1、編號(hào)：本科畢業(yè)論文基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)院 系：信息工程學(xué)院姓 名：徐翰學(xué) 號(hào)：0835140161專 業(yè)：通信工程年 級(jí)：2008級(jí)指導(dǎo)教師：龐建麗職 稱：講師完成日期：2012年5月摘 要溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常關(guān)鍵的一項(xiàng)物理量，在日常生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、各種高新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究中也是一個(gè)非常普遍和常用的參數(shù)，許多地方都要使用溫度計(jì)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)于溫度計(jì)的要求也越來(lái)越高，使之能為人們的工作、科研、生活提供更好、更方便的服務(wù)。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)的溫度值，這些方法相對(duì)比較復(fù)雜，需要比較多的外部

2、硬件支持?，F(xiàn)在溫度計(jì)向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。本文采用美國(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，可以設(shè)計(jì)一種相對(duì)比較簡(jiǎn)單的方式來(lái)測(cè)量溫度。ds18b20可以直接讀出被測(cè)溫度值，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。在數(shù)字溫度計(jì)電路中設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)at89c51芯片的一種溫度測(cè)量及報(bào)警電路。硬件電路采用數(shù)字溫度傳感器ds18b20來(lái)測(cè)量溫度，將溫度值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量傳給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)at89c51芯片處理后使用1602lcd液晶模塊顯示出具體的溫度值。在系統(tǒng)軟件方面主要通過(guò)用c語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電路的控制。數(shù)字溫度計(jì)主要是對(duì)溫度進(jìn)行采集

3、、顯示，所以系統(tǒng)軟件程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、計(jì)算溫度子程序、顯示溫度子程序等幾大塊。單片機(jī)通過(guò)軟件可以控制各個(gè)硬件電路間數(shù)據(jù)的處理。電路中可以設(shè)置溫度報(bào)警上下限，超過(guò)上限或低于下限時(shí)可以自動(dòng)報(bào)警。關(guān)鍵詞：1602lcd液晶模塊；ds18b20數(shù)字溫度傳感器；at89c51abstractthe temperature is very critical in the production process and scientific experiments a physical quantity, in daily life, agriculture, industry, and a

4、 variety of high-tech development and research is a very common and frequently used parameters, many places have to use the thermometer to temperaturemeasurements. with the continuous improvement of peoples living standard, the requirements of the thermometer is also getting higher and higher, so fo

5、r the peoples work, scientific research, life to provide better and more convenient services. traditional components of the temperature thermocouple and thermal resistance, thermocouple and thermal resistance are generally measured voltage, converted to the corresponding temperature value, these met

6、hods are relatively complex, requiring more external hardware support. thermometer toward digital, intelligent direction.in this paper, an improved smart temperature sensor ds18b20 dallas semiconductor, following the ds1820 after the launch of the detection devices, and can design a relatively simpl

7、e way to measure the temperature. ds18b20 can be directly read out the measured temperature value, low-cost and easy to use features. digital thermometer circuit design based on a temperature measurement and alarm circuit of at89c51 chip. the hardware circuit using a digital temperature sensor ds18b

8、20 to measure the temperature, the temperature value is converted into the corresponding digital pass microcontroller at89c51 chip processing 1602lcd module displays a specific temperature. system software by using the c programming language to achieve control of each circuit. digital thermometer fo

9、r temperature acquisition, display, system software program includes the main program, read out the temperature subroutine to calculate temperature subroutine show that the temperature subroutine several large pieces. scm software can control the processing of the data between the various hardware c

10、ircuit. temperature alarm circuit can be set to the lower limit exceeds the limit or below the lower limit can automatically alarm. key words : 1602lcd module; ds18b20 digital temperature sensor; at89c51目 錄1 緒論11.1 數(shù)字溫度計(jì)研究背景11.2 數(shù)字溫度計(jì)研究目的和意義11.3數(shù)字溫度計(jì)研究主要工作22 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)32.1 數(shù)字溫度計(jì)總體設(shè)計(jì)方案32.2 電源設(shè)計(jì)32.3 主控制

11、器at89c5142.3.1 單片機(jī)at89c51結(jié)構(gòu)和性能42.3.2 at89c51管腳說(shuō)明42.3.3 單片機(jī)晶振電路和復(fù)位電路62.4 ds18b2062.4.1 ds18b20引腳功能72.4.2 ds18b20性能特點(diǎn)72.4.3 ds18b20測(cè)溫原理72.4.4 ds18b20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路102.5 1602lcd液晶模塊顯示132.6 蜂鳴報(bào)警器152.7 數(shù)字溫度計(jì)電路原理圖153 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)163.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路163.2 讀出溫度子程序163.3 計(jì)算溫度子程序173.4 顯示溫度子程序183.5 數(shù)字溫度計(jì)主程序184 系統(tǒng)仿真194.1 pr

12、oteus仿真軟件簡(jiǎn)介194.2 仿真原理圖194.3 加載仿真程序19總 結(jié)20參考文獻(xiàn)21致 謝22附錄231 緒論1.1 數(shù)字溫度計(jì)研究背景溫度是我們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)中經(jīng)常接觸到的物理量，但是它是看不到的。最早的溫度計(jì)是在1593年由意大利科學(xué)家伽利略(15641642)發(fā)明的。后來(lái)又相繼出現(xiàn)華氏溫度計(jì)、列式溫度計(jì)、攝氏溫度計(jì)，均用水銀和酒精等制作，傳統(tǒng)意義上的溫度計(jì)測(cè)溫精度不高，而且現(xiàn)在世界上大多數(shù)國(guó)家統(tǒng)一使用攝氏溫度計(jì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要，測(cè)溫技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和提高。由于測(cè)溫范圍變得越來(lái)越廣，根據(jù)不同的測(cè)溫精度要求，又制造出不同需要的測(cè)溫儀器：氣體溫度計(jì)、電阻溫度

13、計(jì)、溫差電偶溫度計(jì)、高溫溫度計(jì)等。在測(cè)溫電路中可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過(guò)來(lái)，進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來(lái)，這種設(shè)計(jì)需要用到a/d轉(zhuǎn)換電路，電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜1。數(shù)字溫度計(jì)恰恰是以讀數(shù)方便、準(zhǔn)確的特點(diǎn)進(jìn)入我們的生活。隨著溫度感應(yīng)元件靈敏度的增強(qiáng)，數(shù)字溫度將會(huì)漸漸取代普通的溫度計(jì)。數(shù)字溫度計(jì)是通過(guò)一定的電路和溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，將溫度用數(shù)字準(zhǔn)確的顯示出來(lái)。數(shù)據(jù)顯示比較直觀而且測(cè)量精度比較高，測(cè)溫范圍也比較大。1.2 數(shù)字溫度計(jì)研究目的和意義溫度測(cè)量在物理實(shí)驗(yàn)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品生產(chǎn)等領(lǐng)域有特別重要

14、的意義。傳統(tǒng)所使用的溫度計(jì)通常都是精度為1和0.1的水銀、煤油或酒精溫度計(jì)。這些溫度計(jì)的刻度間隔通常都很密，不容易準(zhǔn)確分辨，讀數(shù)困難，而且他們的熱容量還比較大，達(dá)到熱平衡所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，因此很難讀準(zhǔn)溫度值，并且使用非常不方便。數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便、測(cè)溫范圍廣、測(cè)溫準(zhǔn)確、其輸出溫度采用數(shù)字顯示等優(yōu)點(diǎn)，主要用于日常生活和科研實(shí)驗(yàn)中測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所。數(shù)字溫度計(jì)采用溫度傳感器ds18b20作為測(cè)溫元件。ds18b20是dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，溫度測(cè)量范圍為55125,測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625，被測(cè)溫度用擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出。多個(gè)ds18b20可

15、以接在一根線上，cpu只需一根端口線就能與諸多ds18b20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路2。數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)采用溫度傳感器ds18b20測(cè)量出環(huán)境的溫度，通過(guò)核心器件單片機(jī)at89c51處理數(shù)據(jù)，最后用lcd液晶模塊顯示數(shù)值，并且可以設(shè)定報(bào)警溫度。如果測(cè)量溫度在設(shè)定范圍之外，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。1.3 數(shù)字溫度計(jì)研究主要工作利用數(shù)字溫度傳感器ds18b20設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的數(shù)字溫度測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量的結(jié)果使用1602lcd液晶模塊直接顯示出來(lái)。主要工作如下：1. 溫度測(cè)試基本范圍55125。2. 精度誤差小于0.5。3. lcd液晶顯示。4. 可以設(shè)定溫度的上下限報(bào)警功能（

16、上限120，下限-50）。當(dāng)溫度超過(guò)上限溫度時(shí)紅燈亮起并且發(fā)出急促的報(bào)警聲，當(dāng)溫度低于下限溫度時(shí)黃燈亮起并且發(fā)出低沉的報(bào)警聲。2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)2.1 數(shù)字溫度計(jì)總體設(shè)計(jì)方案數(shù)字溫度計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案如圖2-1所示，主控制器采用單片機(jī)at89c51，溫度傳感器采用ds18b20，用1602lcd液晶模塊實(shí)現(xiàn)溫度顯示。主 控 制 器at89c51單片機(jī)復(fù)位時(shí)鐘振蕩蜂鳴報(bào)警器液晶模塊顯示溫度傳感器ds18b20圖2-1 總體設(shè)計(jì)方框圖2.2 電源設(shè)計(jì)如圖2-2電源設(shè)計(jì)原理圖所示將220v交流電壓經(jīng)過(guò)調(diào)壓、整流、濾波以后變成5v直流電壓。ac2為外接220v電源接口，經(jīng)過(guò)tran1變壓成為9v電源。

17、9v的直流電源經(jīng)過(guò)7805穩(wěn)壓電路調(diào)節(jié)和濾波電路后輸出穩(wěn)定的+5v直流電源3。 圖2-2 電源設(shè)計(jì)原理圖2.3 主控制器at89c512.3.1 單片機(jī)at89c51結(jié)構(gòu)和性能at89c51是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低功耗，高性能8位微處理器，片內(nèi)含4k字節(jié)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的flash只讀程序存儲(chǔ)器。器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及引腳相兼容。at89c51功能強(qiáng)大、低價(jià)位并且可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域4。at89c51芯片的主要性能特點(diǎn)5:1、4k bytes flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；2、128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram

18、）；3、32個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）口；4、5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、2層中斷嵌套中斷； 5、兩個(gè)外部中斷源；6、2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；7、全雙工串行通信口；8、看門狗（wdt）電路；9、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路； 10、與mcs-51兼容；13、可編程串行通道； 14、低功耗的閑置和掉電模式；15、4.5-5.5v工作電壓。2.3.2 at89c51管腳說(shuō)明at89c51芯片的引腳圖6如圖2-3。圖2-3 at89c51引腳圖p0口：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p0口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)

19、據(jù)/地址的低八位。在fiash編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須接上拉電阻。p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收、輸出4個(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，作為輸入。因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向

20、i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3.3（外部中斷1） p3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）。rst：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。：功能為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制端。當(dāng)引腳為高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。引腳為低電平時(shí)，單片機(jī)則訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。xlat1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。xlat2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。2.3.3 單片機(jī)晶振電路和復(fù)位電路單片機(jī)系統(tǒng)里都含有晶振電路和復(fù)位電路，他們?cè)趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)里作用非常大。晶振電路

21、結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)正常運(yùn)行所需要的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)一切指令的執(zhí)行都依靠單片機(jī)晶振電路提供的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)電腦在使用中出現(xiàn)死機(jī)，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序從頭開(kāi)始執(zhí)行。單片機(jī)也一樣，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，復(fù)位電路內(nèi)部的會(huì)讓系統(tǒng)復(fù)位7。晶振電路和復(fù)位電路與單片機(jī)接口如圖2-4所示圖2-4 晶振電路和復(fù)位電路2.4 ds18b20ds18b20溫度傳感器是美國(guó)dallas半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)

22、方式。2.4.1 ds18b20引腳功能圖2-5 ds18b20引腳圖ds18b20詳細(xì)引腳功能描述如表2-1表2-1 ds18b20詳細(xì)引腳功能描述序號(hào)名稱引腳功能描述1gnd地信號(hào)2dq數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開(kāi)漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3vdd可選擇的vdd引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。2.4.2 ds18b20性能特點(diǎn)ds18b20的性能特點(diǎn)如下8：1. 采用單總線技術(shù)，與單片機(jī)通信只需要一根i/o線，在一根線上可以掛接多個(gè)ds18b20。2. 每只ds18b20具有一個(gè)獨(dú)有的，不可修改的64位序列號(hào)，根據(jù)序列號(hào)訪問(wèn)地應(yīng)的器件。3. 5v低壓

23、供電，可以本地供電，也可以采用寄生電源方式。4. 測(cè)溫范圍為55125,在-1085范圍內(nèi)誤差為0.5。5. 可編輯數(shù)據(jù)為912位。6. 用戶可自設(shè)定報(bào)警上下限溫度。7. ds18b20可將檢測(cè)到溫度值直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并通過(guò)串行通信的方式與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。2.4.3 ds18b20測(cè)溫原理ds18b20其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2-6所示。64位rom和單線接口i/ocvdd高 速 暫 存存儲(chǔ)器與控制邏輯高溫觸發(fā)器th低溫觸發(fā)器tl8位crc發(fā)生器配置寄存器溫度傳感器圖2-6 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)64位rom結(jié)構(gòu)的開(kāi)始8位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48位，最后8位是前

24、面56位的crc檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè)ds18b20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。溫度報(bào)警觸發(fā)器th和tl，可通過(guò)軟件寫(xiě)入用戶報(bào)警上下限。ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存ram和一個(gè)非易失性的可電擦除的eeram。高速暫存ram的結(jié)構(gòu)為9字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。頭2個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第3和第4字節(jié)th和tl的拷貝是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第5個(gè)字節(jié)為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。ds18b20工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖2-7所示。低5位一直為1，tm是工作模式位，用于設(shè)置ds18b20在工作

25、模式還是在測(cè)試模式，ds18b20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶要去改動(dòng)，r1和r0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，用來(lái)設(shè)置分辨率9。溫度 lsb溫度 msbth用戶字節(jié)1tl用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留crctmr1r011111圖2-7 ds18b20字節(jié)定義高速暫存ram的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的crc碼，可用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)ds18b20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過(guò)單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)

26、據(jù)以0.0625/lsb形式表示。由表2-2可見(jiàn)，ds18b20溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。當(dāng)符號(hào)位s=0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位s=1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。表2-3是部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。ds18b20的測(cè)溫原理是這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。器件中還有一個(gè)

27、計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開(kāi)時(shí)，ds18b20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測(cè)溫度值。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，

28、只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直到溫度寄存器值等于被測(cè)溫度值10。表2-2 ds18b20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表r1r0分辨率/位轉(zhuǎn)換精度溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間/ms0090.593.7501100.25187.510110.12537511120.0625750表2-3 部分溫度對(duì)應(yīng)值表溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+1250000 0111 1101 000007d0h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000a2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-

29、0.51111 1111 1111 1000fff8h-10.1251111 1111 0101 1110ff5eh-25.06251111 1110 0110 1111fe6fh-551111 1100 1001 0000fc90h另外，由于ds18b20單線通信功能是分時(shí)序完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)ds18b20的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初使化ds18b20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)rom功能命令發(fā)存儲(chǔ)器操作命令處理數(shù)據(jù)11。2.4.4 ds18b20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路ds18b20與單片機(jī)的接口電路如圖2-8。圖2-8 ds18b20與單片機(jī)的接口電路

30、ds18b20可以采用電源供電方式，此時(shí)ds18b20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，0腳接電源。為保證在有效的ds18b20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)mosfet管來(lái)完成對(duì)總線的上拉。當(dāng)ds18b20處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫度a/d轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。由于ds18b20是在一根i/o線上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。ds18b20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)序都是將單片機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳

31、輸都是從單片機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫(xiě)命令后，單片機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。ds18b20在啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)化命令后將測(cè)量的溫度值存儲(chǔ)在高速暫存ram中，單片機(jī)再通過(guò)讀取溫度值指令讀取高速暫存ram中的9字節(jié)內(nèi)容進(jìn)行溫度計(jì)算 12。ds18b20的三條控制命令，指令約定代碼操作說(shuō)明: cch：跳過(guò)掃描溫度傳感芯片序列號(hào)；44h：?jiǎn)?dòng)ds18b20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換；beh：讀度溫度值13。ds18b20的復(fù)位時(shí)序 ：（1） 先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”；（2） 延時(shí)（該時(shí)間要求的不是很嚴(yán)格，但是盡可能的短一點(diǎn)）；（3） 數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”；（4） 延時(shí)750微秒（該時(shí)間的

32、時(shí)間范圍可以從480到960微秒）；（5） 數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”；（6） 延時(shí)等待（如果初始化成功則在15到60毫秒時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由ds18b20所返回的低電平“0”。據(jù)該狀態(tài)可以來(lái)確定它的存在，但是應(yīng)注意不能無(wú)限的進(jìn)行等待，不然會(huì)使程序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時(shí)控制）；（7） 若cpu讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后，還要做延時(shí)，其延時(shí)的時(shí)間從發(fā)出的高電平算起（第（5）步的時(shí)間算起）最少要480微秒；（8） 將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“1”后結(jié)束。ds18b20的讀時(shí)序：對(duì)于ds18b20的讀時(shí)隙分為讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。對(duì)于ds18b20的讀時(shí)隙是從單片機(jī)把單總線拉低之后，在15秒之

33、內(nèi)就得釋放單總線，以讓ds18b20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。ds18b20在完成一個(gè)讀時(shí)序過(guò)程，至少需要60us才能完成。（1）將數(shù)據(jù)線拉高“1”；（2）延時(shí)2微秒；（3）將數(shù)據(jù)線拉低“0”；（4）延時(shí)15微秒；（5）將數(shù)據(jù)線拉高“1”；（6）延時(shí)15微秒；（7）讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個(gè)狀態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；（8）延時(shí)30微秒。ds18b20的寫(xiě)時(shí)序：對(duì)于ds18b20的寫(xiě)時(shí)序仍然分為寫(xiě)0時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。總線單片機(jī)使用寫(xiě)“1”時(shí)間隙向ds18b20寫(xiě)入邏輯1，使用寫(xiě)“0”時(shí)間隙向ds18b20寫(xiě)入邏輯0。所有的寫(xiě)時(shí)隙必須有最少60us的持續(xù)時(shí)間，相鄰兩個(gè)寫(xiě)時(shí)隙必須要有最少1us的恢復(fù)時(shí)間

34、。兩種寫(xiě)時(shí)隙都通過(guò)單片機(jī)拉低總線產(chǎn)生。對(duì)于ds18b20寫(xiě)0時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫(xiě)0時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少60us，保證ds18b20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣io總線上的“0”電平，當(dāng)要寫(xiě)1時(shí)序時(shí)，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。（1） 數(shù)據(jù)線先置低電平“0”；（2） 延時(shí)確定的時(shí)間為15微秒；（3） 按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位）；（4） 延時(shí)時(shí)間為45微秒；（5） 將數(shù)據(jù)線拉到高電平；（6） 重復(fù)（1）到（5）的操作直到所有的字節(jié)全部發(fā)送完為止；（7） 最后將數(shù)據(jù)線拉高。2.5 1602lcd液晶模塊顯示1602字符液晶芯片在

35、實(shí)際的產(chǎn)品中運(yùn)用的比較多，是基于hd44780液晶芯片設(shè)計(jì)的。所謂1602是指顯示的內(nèi)容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符。字符型1602lcd通常有14條引腳線，引腳定義14如下表2-4所示。表2-4 lcd1602引腳引腳號(hào)引腳名電平輸入/輸出作用1vss電源地2vcc電源5v3vee對(duì)比調(diào)整電壓4rs0/1輸入0=輸入指令1=輸入數(shù)據(jù)5rw0/1輸入0=向lcd寫(xiě)入指令或數(shù)據(jù)1=從lcd讀取信息6e1,10輸入使能信號(hào)，1時(shí)讀取信息，10執(zhí)行指令7d00/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線8d10/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線9d20/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線10d30/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線11d40/1

36、輸入/輸出數(shù)據(jù)總線12d50/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線13d60/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線14d70/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線1602lcd顯示模塊各引腳與單片機(jī)接口如圖2-9，其中p1為上拉電阻圖2-9 lcd顯示原理hd44780內(nèi)置了ddram(顯示數(shù)據(jù)ram)、cgrom(字符發(fā)生存儲(chǔ)器)和cgram(用戶自定義的字符圖形ram)15。ddram就是顯示數(shù)據(jù)ram，用來(lái)寄存待顯示的字符代碼。共80個(gè)字節(jié)，在1602中我們就每一行都使用用前16個(gè)地址就可以了。其地址和屏幕的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表2-5。也就是說(shuō)想要在lcd1602屏幕的第一行第一列顯示一個(gè)“a”字,就要向ddram的00h地址寫(xiě)入“a”字的

37、代碼就行了。但具體的寫(xiě)入是要按lcd模塊的指令格式來(lái)進(jìn)行的。表2-5 ddram地址與顯示位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系顯示位置12345616ddram地 址第一行00h01h02h03h04h05h0fh第二行40h41h42h43h44h45h4fh1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（cgrom)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“a”的代碼是01000001b（41h），顯示時(shí)模塊把地址41h中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“a”。cgrom中的字符代碼與我們pc中的字符代

38、碼是基本一致的。因此我們?cè)谙騞dram寫(xiě)c51字符代碼程序時(shí)甚至可以直接用p1“a”這樣的方法。pc在編譯時(shí)就把“a”先轉(zhuǎn)為41h代碼了。cgram是用戶自定義的字符圖形ram，功能與cgrom相同。簡(jiǎn)單的說(shuō)如果要顯示一個(gè)字符，操作方法：先設(shè)置ddram位置，再向cgram寫(xiě)入字符碼，例如“a”就是41h。2.6 蜂鳴報(bào)警器如圖2-10為一個(gè)蜂鳴報(bào)警器和兩個(gè)不同顏色的燈16，它的作用是在溫度超過(guò)上下限時(shí)，單片機(jī)p3.7口輸出一個(gè)高電平，這時(shí)三極管到spesker（揚(yáng)聲器）電路導(dǎo)通，speaker則開(kāi)始報(bào)警。當(dāng)溫度超過(guò)上限溫度時(shí)紅燈亮起并且發(fā)出急促的報(bào)警聲。當(dāng)溫度低于下限溫度時(shí)黃燈亮起并且發(fā)出低

39、沉的報(bào)警聲。圖2-10 蜂鳴報(bào)警器2.7 數(shù)字溫度計(jì)電路原理圖數(shù)字溫度計(jì)電路原理設(shè)計(jì)圖見(jiàn)附錄1。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、計(jì)算溫度子程序、顯示溫度子程序等。數(shù)字溫度計(jì)主要是對(duì)溫度進(jìn)行采集、顯示。程序運(yùn)行開(kāi)始后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，ds18b20將采集到的溫度經(jīng)過(guò)ad轉(zhuǎn)換后，送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并通過(guò)lcd液晶模塊顯示17,并判斷是否超過(guò)溫度上限進(jìn)行報(bào)警。如圖3-1所示：溫度超過(guò)上下限？轉(zhuǎn)換并顯示溫度報(bào)警系統(tǒng)初始化開(kāi)始ds18b20獲取溫度值y圖3-1 主程序流程圖 3.2 讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換并讀出ram

40、中的9字節(jié)信息，判斷符號(hào)位并將溫度值存入寄存器 18。其程序流程圖如圖3-2示發(fā)送ds18b20復(fù)位命令啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換發(fā)送讀取溫度命令判定符號(hào)位為“+”？溫度值取補(bǔ)碼加1移入溫度暫存器ny圖3-2 讀溫度流程圖3.3 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19，其程序流程圖如圖3-3所示。開(kāi)始溫度零下？溫度值置“-”標(biāo)志分別計(jì)算百位數(shù)、十位數(shù)、個(gè)位數(shù)、小數(shù)位存入數(shù)據(jù)寄存器溫度值置“+”標(biāo)志yn圖3-3 計(jì)算溫度流程圖3.4 顯示溫度子程序顯示溫度子程序主要是對(duì)顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示操作，先判斷符號(hào)位，為“-”則顯示，為“+”則不顯示。然

41、后計(jì)算百位、十位、個(gè)位等數(shù)值并判斷是否為0，為0不顯示，不為0顯示20。程序流程圖如圖3-4。讀取溫度數(shù)據(jù)并計(jì)算其百位數(shù)、十位數(shù)、個(gè)位數(shù)、小數(shù)位判斷符號(hào)位，為“+”則不顯示符號(hào)位，為“-”則顯示符號(hào)位判斷百位不為0顯示百位，為0則不顯示判斷十位不為0顯示十位，為0則不顯示依次向lcd寫(xiě)入指令和數(shù)據(jù)顯示符號(hào)位、百位數(shù)、十位數(shù)、和小數(shù)位圖3-4 顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖3.5 數(shù)字溫度計(jì)主程序數(shù)字溫度計(jì)程序見(jiàn)附錄3。4 系統(tǒng)仿真4.1 proteus仿真軟件簡(jiǎn)介proteus是英國(guó)labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與仿真軟件。proteus是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，它可以仿真51系列、av

42、r，pic等常用的mcu及其外圍電路（如lcd，ram，rom，鍵盤，馬達(dá)，led，ad/da，部分spi器件，部分ic器件）。數(shù)字溫度計(jì)的仿真設(shè)計(jì)基于proteus和keilc軟件。運(yùn)行于windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(spice)數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐?，是目前唯一能實(shí)現(xiàn)對(duì)51、pic、avr、hc11等處理器的仿真軟件21。4.2 仿真原理圖proteus軟件具有仿真功能，要仿真首先要繪制原理圖。選好所有的元器件后單擊元件列表中的圖標(biāo)就可以把所需要的元件放入編輯窗口中，調(diào)整元件的位置，并把地線和電源放入編輯窗口中，最后進(jìn)行連線。仿真電路中通過(guò)ds18b20手動(dòng)控制溫度從

43、而達(dá)到仿真效果。系統(tǒng)仿真原理圖見(jiàn)附錄2。4.3 加載仿真程序雙擊仿真圖中at89c51后，在彈出的編輯元件對(duì)話框中選program file選項(xiàng)，然后找到仿真程序wenduji.hex選中即可?；氐椒抡娼缑婧筮x擇“調(diào)試”菜單中的執(zhí)行選項(xiàng)，可以看到程序運(yùn)行后的結(jié)果。如果想停止仿真就選擇“調(diào)試”菜單選項(xiàng)中的停止仿真即可。仿真開(kāi)始后，手動(dòng)點(diǎn)擊ds18b20上的兩個(gè)按鈕，“+”代表增加溫度，“-”代表減少溫度。lcd液晶顯示模塊就會(huì)顯示出對(duì)應(yīng)的溫度值(由于仿真軟件的限制，每次溫度加減只能1度1度的進(jìn)行)。如果溫度超過(guò)上限時(shí)紅燈會(huì)亮起并且蜂鳴報(bào)警器就會(huì)自動(dòng)發(fā)出急促的報(bào)警聲。如果溫度低于下限時(shí)黃燈會(huì)亮起并

44、且蜂鳴報(bào)警器會(huì)自動(dòng)發(fā)出低沉的報(bào)警聲?？?結(jié)經(jīng)過(guò)半年的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，終于完成了數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)，并且達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。但是由于時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的不足，數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)有一些地方還可以繼續(xù)改進(jìn)使測(cè)量結(jié)果更加精確。比如可以用多個(gè)ds18b20共同測(cè)量溫度并進(jìn)行報(bào)警，可以尋找一些測(cè)溫精確度更高、測(cè)溫范圍更廣的溫度傳感器等。設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中使用單片機(jī)、溫度傳感器、顯示模塊及報(bào)警器等其它模塊共同組成了數(shù)字溫度計(jì)。首先設(shè)計(jì)的是它的硬件電路，最重要的部分是單片機(jī)at89c51芯片，所有的數(shù)據(jù)都是通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理的。其次是溫度傳感器ds18b20，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)

45、字值讀數(shù)方式，并且它的測(cè)溫精度可以達(dá)到0.5。然后就是1602lcd液晶顯示模塊，其他還有晶振電路、復(fù)位電路、報(bào)警電路。然后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件程序，通過(guò)用c語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電路的控制。數(shù)字溫度計(jì)主要是對(duì)溫度進(jìn)行采集、顯示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、讀出溫度子程序、計(jì)算溫度子程序、顯示溫度子程序等。最后在英國(guó)labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與仿真軟件proteus中作出仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真過(guò)程中，程序運(yùn)行開(kāi)始后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化設(shè)置，ds18b20將采集到的溫度經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后送到單片機(jī)at89c51進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并通過(guò)lcd液晶模塊將溫度值顯示出來(lái)。參考文獻(xiàn)1 高慶中.溫度計(jì)量m.北京：中國(guó)計(jì)量出

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