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气象测温报告论文

气象仪器课程设计

题目：

基于DS18B20的单片机测温系统的设计

学生姓名吉星

学号20091305060

院系电子与信息工程学院

专业电子信息工程

指导教师张艳艳

二〇一一年十二月二日

基于DS18B20的单片机测温系统的设计

吉星

南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044

摘要：

测量温度的关键是温度传感器。

随着技术飞速发展，传感器已进入第三代数字传感器。

本次设计采用的DS18B20就是属于这种传感器。

它可以实现数字化输出和测试，并且有控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强、接口方便、微功耗等优点，因而被广泛应用在工业、农业、军事等领域的控制仪器、测控系统中。

关键词：

DS18B20AT89C52单片机

一、DS18B20功能简介

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。

因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

DS18B20产品的特点：

1、DS18B20因为采用了单总线技术，可通过串行口线，也可通过其他I/O口线与微机直接接 传感器直接输出被测温度值（二进制数）。

2、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

3、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

4、测量温度范围在－55。

C到＋125。

C之间。

5、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

6、内部有温度上、下限告警设置。

7、用户可自设定非易失性的报警上下限值。

8、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温

9、负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

二、DS18B20结构引脚图

图1.21

序号

名称

引脚功能描述

1

GND

地信号

2

DQ

数据输入/输出引脚。

开漏单总线接口引脚。

当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。

3

VDD

可选择的VDD引脚。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

表1.21DB18B20详细引脚功能描述

三、DS18B20的内部结构

DS18B20的内部框图如图1.31所示。

图1.31

1、64位ROM存储器件独一无二的序列号,如表1.31

表1.31

2、DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM.后者用于存储TH，TL值。

第5字节则是用户第3字节的镜像。

第6,7,8字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的。

第九个字节为前8个的crc效验码。

DS18B20九个寄存器的名称及作用如表1.32

表1.32

表1.33是两个个8位的RAM中，存放二进制的数，高五位是符号位，如果温度大于0OC,这五位数为0，将测到的数值乘以0.0625，即得到实际的温度值;如果温度小于0OC,高五位为1，测到的数值需要取反加1，再乘以0.0625 ，才得到实际的温度值。

高速暂存器RAM共占0、1两个单元：

表1.33

表1.34给出了一些数字输出数据与对应的温度值的例子。

表1.34

3、DS18B20不需额外的供电电源；当总线为高电平时，功率由单总线上的上拉电阻通过DQ引脚提供；高电平总线信号同时也向内部电容CPP充电，CPP在总线低电平时为器件供电。

四、DS18B20控制模式

1、DS18B20的命令序列

<1>初始化：

DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。

由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。

当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。

<2>ROM命令：

ROM命令通过每个器件64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件（如果有多个器件挂在总线上）与之进行通信。

DS18B20的ROM如表1.41所示，每个ROM命令都是8bit长。

命令

描述

协议

此命令发出后1-Wire

总线上的活动

SEARCHROM

识别总线上挂着的所有DS18B20的ROM码

F0h

所有DS18B20向主机

传送ROM码

READROM

当只有一个DS18B20挂在总线上时，可用此命令来读取ROM码

33h

DS18B20向主机传送ROM码

MATCHROM

主机用ROM码来指定某一DS18B20，只有匹配的DS18B20才会响应

55h

主机向总线传送一个ROM码

SKIPROM

用于指定总线上所有的器件

CCh

无

ALARMSEARCH

与SEARCHROM命令类似，但只有温度超出警报线的DS18B20才会响应

ECh

超出警报线的DS18B20

向主机传送ROM码

表1.41

<3>功能命令：

DS18B20的功能命令如表1.42所示。

命令

描述

协议

此命令发出后1-Wire

总线上的活动

温度转换命令

ConvertT

开始温度转换

44h

DS18B20向主机传送转换状态（寄生电源不适用）

存储器命令

ReadScratchpad

读暂存器完整的数据

BEh

DS18B20向主机传送

总共9字节的数据

WriteScratchpad

向暂存器的2、3和4字节写入数据（TH，TL和精度）

4Eh

主机向DS18B20传送

3个字节的数据

CopyScratchpad

将TH，TL和配置寄存器的数据复制到EEPROM

48h

无

RecallE2

将TH，TL和配置寄存器的数据从EEPROM中调到暂存器中

B8h

DS18B20向主机传送调用状态

ReadPowerSupply

向主机示意电源供电状态

B4h

DS18B20向主机传送供电状态

表1.42

2、DS18B20信号时序

DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。

该协议定义了几种信号类型：

复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。

除了应答脉冲所有这些信号都由主机发出同步信号。

总线上传输的所有数据和命令都是以字节的低位在前。

1、初始化序列：

复位脉冲和应答脉：

在初始化过程中，主机通过拉低单总线至少480µs，以产生复位脉冲（TX）。

然后主机释放总线并进入接收（RX）模式。

当总线被释放后，4.7k上拉电阻将单总线拉高。

DS18B20检测到这个上升沿后，延时15µs~60µs，通过拉低总线60µs~240µs产生应答脉冲。

初始化波形如下图所示

图1.42

2、读和写时序:

在写时序期间，主机向DS18B20写入数据；而在读时序期间，主机读入来自DS18B20的数据。

在每一个时序，总线只能传输一位数据。

读/写时序如图1.43

图1.43

✧写时序：

存在两种写时序：

“写1”和“写0”。

主机在写1时序向DS18B20写入逻辑1，而在写0时序向DS18B20写入逻辑0。

所有写时序至少需要60µs，且在两次写时序之间至少需要1µs的恢复时间。

两种写时序均以主机拉低总线开始。

产生写1时序：

主机拉低总线后，必须在15µs内释放总线，然后由上拉电阻将总线拉至高电平。

产生写0时序：

主机拉低总线后，必须在整个时序期间保持低电平（至少60µs）。

在写时序开始后的15µs~60µs期间，DS18B20采样总线的状态。

如果总线为高电平，则逻辑1被写入DS18B20；如果总线为低电平，则逻辑0被写入DS18B20。

✧读时序：

DS18B20只能在主机发出读时序时才能向主机传送数据。

所以主机在发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便DS18B20能够传送数据。

所有读时序至少60µs，且在两次独立的读时序之间至少需要1µs的恢复时间。

每次读时序由主机发起，拉低总线至少1µs。

在主机发起读时序之后，DS18B20开始在总线上传送1或0。

若DS18B20发送1，则保持总线为高电平；若发送0，则拉低总线。

当传送0时，DS18B20在该时序结束时释放总线，再由上拉电阻将总线拉回空闲高电平状态。

DS18B20发出的数据在读时序下降沿起始后的15µs内有效，因此主机必须在读时序开始后的15µs内释放总线，并且采样总线状态。

<3>换位理解DSl8B20传感器对读写时序的要求:

DSl8B20写数据时，主机产生读时间片。

当主机把I／O数据线在7μs时间内从高逻辑电平拉至低逻辑电平时，维持时间最少1μs就产生写时间片。

如写入0，则应维持低电平45～60μs以上，如写入1，应在第8μs后释放数据线，在7μs时间内拉到为逻辑高电压，并维持45～60μs以上。

写时间片必须有最短为60μs的持续期，在各写周期之间必须有最短为1μs的恢复时间。

从DS18B20读数据时，主机产生读时间片。

主机在7μs时间内把数据线从逻辑高电平拉至低电平，产生读时间片。

数据线必须保持在逻辑低电平至少1μs；来自DS18B20的输出数据在读时间片下降沿之后15μs有效。

因此，在产生读时间片8μs后主机必应把I／O数据线释放，由上拉电阻将数据线拉回至逻辑高电平，主机在15μs末期对数据线采样，如果线为高电平，就读为1，如果线为低电平，便读为0。

读时间片的最短持续期限为60μs，各个读时间片之间必须有最短为1μs的恢复时间。

在考虑到线缆对波形的延迟和DS18B20传感器发送数据表现的典型时间，在实际操作中，建议将主机对数据线的采样滞后5～9μs，可提高正确读取DS18B20的可靠性。

3.DS18B20工作原理

DS18B20测温原理如图1.44所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

AT89C52单片机简介

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

　兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

　　·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM

　　·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz

　　·2个串行中断·可编程UART串行通道

　　·2个外部中断源·共6个中断源

　　·2个读写中断口线·3级加密位

　　·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能

AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

在AT89C52片内存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFE），SFR的地址空间映象如表2所示。

并非所有的地址都被定义，从80H—FFH共128个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。

对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。

不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。

AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。

定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON（参见表3）T2MOD（参见表4），寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。

硬件设计

<一>原理图

最小系统

温度传感器

报警显示部分

2、元件清单

元件

个数

AT89S52

1

共阳数码管

1

74HC573

2

DS18B20

1

排阻10K

1

蜂鸣器

1

按键

5

30pF电容

2

4.7K电阻

4

软件设计

1、程序设计流程图

主程序

2、程序代码

#include

#include

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

ucharwarning;//报警温度值

uchartempL=0,tempH=0;

ucharnum;

uinttemperature,negtemperature;

uintshi,ge,xiaoshu;

intflag;

sbitdula=P2^7;

sbitwela=P2^6;

sbitDQ=P2^3;

sbitkey2=P3^4;

sbitkey3=P3^5;

sbitkey4=P3^6;

sbitbeep=P2^2;

/****************************************

共阳数码管编码

*****************************************/

ucharcodetable[]=

{0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,

0x99,0x92,0x82,0xf8,

0x80,0x90,0x88,0x83,

0xc6,0xa1,0x86,0x8e};//共阳数码管编码不带点

unsignedcharcodetable1[]=

{0x40,0x79,0x24,0x30,

0x19,0x12,0x02,0x78,

0x00,0x10,0x08,0x03,

0x46,0x21,0x06,0x0e};//共阳数码管编码带点

/**************************************

精确延时

***************************************/

voiddelay（uinti）

{

while（i--）;

}

/******************************************

键盘扫描

*************************************/

voidkeyscan（）

{

P3=0xff;

if（key2==0）

{

delay（20）;

if（key2==0）

{

num=1;

warning++;

}

while（!

key2）;//消抖

delay（20）;

while（!

key2）;

}

if（key3==0）

{

delay（20）;

if（key3==0）

{

num=2;

warning--;

}

while（!

key3）;

delay（20）;

while（!

key3）;

}

if（key4==0）

{

delay（20）;

if（key4==0）

{

num=3;

}

while（!

key4）;

delay（20）;

while（!

key4）;

}

}

/**********************************

显示报警温度子程序

**********************************/

voidDisplayWarning（）

{

inta,b;

a=warning/10;

b=warning%10;

wela=1;

P0=0xf8;

wela=0;

dula=1;

P0=table[a];

dula=0;

delay（500）;

wela=1;

P0=0xf4;

wela=0;

dula=1;

P0=table1[b];

dula=0;

delay（500）;

wela=1;

P0=0xf2;

wela=0;

dula=1;

P0=table[0];

dula=0;

delay（500）;

wela=1;

P0=0xf1;

wela=0;

dula=1;

P0=table[12];

dula=0;

delay（500）;

}

/*************************************

初始化18b20复位

*******************************************/

voidInit_18b20（）

{

ucharx=0;

DQ=1;

delay（8）;

DQ=0;

delay（80）;//延时480——960us之间这里大概780us

DQ=1;

delay（14）;//等待15——60us

x=DQ;//判断初始化有没有成功

delay（20）;//ds18b20存在的话x=0

}

/***********************

从18b20里面读一个字节

*********************/

ReadOneByte_18b20（void）

{

uchari=0;//主机先把数据线从高电平拉到低电平，持续1us以上

uchardat=0;//再把数据线拉高，从而产生读信号

for（i=8;i>0;i--）//每个读周期最短的持续时间为60us，各个读周期之间必须有1us以上的高电平恢复期

{

DQ=1;

delay

（1）;

DQ=0;

dat=dat>>1;//从低位开始读

DQ=1;

if（DQ）//如果DQ数据为1则写进dat

{

dat=dat|0x80;

}

delay（4）;

}

return（dat）;

}

/**********************************

往18b20里面写一个字节

***********************************/

voidWriteOneByte_18b20（uchardat）

{

uchari=0;

for（i=8;i>0;i--）

{

DQ=0;

DQ=dat&0x01;

delay（5）;//从低位开始写

DQ=1;

dat=dat>>1;

}

delay（4）;

}

/*************************************

读取温度值

***********************************/

ucharReadTemperature（void）

{

floattt;

Init_18b20（）;//初始化

WriteOneByte_18b20（0xcc）;//跳过rom检测即跳过读序列号的操作

WriteOneByte_18b20（0x44）;//开始温度转换

delay（125）;

Init_18b20（）;//初始化

WriteOneByte_18b20（0xcc）;//跳过rom检测

WriteOneByte_18b20（0xbe）;//读取寄存器值从低字节开始读顺序为：

温度低字节、

//温度高字节、TH值、TL值（一共9个字节）

tempL=ReadOneByte_18b20（）;//温度值低字节LSB

tempH=ReadOneByte_18b20（）;//温度值高字节MSB

temperature=tempH*256+tempL;

tt=temperature*0.0625;//得到真实十进制温度值

//因为DS18B20可以精确到0.0625度

//所以读回数据的最低位代表的是0.0625度

temperature=tt*10+0.5;//放大十倍0.5是四舍五入

return（temperature）;

}

/***********************************

显示正温度子程序

*********************************/

voidDisplayTemperature（）

{

shi=temperature/100;//百位实际是温度的十位因为温度扩大了十倍

ge=temperature%100/10;//十位

xiaoshu=temperature%10;//个位

wela=1;

P0=0xf8;

wela=0;

dula=1;

P0=table[shi];

dula=0;

delay（200）;

wela=1;

P0=0xf