基于DS18B20數(shù)字式溫度儀的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題 目 基于DS18B20的數(shù)字式溫度測量儀的研究與設(shè)計(jì) 所在系 電信系 學(xué)生姓名 賴文俊 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 電氣601 學(xué)號(hào) 06010248 指導(dǎo)教師 李瑞程 2010年 5月摘 要隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研、各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù), 本文主要介紹了一個(gè)基于89S51單片機(jī)的測溫系統(tǒng)，詳細(xì)描述了利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20開發(fā)測溫系統(tǒng)的過程，重點(diǎn)對(duì)傳感器在單片機(jī)下的硬件連接，軟件編程以及各模塊系統(tǒng)流程進(jìn)行了詳盡分析，對(duì)各部分的電路也一一進(jìn)行了介紹,該系統(tǒng)可以方便的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)溫度采集和顯示，并可根據(jù)需要任意設(shè)定上下限報(bào)警溫度，它使用起來相當(dāng)方便，具有精度高、量程寬、靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適合于我們?nèi)粘Ｉ詈凸?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測量，也可以當(dāng)作溫度處理模塊嵌入其它系統(tǒng)中，作為其他主系統(tǒng)的輔助擴(kuò)展。DS18B20與AT89C51結(jié)合實(shí)現(xiàn)最簡溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量，有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，溫度檢測，AT89S51，DS18B20ABSTRACTWith the era of progress and development, microcontroller technology has spread to our lives, work, research in various fields has become a relatively mature technology, this paper describes a 89S51 microcontroller-based temperature measurement system, described in detail using digital temperature sensor DS18B20 development process temperature measurement system, with emphasis on the sensor under the SCM hardware connection, software programming, and the module system process and a detailed analysis of the various parts of the circuits were introduced one by one, the system can easily implementation to achieve temperature acquisition and display, and can be arbitrarily set upper and lower temperature alarm, it is easier to use, high accuracy, wider range, high sensitivity, small volume, low power consumption, suitable for our daily lives and industrial and agricultural production in the temperature measurement, temperature processing module can be embedded as other systems, as other supporting expansion of the main system. DS18B20 combination with AT89C51 temperature detection system to achieve the most simple, the system is simple, strong anti-interference, suitable for harsh environment on-site temperature measurements and has a broad application prospects.Keywords: microcontroller, the temperature detection,AT89S51, DS18B20目錄摘要ABSTRACT1 緒論 1.1 單片機(jī)系統(tǒng)的研究與現(xiàn)狀 1.2溫度傳感器的研究現(xiàn)狀 1.3 論文的主要工作和難點(diǎn)2 溫度傳感器 2.1溫度傳感器簡介 2.2 DS18B20溫度傳感器 2.3 本章小結(jié)3 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) 3.2 AT89S51介紹 3.3各部分電路圖及電路工作原理分析 3.4 本章小結(jié)4 軟件設(shè)計(jì) 4.1 51編程軟件 4.2 軟件流程圖 4.3 程序 4.4 本章小結(jié)5 測試與結(jié)果分析 5.1電路的調(diào)試 5.2 本章小結(jié)6 結(jié)論與展望 致謝 參考文獻(xiàn) 外文翻譯 附錄基于DS18B20的數(shù)字式溫度測量儀的研究與設(shè)計(jì)1 緒論 1.1 單片機(jī)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇：1)在智能儀器儀表上的應(yīng)用單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。2).在工業(yè)控制中的應(yīng)用用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管 理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。3).在家用電器中的應(yīng)用可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子稱量設(shè)備，五花八門，無所不在。 4).在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對(duì)講機(jī)等。 5).單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 6).在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用某些專用單片機(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進(jìn)行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集成單片機(jī)，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂信號(hào)以數(shù)字的形式存于存儲(chǔ)器中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號(hào)（類似于聲卡）。在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯(cuò)誤率，也方便于更換。 7).單片機(jī)在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機(jī)在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)智能電子控制器，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，abs防抱死系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)等等。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。隨著人們生活水平的不斷提高,單片機(jī)控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計(jì)就是一個(gè)典型的例子，但人們對(duì)它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)單片機(jī)技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。單片機(jī)發(fā)展前景。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技的突飛猛進(jìn)，芯片技術(shù)也取得了飛速發(fā)展，這就使單片機(jī)技術(shù)在各種民用和工業(yè)測控等領(lǐng)域得到更為廣泛應(yīng)用。包括安全控制、娛樂系統(tǒng)、傳統(tǒng)的工業(yè)控制中的電機(jī)控制、溫控系統(tǒng)、儀表設(shè)備、樓宇自控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等；單片機(jī)憑借其低成本、高性能的不可替代優(yōu)勢，已成為微電腦控制的主力軍。單片機(jī)集成越來越多資源，內(nèi)部存儲(chǔ)資源日益豐富，用戶不需要擴(kuò)充資源就可以完成項(xiàng)目開發(fā)，不僅是開發(fā)簡單，產(chǎn)品小巧美觀，同時(shí)系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，目前該方向即是發(fā)展為SOC(片上系統(tǒng))。單片機(jī)抗干擾能力加強(qiáng)，使的它更加適合工業(yè)控制領(lǐng)域，具有更加廣闊的市場前景。單片機(jī)提供在線編程能力，加速了產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程，為企業(yè)產(chǎn)品上市贏得寶貴時(shí)間?，F(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。單片機(jī)的發(fā)展趨勢：1）.低功耗CMOS化2）.微型單片化3）.主流與多品種共存單片機(jī)更重要的意義在于其應(yīng)用從根本上改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。以前采用硬件電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)。以前自動(dòng)控制中的PID調(diào)節(jié)，現(xiàn)在可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有智能化的數(shù)字計(jì)算控制、模糊控制和自適應(yīng)控制。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)稱為微控技術(shù)。隨著單片機(jī)應(yīng)用的推廣，微控制技術(shù)將不斷發(fā)展完善。1.2 溫度傳感器的研究現(xiàn)狀溫度是表征物體冷熱程度的物理量, 是國際單位制中七個(gè)基本物理量之一, 它與人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究有著密切關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高, 溫度測量技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對(duì)象有良好的接觸，又稱溫度計(jì)。近年來，溫度傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型溫度傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段。新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)和軍事變革，是21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。我國在傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化過程中，應(yīng)該在引進(jìn)國外技術(shù)和自主創(chuàng)新兩方面都不放松。在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)中，可以提高自己的技術(shù)，同時(shí)也滿足了國內(nèi)市場的需求，形成了傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模。工業(yè)設(shè)備在制造過程中及整機(jī)性能測試中會(huì)遇到溫度的測量，有些工業(yè)設(shè)備在運(yùn)行中還要經(jīng)常對(duì)溫度進(jìn)行測量和控制、實(shí)際在人們生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中還會(huì)遇到化學(xué)量、生物量(包括醫(yī)學(xué))，而所有這一切，從信號(hào)的角度來看，都需要通過溫度傳感器，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(近代還可以轉(zhuǎn)換成光信號(hào))，而后再進(jìn)行信號(hào)的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、控制，從信息的角度看，這些信號(hào)連同聲音和圖像信息都是信息的源頭，所以溫度傳感器和檢測儀表、測量儀表是信息科學(xué)技術(shù)的三部分(信息獲取、信息傳輸、信息處理)中的重要部分。我國在溫度傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化過程中，應(yīng)該兼顧引進(jìn)國外技術(shù)和自主創(chuàng)新兩方面。在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)中，可以提高自己的技術(shù)，同時(shí)也滿足了國內(nèi)市場的需求，形成了傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模。 另外，它有廣闊的市場，因?yàn)樗谑突ぁ⒁苯?、電力等多個(gè)行業(yè)均用量很大。近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段。新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)和軍事變革，是21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。1.3 論文的主要工作和難點(diǎn)論文研究設(shè)計(jì)了一套基于AT89S51單片機(jī)技術(shù)的電子電路，并測量溫度，顯示讀數(shù)。主要工作如下：1） 學(xué)習(xí)理解單片機(jī)的原理及應(yīng)用；2） 查閱DS18B20數(shù)字溫度傳感器相關(guān)資料，了解信號(hào)轉(zhuǎn)好和工作原理；3） 設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路；4） 編寫軟件；5） 系統(tǒng)調(diào)試。工作難點(diǎn)：在市場上，硬件種類繁多，廠家林立，這些都給本電路的硬件選型帶來很大麻煩，加上時(shí)間緊迫，任務(wù)量大，還有作者的能力有限，設(shè)計(jì)具體的硬件選型，都將變得很難?；趩纹瑱C(jī)的DS18B20數(shù)字溫度測量儀的軟件部分，最終要求應(yīng)該定位在AT89S51上來進(jìn)行。由于時(shí)間緊迫，溫度線性部分很難做到盡善盡美，測溫精度一時(shí)很難以得到很大的提高。例如溫度線性，和溫度變化的測量都不是特別的精確。二溫度傳感器21 溫度傳感器簡介溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對(duì)象有良好的接觸，又稱溫度計(jì)。 溫度計(jì)通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測對(duì)象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計(jì)也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對(duì)于運(yùn)動(dòng)體、小目標(biāo)或熱容量很小的對(duì)象則會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計(jì)有雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計(jì)得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)、順磁鹽溫度計(jì)、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉?。低溫溫度?jì)要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計(jì)的一種感溫元件，可用于測量1.6300K范圍內(nèi)的溫度。非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對(duì)象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對(duì)象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計(jì)）、輻射法（見輻射高溫計(jì)）和比色法（見比色溫度計(jì)）。各類輻射測溫方法只能測出對(duì)應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對(duì)黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實(shí)溫度。如欲測定物體的真實(shí)溫度，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測量。在自動(dòng)化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當(dāng)困難的。對(duì)于固體表面溫度自動(dòng)測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對(duì)實(shí)測溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實(shí)溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發(fā)射系數(shù)：式中為材料表面發(fā)射率，為反射鏡的反射率。至于氣體和液體介質(zhì)真實(shí)溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計(jì)算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動(dòng)測量和控制中就可以用此值對(duì)所測腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進(jìn)行修正而得到介質(zhì)的真實(shí)溫度。 非接觸測溫優(yōu)點(diǎn)：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對(duì)最高可測溫度原則上沒有限制。對(duì)于1800以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴(kuò)展，700以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。2.2 DS18B20溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是美國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)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出北側(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點(diǎn)如下：獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；無須外部器件；可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5V；零待機(jī)功能；溫度以9或12位數(shù)字量讀出；用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置；報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2.1所示。 圖2.2.1 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖64位ROM的位結(jié)構(gòu)如圖2.2.2所示。開始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。非易失性溫度報(bào)警器觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報(bào)警上下限。8位檢驗(yàn)CRC48位序列號(hào)8位工廠代碼（10H）MSB LSB MSB LSB MSB LSB圖2.2.2 64位ROM結(jié)構(gòu)圖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)非易失性的可擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖2.2.3所示。頭2個(gè)字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)是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)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖2.2.4所示。低5位一直為1，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換得精度位數(shù)，即用來設(shè)置分辨率，定義方法見表1。溫度LSB溫度MSBTH用戶字節(jié)1TH用戶字節(jié)1TL用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留CRCTL用戶字節(jié)2圖2.2.3 高速暫存RAM結(jié)構(gòu)圖TMR1R211111圖2.2.4 配置寄存器表1 DS18B20分辨率的定義規(guī)定 由表1可見,DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長,而且設(shè)定的分辨率越高,所需要的溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間越長.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.高速暫存RAM的第6,7,8字節(jié)保存未用,表現(xiàn)為邏輯1.第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼,可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù),從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性.當(dāng)DS18B20接收溫度轉(zhuǎn)換命令后,開始啟動(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)可以通過單線接口讀出數(shù)據(jù),讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先,高位在后,數(shù)據(jù)格式以0.0625/LSB形式表示.溫度值格式如圖2.2.5所示. 圖2.2.5 溫度數(shù)據(jù)值格式當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí),表示測得的溫度值為正值,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),表示測得的溫度值為負(fù)值,要先將補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換為原碼,再計(jì)算十進(jìn)制.表2是一部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù). 表2 DS18B20溫度與測得值對(duì)應(yīng)表DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后,就把測得的溫度值與RAM中的TH,TL字節(jié)內(nèi)容作比較.若TTH或T1000次）ISP Flash ROM 32個(gè)雙向I/O口 4.5-5.5V工作電壓 2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘頻率0-33MHz 全雙工UART串行中斷口線 128x8 bit內(nèi)部RAM 2個(gè)外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級(jí)加密位 看門狗（WDT）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 可以看出AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘。同時(shí), AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式何在RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一個(gè)硬件復(fù)位。AT89S51引角功能說明Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”可作為高阻抗輸入端口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。表4-1為P1口第二功能。表3-1 P1口第二功能端口引腳第二功能P1.5MOSI（用于ISP編程）P1.6MISO（用于ISP編程）P1.7SCK（用于ISP編程）P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流I。在訪問位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行：MOVX Ri 指令）時(shí)，P2口線上的內(nèi)（也即特殊功能寄存器，在整個(gè)訪問期間不改變。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2也接收高位地址和其它控制信號(hào)。）P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端口時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流I。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表4-2。 表3-2 P3口的第二功能 端口功能第二功能端口引腳第二功能RXD（P3.0）串行輸入口T0（P3.4）定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入TXD（P3.1）串行輸出口T1（P3.5）定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入INT0（P3.2）外中斷0WR（P3.6）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通INT1（P3.3）外中斷1RD（P3.7）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。WDT益出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRTO 位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目地，要注意的是：第當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位禁位后，只有一條MOVX 和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳伎被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無效。PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高有兩次有效的PSEN信號(hào)。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU公訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flas存儲(chǔ)器編程時(shí),該引腳加上12V的編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。AT89S51單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造及功能：特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的片內(nèi)空間分存如下圖3-2所示。這些地址并沒有全部占用，沒有占用的地址不可使用，讀這些地址將得到一個(gè)隨意的數(shù)值。而寫這些地址單元將不能得到預(yù)期的結(jié)果。中斷寄存器：各中斷允許控制位于IE寄存器，5個(gè)中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)控制位于IP寄存器。圖4-2為AUXR輔助寄存器。圖3-2 AUXR輔助寄存器雙時(shí)鐘指針寄存器：為方便地訪問內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，提供了兩個(gè)16位數(shù)據(jù)指針寄存儲(chǔ)器：PD0位于SFR區(qū)塊中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，當(dāng)SFR中的位DPS=0時(shí)選擇DP0,而DPS=1時(shí)選擇DP1。在使用前初始化DPS。雙時(shí)鐘指針寄存器AUXR1 地址 = A2H 不可尋址位-DPS76543210- 保留今后擴(kuò)展用途DPS 數(shù)據(jù)指針選擇位 DPS 0 選擇DPTR寄存器 DPOL,DP0H 1 選擇DPTR寄存器 DP1L,DP1H電源空閑標(biāo)志：電源空閑標(biāo)志（POF）在特殊功能寄存儲(chǔ)器SFR中PCON的第4位（PCON.4）,電源打開時(shí)POF置“1”,它可由軟件設(shè)置睡眠狀態(tài)并不為復(fù)位所影響。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：MCS-51單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分開的結(jié)構(gòu)，均具有64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。程序存儲(chǔ)器：如果EA引腳接地（GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲(chǔ)器。在AT89S51,假如接至Vcc（電源），程序首先執(zhí)行從地址0000H0FFFH（4KB）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，再執(zhí)行地址為1000HFFFFH（60KB）的外部程序存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：在AT89S51的具有128字節(jié)的內(nèi)部RAM，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進(jìn)行，128字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間?？撮T狗定時(shí)器（WDT）：WDT是為了解決CPU程序運(yùn)行時(shí)可能進(jìn)入混亂或死循環(huán)而設(shè)置，它由一個(gè)14bit計(jì)數(shù)器和看狗復(fù)位SFR（WDTRST）構(gòu)成。外部復(fù)位時(shí)，WDT默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，要打開WDT，必按順序?qū)?1H和0E1H寫到WDTRST寄存器，當(dāng)啟動(dòng)了WDT，它會(huì)隨晶體振蕩器在每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，除硬件復(fù)位或WDT溢出復(fù)位外沒有其它方法關(guān)閉WDT，當(dāng)WDT溢出，將使RST引腳輸出高電平的復(fù)位脈沖。引腳圖詳見圖3-4圖3-4 AT89S51單片機(jī)引腳圖 3.3各部分電路圖及電路工作原理分析3.3.1、溫度檢測電路DS18B20 最大的特點(diǎn)是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，DS18B20 的數(shù)據(jù)I/O 均由同一條線來完成。DS18B20 的電源供電方式有2 種: 外部供電方式和寄生電源方式。工作于寄生電源方式時(shí), VDD 和GND 均接地, 他在需要遠(yuǎn)程溫度探測和空間受限的場合特別有用, 原理是當(dāng)1 W ire 總線的信號(hào)線DQ 為高電平時(shí), 竊取信號(hào)能量給DS18B20 供電, 同時(shí)一部分能量給內(nèi)部電容充電, 當(dāng)DQ為低電平時(shí)釋放能量為DS18B20 供電。但寄生電源方式需要強(qiáng)上拉電路, 軟件控制變得復(fù)雜(特別是在完成溫度轉(zhuǎn)換和拷貝數(shù)據(jù)到E2PROM 時(shí)) , 同時(shí)芯片的性能也有所降低。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。因此本設(shè)計(jì)采用外部供電方式。如下圖所示：溫度傳感器DS18B20的測量范圍為-55+125，在-10+85時(shí)精度為0.5。3.3.2、顯示電路 本設(shè)計(jì)顯示電路采用兩位共陽極LED數(shù)碼管來顯示測量得到的溫度值。LED數(shù)碼管能在低電壓下工作，而且體積小、重量輕、使用壽命長，因次本設(shè)計(jì)選用此數(shù)碼管作為顯示器件。 一個(gè)LED數(shù)碼管只能顯示一位的字符，如果字符位數(shù)不止一位，可以用幾個(gè)數(shù)碼管組成，但要控制多位的顯示電路需要有字段控制和字位控制，字段控制是指控制所要顯示的字符是什么，控制電路應(yīng)將字符的七段碼通過輸出口連接到LED的ag引腳，是某些段點(diǎn)亮，某些段處于熄滅狀態(tài)。字位控制是指控制在多位顯示器中，哪幾位發(fā)光或那幾位不發(fā)光，字位控制則需要通過字位碼作用于LED數(shù)碼管的公共引腳，是某一位或某幾位的數(shù)碼管可以發(fā)光。數(shù)碼管顯示電路分為動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。 靜態(tài)顯示方式是指每一個(gè)數(shù)碼管的字段控制是獨(dú)立的，每一個(gè)數(shù)碼管都需要配置一個(gè)8位輸出口來輸出該字位的七段碼。因此需要顯示多位時(shí)需要多個(gè)輸出口，通常片內(nèi)并口不夠用，需要在片外擴(kuò)展。 動(dòng)態(tài)顯示又稱為掃描顯示方式，也就是在某一時(shí)刻只能讓一個(gè)字位處于選通狀態(tài)，其他字位一律斷開，同時(shí)在字段線上發(fā)出該位要顯示的字段碼，這樣在某一時(shí)刻某一位數(shù)碼管就會(huì)被點(diǎn)亮，并顯示出相應(yīng)的字符。下一時(shí)刻改變所顯示的字位和字段碼，點(diǎn)亮另一個(gè)數(shù)碼管，顯示另一個(gè)字符。繞后一次掃描輪流點(diǎn)亮其他數(shù)碼管，只要掃描速度快，利用人眼的視覺殘留效應(yīng)，會(huì)使人感覺到幾位數(shù)碼管都在穩(wěn)定的顯示。圖3.3.3 數(shù)碼管顯示電路3.3.3 時(shí)鐘脈沖電路 時(shí)鐘脈沖電路的主要作用是對(duì)外發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)，在AT89S51芯片上XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，期中當(dāng)本實(shí)驗(yàn)線路相同時(shí)，即使用內(nèi)部時(shí)鐘方式時(shí)，XTAL1和XTAL2必須外接石英體和微調(diào)電容，其中電容C1,C2對(duì)震蕩頻率起穩(wěn)定作用，振蕩頻率因該在1.2MHz-12MHz。時(shí)鐘脈沖信號(hào)有兩種形式：如圖3.3.4所示，分別為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。圖3.3.4 內(nèi)部時(shí)鐘電路3.4本章小結(jié)本章主要基于硬件電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析討論。劃分了系統(tǒng)電路，AT89S51和各部分電路圖及電路工作原理分析。同時(shí)說明了各部分電路工作原理。4 軟件設(shè)計(jì)4.1 Keil51編程軟件KEIL IDE(u Vision2)集成開發(fā)環(huán)境是 Keil Softwaren Inc/Keil Elektronik GmbH開發(fā)的基于MCS8051內(nèi)核的微處理器軟件平臺(tái)，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的的開發(fā)工具，可以完成從工程的建立和管理，編譯，鏈接，目標(biāo)代碼的生成到軟件仿真，硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其是C語言的編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高水平，而且可以附加靈活的控制選項(xiàng)，在開發(fā)大型項(xiàng)目時(shí)是非常理想的工具。Keil 本身是一個(gè)純軟件工具不能直接進(jìn)行硬件仿真，必須掛接類似TKS系列仿真器的硬件才可以進(jìn)行仿真。4.2軟件流程圖本畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要工作就是軟件的設(shè)計(jì)，及程序的編寫與調(diào)試。流程圖如下所示。主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當(dāng)前溫度值，溫度測量每1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見圖1所示。Y發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，CRC校驗(yàn)9字節(jié)完？CRC校驗(yàn)正？確？移入溫度暫存器結(jié)束NNY初始化調(diào)用顯示子程序1S到？初次上電讀出溫度值溫度計(jì)算處理顯示數(shù)據(jù)刷新發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令NYNY圖1 主程序流程圖圖2讀溫度流程圖4.2.2 讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時(shí)需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖2示發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令 結(jié)束圖3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖4.2.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫