基于STC89C51RC和DS18B20的简单数字温度计

基于STC89C51RC和DS18B20的

简单数字温度计

学生姓名：孙佳辉

专业：电气工程及其自动化

班级：040841

学院：机电工程学院

摘要

温度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一，随着传感器在生活中的更加广泛应用，利用新型数字温度传感器实现对温度的测试与控制得到更快的开发，本文设计了一种基于AT89C52的温度检测及报警系统。该系统可以方便的实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来相当方便，具有精度高，量程宽，灵敏度高，体积小，功耗低等优点，适合于我们日常生活和工作，农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。该系统设计和布线简单结构紧凑，抗干扰能力强，在大型仓库，工厂，智能化建筑等领域的温度检测中有广泛应用前景

关键词：单片机 DS18B20温度传感器智能化

ABSTRACT

Temperature measurement and control of industrial process is one of the typical applications ,as sensors have more extensive application in today ,to use the new digital temperature sensors for temperature testing and controlling get fast development ,this paper design a system based on AT89C52 for temperature testing and alarming .The system is easy to realize the temperature gathering and displaying , and can according to need set temperature for arming , it is very convenient to use it .It has the advantages of high precision , ranging wide high sensitivity , small volume , low power , it suits our daily life work and agriculture temperature , also auxiliary part in other main system . The system design and wiring simple , compact structure , strong anti-jamming capability ,it has broad application protest in large warehouse , factories ,intelligent building and other areas of temperature testing .

Keywords: Microcontroller Temperature sensor DS18B20 Intelligent

一、综述:

1. DS18B20摘要

单线数字温度传感器DS18B20为当前应用最为广泛的温度传感器之一，可以提供9位温度读数。其与控制器件的通信信息经过单线接口从DS18B20输出或送入，使中央处理器件只需一条信号线就可实现对温度的测量，且从DS18B20输出的温度数据为数字信号，不需要再加AD芯片进行转换，使测温的实现更加方便。具体PDF详细资料在维库网、周立功单片机网均可查到。

2. DS18B20优缺点

①厂家生产的DS18B20有唯一的序列号，这使得多个DS18B20能接在同一条单线总线上，而这条总线能环绕整个需要测温的环境，能使环境的温度数据全方位的在人工检测和控制之下。

②另外，DS18B20的测温原理独特：利用两个温度系数不同的晶振对计数器进行控制，从而使不同的温度下计数值不同，再将其转换为温度数据存储，即可省略AD转换的一步，在数字化日益成熟的今天，这种测温原理是很符合发展趋势的，能为其它类型的传感器测量数据提供了新方法。

③当然，DS18B20并不是十全十美的，通过对其资料的熟悉及进行一些简单的使用后，发现其主要有两方面不足：1）温度测量的精度相对而言并不十分高，对于需要通过温度进行精密控制的仪器不是很适合；2）测温范围为-55℃~125℃，且在温度小于-15℃和高于105℃时误差达到3℃，因此其测温范围是很有限的。

3. DS18B20的有关发展趋势

①由于虚拟仪器的发展，通过单片机等控制器件将DS18B20测温器件与PC机连接，编制软件能实现更加人性化的温度检测与控制系统。或者通过PC机的控制使得DS18B20测温系统成为某一工业生产、过程控制等过程的一个子系统进行服务。在自动化、智能化高速发展的时代，PC机与传感器的结合会带来非常大的效益，因而DS18B20往这一方面发展是比较符合现实需要的。

②由于DS18B20可以用遥控的方式设定其报警温度，近来我国发生了多起因高温而而引起的汽车自燃，如果在车身对高温敏感且易引发自燃的部位装上DS18B20进行实时监测和发出警报，则可避免许多因温度骤变而带来的损失。

③以上仅是通过对于现实问题的学习与思考得出的关于DS18B20的两个方面的应用实例，然而关于DS18B20的发展前景我认为是比较大的，可以从探索新测温元件以扩大测温范围、增加测量精确度、发现更完善测温原理与方法、测温元件适用工程与生活实例探究、测温元件测量效果评估方法、大型多功能智能化测温精密仪器的研发等诸多方面进行研究建立一套很为完善的符合实际需要的理论系统。总之，研发者必须用创新与发展的眼光看问题，而研制的理论系统与产品要能够促进社会的发展。

二、工作内容: 1. 总体电路设计

（1）STC89C52单片机：主要用于与DS18B20进行单线通信控制其测温过程及将温度数据显示到三个数码管。

（2）数码管显示：用三个数码管显示温度，第一个显示十位，第二个显示个位和小数点，第三个显示小数位。

（3）DS18B20测温：用DS18B20信号线与单片机一引脚相接，以进行指令与数据传输。 （4）单片机按键复位电路：按键按下时，数码管不显示；松开按键时，单片机内程序从头开始执行。

（5）电源显示：当电路通电时，电源指示灯亮 （6）74HC573锁存器：驱动数码管显示温度。

图一：系统结构框图

2. 电路接线设计

①由单片机P1口接数码管八个段选线引脚（引脚号分别为11、7、4、2、1、10、5、3），控制需要显示的数字。

②由单片机P2口接数码管共八个位选引脚（引脚号分别为6、8、9、12，6、8、9、12），控制显示数字的位。

③在电源线与单片机RESET 引脚之间连接一个按钮，作为按键复位用。 ④在电路板电源与地之间连接一个红色发光二极管，作为电路板通电指示用。

⑤将一根数据线的与电源适配器连接的接口保留，另一端剪开将红色线接电路板电源及，黑

STC89C51 单片机

按键复位

电源显示

数码管显示数据

DS18B20测温

色线接电路板地极。绿色与白色线为数据线，此处只用其电源线，故此二线悬空。

图二：DS18B20测温原理图

3. 程序设计

①此程序设计用到软件工具：Keil Uvision3、STC-ISPV391。

②此程序设计的难点在于对DS18B20进行操作的时序控制。1）复位与应答时序：将信号线电平拉低480-960us，等待15-60us后度信号线电平，为低电平则复位成功，复位成功后再做约240us 的延时；2）写时序：主机把信号线从逻辑高电平拉至逻辑低电平时，低电平持续时间至少1uS，产生写时间片。在变为低电平15uS之后，DS18B20在15-45uS之间对信号线采样，如果信号线为高电平，就写1，如果线为低电平，就写0。时间片必须有最短为60uS的持续期，各写周期之间须有最短为1uS的恢复时间；3）读时序：主机将信号线从逻辑高电平拉低时，产生读时间片。低电平持续时间至少1uS，来自DS18B20的输出数据在读时间片下降沿之后15uS有效，因此，在产生读时间片15uS后主机必须停止把I/0线驱动至低电平，由上拉电阻拉回至高电平，主机在15uS 末期对信号线采样，如果线为高电平，为读1，如果线为低电平，为读0。读时间片的最短持续期限为60uS，各读时间片之间必须有最短为1uS的恢复时间。

开始

初始化P0口、P2口：P0用于数码管段选数据传送

P2用于数码管位选数据传送

设置3个变量，用以存储读取的3位温度数据

单片机发送指令使DS18B20开始温度转换

稍作延时等待转换完成

从DS18B20读取测得温度数据

温度数据转换为数码管显示码

数据送数码管显示

图三：程序流程图

程序设计

clude

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit DS=P2^2; //define interface

uint temp; // variable of temperature

uchar flag1; // sign of the result positive or negative

sbit dula=P2^6;

sbit wela=P2^7;

unsigned char code table[]={0x3f,0x#in 06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,

0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}; unsigned char code table1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,

0x87,0xff,0xef};

void delay(uint count) //delay

{

uint i;

while(count)

{

i=200;

while(i>0)

i--;

count--;

}

}

///////功能:串口初始化,波特率9600，方式1///////

void Init_Com(void)

{

TMOD = 0x20;

PCON = 0x00;

SCON = 0x50;

TH1 = 0xFd;

TL1 = 0xFd;

TR1 = 1;

}

void dsreset(void) //send reset and initialization command 18B20复位，初始化函数{

uint i;

DS=0;

i=103;

while(i>0)i--;

DS=1;

i=4;

while(i>0)i--;

}

bit tmpreadbit(void) //read a bit 读1位数据函数

{

uint i;

bit dat;

DS=0;i++; //i++ for delay

DS=1;i++;i++;

dat=DS;

i=8;while(i>0)i--;

return (dat);

}

uchar tmpread(void) //read a byte date 读1字节函数

{

uchar i,j,dat;

dat=0;

for(i=1;i<=8;i++)

{

j=tmpreadbit();

dat=(j<<7)|(dat>>1); //读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在DAT里

}

return(dat);

}

void tmpwritebyte(uchar dat) //write a byte to ds18b20 向1820写一个字节数据函数{

uint i;

uchar j;

bit testb;

for(j=1;j<=8;j++)

{

testb=dat&0x01;

dat=dat>>1;

if(testb) //write 1

{

DS=0;

i++;i++;

DS=1;

i=8;while(i>0)i--;

}

else

{

DS=0; //write 0

i=8;while(i>0)i--;

DS=1;

i++;i++;

}

}

}

void tmpchange(void) //DS18B20 begin change 开始获取数据并转换

{

dsreset();

delay(1);

tmpwritebyte(0xcc); // address all drivers on bus 写跳过读ROM指令

tmpwritebyte(0x44); // initiates a single temperature conversion 写温度转换指令}

uint tmp() //get the temperature 读取寄存器中存储的温度数据{

float tt;

uchar a,b;

dsreset();

delay(1);

tmpwritebyte(0xcc);

tmpwritebyte(0xbe);

a=tmpread(); //读低8位

b=tmpread(); //读高8位

temp=b;

temp<<=8; //two byte compose a int variable 两个字节组合为1个字 temp=temp|a;

tt=temp*0.0625; //温度在寄存器中是12位，分辨率是0.0625

temp=tt*10+0.5; //乘10表示小数点后只取1位，加0.5是四折五入

return temp;

}

void readrom() //read the serial

{

uchar sn1,sn2;

dsreset();

delay(1);

tmpwritebyte(0x33);

sn1=tmpread();

sn2=tmpread();

}

void delay10ms() //delay

{

uchar a,b;

for(a=10;a>0;a--)

for(b=60;b>0;b--);

}

void display(uint temp) //显示程序

{

uchar A1,A2,A2t,A3,ser;

ser=temp/10;

SBUF=ser;

A1=temp/100;

A2t=temp%100;

A2=A2t/10;

A3=A2t%10;

dula=0;

P0=table[A1]; //显示百位 dula=1;

dula=0;

wela=0;

P0=0x7e;

wela=1;

wela=0;

delay(1);

dula=0;

P0=table1[A2]; //显示十位 dula=1;

dula=0;

wela=0;

P0=0x7d;

wela=1;

wela=0;

delay(1);

P0=table[A3]; //显示个位 dula=1;

dula=0;

P0=0x7b;

wela=1;

wela=0;

delay(1);

}

void main()

{

uchar a;

Init_Com();

do

{

tmpchange();

// delay(200); for(a=10;a>0;a--) { display(tmp()); }

} while(1);

}

4. 电路板焊接

通过面包板上搭建的电路进行测试通过后，就按照电路图进行焊接。 三、一些问题及其解决方案: 1. 数码管驱动问题

在搭建电路过程中，发现直接用单片机的I/O 口控制数码管的显示时会出现驱动不起的问题，即数码管显示太暗，甚至不亮。于是在数码管与单片机之间我们加了三片74LS04反相器，对数码管的每一个引脚都进行反相驱动，之后发现这种方法简便但取得了很好的效果。另外，根据所查的资料，数码管的驱动方法有很多，比如其中的用三极管进行驱动，用74LS164进行驱动等方法。 2. DS18B20的读出的温度数据格式问题

这一问题是在编程中遇到的。据开始查找的资料中介绍，其读出温度数据格式为低字节为测量的温度数据除二，高字节为符号位，但是经过程序调试后发现与结果并不相符。通过进一步查找资料，发现其从温度暂存器读出的温度为低字节低四位为存储温度小数值，低字节高四位与高字节第三位为存储温度整数值，高字节高五位为存储温度符号位。

温度低位（50h ） 温度高位（05h ） 报警低温度或用户使用字节1 报警高温度或用户使用字节2

工作方式设定 预留（FFh ） 预留（0Ch ）

预留（10h ）

CRC

byte 0 byte 1 byte 2 byte 3 byte 4 byte 5 byte 6

byte 7 byte 8

暂存器（上电状态）

上电后状态受到EEPROM 中数据影响

报警低温度或用户使用字节1 报警高温度或用户使用字节2

工作方式设定

EEPROM

图四：DS18B20存储器组织形式

图五：存储温度数据格式

3. 关于DS18B20的转换精度

根据开始所查资料的介绍，DS18B20的转换精度为0.5摄氏度，所以原来只设定了一位数码管进行小数显示。根据后来进一步的资料查证，发现其转换精度是可以调整的，其出厂设置为12位。DS18B20的转换精度设定需要对暂存器的第五六位进行数据操作。使用过程中要注意所使用的转换方式，每种转换方式转换温度所花的时间是不同的，必须要等待足够长的时间后才能从DS18B20中读出正确的温度值。

R1 R0 转换精度模式最大转换时间

0 0 9-bit 93.75ms

0 1 10-bit 187.5ms

1 0 11-bit 375ms

1 1 12-bit 750ms

图六：转换精度模式设定

五、数据分析:

1. 数码管上显示的数据

第0位数码管显示摄氏度符号“C”，第1位至第3位显示温度小数部分数据，第4位显示温度整数部分的各位数据（带小数点），第5位和第6位显示温度整数部分的十位与百位数据。

六、部分电路原理图的补充与用到器材列表:

1. DS18B20的内部结构

DS18B20内部结构图

2. DS18B20的测温原理

其测温原理很有革新，利用两个不同温度系数的振荡器控制两个计数器的计数，在某一温度时将在温度寄存器内储存相应的数据。这种方法改变了通常的利用AD 转换将模拟信号转换为数字信号进行控制和显示的方法，而其对于数字信号处理日益成熟的现今情况下也是非常符合发展趋势的。同时也提示了我们设计与制造传感器的一种方法。 程序编制：

DQ

GND VDD

寄生供电 控制模块

64位ROM 一线端口

存储器逻 辑控制器 暂存器

温度传感转换

报警高温度报警低温度工作模式设8位冗余校验码

外接 供电

斜率累加器

计数器1

预置

低温度系数晶振

=0

比较

预置

温度寄存器

计数器2

高温度系数晶振

=0

加1

停止

LSB

置位/清除

3. 用到的器材列表

名称数量STC89C51RC单片机1片

DS18B20温度传感器1片

四位八段数码管2个

74LS04反相器3片

USB数据线1根

USB电源适配器1个

LED发光二极管1个

按键1个

电阻若干

电容若干