51單片機(jī)溫傳感器課程設(shè)計要點(diǎn)

1、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，其中溫度傳感器就是一個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，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。本設(shè)計所介紹的溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度計相比，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，該設(shè)計控制器使用單片機(jī)STC89S52，測溫傳感器使用DS18B20，用LCD實(shí)現(xiàn)溫度顯示,能準(zhǔn)確達(dá)到以上要求。 隨著時代的進(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，各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù),本文將

2、介紹一種基于單片機(jī)控制的溫度傳感器。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，數(shù)字控制，溫度傳感器1. 溫度傳感器設(shè)計內(nèi)容1.1傳感器三個發(fā)展階段一是模擬集成溫度傳感器。該傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。此種傳感器具有功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等特點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，且外圍電路簡單。它是目前在國內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。二是模擬集成溫度控制器。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關(guān)、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有LM56、AD22105

3、和MAX6509。某些增強(qiáng)型集成溫度控制器(例如TC652/653)中還包含了A/D轉(zhuǎn)換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別。三是智能溫度傳感器。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測試功能的，當(dāng)然，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。1.2設(shè)計目的通

4、過基于MCS-51系列單片機(jī)AT89C51和DS18B20溫度傳感器檢測溫度，熟悉芯片的使用，溫度傳感器的功能，數(shù)碼顯示管的使用，匯編語言的設(shè)計；并且把我們這兩年所學(xué)的數(shù)字和模擬電子技術(shù)、檢測技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用等知識，通過理論聯(lián)系實(shí)際，從題目分析、電路設(shè)計調(diào)試、程序編制調(diào)試到傳感器的選定等這一完整的實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)了學(xué)生正確的設(shè)計思想，使學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，去獨(dú)立解決實(shí)際問題，以達(dá)到提升學(xué)生的綜合能力、動手能力、文獻(xiàn)資料查閱能力的作用，為畢業(yè)設(shè)計和以后工作打下一個良好的基礎(chǔ)。1.3設(shè)計任務(wù)和要求以MCS-52系列單片機(jī)為核心器件，組成一個溫度傳感器，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20為檢測器件，

5、進(jìn)行單點(diǎn)溫度檢測，檢測精度為±0.5攝氏度。溫度顯示采用LCD1602顯示，兩位整數(shù)，一位小數(shù)。2.設(shè)計思路與總體框圖.采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心對溫度傳感器DS18B20控制，讀取溫度信號并進(jìn)行計算處理，并送到液晶顯示器LCD1602顯示。 按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，確定系統(tǒng)由3個模塊組成：主控制器、測溫電路和顯示電路。 溫度傳感器原理圖圖1 仿真電路圖PCB版圖3.溫度傳感器詳細(xì)設(shè)計3.1管腳電路圖圖2 AT89S52管腳封裝3.2主要特性·與MCS-51 兼容  ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器  壽命：1

6、000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10年 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz ·三級程序存儲器鎖定 ·128*8位內(nèi)部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個16位定時器/計數(shù)器 ·5個中斷源  ·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式 ·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路3.3管腳說明P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部

7、程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為

8、輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能

9、口，如下表所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） 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） P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號.RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件

10、時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。  /PSEN：

11、外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。     XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。    &

12、#160;XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。4.溫度傳感器模塊圖3 DS18B20相關(guān)資料4.1DS18B20原理與分析 DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據(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?？梢苑謩e在93.75 ms和750 ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)

13、構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。 以下是DS18B20的特點(diǎn)： （1）獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 （2）在使用中不需要任何外圍元件。 （3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0 +5.5 V。 （4）測溫范圍：-55 - +125 。固有測溫分辨率為0.5 。 （5）通過編程可實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字讀數(shù)方式。 （6）用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。 （7）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟

14、一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。 （8）負(fù)壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。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數(shù)器；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數(shù)器的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)進(jìn)而完成溫度測量。計數(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)分別置入減法計數(shù)器、溫度寄存器中，計數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器對低溫

15、度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器的預(yù)置值減到時，溫度寄存器的值將加，減法計數(shù)器的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 000

16、0 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H圖4一部分溫度對應(yīng)值表另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操

17、作命令處理數(shù)據(jù)。4.2 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，如圖4 所示單片機(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。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著

18、嚴(yán)格的時序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。5軟件設(shè)計系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換子程序、計算溫度子程序、顯示等等。 5.1主程序主要功能是完成DS18B20的初始化工作，并進(jìn)行讀溫度，將溫度轉(zhuǎn)化成為壓縮BCD碼 并在顯示器上顯示傳感器所測得的實(shí)際溫度。5.2讀出溫度子程序讀

19、出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需要進(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1如下圖所示。圖5程序流程圖15.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用12位分辯率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設(shè)計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。流程圖圖2如下圖6程序流程圖25.4計算溫度子程序計算溫度子程序?qū)AM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。流程圖3如下：圖7程序流程圖36.完整程序如下：#include <reg52.h>#include <intrins.h> typed

20、ef unsigned char uint8;#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit DQ = P33; / 定義DQ引腳為P3.3uchar code Bw10= 0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39;/百位編碼uchar code Xsw16=0x30,0x31,0x31,0x32,0x33,0x33,0x34,0x34,0x35,0x36,0x36,0x37,0x38,0x38,0x39,0x39;/小數(shù)位編碼sbit RS = P20 ;sbit RW

21、 = P21 ;sbit EN = P22 ;sbit BUSY = P07;uchar wendu;uchar temp_g,temp_d;unsigned char code word1="Temperature:"void delay(uint xms) uint i,j;for(i=xms;i>0;-i)for(j=110;j>0;-j);void Delayus(int t) /在11.059MHz的晶振條件下調(diào)用本函數(shù)需要24s ，然后每次計數(shù)需16s int s; for (s=0; s<t;s+);/等待繁忙標(biāo)志void wait(void

22、)P0 = 0xFF;do RS = 0;RW = 1;EN = 0;EN = 1;while (BUSY = 1);EN = 0;/寫數(shù)據(jù)void w_dat(uint8 dat)wait();EN = 0;P0 = dat;RS = 1;RW = 0;EN = 1;EN = 0;/寫命令void w_cmd(uint8 cmd)wait();EN = 0;P0 = cmd;RS = 0;RW = 0;EN = 1;EN = 0;/發(fā)送字符串到LCDvoid w_string(uint8 addr_start, uint8 *p)w_cmd(addr_start);while (*p !=

23、'0')w_dat(*p+);/初始化1602void Init_LCD1602(void)w_cmd(0x38); / 16*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口w_cmd(0x0c); / 顯示器開、光標(biāo)開、光標(biāo)允許閃爍w_cmd(0x06); / 文字不動，光標(biāo)自動右移w_cmd(0x01); / 清屏uchar Reset()/完成單總線的復(fù)位操作。 uchar d; DQ = 0; / 將 DQ 線拉低 Delayus(29); / 保持 480s .復(fù)位時間為480s，因此延時時間為(480-24)/16 = 28.5，取29s。 DQ = 1; / DQ返回高電平 D

24、elayus(3); / 等待存在脈沖.經(jīng)過70s之后檢測存在脈沖，因此延時時間為(70-24)/16 = 2.875，取3s。 d = DQ; / 獲得存在信號 Delayus(25); / 等待時間隙結(jié)束 return(d); / 返回存在信號，0 = 器件存在, 1 = 無器件void write_bit(uchar bitval)/向單總線寫入1位值：bitval DQ = 0; / 將DQ 拉低開始寫時間隙 if(bitval=1) DQ =1; / 如果寫1，DQ 返回高電平 Delayus(5);/ 在時間隙內(nèi)保持電平值， DQ = 1; / Delayus函數(shù)每次循環(huán)延時16s

25、，因此Delayus(5)=5*16+24=104svoid ds18write_byte(char val)/向單總線寫入一個字節(jié)值：val uchar i; uchar temp; for (i=0; i<8; i+)/ 寫入字節(jié), 每次寫入一位 temp = val>>i; temp &= 0x01; write_bit(temp); Delayus(5);uchar read_bit()/從單總線上讀取一位信號，所需延時時間為15s，因此無法調(diào)用前面定義 的Delayus()函數(shù)，而采用一個for()循環(huán)來實(shí)現(xiàn)延時。 uchar i; DQ = 0; /將DQ

26、 拉低開始讀時間隙 DQ = 1; / 然后返回高電平 for (i=0; i<3; i+); / 延時15s return(DQ); / 返回 DQ 線上的電平值uchar ds18read_byte()/從單總線讀取一個字節(jié)的值 uchar i; uchar value = 0; for (i=0;i<8;i+) / 讀取字節(jié)，每次讀取一個字節(jié) if(read_bit() value|=0x01<<i; / 然后將其左移 Delayus(6); return(value);int Readtemperature()/如果單總線節(jié)點(diǎn)上只有一個器件則可以直接掉用本函數(shù)。

27、如果節(jié)點(diǎn)上有多個器件，為了避免數(shù)據(jù)沖突，應(yīng)使用Match ROM函數(shù)來選中特定器件。uchar temp_d,temp_g,k,get2,temp; Reset(); ds18write_byte(0xcc); / 跳過 ROM ds18write_byte(0x44); / 啟動溫度轉(zhuǎn)換 Delayus(5); Reset(); ds18write_byte(0xcc); / 跳過 ROM ds18write_byte(0xbe); / 讀暫存器 for (k=0;k<2;k+) getk=ds18read_byte(); temp_d = get0;/低位 temp_g = get1;/高位 if(temp_g&0xf0)=0xf0) /正負(fù)號判斷 temp_d=temp_d;if(temp_d=0xff) /保證-48（）、-32和-16顯示正常 temp_d=temp_d+0x01;/00000000 temp_g=temp_g;/00000010 temp_g=temp_g+0x01;/00000011 else temp_d=temp_d+0x01; temp_g=temp_g; w_cmd(0xc5);w_dat(Xswtemp_d&0x0f);/查表得小數(shù)位的值 tem