基于AT89C的数字温度计论文.docx

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基于AT89C的数字温度计论文

基于单总线温度传感器的温度检测系统设计

摘要：

温度是工业生产和自动控制中最常见的工艺参数之一。

过去温度检测系统设计中,大多采用模拟技术进行设计,这样就不可避免地遇到诸如传感器外围电路复杂及抗干扰能力差等问题;而其中任何一环节处理不当,就会造成整个系统性能的下降。

随着半导体技术的高速发展,特别是大规模集成电路设计技术的发展,数字化、微型化、集成化成为了传感器发展的主要方向。

本文介绍了检测的基本概念，单总线数字温度传感器DS18B20及单片机AT89C2051的特性、内部结构及工作原理，给出了DS18B20与单片机AT89C2051接口的应用实例，以及由两者组成温度检测系统的方法，并给出了对DS18B20进行各种操作的软件流程图及操作程序。

关键词：

温度检测 ；单总线温度传感器DS18B20；单片机AT89C2051 ；汇编语言

TheTemperatureDetectionSystemDesignbasedonewirebustemperaturesensor

Abstract:

Temperatureisthemostcommononeofprocessparametersinautomaticcontrolandindustrialproduction.Inthetraditionaltemperaturemeasurementsystemdesign,oftenusingsimulationtechnologytodesign,andthiswillinevitablyencountererrorcompensation,suchaslead,complexoutsidecircuit,pooranti-jammingandotherissues,andpartofadealwiththemImproperly,couldcausetheentiresystemofthedecline.Withmodernscienceandtechnologyofsemiconductordevelopment,especiallylarge-scaleintegratedcircuitdesigntechnologies,digital,miniaturization,integrationsensorsarebecominganimportantdirectionofdevelopment.Thispaperpresentsthebasicconceptofdetection,asingledigitaltemperaturesensorDS18B20thecharacteristicsandworkingprincipleisgivenDS18B20with89C2051MCUinterfaceapplicationexamples,andthecompositionofDS18B20temperaturedetectionsystem,andgivesthevariousoperationsoftheDS18B20Softwareflowchartandoperationprograms.

Keyword:

TemperatureDetection；DS18B20；AT89C2051；Assemblerlanguage

目录

中文摘要

英文摘要

1引言......................................................................5

1．1前言..................................................................5

1．2检测概述..............................................................5

1．3智能传感器概述........................................................5

1．4单总线系统概述.........................................................6

1．5智能温度传感器发展的新趋势................................................7

2数字温度传感器DS18B20....................................................9

2．1DS18B20概述...........................................................9

2．1．1性能特点..........................................................9

2．1．2内部结构9

2．1．3管脚排列.........................................................10

2．1．4工作方式10

2．2DS18B20存储器及设置寄存器11

2．3DS18B20测温原理......................................................13

2．4DS18B20测温过程.....................................................15

2．5DS18B20使用注意事项..................................................17

3单片机AT89C2051.........................................................19

3．1AT89C2051概述........................................................19

3．2AT89C2051外部单元....................................................20

3．2．1引脚.............................................................20

3．2．2电源.............................................................21

3．3AT89C2051内部单元....................................................22

3．3．1结构框图.........................................................22

3．3．2运算器...........................................................22

3．3．3控制器...........................................................23

3．3．4存储器...........................................................24

3．4AT89C2051程序保密性能................................................24

3．5AT89C2051软硬件的开发................................................25

4温度检测系统设计........................................................26

4．1方案比较.............................................................26

4．2总体设计.............................................................26

4．3详细设计.............................................................27

4．3．1硬件原理图.......................................................27

4．3．2DS18B20与89C2051连线图.........................................27

4．3．3显示电路.........................................................28

4．3．4复位电路.........................................................28

5软件调试................................................................29

5．1系统流程..............................................................29

5．1．1对DS18B20操作流程图..............................................29

5．1．2初始化流程图......................................................30

5．1．3读操作流程图......................................................31

5．1．4写操作流程图......................................................32

5．1．5温度转换流程图...................................................33

5．2系统部分程序设计及分析...............................................33

5．2．1初始化子程序.....................................................33

5．2．2读子程序.........................................................34

5．2．3写子程序.........................................................35

5．2．4延时子程序........................................................36

6结论....................................................................37

致谢....................................................................38

结束语....................................................................39

参考文献..................................................................40

附录：

硬件、监控主程序、实物照片..........................................41

1基于DS18B20的温度检测系统原理图........................................41

2监控主程序..............................................................41

3基于DS18B20的温度检测系统印刷板图......................................51

4实物照片................................................................52

1引言

1．1前言

温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和自动控制中最常见的工艺参数之一，生产过程中常常需要对温度进行检测和监控。

在传统的温度测控系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如传感器外围电路复杂及抗干扰能力差等问题;而其中任何一环节处理不当，就会造成整个系统性能的下降。

采用数字温度传感器与单片机组成的温度检测系统进行温度检测、数值显示和数据存储，体积减小，精度提高，抗干扰能力强，并可组网进行多点协测，还可以实现实时控制等技术，在现代工业生产中应用越来越广泛。

1．2检测技术概述

检测是人类认识客观世界的最基本的方法，是指生产、试验现场利用某种合适的检测仪器或系统对被检测对象进行在线实时的测量。

检测技术从广义上说是指寻找与自然信息独具有对应关系的种种表现形式的信号，确定被测量与显示量两者之间的定性、定量关系，并为进一步提高测量精度、改进试验方法及测量装置性能提供可行依据的整个过程。

检测设备的性能指标主要有精确度、稳定性、输入输出特性这3个方面。

1．3智能传感器概述

智能传感器最初是由美国宇航局1978年在开发出来的产品。

因为宇宙飞船上需要大量的传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据信息，用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据，于是提出把CPU分散化，从而产生出智能化传感器。

随着微电子技术的发展，1983年美国Honeywell公司首次推出用于过程工业的智能压力传感器。

其它公司纷纷效仿，先后研制出各自的智能传感器产品。

光电传感器具有反应速度快，能实现非接触测量，精度高、分辨率高和可靠性好等优点，因此在军事、工业检测与控制领域获得广泛应用，也使光电传感器的智能化倍受关注并获得迅速发展。

智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。

由于半导体技术的迅速发展，使微控制器的功能不断升级，价格不断下降，从而引起工业传感器设计的革命，也使检测技术的发展跃上一个新台阶。

智能传感器具有：

通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化等特点。

相比一般传感器，智能式传感器有如下显著特点：

（1）提高了传感器的精度

智能式传感器具有信息处理功能，通过软件不仅可修正各种确定性系统误差（如传感器输入输出的非线性误差、温度误差、零点误差、正反行程误差等）而且还可适当地补偿随机误差、降低噪声，大大提高了传感器精度。

（2）提高了传感器的可靠性

集成传感器系统小型化，消除了传统结构的某些不可靠因素，改善了整个系统的抗干扰性能；同时它具有自诊断、自校准和数据存储功能（对于智能结构系统还有自适应功能），具有良好的稳定性。

（3）提高了传感器的性能价格比

在相同精度的需求下，多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相比，性能价格比明显提高，尤其是在采用较便宜的单片机后更为明显。

（4）促成了传感器多功能化

智能式传感器可以实现多传感器多参数综合测量，可编程扩大测量与使用范围；有一定的自适应能力，根据检测对象或条件的改变，相应地改变量程及输出数据的形式；具有数字通讯接口功能，直接送入远地计算机进行处理；具有多种数据输出形式（如RS232串行输出，PIO并行输出，IEEE-488总线输出以及经D／A转换后的模拟量输出等），适配各种应用系统。

1．4单总线系统概述

目前常用的微机与外设之间进行的数据通信的串行总线主要有I2C总线，SPI总线等。

其中I2C总线以同步串行2线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线），SPI总线则以同步串行3线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线）。

这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。

而单总线（1-wirebus），它采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，最基本的操作有初始化、写和读3种，所有其它的操作都由这3种基本操作组合而成。

在这种操作中，只有写操作是单向的，初始化操作和读操作都是双向的。

CPU只需一根端口线就能与诸多单总线器件通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

因而，这种单总线技术具有节省I/O口线，结构简单，成本低廉，软件设计简单，便于总线扩展和维护。

同时，基于单总线技术能较好地解决传统识别器普遍存在的携带不便，易损坏，易受腐馈，易受电磁干扰等不足，因此，单总线具有广阔的应用前景，是值得关注的一个发展领域。

    单总线系统中的数据交换，控制都由这一根数据线完成。

主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线。

单总线通常要求外接一个约为4.7K的上拉电阻，这样，当总线闲置时其状态为高电平。

1．5智能温度传感器发展的新趋势

进入21世纪后，智能温度传感器正朝着总线标准化、多功能、高精度、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的方向迅速发展。

（1）提高测温精度和分辨力

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。

目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9~12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5~0.0625℃。

由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。

为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。

（2）增加测试功能

新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。

例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。

DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。

另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。

对某些智能温度传感器而言，主机（外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率（典型产品为MAX6654），分辨力及最大转换时间（典型产品为DS1624）。

智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。

典型产品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。

智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。

（3）总线技术的标准化与规范化

目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（1-Wire）总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。

温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。

（4）高可靠性及安全性设计

传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。

新型智能温度传感器（例如TMP03/04、LM74、LM83）普遍采用了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。

Σ－Δ式A／D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低；由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。

为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在AD7416/7417/7817、LM75／76、MAX6625／6626等智能温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队（fAultqueue）”计数器，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。

仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n（n=1~4）时，才能触发中断端。

若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。

2数字温度传感器DS18B20

2．1DS18B20概述

由dallas半导体公司生产的ds18b20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。

它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。

2．1．1性能特点

（1）采用单总线的接口方式。

与微处理器连接时，仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（2）测量温度范围宽。

测量精度高DS18B20的测量范围为-55℃～+125℃；在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。

（3）在使用中不需要任何外围元件。

（4）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。

（5）供电方式灵活。

DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。

因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。

（6）测量参数可配置。

DS18B20的测量分辨率可通过程序设定9～12位。

（7）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。

（8）掉电保护功能。

DS18B20内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。

DS18B20具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐。

2．1．2内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

温度传感器，64位光刻ROM，非挥发的温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。

图2.1DS18B20内部结构

2．1．3管脚排列

DS1820采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，管脚排列如图2.2所示。

图中GND为地，I/O为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。

VDD是外部+5V电源端，不用时应接地。

NC为空脚。

图2.2DS18B20的管脚排列图

2．1．4工作方式

（1）寄生电源供电方式

所谓“寄生供电模式”就是省去系统总线中的电源线，由数据线为单总线器件提供电能，从而使系统总线由3根变为2根，方便了现场布线。

DS18B20从单线信号线上汲取能量，在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。

为了