基于单片机的多点温度测量专业系统设计.doc

目录
第一章 摘要…………………………………………………………………2
第二章 引言…………………………………………………………………2
第三章 DS18B20温度传感器相关介绍……………………………………3
3.1 DS18B20特点………………………………………………3
3.2 DS18B20工作过程立即序……………………………………3
3.3 DS18B20结构图………………………………………………5
第四章 LED数码管介绍……………………………………………………8
第五章 硬件设计 …………………………………………………… 10
5.1温度采集模块………………………………………………11
5.2温度显示模块………………………………………………11
第六章 软件设计…………………………………………………………12
6.1读18B20ROM系列号程序………………….……..……12
6.2温度转换和读取程序………………………………………17
6.3温度在数码管显示程序……………………………………23
第七章 心得体会……………………………………………………………26
参考资料……………………………………………………………27

第一章 摘要
此次课程设经过基于MCS-51系列单片机SST80C51和DS18B20温度传感器检测温度，熟悉芯片使用，温度传感器功效，LED数码管使用，汇编语言设计；而且把我们这十二个月所学数字和模拟电子技术、检测技来掌握相关知识。

第二章 引言
在人类生活环境中，温度饰演着极其关键角色。不管你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在和温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝正确联络。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，能够说几乎80%工业部门全部不得不考虑着温度原因。温度对于工业如此关键，由此推进了温度传感器发展。进入二十一世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功效、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技方向快速发展。
在工农业生产中，温度检测及其控制占有举足轻重地位，伴随现代信息技术飞速发展和传统工业改造逐步实现 ，能够独立工作温度检测和显示系统已经应用于很多领域。要达成较高测量精度需要很好处理引线误差赔偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差等问题，使温度检测复杂化。
单片机以其功效强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大作用。采取单片机对温度采集进行控制，不仅含有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且能够大幅度提升被控数据技术指标，从而能够大大提升产品质量和数量。

第三章 DS18B20温度传感器相关介绍

3.1 DS18B20特点：
（1）独特单线接口方法：DS18B20和微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器和DS18B20双向通讯。
（2）在使用中不需要任何外围元件。
（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0~ +5.5 V。
（4）测温范围：-55 - +125 ℃。固有测温分辨率为0.5 ℃。
（5）经过编程可实现9-12位数字读数方法。
（6）用户可自设定非易失性报警上下限值。
（7）支持多点组网功效，多个DS18B20能够并联在惟一三线上，实现多点测温.
（8）负压特征，电源极性接反时，温度计不会因发烧而烧毁，但不能正常工作。
3.2 DS18B20工作过程立即序
DS18B20内部低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度改变很小振荡器，为计数器1提供一频率稳定计数脉冲。
高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感振荡器，为计数器2提供一个频率随温度改变计数脉冲。
初始时，计数器1预置是和-55℃相对应一个预置值。以后计数器1每一个循环预置数全部由斜率累加器提供。为了赔偿振荡器温度特征非线性性，斜率累加器提供预置数也随温度对应改变。计数器1预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加1℃计数器所需要计数个数。
DS18B20内部比较器以四舍五入量化方法确定温度寄存器最低有效位。在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中计数剩下值转换为温度值后和0.25℃进行比较，若低于0.25℃，温度寄存器最低位就置0；若高于0.25℃，最低位就置1；若高于0.75℃时，温度寄存器最低位就进位然后置0。这么，经过比较后所得温度寄存器值就是最终读取温度值了，其最终位代表0.5℃，四舍五入最大量化误差为±1/2LSB，即0.25℃。
温度寄存器中温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其它8位以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这9位数据转存到暂存存放器前两个字节中，符号位占用第一字节，8位温度数据占据第二字节。
DS18B20测量温度时使用特有温度测量技术。DS18B20内部低温度系数振荡器能产生稳定频率信号；一样，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率非线性度加以赔偿。测量结果存入温度寄存器中。通常情况下温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最终以16位补码形式读出。
DS18B20工作过程通常遵照以下协议：初始化——ROM操作命令——存放器操作命令——处理数据

初始化
单总线上全部处理均从初始化序列开始。初始化序列包含总线主机发出一复位脉冲，接着由隶属器件送出存在脉冲。存在脉冲让总线控制器知道DS1820 在总线上且已准备好操作。
ROM操作命令
一旦总线主机检测到隶属器件存在，它便能够发出器件ROM操作命令之一。全部ROM操作命令均为8位长。这些命令列表以下：
Read ROM(读ROM)[33h] 此命令许可总线主机读DS18B208位产品系列编码，唯一48位序列号，和8位CRC。此命令只能在总线上
仅有一个DS18B20情况下能够使用。假如总线上存在多于一个隶属器件，那么当全部从片企图同时发送时将发生数据冲突现象（漏极开路会产生线和结果）。
Match ROM( 符合ROM)[55h] 此命令后继以64位ROM数据序列，许可总线主机对多点总线上特定DS18B20寻址。只有和64位ROM序列严格相符DS18B20才能对后继存贮器操作命令作出响应。全部和64位ROM序列不符从片将等候复位脉冲。此命令在总线上有单个或多个器件情况下均可使用。
Skip ROM( 跳过ROM )[CCh] 在单点总线系统中，此命令经过许可总线主机不提供64位ROM编码而访问存放器操作来节省时间。假如在总线上存在多于一个隶属器件而且在Skip ROM命令以后发出读命令，那么因为多个从片同时发送数据，会在总线上发生数据冲突（漏极开路下拉会产生线和效果）。
Search ROM( 搜索ROM)[F0h] 当系统开始工作时，总线主机可能不知道单线总线上器件个数或不知道其64位ROM编码。搜索ROM命令许可总线控制器用排除法识别总线上全部从机64位编码。
Alarm Search(告警搜索)[ECh] 此命令步骤和搜索ROM命令相同。不过，仅在最近一次温度测量出现告警情况下，DS18B20才对此命令作出响应。告警条件定义为温度高于TH 或低于TL。只要DS18B20一上电，告警条件就保持在设置状态，直到另一次温度测量显示出非告警值或改变TH或TL设置，使得测量值再一次在许可范围之内。贮存在EEPROM内触发器值用于告警。
存放器操作命令
Write Scratchpad（写暂存存放器）[4Eh] 这个命令向DS18B20暂存器中写入数据，开始位置在地址2。接下来写入两个字节将被存到暂存器中地址位置2和3。能够在任何时刻发出复位命令来中止写入。
Read Scratchpad（读暂存存放器）[BEh] 这个命令读取暂存器内容。读取将从字节0开始，一直进行下去，直到第9（字节8，CRC）字节读完。假如不想读完全部字节，控制器能够在任何时间发出复位命令来中止读取。
Convert T（温度变换）[44h] 这条命令开启一次温度转换而无需其它数据。温度转换命令被实施，以后DS18B20保持等候状态。假如总线控制器在这条命令以后跟着发出读时间隙，而DS18B20又忙于做时间转换话，DS18B20将在总线上输出“0”，若温度转换完成，则输出“1”。假如使用寄生电源，总线控制器必需在发出这条命令后立即起动强上拉，并保持500ms。处理数据:
DS18B20高速暂存存放器由9个字节组成，其分配图3所表示。当温度转换命令公布后，经转换所得温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存放器第0和第1个字节。单片机可经过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。           

DS18B20温度数据表
上表是DS18B20温度采集转化后得到12位数据，存放在DS18B20两个8比特RAM中，二进制中前面5位是符号位，假如测得温度大于或等于0，这5位为0，只要将测到数值乘于0.0625即可得到实际温度；假如温度小于0，这5位为1，测到数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
温度转换计算方法举例： 比如当DS18B20采集到+125℃实际温度后，输出为07D0H，则：实际温度=07D0H╳0.0625=╳0.0625=1250C。比如当DS18B20采集到-55℃实际温度后，输出为FC90H，则应先将11位数据位取反加1得370H（符号位不变，也不作为计算），则：实际温度=370H╳0.0625=880╳0.0625=550C。
3.3 DS18B20结构图

图1管脚排列图
在TO-92和SO-8封装中引脚有所不一样，具体差异请查阅PDF手册，在TO-92封装中引脚分配以下：
1（GND）：地
2（DQ）：单线利用数据输入输出引脚
3（VDD）：可选电源引脚
第四章 LED数码管介绍
LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形组成，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定段加上电压后，这些特定段就会发亮。通常情况下，单个发光二极管管压降为1.8V左右，电流不超出30mA。发光二极管阳极连接到一起连接到电源正极称为共阳数码管，发光二极管阴极连接到一起连接到电源负极称为共阴数码管。常见LED数码管显示数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

图2 数码管引脚定义图
八段LED数码显示管原理和结构：
数码管分为共阳型和共阴型，共阳极型就是发光管正极全部连在一起 ，作为一条引线，负极分开。八段数码发光管就是8个发光二极管组成，在空间排列成为8字型带个小数点，只要将电压加在阳极和阴极之间对应笔画就会发光。8个发光二极管阳极并接在一起，8个阴极分开，所以称为共阳八段数码管。相反则为共阴八段数码管。
共阴极八段译码管显码表：（输入为sp、g、f、e、d、c、b、a）
输入
输出
输入
输出
3FH
0
7FH
8
06H
1
6FH
9
5BH
2
77H
A
4FH
3
7CH
B
66H
4
39H
C
6DH
5
5EH
D
7DH
6
79H
E
07H
7
71H
F

动态显示驱动：
数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛一个显示方法之一，动态驱动是将全部数码管8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp "同名端连在一起，另外为每个数码管公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立I/O线控制。
当单片机输出字形码时，全部数码管全部接收到相同字形码，但到底是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路控制，所以我们只要将需要显示数码管选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通数码
管就不会亮。

　 透过分时轮番控制各个LED数码管COM端，就使各个数码管轮番受控显示，这就是动态驱动。在轮番显示过程中，每位元数码管点亮时间为1～2ms，因为人视觉暂留现象及发光二极体余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描速度足够快，给人印象就是一组稳定显示资料，不会有闪烁感，动态显示效果和静态显示是一样，能够节省大量I/O端口，而且功耗更低。

第五章 硬件设计
温度采集系统硬件部分关键是由温度采集模块、MSC51处理模块、温度显示模块组成：

图3系统硬件框图

5.1温度采集模块：

图4 温度采集模块电路原理图
两个18B20输入/输出端口接在同一根总线上，GND接地，VCC端口接+5V电源，DQ端口接单片机P2.0口

5.2温度显示模块：

图5 温度显示模块电路原理图
51单片机经过CH452驱动八共阴极数码管显示，其中CH452SCL输入端口接单片机P2.2，SDA输入输出端口接P2.1口。

第六章 软件设计
程序编写关键分为 读18B20ROM系列号程序，温度转换和读取程序，温度在数码管显示程序。
6.1 读18B20ROM系列号程序
在编写读18B20ROM系列号程序过程中需要分为多个子程序如：初始化，写时序，读时序，读ROM系列号等过程

图6 读ROM序列号步骤图
#include<reg52.h>
#include<intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uchar busf[8];
sbit DQ = P2^0;
/* 22.11484MHz时微秒级延时*****************/
void delayus(uchar us)
{
while(us--);
}
/* 22.11484MHz时毫秒级延时*****************/
void delayms(uint xms)
{
uint x,y;
for(x=xms; x>0; x--)
for(y=229; y>0; y--);
}
void DQ_Init(void)
{
DQ=1;
_nop_();_nop_();
DQ=0;
delayus(150); //492us
DQ=1;
delayus(30); //103us
while(DQ==1);
delayus(150); //492us
}
uchar DQ_read(void)
{
uchar i, rdata;
for(i=0; i<8; i++)
{
rdata = rdata>>1;
DQ = 1;
_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();
DQ = 0;
_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();
DQ = 1;
delayus(2);
if(DQ==1)
{
rdata = rdata|0x80;
}
else
{
rdata = rdata&0x7F;
}
delayus(12); //45us
}
DQ = 1;
return rdata;
}
void DQ_write(uchar sdata)
{
uchar i;
for(i=0; i<8; i++)
{
DQ=1;
_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();
DQ=0;
_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();
if((sdata&0x01)==1)
DQ = 1;
else
DQ = 0;
delayus(17); //60+us
sdata = sdata>>1;
}
DQ = 1;
}
void get_num()
{
uchar i;
DQ_Init();
DQ_write(0x33);
for(i=0;i<8;i++)
{
busf[i]=DQ_read();
}
}
void main()
{
delayms(1000);
while(1)
{
get_num();
delayms(1000);
P0=busf[0];
}
}
6.2温度转换和读取程序
二．温度读取和对应转换程序中关键包含 初始化，跳过ROM，温度转换，匹配ROM，写入指令读暂存器温度，温度值转换成实际温度等过程。

图7 温度读取和转换步骤图

#include <intrins.h>
#include "C_Delay.h"
#include "PIN.h"
#include "DS18B20.h"
uchar TH,TL;
uint TEMP;
/*18b20ROM地址：单个连接读取*/
unsigned char rom1[8] ={0x28,0xfe,0x97,0x4a,0x03,0x00,0x00,0x86};
unsigned char rom2[8] ={0x28,0xe6,0x7b,0x79,0x02,0x00,0x00,0xec};
/* 1-wire通信初始化***********************/
void DQ_Init(void)
{
DQ=1;
_nop_();_nop_();
DQ=0;
delayus(150); //492us
DQ=1; //释放总线
delayus(30); //103us
while(DQ==1); //等到18B20
delayus(150); //492us
}
/* 1-wire通信读1字节***********************/
uchar DQ_read(void)
{
uchar i, rdata;
for(i=0; i<8; i++)
{
rdata = rdata>>1;
DQ = 1;
_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();
DQ = 0;
_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();
DQ = 1;
delayus(2); //12us,加上前面DQ以后时间，大约14-15us
if(DQ==1)
{
rdata = rdata|0x80;
}
else
{
rdata = rdata&0x7F;
}
delayus(12); //45us
}
DQ = 1;
return rdata;
}
/* 1-wire通信写1字节***********************/
void DQ_write(uchar sdata)
{
uchar i;
for(i=0; i<8; i++)
{
DQ=1;
_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();
DQ=0;
_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();
if((sdata&0x01)==1)
DQ = 1;
else
DQ = 0;
delayus(17); //60+us
sdata = sdata>>1;
}
DQ = 1; //释放总线
}
uint get_Temp(uchar on)
{ uchar i;
DQ_Init();
DQ_write(0xcc); //跳过ROM
DQ_write(0x44); //开始转换温度
delayms(750);
DQ_Init();
DQ_write(0x55); //match ROM
if(on==1)
{
for(i=0;i<8;i++)
{
DQ_write(rom1[i]);
}
}
if(on==2)
{
for(i=0;i<8;i++)
{
DQ_write(rom2[i]);
}
}
DQ_write(0xBE);
TL = DQ_read();
TH = DQ_read();
TEMP = TH;
TEMP = (TEMP<<8)|TL;
TEMP = (unsigned int)(TEMP*0.0625*100+0.5);
return TEMP;
}，
6.3 温度在数码管显示程序
三．温度显示部分程序关键包含初始化，经过CH452进行温度—代码转换，经过按键逐一显示在LED数码管上等过程。

图8 温度显示步骤图
#include<reg52.h>
#include<intrins.h>
#include"CH452CMD.h"
#include"C_Delay.h"
//#include"DS1302.h"
#include"DS18b20.h"
//#include"AD_TLC549.h"
#include"PIN.h"
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
//位定义
//sbit LED = P0^0;
//sbit LED1 = P0^1;
//sbit FMQ = P3^3;
//全局变量定义
uchar keyValue; //键值
//bit isRTCSet = 0; //1302是否调时模式
//uchar TimeOn;
//显示缓冲区
uchar DISBUF[8] = {0x10, 0x10, 0x10, 0x10, 0x10, 0x10, 0x10, 0x10};
//DS1302时间缓冲区
uchar DATETIME[7] = {0, 0x27, 0x21, 0x19, 0x08, 0x02, 0x11};
//显示数据类型
enum RTCMode{
time = 0,
date = 1
} RTC_Display = time;
/* CH452显示程序 *****************************************/
void CH452_Fresh_Display(void)
{//配置CH452：采取BCD译码方法，8个数码管
CH452_Write(CH452_SYSON2);
CH452_Write(CH452_BCD); // BCD译码,8个数码管
CH452_Write(CH452_DIG7 | DISBUF[4]);
CH452_Write(CH452_DIG6 | DISBUF[5]);
CH452_Write(CH452_DIG5 | DISBUF[6]);
CH452_Write(CH452_DIG4 | DISBUF[7]);
CH452_Write(CH452_DIG3 | DISBUF[0]);
CH452_Write(CH452_DIG2 | DISBUF[1]);
CH452_Write(CH452_DIG1 | DISBUF[2]);
CH452_Write(CH452_DIG0 | DISBUF[3]);
}
显示温度************************************************/
void Dis_temp(uchar Dev_No)
{
uint TEMP;
TEMP=get_Temp(Dev_No);
DISBUF[0] = 0x17;
DISBUF[1] = 0x18+0x80;
if(Dev_No==1)DISBUF[2] = 1;
if(Dev_No==2)DISBUF[2] = 2;
DISBUF[3] = 0x12;
DISBUF[4] = TEMP % 10000 / 1000; //拆分温度信息
DISBUF[5] = TEMP % 1000 / 100+0x80;
DISBUF[6] = TEMP % 100 / 10;
DISBUF[7] = TEMP % 10;
CH452_Fresh_Display();
}
void init() //初始化函数
{
//配置中止：使能外部中止0，使能串口中止，使能总中止
IE0=0;
EX0=1;
ET0 = 1;
EA=1;
//只点亮LED1
P0 = 0x01;
//设备初试化测试
CH452_Write(CH452_SYSON2);
// DS1302_Test();
// RTC_WRDateTime(DATETIME);
}
void choice() interrupt 0
{ keyValue = CH452_Read();
}
void main()
{
P0=0;
init();
while(1)
{ if(keyValue==0x40)
{CH452_Write(CH452_TWINKLE & 0xFF00);Dis_temp(1);}
if(keyValue==0x41)
{CH452_Write(CH452_TWINKLE & 0xFF00);Dis_temp(2);}
else
{CH452_Write(CH452_TWINKLE & 0xFF00);Dis_temp(1);}
// delayms(20);
}
}
第七章 心得体会
经过此次综合训练，自己感觉学到了很多东西，即使只有短短一周时间，但确实使自己对知识认识和了解有了很大提升。首先要说是对数字信号处理认识，经过查阅资料，，自己在里仁图书馆借个几本相关书籍，经过这次基于DS18B20传感器测量温度和LED数码管设计，我学到了很多东西。，这次设计加强了我们独立思索能力。一个好设计需要经过我们不停思维，不停改善。经过设计以后，我们不像以前那样，碰到问题全部不愿意独立思索，只会一味向她人求援。现在，我们会经过自己思索，处理我们自己碰到问题和困难。。一开始我们经过讨论，初步有了设计方案，认为还是比较简单。不过，具体到设计时，我们碰到了很多麻烦，比如怎样将传感器得到温度转换成为对应电信号，怎样将电信号输送到单片机进行控制，怎样把测得温度用数字显示出来等等。这就要求我们学习要一步一个脚印，掌握扎实理论基础了。
最关键一点是，我们在这次设计中培养了自己学习能力。因为好多知识超出了我们书本范围，这就要求我们自己经过查资料来增加我们知识，处理碰到部分问题。在短时间内从书本资料中帅选出我们所需要知识，对我们自主学习能力有很大帮助。就那DS18B20来说，因为我们书本上没有介绍到这种温度传感器，所以我们就经过学习DS18B20和数码管说明书，了解它工作原理和特征，并搞清楚在实际应用时要注意事项，对DS18B20进行初始化、编程要求和要求等。培养了自主学习能力，不管以后我们要做什么样设计，我们全部能够经过查阅资料来实现。最终，此次设计能够顺利完成，我要尤其感谢试验室老师给大力支持和热心帮助。经过四面综合训练，自己感到收获很大，同时也让自己感到了知识关键性。

参考文件

高洪志 MCS-51单片机原理及应用技术教程 人民邮电出版社
谢宜仁 单片机实用技术问答 人民邮电出版社
龚光华 单片机认识和实践 北京航空航天大学出版社
唐继贤 51单片机工程应用实例 北京航空航天大学出版社