基于單片機(jī)的DS18B20設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

引言在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要涉及到溫度的檢測及控制，傳統(tǒng)的測溫元件有熱點(diǎn)偶，熱敏電阻還有一些輸出模擬信號得溫度傳感器，而這些測溫元件一般都需要比擬多的外部硬件支持。其硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試繁瑣，制作本錢高，阻礙了其使用性。因此美國DALLAS半導(dǎo)體公司又推出了一款改良型智能溫度傳感器——DS18B20。本設(shè)計(jì)就是用DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為測溫元件來設(shè)計(jì)數(shù)字溫度計(jì)。本設(shè)計(jì)所介紹的數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于測溫比擬準(zhǔn)確得場所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用。該設(shè)計(jì)控制器使用單片機(jī)STC89C51，測溫傳感器使用DS18B20,顯示器使用LED.任務(wù)與要求2.1測量范圍-50~110°C，精確到0.5°C；2.2利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量溫度信號；2.3所測得溫度采用數(shù)字顯示，計(jì)算后在液晶顯示器上顯示相應(yīng)得溫度值；方案設(shè)計(jì)及論證3.1溫度檢測模塊的設(shè)計(jì)及論證由于本設(shè)計(jì)是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，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，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計(jì)需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，其中還涉及到電阻與溫度的對應(yīng)值的計(jì)算，感溫電路比擬麻煩。而且在對采集的信號進(jìn)行放大時容易受溫度的影響出現(xiàn)較大的偏差。進(jìn)而考慮到用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電路簡單，精度高，軟硬件都以實(shí)現(xiàn)，而且使用單片機(jī)的接口便于系統(tǒng)的再擴(kuò)展，滿足設(shè)計(jì)要求。3.2顯示模塊的設(shè)計(jì)及論證LED是發(fā)光二極管Light

Emitting

Diode

的英文縮寫。LED顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的一顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū)動，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、耗電省、2、使用壽命長、3、本錢低、4、亮度高、5、視角大、6、可視距離遠(yuǎn)、7、規(guī)格品種多。3.3控制器模塊的設(shè)計(jì)及論證單片機(jī)是指一個集成在一塊電路芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大局部功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計(jì)算機(jī)所需要的大局部部件：中央處理單元CPU、存儲器/RAMROM和各種/IO接口，目前大局部還會具有外部存儲擴(kuò)展。采用STC89C52單片機(jī)。它是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8的微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)51MCS指令集和輸出管腳相兼容。屬于51單片機(jī)系列，是C51單片機(jī)向下完全兼容51全部系列產(chǎn)品。該款單片機(jī)片內(nèi)含8k

Bytes

ISP(I-system

programmable)可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀存儲器，可以通過串口進(jìn)行程序的燒寫，內(nèi)帶2k

Bytes

EEPROM存儲空間，4個8位的可編程并行I/O口〔P0口，P1口，P2口，P3口〕，一個全雙工串口，5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)，3個16位的定時器/計(jì)數(shù)器〕，具有四種工作方式以及特殊功能存放器〔SFR〕等。3.4數(shù)字溫度計(jì)總體設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)4.1主控制器模塊電路

STC89C52主要功能及引腳介紹單片機(jī)STC89C52具有低電壓供電高性能COMS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有8K

bytes

的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes

的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器，在單芯片上，擁有靈巧的8

位CPU

和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：

8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，

32位I/O

口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計(jì)數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU

停止工作，允許RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8位微控制器8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程

Flash。圖4-1為STC89C52的引腳圖：其各引腳介紹如下：P0

口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1〞時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，

P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時，需要外部上拉電阻。P1

口：P1

口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8

位雙向I/O

口，p1

輸出緩沖器能驅(qū)動4

個

TTL

邏輯電平。對P1

端口寫“1〞時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流〔IIL〕。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入〔P1.0/T2〕和時器/計(jì)數(shù)器2

的觸發(fā)輸入〔P1.1/T2EX〕，具體如下表所示。在flash編程和校驗(yàn)時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號第二功能：

P1.0

T2〔定時器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入〕，時鐘輸出P1.1

T2EX〔定時器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制〕P1.5

MOSI〔在線系統(tǒng)編程用〕P1.6

MISO〔在線系統(tǒng)編程用〕P1.7

SCK〔在線系統(tǒng)編程用〕P2

口：P2

口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8

位雙向I/O

口，P2

輸出緩沖器能驅(qū)動4

個

TTL邏輯電平。對P2

端口寫“1〞時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流〔IIL〕。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器〔例如執(zhí)行MOVX

@DPTR〕時，P2

口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2

口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用

8位地址〔如MOVX

@RI〕訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3

口：P3

口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8

位雙向I/O

口，p2

輸出緩沖器能驅(qū)動4

個

TTL

邏輯電平。對P3

端口寫“1〞時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流〔IIL〕。

P3口亦作為STC89C52特殊功能〔第二功能〕使用，如下表所示。在flash編程和校驗(yàn)時，P3口也接收一些控制信號。端口引腳第二功能：

P3.0

RXD(串行輸入口)

P3.1

TXD(串行輸出口)

P3.2

INTO(外中斷0)

P3.3

INT1(外中斷1)

P3.4

TO(定時/計(jì)數(shù)器0)

P3.5

T1(定時/計(jì)數(shù)器1)

P3.6

WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)

P3.7

RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)

RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平，那么單片機(jī)復(fù)位。STC89C52最小系統(tǒng)的根本電路最小系統(tǒng)是指能進(jìn)行正常工作的最簡單電路。STC89C52最小應(yīng)用系統(tǒng)它包含五個電路局部：電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、片內(nèi)外程序存儲器選擇電路、輸入輸出接口電路。其中電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路是保證單片機(jī)系統(tǒng)能夠正常工作的最根本的三局部電路，缺一不可?！?〕電源電路芯片引腳VCC一般接上直流穩(wěn)壓電源+5V，引腳GND接電源+5V的負(fù)極，電源電壓范圍在4—5.5之間，可保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。為提高電路的抗干擾性能，通常在引腳VCC和GND直接接上一個10μF的電解電容和一個0.1μF陶片電容，這樣可以抑制雜波串?dāng)_，從而有效確保電路穩(wěn)定性?！?〕時鐘電路STC89C52內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳RXD和TXD分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。在RXD和TXD引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在1.2～12MHz之間選擇，電容值在5～30pF之間選擇，電容值的大小可對頻率起微調(diào)的作用。在本設(shè)計(jì)中時鐘采用內(nèi)部方式產(chǎn)生，晶振振蕩頻率使用12MHZ。

STC89C52與各局部功能塊電路的連接其中接串口輸入輸出端，PI.0接DS18B20的DQ端，XTAL2,XYAL1接晶振，P0口還接上拉電阻：EA*接電源.4.2顯示電路模塊MT05011AR的引腳圖4.3DS18B20溫度顯示模塊DS18B20的功能和引腳介紹DS18B20的性能特點(diǎn)如下:●獨(dú)特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信；●多個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Ｖ；●溫度以9或12位數(shù)字讀數(shù)；●零待機(jī)功耗；●用戶可定義報(bào)警設(shè)置；●報(bào)警搜索命令識別并標(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，溫度計(jì)不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；

DS18B20詳細(xì)引腳功能描述如下表所示DS18B20的測溫原理DS18B20的測溫原理是這這樣的,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)生的信號作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。器件中還有一個計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門翻開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測量。計(jì)數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1、溫度存放器中，計(jì)數(shù)器1和溫度存放器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(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，溫度存放器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時，停止溫度存放器的累加，此時溫度存放器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度存放器值大致被測溫度值。DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當(dāng)DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。軟件設(shè)計(jì)5.1主程序流程圖主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當(dāng)前溫度值，溫度在一定時間間隔下進(jìn)行一次。這樣可以在一定時間之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程如下列圖所示：5.2讀出溫度子程序流程圖讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如下列圖所示：5.3溫度轉(zhuǎn)換命令子流程圖溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，開始執(zhí)行如下。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如下列圖所示：5.4

溫度計(jì)算子流程圖將RAM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，其流程圖如下所示：系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果6.1調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試以程序?yàn)橹?。硬件調(diào)試比擬簡單，首先檢查電路的焊接是否正確，然后可用萬用表測試或通電檢測。軟件調(diào)試那么可以先編寫顯示程序并進(jìn)行硬件的正確行檢驗(yàn)，然后分別進(jìn)行