。3图3.1测温电路设计总体设计框图1.控制模块AT89S52单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含有8kb的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程的Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.显示模块显示电路采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2口的高四位为位选端。用动态扫描的方式进行显示，这样能有效节省I/O口。3.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：1.独特的单线接口方式仅需要一个端口引脚进行通信2.多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能3.无需外部器件4.可通过数据线供电，电压范围：3.0～5.5V5.测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃46.零待机功耗7.温度以9或12位数字量读出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，但不能正常工作四：硬件电路原理框图由于本次实验是在学习板上做的，所以没有硬件接线图，原理主要讲解DS18B20的工作原理。1·硬件设计1.单片机系统电路原理图图4.1系统电路原理图2.DS18B20温度传感器电路设计电源供电方式如图，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。5图4.2DS18B20温度传感器电路3.报警电路设计报警电路是在测量温度大于上限或小于下限时提供报警功能的电路。该电路是由一个蜂鸣器组成，具体的电路如图所示图4.3报警电路4.显示电路设计显示电路是由四位一体的共阴数码管进行显示的62·软件设计(1)DS18B20内部结构如图所示7主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X^8＋X^5＋X^4＋1）。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。DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位二进制形式提供，形式表达，其中S为符号位。DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。表2是部分温度值对应的二进制温度表示数据。8(2)DS18B20的工作时序DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输初始化时序主机首先发出一个480－960微秒的低电平脉冲，然后释放总线变为高电平，并在随后的480微秒时间内对总线进行检测，如果有低电平出现说明总线上有器件已做出应答。若无低电平出现一直都是高电平说明总线上无器件应答。做为从器件的DS18B20在一上电后就一直在检测总线上是否有480－960微秒的低电平出现，如果有，在总线转为高电平后等待15－60微秒后将总线电平拉低60－240微秒做出响应存在脉冲，告诉主机本器件已做好准备。若没有检测到就一直在检测等待。9接下来就是主机发出各种操作命令，但各种操作命令都是向DS18B20写0和写1组成的命令字节，接收数据时也是从DS18B20读取0或1的过程。因此首先要搞清主机是如何进行写0、写1、读0和读1的。写周期最少为60微秒，最长不超过120微秒。写周期一开始做为主机先把总线拉低1微秒表示写周期开始。随后若主机想写0，则继续拉低电平最少60微秒直至写周期结束，然后释放总线为高电平。若主机想写1，在一开始拉低总线电平1微秒后就释放总线为高电平，一直到写周期结束。而做为从机的DS18B20则在检测到总线被拉底后等待15微秒然后从15us到45us开始对总线采样，在采样期内总线为高电平则为1，若采样期内总线为低电平则为0。对于读数据操作时序也分为读0时序和读1时序两个过程。读时隙是从主机把单总线拉低之后，在1微秒之后就得释放单总线为高电平，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。主机在一开始拉低总线1微秒后释放总线，然后在包括前面的拉低总线电平1微秒在内的15微秒时间内完成对总线进行采样检测，采样期内总线为低电平则确认为0。采样期内总线为高电平则确认为1。完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成让DS18B20进行一次温度的转换，那具体的操作就是：10（1）.主机先作个复位操作，（2）.主机再写跳过ROM的操作（CCH）命令，（3）.然后主机接着写个转换温度的操作命令，后面释放总线至少一秒，让DS18B20完成转换的操作。在这里要注意的是每个命令字节在写的时候都是低字节先写，例如CCH的二进制为11001100，在写到总线上时要从低位开始写，写的顺序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”。整个操作的总线状态如下图。(3)初始化时序程序bitInit_DS18B20(void){bitflag;//储存DS18B20是否存在的标志，flag=0，存在；flag=1，不存在DQ=1;//先将数据线拉高for(time=0;time2;time++);//略微延时约6微秒//再将数据线从高拉低，要求保持480~960usDQ=0;for(time=0;time200;time++);//略微延时约600微秒//以向DS18B20发出一持续480~960us的低电平复位脉冲DQ=1;//释放数据线（将数据线拉高）for(time=0;time10;time++);//延时约30us（释放总线后需等待15~60us让DS18B20输出存在脉冲）flag=DQ;//让单片机检测是否输出了存在脉冲（DQ=0表示存在）for(time=0;time200;time++);//延时足够长时间，等待存在脉冲输出完毕11return(flag);//返回检测成功标志unsignedcharReadOneChar(void){unsignedchari=0;unsignedchardat;//储存读出的一个字节数据for(i=0;i8;i++){DQ=1;//先将数据线拉高_nop_();//等待一个机器周期DQ=0;//单片机从DS18B20读书据时,将数据线从高拉低即启动读时序_nop_();//等待一个机器周期DQ=1;//将数据线人为拉高,为单片机检测DS18B20的输出电平作准备for(time=0;time2;time++);//延时约6us，使主机在15us内采样dat=1;if(DQ==1)dat|=0x80;//如果读到的数据是1，则将1存入datelsedat|=0x00;//如果读到的数据是0，则将0存入datfor(time=0;time8;time++);//延时3us,两个读时序之间必须有大于1us的恢复期}return(dat);//返回读出的十六进制数据WriteOneChar(unsignedchardat)12{unsignedchari=0;for(i=0;i8;i++){DQ=1;//先将数据线拉高_nop_();//等待一个机器周期DQ=0;//将数据线从高拉低时即启动写时序DQ=dat&0x01;//利用与运算取出要写的某位二进制数据,for(time=0;time10;time++);//延时约30us，DS18B20在拉低后的约15~60us期间从数据线上采样DQ=1;//释放数据线for(time=0;time1;time++);//延时3us,两个写时序间至少需要1us的恢复期dat=1;//将dat中的各二进制位数据右移1位}for(time=0;time4;time++);//稍作延时,给硬件一点反应时间五、程序流程图(主程序，各子程序)1.主程序实时温度显示子程序：驱动数码管把实时温度值送出在LED数码管显示主程序流程图：图5.1主程序流程图2.读温度值模块读温度值模块需要调用4个子程序，分别为：1.DS18B20初始化子程序：让单片机知道DS18B20在总线上且已准