基于at89c51单片机和ds18b20数字温度传感器的温度测量系统-论文

基于at89c51单片机和ds18b20数字温度传感器的温度测量系统-论文内容摘要：

2 个通用寄存器。 ⑼ 硬件看门狗功能。 图 2 STC12CXX 系列典型单片机内部结构图 智能电子技术实践课程设计报告 8 51 系列单片机的引脚功能 图 3 微型单片机的引脚 ． I/O 端口线输入输出引脚 — (39— 32)： P0口是一个漏极开路型准双向 I／ O 口。 在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址 (低 8位 )和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。 在 EPROM 编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。 验证时，要求外接上拉电阻。 — (18)： P1 口是带内 部上拉电阻的 8位双向 I／ O 口。 在 EPROM 编程和程序验证时，它接收低 8位地址。 — (2128)： P2口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I／ O口。 在访问外部存储器时，它送出高 8位地址。 在对 EFROM 编程和程序验证期间，它接收高 8 位地址。 — (1017)： P3口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I／ O口。 在 MCS— 5l中，这 8个引脚还兼有专用功能， P3 的 8条口线都定义有第二功能，详见表 111。 图 4 智能电子技术实践课程设计报告 9 ．控制线控制引脚 （ ALE／ PROG、 、 、 RST／ VPD） ALE（３０脚）地址锁存控制信号。 在系统扩展时， ALE 用于控制 P0 口输出的低 8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。 此外，由于 ALE 是以晶振 1/6 的固定频率输出的正脉冲，因此 ,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。 （ 29 脚）外部程序存储器读选通信号。 在读外部 ROM时，有效（低电平），以实现外部 ROM 单元的读操作。 （３１脚）访问程序存储控制信号。 当信号为低电平时，对 ROM 的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对 ROM 的读操作是 从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。 RST／ Vpp (9 脚 ) 复位信号。 当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。 ．外接晶体端 XTAL1（１９脚）和 XTAL2（１８脚）外接晶体引线端。 当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 主电源引脚高 VＣＣ和低 VＳＳ VCC（４０脚） +5V 电源。 VSS（２０脚）地线（ＧＮＤ）。 以上是 MCS51单片机芯片 40条引脚的定义及简 单功能说明，读者可以对照实训电路找到相应引脚，在电路中查看每个引脚的连接使用。 51 系列单片机的时序 805l 的基本时序周期一条指令译码产生的一系列微操作信号在时间上有严格的先后次序，这种次序就是计算机的时序。 其基本时序周期有如下四种。 ●振荡周期：指振荡源的周期，若为内部产生方式，则为石英晶体的振荡周期。 T振荡周期＝１ /fosc。 ●时钟周期： (称 S 周期 )为振荡周期的两倍，时钟周期＝２倍的振荡周期 T 时钟周期 =2* T 振荡周期。 ●机器周期：一个机器周期含 6 个时钟周期 (S 周期 )。 T 机器周期＝ 6*T 时钟周期＝12* T 振荡周期＝１ 2/fosc。 STC12CXX 系列单片机有 1 个时钟周期 /机器周期。 ●指令周期：完成一条指令占用的全部时间。 805l 的指令周期含 1— 4个机器周期，其中多数为单周期指令，还有 2 周期和 4 周期指令。 智能电子技术实践课程设计报告 10 2． 4 . 1 智能最小系统的 LED 显示 器接口 通过 2 个 74LS595 芯片将 8 位段码信号（ a— h）和 8 位位码信号 (a1— a8)串行转为并行信号驱动 2个 LED 显示模块的 8 个 LED 数码灯， 是 a— h、 a1— a8串行数据的输入端（ SER）， 串行移位信号的 SCLK 输入端， 是并输出信号的锁存端（ RCLK）。 这些信号由单片机软件生成。 图 1112 显示部分电路 在单片机系统中，通常用 LED 数码显示器来显示各种数字或符号。 由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。 LED 显示 器又称数码管 ,八段 LED 显示器由 8个发光二极管组成。 其中 7个发光二极管构成字型“ 8”的各个笔画段 ,另一个小数点为 dp 发光二极管。 LED 显示器有两种不同的形式：一种是发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极 LED 显示器；另一种是发光二极管的阴极都连在一起的，称之为 共阴极 LED 显示器。 如图 1113 所示。 共阴和共阳结构的 LED 显示器各笔划段名和安排位置是相同的。 当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示各种字符。 8个笔划段 hgfedcba 对应于一个字节（ 8 位）的 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用 8位二进制码就可以表示欲显示字符的字型代码。 例如，对于共阴 LED 显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba 各段为 0111011 时，显示器显示 P字符，即对于共阴极 LED 显示器， “P” 字符的字形码是 73H。 如果是共阳 LED 显示器，公共阳极接高电平，显示 “P” 字符的字形代码应为 10001100（ 8CH）。 智能电子技术实践课程设计报告 11 图 1113 LED 数码管共阳极和共阴极示图 LED 显示方式有动态显示和静态显示两种方式。 本系统采用动态扫描显示接口电路，动态显示接口电路是把所有显示器的 8个笔划段 ah同名端连在一起，而每一个显示器的公共极 COM 各自独立地受 I/O 线控制。 CPU 向 字段输出口送出字型码时，所有显示器接收到相同的字型码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于 COM 端。 也就是说我们可以采用分时的方法，轮流控制各个显示器的 COM 端，使各个显示器轮流点亮。 在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约 1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。 2． 4. 2 音频放大电路 音频放大电路由放大三接管、蜂鸣器 SPEAKER、限流电阻组成，音频信号的输出连接到 单片机 如图 1115 所示当 为 低 时， SPEAKER 发声，声音脉宽不同发出的声音不同。 图 1115 音频放大电路。 图 1115 音频放大电路 智能电子技术实践课程设计报告 12 第 3 章．关于 DS18B20 的介绍 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。 与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9～ 12 位的数字值读数方式。 可以分别在 ms 和 750 ms 内完成9 位和 12 位的数字量，并且从 DS18B20 读出的信息 或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线（单线接口）读写 ,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20 供电，而无需额外电源。 因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。 他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 DS1820 有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 简介 （ 1）独特的单线接口方式： DS18B20 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）在使用中不需 要任何外围元件。 （ 3）可用数据线供电，电压范围： +~ + V。 （ 4）测温范围： 55 ~+125 ℃。 固有测温分辨率为 ℃。 （ 5）通过编程可实现 9~12 位的数字读数方式。 （ 6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 （ 7）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。 （ 8）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。 单总线数字温度计硬件设计原理部分 GND1VCC3DQ2D S 18 B 20R 1 114 K 7P 1. 4V C C智能电子技术实践课程设计报告 13 DS18B20 的 封装及内部结构 DS18B20 引脚功能： GND 为电源地 DQ 为数字信号输入 /输出端 VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） DS18B20 内部结构主要由四部分组成： 64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的测温原理 DS18B20 的测温原理如图 2 所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小〔 1〕，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1，高温度 系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时， DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。 计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在 55 ℃ 所对应的一个基数值。 减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置将重新被装 入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器 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 2 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非智能电子技术实践课程设计报告 14 线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是 DS18B20 的测温原理。 另外，由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。 系统对 DS18B20 的各种操作必须按协议进行。 操作协议为：初始化 DS18B20（发复位脉冲）→发ROM 功能命令→发存储器操作命令→处理数据。 的工作时序 DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ ROM 操作指令→存储器操作指令→数据传输。 其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图 3（ a）（ b）（ c）所示。 与单片机的典型接口设计 以 MCS51 单片机为例，图 3 中采用寄生电源供电方式， P1 1 口接单线总线为保证在有效的 DS18B20 时钟周期内提供足够的电流，可用一个 MOSFET 管和 89C51 的 P1 0来完成对总线的上拉〔 2〕。 当 DS18B20 处于写存储器操作和温度 A/D 变换操作时，总智能电子技术实践课程设计报告 15 线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为 10 μ s。 采用寄生电源供电方式是 VDD 和GND 端均接地。 由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。 主机控制DS18B20 完成温度转换必须经过 3 个步骤：初始化、 ROM 操作指令、存储器操作指令。 假设单片机系统所用的晶振频率为 12 MHz，根据 DS18B20 的初始化时序、写时序和读时序，分别编写 3 个子程序： INIT 为初始化子程序， WRITE 为写（命令或数据）子程序， READ 为读数据子程序，所有的数据读写均由最 低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻 kΩ ,另外 2 个脚分别接电源和地。 DS18B20 的精确延时问题 虽然 DS18B20 有诸多优点，但使用起来并非易事，由于采用单总线数据传输方式，DS18B20 的数据 I/O 均由同一条线完成。 因此，对读写的操作时序要求严格。 为保证DS18B20 的严格 I/O 时序，需要做较精确的延时。 在 DS18B20 操作中，用到的延时有15 μ s， 90 μ s， 270 μ s， 540 μ s 等。 只要用该函数进行大约 15 μ s N 的延时即可。 有了比较精确的延时保证，就可以对 DS18B20 进行读写操作、温度转换及显示等操作。 DS18B20 工作原理及应用 DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。 其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。 在讲解其工作流程之前我们有必要了解 18B20 的内部存储器资源。 18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是： ROM 只读存储器，用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（ DS18B20的编码是 19H），后面 48 位是芯片唯一。