1、湖北科技學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告標(biāo)題：DS18B20數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)名字：講師：設(shè)計(jì)時(shí)間：2014年12月1日-12月20日電子與信息工程學(xué)院目錄1.導(dǎo)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.作品展覽159.參考文獻(xiàn)17DS18B20數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)1.介紹1.1 .設(shè)計(jì)意義在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常使用溫度檢測(cè)和控制。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量元件包括熱電偶和熱電阻。然而，由熱電偶和熱電阻測(cè)量的電壓通常被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度，這需要更多的外部硬件支持。它的缺點(diǎn)如下：復(fù)雜的硬件電路；軟件調(diào)試復(fù)雜；制造成本低

2、。在這種數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)中，采用了美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司引進(jìn)的改進(jìn)型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測(cè)元件。溫度范圍為-55 125，最高分辨率可達(dá)0.0625。DS18B20可以直接讀取溫度測(cè)量值，并通過(guò)三線制與單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路，成本低，熱點(diǎn)使用方便。1.2 .系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的DS18B20數(shù)字溫度計(jì)可測(cè)量-55 125范圍內(nèi)的溫度，誤差在0.5以內(nèi)。它由發(fā)光二極管數(shù)碼管直接讀取和顯示。2.方案設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成：主控制器、測(cè)溫電路和顯示電路。數(shù)字溫度計(jì)的整體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示：AT89C2051主控制系統(tǒng)器官DS18B20顯示電路掃描驅(qū)動(dòng)器

3、圖4.13.硬件設(shè)計(jì)溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)示意圖如下圖所示。控制器采用單片機(jī)AT89C2051，溫度傳感器采用DS18B20，四位共陽(yáng)極LED數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描方式實(shí)現(xiàn)溫度顯示。主控制器單片機(jī)AT89C2051這兩個(gè)端口具有低壓供電和體積小的特點(diǎn)，正好滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，非常適合便攜式手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用。該系統(tǒng)可以由兩節(jié)電池供電。右圖為AT89C2051的引腳圖。1.VCC:電源電壓。2.GND:地面。3.P1端口：P1端口是一個(gè)8位雙向輸入輸出端口。端口引腳P1.2P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，而P1.0和P1.1需要外部上拉電阻。P1.0和P1.1也分別用作片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(ANI0

4、)和反相輸入(AIN1)。P1港輸出緩沖器可以吸收20mA電流，可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管顯示。當(dāng)P1端口引腳寫“1”時(shí)，可以作為輸入端；當(dāng)P1.2P1.7作為輸入端，被外部下拉時(shí)，內(nèi)部寫“1”時(shí)，可以作為輸入端。當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部下拉時(shí)，由于內(nèi)部上拉電阻，它們將流出電流。4.P3端口：P3端口的P3.0P3.5和P3.7是七個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向輸入輸出端口引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)，作為通用輸入/輸出引腳不可訪問。P3緩沖器可以吸收20mA電流。當(dāng)P3端口寫“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻上拉，可以用作輸入端。當(dāng)用作輸入時(shí)，被外部拉低的P3引腳將使用上拉電阻流

5、出電流。5.RST:重置輸入。一旦RST變高，所有的輸入/輸出引腳復(fù)位為“1”。振蕩器運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期給RST引腳高電平來(lái)完成復(fù)位。每個(gè)機(jī)器周期需要12個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。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。XTAL2:作為振蕩器反相放大器的輸出。總線驅(qū)動(dòng)器74LS24474LS244是一個(gè)3態(tài)8位緩沖器，通常用作總線驅(qū)動(dòng)器。引腳圖見上圖。顯示電路顯示電路采用4位共陽(yáng)極發(fā)光二極管數(shù)碼管，從P1端口輸出段碼。列掃描由P3.0P3.3端口實(shí)現(xiàn)，列驅(qū)動(dòng)由8055三極管實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器DS18B20DS18B20的性能特征：1.自適應(yīng)電壓范圍更寬，從3.0到5.5

6、伏，可以通過(guò)寄生電源模式下的數(shù)據(jù)線供電。2.獨(dú)特的單線接口模式。當(dāng)DS18B20與微處理器連接時(shí)，只需要一條端口線就可以實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20之間的雙向通信。3.DS18B20支持多點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)功能，多臺(tái)DS18B20只需在三條線路上并聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和多點(diǎn)測(cè)溫。4.DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，所有的傳感元件和轉(zhuǎn)換電路都集成在一個(gè)類似三極管的集成電路中。5.溫度范圍為-55 125，在-10 85時(shí)精度為0.5。6.可編程分辨率為9 12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量。7.在9位分辨率下，溫度最多可在93.75毫秒內(nèi)轉(zhuǎn)換為數(shù)字

7、，在12位分辨率下，溫度值最多可在750毫秒內(nèi)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)，通過(guò)“單線總線”串行傳輸給中央處理器，同時(shí)可以傳輸CRC校驗(yàn)碼，抗干擾和糾錯(cuò)能力強(qiáng)。9.負(fù)壓特性：當(dāng)電源極性反轉(zhuǎn)時(shí)，芯片不會(huì)因受熱而燒壞，但不會(huì)正常工作。DS18B20與單片機(jī)的接口電路(引腳圖見右圖)DS18B20可由電源供電。此時(shí)，DS18B20的第一個(gè)引腳接地，第二個(gè)引腳用作信號(hào)線，第三個(gè)引腳連接到電源。4.軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀取溫度子程序、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)刷新子程序。4.1主程序主程序的主要功能是實(shí)時(shí)顯示、讀取和處理DS18B20的溫度測(cè)量值。

8、溫度測(cè)量應(yīng)每1秒進(jìn)行一次。主要程序流程圖如圖4.1所示。4.2讀出溫度子程序讀取溫度子程序的主要功能是讀取內(nèi)存中的9個(gè)字節(jié)。讀取時(shí)必須檢查循環(huán)冗余校驗(yàn)，當(dāng)檢查中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，不能重寫溫度數(shù)據(jù)。讀出溫度子程序流程如下圖所示：初始化調(diào)用顯示子程序1到？首次通電讀出溫度值溫度計(jì)的酸處理顯示數(shù)據(jù)刷新發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換開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內(nèi)存中的9個(gè)字節(jié)。讀取時(shí)應(yīng)檢查循環(huán)冗余校驗(yàn)，當(dāng)檢查中有任何錯(cuò)誤時(shí)，不應(yīng)重寫溫度數(shù)據(jù)。溫度子程序流程如下圖所示。發(fā)送DS18B20復(fù)位指令循環(huán)冗余校驗(yàn)是否正確？發(fā)送跳過(guò)只讀存儲(chǔ)器指令移入溫度寄存器發(fā)送溫度讀數(shù)指令目標(biāo)讀取操作，循環(huán)冗余校驗(yàn)9字節(jié)的結(jié)

9、尾？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)送溫度轉(zhuǎn)換開始命令。當(dāng)使用12位分辨率時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為750毫秒。在該程序設(shè)計(jì)中，使用1秒顯示程序延遲方法來(lái)等待轉(zhuǎn)換完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程如下圖所示。發(fā)送DS18B20復(fù)位命令發(fā)出跳過(guò)只讀存儲(chǔ)器命令發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換開始命令目標(biāo)計(jì)算溫度子程序計(jì)算溫度子程序?qū)?nèi)存中讀取的值進(jìn)行BCD碼轉(zhuǎn)換運(yùn)算，判斷溫度值是正還是負(fù)。計(jì)算溫度子程序的流程圖如下圖所示。真實(shí)數(shù)據(jù)刷新子程序真實(shí)數(shù)據(jù)刷新子程序主要刷新顯示緩沖區(qū)中的顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)最高數(shù)據(jù)顯示位為0時(shí)，符號(hào)顯示移至下一位。真實(shí)數(shù)據(jù)刷新子程序的流程圖如下圖所示。溫度數(shù)據(jù)被移入顯示寄存器開始計(jì)算十進(jìn)制溫度的BCD值

10、十位數(shù)0？氣溫在零度以下？計(jì)算整數(shù)位溫度的BCD值百位數(shù)0？設(shè)置標(biāo)志取溫度值的補(bǔ)碼，并設(shè)置“1”符號(hào)百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)(無(wú)符號(hào))十位數(shù)顯示符號(hào)不顯示百位數(shù)目標(biāo)目標(biāo)5.系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試主要是程序調(diào)試。硬件調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單。首先檢查電感的焊接是否正確，然后用萬(wàn)用表測(cè)試或通電測(cè)試。在軟件調(diào)試中，先編寫顯示程序，檢查硬件的正確性，然后分別編寫主程序、溫度讀取子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、溫度計(jì)算子程序和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新子程序，并進(jìn)行調(diào)試由于DS18B20和單片機(jī)采用串行數(shù)據(jù)傳輸，在對(duì)DS18B20編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證讀/寫時(shí)序。否則，無(wú)法讀取測(cè)量結(jié)果。該程序由單片機(jī)或C語(yǔ)言編譯，由Wave3.2或Keil C51編

11、譯器編程調(diào)試。軟件經(jīng)過(guò)調(diào)試顯示溫度值，當(dāng)有溫度變化時(shí)，顯示溫度可以變化，救援基本完成。性能測(cè)試可以測(cè)量，并與制造的溫度計(jì)和現(xiàn)有的溫度計(jì)進(jìn)行比較。由于DS18B20的高精度，誤差指標(biāo)可控制在0.5以內(nèi)。此外，溫度測(cè)量范圍從-55到125，使溫度計(jì)完全適合一般應(yīng)用，其低壓供電特性可制成電池供電的手持式溫度計(jì)。DS18B20溫度計(jì)也可應(yīng)用于高低溫報(bào)警和遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測(cè)溫控制，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下問題：1.當(dāng)DS18B20工作時(shí)，電流為1.5毫安，總線上的鉤子數(shù)量很大。當(dāng)同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)，有必要增加總線驅(qū)動(dòng)器。在溫度轉(zhuǎn)換期間，微控制器端口可以導(dǎo)通金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管來(lái)供電。2.連接DS18B20的總

12、線電纜長(zhǎng)度有限，因此在設(shè)計(jì)DS18B20遠(yuǎn)程溫度測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮總線分布電容和阻抗匹配。3.在DS18B20的溫度測(cè)量程序設(shè)計(jì)中，程序總是在向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令后等待DS18B20的返回信號(hào)。一旦DS18B20接觸不良或斷開，當(dāng)程序讀取DS18B20時(shí)，將沒有返回信號(hào)，程序?qū)⑦M(jìn)入無(wú)限循環(huán)。DS18B20的硬件連接和軟件設(shè)計(jì)應(yīng)注意這一點(diǎn)。6.設(shè)計(jì)概要為期兩周的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束。在這兩周的時(shí)間里，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。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們了解并熟悉了DS18B20、AT89C2051和74LS244的工作原理和性能。通過(guò)溫度計(jì)的制

13、作，我們將在電子技能培訓(xùn)課上學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際操作中，發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際操作中的問題，從而增加我們的知識(shí)和理解。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也存在一些問題。例如，在開始時(shí)，根據(jù)教科書中的電路圖進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)布局和布線。有些學(xué)生布局不合理，導(dǎo)致任務(wù)繁重，焊接過(guò)程難看。在燒錄程序的后期調(diào)試中，問題出現(xiàn)后，布線不合理的學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題的過(guò)程中非常困難。在焊接過(guò)程中，最常見的問題是虛擬焊接。針對(duì)這個(gè)問題，在焊接過(guò)程中，我盡量按照書中的說(shuō)明將焊點(diǎn)焊接成水滴，最后接通電源后，根據(jù)數(shù)碼管的顯示情況逐一檢查。將程序燒錄到單片機(jī)后，接上電源，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管沒有顯示正常的“000.0”，而是顯示“666.6”。經(jīng)檢查電路正確后，

14、與其他學(xué)生討論后得出結(jié)論，本書中的程序是為單片機(jī)、電阻和數(shù)碼管的直接連接而設(shè)計(jì)的，添加74LS244后，8個(gè)輸入輸出端口出現(xiàn)故障。因此，我切換了8個(gè)端口，然后再次打開電源。數(shù)碼管顯示“000.0”，調(diào)試成功。在制作完我的溫度計(jì)后，我還幫助其他未完成的學(xué)生修理了它，并成功地幫助了兩個(gè)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決了它們，最后他們被成功地調(diào)試了?？傊谶@兩個(gè)星期里，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室里制作數(shù)字溫度計(jì)，我們不僅把課本上的知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，而且在實(shí)踐中也深刻地理解了書中原有的抽象知識(shí)。這也是整個(gè)課程設(shè)計(jì)中最有收獲的地方。7.附加記錄S/DS18B20溫度計(jì)c程序/2005年2月28日通過(guò)調(diào)試/* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *