安陽師范學院本科學生畢業(yè)論文基于 51單片機的數(shù)字溫度計設計作 者 系（院） 物理與電氣工程學院 專 業(yè) 電子信息工程 年 級 學 號 指導教師 日 期 2012.05.12 成 績 學生誠信承諾書本人鄭重承諾：所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得安陽師范學院或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。所有合作者對本研究所作的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明和表示了。簽名： 日期： 2012-05-12 論文使用授權說明本人完全了解安陽師范學院有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學校可以公布論文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。簽名： 導師簽名： 日期： 第 0 頁基于 51單片機的數(shù)字溫度計設計張兆元（安陽師范學院 物理與電氣工程學院， 河南 安陽 455000）摘 要：用單片機控制實現(xiàn)的測溫系統(tǒng)，其精度高，穩(wěn)定性好，并選用了美國 DALLAS 公司最新推出的 DSl8B20 一線式數(shù)字溫度傳感器，并給出了數(shù)字溫度傳感器的硬件接口電路及軟件設計方法，通過發(fā)光數(shù)碼管顯示溫度。關鍵詞：STC89C52；DSl8B20；測溫；1 引言隨著現(xiàn)代信息科技的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn),能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)已經應用于諸多領域。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件,熱敏電阻成本低,但需要接信號處理電路,而且熱敏電阻的可靠性較差,測量溫度的準確度低,檢測系統(tǒng)的精度差。而今電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，采用單片機進行溫度檢測、數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)的傳送，具有效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，還可以實現(xiàn)實時實地控制等技術要求，在工業(yè)生產中應用越來越廣泛。2 技術要求在三位數(shù)碼管上顯示當前采集到的環(huán)境溫度，并精確到 0.1 度。3 方案論證3.1 恰當?shù)剡x擇溫度傳感器方案 1：用熱敏電阻做為溫度傳感器。通過采集各個時間內的電壓，進行 A/D 轉換，經過電壓與溫度的轉換、校準，測量出溫度。方案 2：用 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器。DS18B20 是 DS1820 的換代產品,它與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同,它能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 912 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其內部集成了溫度的傳感器及 A/D 轉換模塊，通過讀取片內數(shù)據(jù)，測量出溫度。 由于用熱敏電阻作為溫度傳感器誤差較大，可靠性相對較差，且不方便調試校準；而DS18B20 測量精度高，集成度高，方便調試，線路簡單。所以本設計采用方案 2。 3.2 顯示器件的選擇方案 1：采用液晶顯示，此種顯示方式，液晶耗電量少，能顯示復雜的符號圖形。方案 2：采用發(fā)光數(shù)碼管顯示，此種顯示亮度高，且編程簡單?？紤]到本系統(tǒng)顯示簡單，液晶價格貴且亮度低，所以選用方案 2。4 硬件設計4.1 關于單片機單片機是一種集成電路，即采用大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的 CPU（中央處理器） 、隨機存儲器 RAM（random access memory ） 、只讀存儲器 ROM（Read-Only Memory ） 、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等功能，還可以包括顯示驅動電路、脈第 1 頁寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D 轉換器等電路，集成到一塊硅板上構成的一個小而精密的計算機系統(tǒng)。 我選用的單片機是 stc89c52，它是深圳宏晶科技生產的，具有低功耗高性能的優(yōu)點。并且有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器， 512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，內帶 4K 字節(jié) EEPROM 存儲空間。4.2 系統(tǒng)結構圖4.2.1 了解 51 單片機的內部系統(tǒng)結構圖 4.1.1 單片機的內部系統(tǒng)結構其中，較為重要的是串行端口。串行通信是數(shù)據(jù)的各位在同一根數(shù)據(jù)線上依次逐位發(fā)送或接收。P3.0 口的第二功能是串行數(shù)據(jù)的輸入口（RXD） ，p3.1 口的第二功能是串行數(shù)據(jù)的輸出口(TXD)。4.2.2 根據(jù)設計要求，畫出外部系統(tǒng)結構圖電路總圖見附錄一圖 4.2.2 外部系統(tǒng)結構圖第 2 頁圖 4.3.3 DS18B20 實物圖4.3 溫度傳感器模塊4.3.1 DS18B20 溫度傳感器介紹DS18B20 是美國 Dallas 半導體公司生產的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易兼容微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度傳感器轉化成串行數(shù)字信號供處理器處理。4.3.2 DS18B20 溫度傳感器特性（1） 適應電壓范圍寬，電壓范圍在 3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。（2） 獨特的單線接口方式，他與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20 的雙向通信。（3） 支持多點組網功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網多點測溫。（4） 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路形如多只三極管的組成電路。（5） 測溫范圍-55C +125C，在-10C +85C 時精度為正負 0.5C。（6） 可編程分辨率為 912 位，對應的可分辨溫度分別為 0.5C，0.25C，0.125C，0.0625C，可實現(xiàn)高精度測溫。（7） 在 9 位分辨率時，最多在 93.75ms 內把溫度轉換數(shù)字；12 位分辨率時，最多在750ms 內把溫度值轉換為數(shù)字，顯然速度很快。（8） 測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給 CPU，同時可傳送CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾能力。CRC 即循環(huán)冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check）：是數(shù)據(jù)通信領域中最常用的一種差錯校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定。（9） 負壓特性。電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。4.3.3 引腳介紹DS18B20 實物圖如圖所示。4.3.4 DS18B20 與單片機的連接第 3 頁主機可以是微控制器，從機可以是單總線器件，他們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號線。當只有一個從機設備時，系統(tǒng)可按單節(jié)點系統(tǒng)操作；當有多個從機設備時，系統(tǒng)則按多節(jié)點系統(tǒng)操作。設備（主機或從機）通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能釋放總線，而讓其他設備使用總線。單總線通常要求外接一個約為5k 的 上 拉 電 阻 ， 如 圖 所 示 。圖 4.3.4 DS18B20 和單片機的連接從圖可以看出，DS18B20 和單片機的連接非常簡單，單片機只需要一個 I/O 口就可以控制 DS18B20。這個圖的接發(fā)是單片機與一個 DS18B20 通信，如果要控制多個 DS18B20 進行溫度采集，只要將所有 DS18B20 的 I/O 口全部連接到一起就可以了。在具體操作時，通過讀取各個 DS18B20 內部芯片的序列號來識別。4.3.5 DS18B20 的工作原理硬件電路連接好以后，對于單片機需要怎樣工作才能將 DS18B20 中的溫度數(shù)據(jù)讀取出來，下面將給出詳細分析。其控制 DS18B20 的指令：33H讀 ROM。讀 DS18B20 溫度傳感器 ROM 中的編碼（即 64 位地址） 。44H操作 RAM。發(fā)送溫度轉換命令，結果存入 9 字節(jié) RAM。55H匹配 ROM。發(fā)出此命令后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單總線上與該編碼對應的 DS18B20 并使之作出響應，為下一步對該 DS18B20 的讀/寫做準備。F0H搜索 ROM。用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)，識別 64 位 ROM 地址，為操作各器件做好準備。CCH跳過 ROM。忽略 64 位 ROM 地址，直接向 18B20 發(fā)溫度變換命令，適用于一個從機工作。ECH告警搜索命令。執(zhí)行后只有溫度超過設定值上限或下限的芯片才作出響應。以上這些指令涉及的存儲器是 64 位光刻 ROM，表 1 列出了它的各個定義。表 1 64 位光刻 ROM 各位定義8 位 48 位 8 位CRC 碼 序列號 產品類型編號第 4 頁64 位光刻 ROM 中的序列號是出廠前被光刻好的，他可以看做該 DS18B20 的地址序列碼。其各位排列順序是：開始 8 位為產品類型標號，接下來 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，最后 8 位是前 56 位的 CRC 循環(huán)校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1） 。光刻 ROM 的作用是使每一個DS18B20 都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一條總線上接掛多個 DS18B20 的目的。4.3.6 DS18B20 的工作時序圖下圖為時序圖中各個總線狀態(tài)。（1）初始化時序圖如下圖 5 所示。先將數(shù)據(jù)線至高電平 1. 數(shù)據(jù)線拉到低電平 0。 延時（該時間要求不是很嚴格，但是要盡可能短一點 延時 750s（該時間范圍可在 480960s） 。 數(shù)據(jù)線拉到高電平 1。 延時等待。如果初始化成功則在 1560s 內產生一個由 DS18B20 返回的低電平 0，據(jù)該狀態(tài)可以確定溫度傳感器 ds18b20 的存在。但是應注意，不能無限地等待，不然會使程圖（1） DS18B20 初始化時序圖圖 4.2.6 時序圖中各個總線態(tài)第 5 頁序進入死循環(huán)，所以要進行超時判斷。若 CPU 讀到數(shù)據(jù)上的低電平 0 后，還要進行延時，延時的時間從發(fā)出高電平算起（第步的時間算起）最少要 480s。將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平 1 后結束。（2）DS18B20 寫數(shù)據(jù)時序圖如下圖 6 所示。寫數(shù)據(jù)步驟：數(shù)據(jù)線先置低電平 0。掩飾確定的時間為 15s。按從低位到高位的順序發(fā)送數(shù)據(jù)（一次只發(fā)送一位） 。延時時間為 45s。將數(shù)據(jù)線拉到高電平 1。重復循環(huán) 步驟，直到發(fā)送完整個字節(jié)，注意最后將數(shù)據(jù)線拉到高位 1。（1） DS18B20 讀數(shù)據(jù)時序圖如下圖 7 所示。（3）DS18B20 寫數(shù)據(jù)時序圖如上圖所示。寫數(shù)據(jù)步驟： 將數(shù)據(jù)線拉高到 1.圖（2） DS18B20 寫數(shù)據(jù)圖（3） DS18B20 讀數(shù)據(jù)第 6 頁 延時 2s。 將數(shù)據(jù)線拉低到 0. 延時 6s。 將數(shù)據(jù)線拉高到 1。 延時 4s。 讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到一個狀態(tài)位，并進行數(shù)據(jù)處理。重復 步驟，直到讀取完一個字節(jié)后延時 30us。時序圖見上圖。4.4 顯示模塊采用三位一體共陰數(shù)碼管顯示溫度，數(shù)碼管驅動使用鎖存器 74hc573。采用動態(tài)顯示的原理，故段選和位選都用 p0 口，通過 p2.6 口和 p2.7 口確定位或者段的選通，接法見附錄電路原理圖。5 軟件設計5.1 總程序流程圖 總程序流程圖如下圖所示。圖 5.1 總程序流程圖5.2 程序設計其源程序見附錄三。6 安裝調試安裝調試時，數(shù)碼管會出現(xiàn)亮度不均勻或是數(shù)碼管中有個別不顯示的現(xiàn)象，經檢查發(fā)現(xiàn)產生這種原因的可能是因為焊接的時候有虛焊、選用的上拉電阻阻值過大，或是接元器件的時候無意間把鎖存器控制位導線弄斷所導致。6.1 數(shù)碼管引腳的判斷用 5v 的直流電源串電阻接在數(shù)碼管十二個引腳上，可以判斷出各個引腳代表哪一段和第 7 頁哪一位，其中 6 號引腳不起作用。哪個是 6 號引腳呢？讓三位數(shù)碼管正對自己右下角的引腳為 1 號引腳，逆時針依次為 2、3、4、5、6、7、8、9、12 號引腳。判斷出它的內部電路圖如下圖所示。圖 6.1 數(shù)碼管內部電路圖6.2 排除故障 6.2.1 排除邏輯故障 這類故障往往由于設計和連線過程中工藝性錯誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先將加工的電路板認真對照原理圖，看兩者是否一致。應特別注意電源系統(tǒng)檢查，以防止電源短路和極性錯誤，必要時利用數(shù)字萬用表的短路測試功能，可以縮短排錯時間。6.2.1 排除元器件失效 造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了；另一個是由于安裝錯誤，造成器件燒壞?？梢圆扇z查元器件與設計要求的型號、規(guī)格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯誤。6.2.3 排除電源故障 在通電前，一定要檢查電源電壓的幅值和極性，否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位，一般先檢查 VCC 與 GND 之間電位，若在 5V4.8V 之間屬正常。若有高壓，聯(lián)機仿真器調試時，將會損壞仿真器等，有時會使應用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。7 結論本文較詳細的闡述了溫度測量裝置設計的整體方案與軟件實現(xiàn)。DS18B20 的優(yōu)勢在于集