高精度数显温度测控仪的设计毕业设计(编辑修改稿)

高精度数显温度测控仪的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

组建传感器网络 变得轻松，在构建测量系统理论方面引进了 全新 的 概念。 现在，新一代的“ DS18B20” 传感器 在工艺方面体积越来越 小 、 灵活 性更高、价格普遍下降。 DS18B20 可以 改变出厂 设置 程序 ， 设定 9~12 位的 不同的 分辨率， 测温精度达到177。 ℃。 还可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。 分辨率设定，及用户设置 的报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存。 DS18B20 的性能是新一代产品中较好的， 性价比也较好。 （ 2） DS18B20 的主要特性 1） 电压范围： ～ ，在寄生电源方式下， 数据线 为 DS18B20 提供电力 ； 2）单线接口 ， DS18B20 与微处理器 的数据只依靠一条线连接，从而实现双向通讯 ； 3） DS18B20 能够 实现 多点组网 功能 ，多个 DS18B20 由一根数据线作为总线，相互并联的组合，多点测温就得以实施 ； 4） DS18B20 可以独立使用，而不用 外围元件 加以辅助，半导体热敏电阻传感器 及 模数 转换电路集成 一个芯片中，外形就像三极管 ； 5）温度测量 范围 为 － 55℃～＋ 125℃，在 10～ +85℃时 ，测温 误差不超过 177。 ℃； 6） DS18B20 的 分辨率 可以通过内部程序修改得以改变， 9～ 12 位的不同分辨率，相应的能够 分辨 出的温度 为 ℃、 ℃、 ℃和 ℃； 7）在 9位分辨率时最多在 内把温度转换为数字， 12位分辨率时最多在 750ms内把温度值转换为数字，速度更快； 8）测量结果直接输出数字温度信号，以 一线总线 串行传送给 CPU，同时可传送 CRC校验码 ； 9） DS18B20 不会因为电源极性接反了而导致发热继而烧毁元件， 然而 DS18B20 不会正常运作。 （ 3） DS18B20 外形及 内部结 构 DS18B20外形及管脚排列如图 31所示，半导体热敏电阻传感器与模数转换电路集成，外形似三极管。 DS18B20 由 64位光刻 ROM、温度报警触发器 TH 和 TL、 温度传感器、 配置寄 存器，其 内部结构如图 32所示。 图 31 DS18B20外形 及引脚 第 3 章 系统硬件设计 8 图 32 DS18B20内部结构 （ 4） DS18B20 温度芯片的引脚说明 ： 1)DQ 端口是 数字信号 输入输出端口 ； 2)GND 是 接地 端 ； 3)VDD 是外部电源输入端（如果采用寄生电源方式，此端口为 接 地 端 ）。 （ 5） DS18B20 的 工作原理： DS18B20 的温度采集与数字信号的输出 集成 在同一个 芯片 上，因此 抗干扰能力强。 温度检测和数据处理 构成了一个完整的工作周期。 DS18B20 的存储器资源分为三种： ROM 只读存储器， 数据在出厂时 已经 设置 好， 用户 不得 更改。 DS18B20 内部有 64位 ROM； RAM 数据暂存器， 掉电后 ，数据容易 丢失， DS18B20 有 9个字节 RAM，每个字节由 8位 组成。 系统选择此芯片正是因为它很好的集成 A/D 转换与温度测量，降低了成本，同时方便我们的读取温度，芯片只有三个引脚，相对简单，方便使 用。 （ 6） DS18B20 的 4 个数据元件 ： 1）光刻 ROM 中的 64 位序列号在出厂前已被设置好，可 以 当作 DS18B20 的地址序列码。 64 位光刻 ROM 的排列是： 产品类型标号 由开始的 8 位表示 ， 之后 48位为 自身的序列号，最后 8 位可以作为 前面 56 位的循环冗余校验码（ CRC=X8+X5+X4+1）。 光刻 ROM 使每一个DS18B20 都不相同，这样就能在 一根总线上挂接多个 DS18B20。 2） DS18B20 中的温度传感元件对温度实施 测量。 举例 12 位分辨率转化 ，以二进制补码的 16 位符号形式展示 ， 如表 31所示。 12位 分 辨率 转化后得到的 12 位数据，存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中， 温度值格式 前 5 位为符号位，若测量 温度大于 0，前 5 位 设定 为 0，将测得 的数值乘于 就可以 得 出 实际温度；若 温度小于 0，前 5位 设定 为 1，测量得的温度值 取反加 1再乘于 就可以得出 实际温度。 存储器和控制器 高速 缓存 存储器 温度灵敏元件 低温触发器 TL 高温触发器 TH 配置寄存器 8 位 CRC 生成器 64 位 ROM 和 单线 接口 电 源 检 测 第 3 章 系统硬件设计 9 例如 +85℃的数字 对应的十六进制 输出为 0550H， +℃的数字输出为 00A2H，55℃的数字输出为 FC90H，如表 31 所示。 表 31 DS18B20温度数据表 Temperature Digital output (Binary) Digital output (Hex) +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0h +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550h +℃ 0000 0001 1001 0001 0191h +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2h +℃ 0000 0000 0000 1000 0008h 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000h ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8h ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5Eh ℃ 1111 1110 0110 1111 FE6Fh 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90h 3） DS18B20 的存储器 内部存储器包括 高速暂存 RAM、 可擦除 RAM，可擦除 RAM 用来 存放触发器 TH（高温度） 、TL（低温度） 和结构寄存器。 4）配置寄存器 寄存器各位 如表 32所示。 表 32 配置寄存器结构 TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位填 1。 测试模式位 TM， TM 是 判断 DS18B20 处于工作模式还是处于 测试模式。 一般情况， DS18B20 出厂时 ， TM设置为 0，不需 改动。 R1 和 R0 是 分辨率 设置位 ，如表 33所示 （ 一般情况， 出厂时 ， DS18B20 被设置为 12 位）。 表 33 分辨率设置表 R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9位 0 1 10位 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms （ 7） 高速暂存寄存 器 高速暂存寄存 器由 9个字节组成，其分配如表 34所示。 当温度转换执行时 ，经转换后， 所得的温度值以二字节 补码形式 ， 存放在高速暂存存储器的第 0和第 1 个字节。 表 34 DS18B20暂存寄存器 寄存器内容 字节地址 温度值低位（ LS Byte） 0 第 3 章 系统硬件设计 10 寄存器内容 字节地址 温度值高位（ MS Byte） 1 高温限值（ TH） 2 低温限值（ TL） 3 配置寄存器 4 保留 5 保留 6 保留 7 CRC校验值 8 单片机 通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表 35所示。 表 35 DS18B20 温度值格式表 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 LS Byte 23 22 21 20 21 22 23 24 Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 MS Byte S S S S S 26 25 24 若符号位 S=0，将二进制转换为十进制；若 S=1，将补码转变原码，然后计算十进制值。 第九个字节是冗余检验字节。 根据 DS18B20 通讯 协议， DS18B20 要 实现温度转换 ，需要 三个步骤： 读写之前 ， 需要对 DS18B20 复位，之 后发送一条 ROM 指令 如表 36所示。 表 36 ROM指令 指令 约定代码 功能 读 ROM 33H 读 DS18B20芯片 ROM中的编码。 符合 ROM 55H 发出此指令之后，然后 发出 64位 ROM编码，访问单总线上与之对应 的 DS18B20，作出响应，为下一步 读写作准备。 搜索 ROM 0F0H 确定 同一总线上 ， DS18B20的个数和识别 64位 ROM地址，为运行各 器件作好准备。 指令 约定代码 功能 跳过 ROM 0CCH 忽略 64位 ROM地址， 向 DS18B20发 布温度变换指令。 警告搜索命令 0ECH 当温度超限的片 子才做出 这个 响应。 最后发送 RAM 指令 如表 37 所示。 这样动作后， DS18B20 才能获得 预定的操作。 对DS18B20 进行 复位 ，则 主 CPU 需 将数据线下拉 500us，然后释放， 当 DS18B20 收到信号后 ，等待 大约 16～ 60us，这之后，主 CPU 发送 低 平 脉冲， 持续 60～ 240us。 若 主 CPU收到这个信号 ，则代表 复位成功。 表 37 RAM指令表 指令 约定代码 功能 温度变换 44H 启动 DS18B20开始 温度转换， 12 位 最长 转换时间 为 750ms(9第 3 章 系统硬件设计 11 位为 )， 结果存入内部 9字节 RAM中。 读暂存器 0BEH 读 出 RAM中 9字节的内容 写暂存器 4EH 发出向内部 RAM的 4字节写上、下限温度数据命令，之后， 传送两字节的数据。 复制暂存器 48H 将 RAM中第 4字节的内容复制到 E2PROM中。 重调 EEPROM 0B8H 将 E2PROM中内容恢复到 RAM 中的第 4字节。 读供电方式 0B4H 寄生供电时 ， DS18B20发送“ 0”； 外接电源供电 时， DS18B20发送“ 1”。 本次测温系统 ，考虑到 针 对室温、 水温等等常见的环境，采用了防水型 DS18B20 温度探头如图 33 所示。 图 33 防水型 DS18B20实物 输出引线：红色（ VCC），蓝色（ DQ） ,黑色（ GND）。 温度采集模块接口电路 DS18B20 测温系统 测温 简单、测温精度高、连接方便、占用 端口 少等优点。 列举 DS18B20的几个不同应用方式下的测温电路：① DS18B20 寄生 电影供电方式 ② DS18B20 寄生电源强上拉供电方式 ③ DS18B20 的外部电源供电方式。 DS18B20 最佳的工作方式 是外部电源供电方式，稳定可靠，抗干扰，电路 简单， 还可以开发 多点温度监控系统。 与 寄生电源方式相比，多接了 一根 VCC 引线。 当外接电源方式时，将 DS18B20 电源电压范围宽的 优点 充分发挥。 若 电压 VCC 只有 3V时 ,依然能够达到要求的精度。 如果采用外部电源供电 ，由 VDD引脚接入 DS18B20 所需的工作电源 ， 这种供电方式使I/O 线可以不接强上拉电阻，电源的电流不足问题就得以解决，并且 转换精度 能够得以 保证， 理论 上， 任意多个 DS18B20 传感器 可以同时挂接在单总线上 ， 从而实现 测温系统 多点测温。 外部供电时 ， GND 端口不能悬空，否则 温度 转换不了，导致温度总是显示 85℃。 如图 34 所示。 DS18B20 连接到 单片机的 I/O 端 口上， DS18B20 的数据线为漏极开路，第 3 章 系统硬件设计 12 则 接 10K 的 强 上拉电阻。 当采用寄生工作时， 将 1端口（ VDD）与数据 线 （ DQ）端口并联，除此之外， 寄生工作方式 针对程序也会对数据线提出一些特殊的要求，所以比较之下， 外部电源供电方式 是 比较 合适。 W E N 123U15DS18B 20R1110KGN DVC C 图 34 DS18B20接口电路 数据处理模块 单片机说明 单片机 选用 的是 比较通用的 51单片机，生产 51 单片机的公司有很多 ， 例如 AT公司，Philips 公司， Intel 公司等。 目前市场上流行的芯片主要是 C51系列 ， STC89C52 单片机比传统的 51 系列 8位单片机具有更加丰富的资源，而且数据处理速度快，具备单片机最小系统电路外还包括电源电路、复位电路，体积小，可靠性高。 所以选择了宏晶公司的STC89C52。 芯片介绍 STC89C52 是 宏晶 公司生产的一种 功耗 低 、 性能优良的 CMOS 8位微型控制器。 STC89C52使用经典的 MCS51 内核，但做了很多的改进，使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。 而且还 有以下标准功能： 看门狗定时器， 8K 字节 Flash， 512 字节 RAM， 内置 4KB EEPROM，。