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2019-1-10 01:32 上傳

第一章 緒 論

1.1 數(shù)字溫度計(jì)的介紹

1.2 單片機(jī)的簡(jiǎn)介

1.3 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

第二章 系統(tǒng)硬件組成

2.1 DS18B20溫度傳感器介紹

2.2 7段LED數(shù)碼管電路及原理

2.3 系統(tǒng)方案的選擇

2.4 系統(tǒng)整體硬件電路

第三章 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

3.1 主程序

3.2 讀出溫度子程序

3.3 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序

3.4 計(jì)算溫度子程序

3.5 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序

第四章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及測(cè)試結(jié)果分析

4.1 硬件調(diào)試

4.2 軟件調(diào)試

總 結(jié)

致 謝

參考文獻(xiàn)

附錄 程序代碼

第一章 緒 論

1.1 數(shù)字溫度計(jì)的介紹

溫度是我們?nèi)粘Ｉ�產(chǎn)和生活中實(shí)時(shí)在接觸到的物理量，但是它是看不到的，僅憑感覺(jué)只能感覺(jué)到大概的溫度值，傳統(tǒng)的指針式的溫度計(jì)雖然能指示溫度，但是精度低，使用不夠方便，顯示不夠直觀(guān)，數(shù)字溫度計(jì)的出現(xiàn)可以讓人們直觀(guān)的了解自己想知道的溫度到底是多少度。

數(shù)字溫度計(jì)采用進(jìn)口芯片組裝精度高、高穩(wěn)定性，誤差≤0.5%， 內(nèi)電源、微功耗、不銹鋼外殼，防護(hù)堅(jiān)固，美觀(guān)精致。數(shù)字溫度計(jì)采用進(jìn)口高精度、低溫漂、超低功耗集成電路和寬溫型液晶顯示器，內(nèi)置高能量電池連續(xù)工作≥5年無(wú)需敷設(shè)供電電纜，是一種精度高、穩(wěn)定性好、適用性極強(qiáng)的新型現(xiàn)場(chǎng)溫度顯示儀。是傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)指針雙金屬溫度計(jì)的理想替代產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工礦企業(yè)，大專(zhuān)院校，科研院所。

數(shù)字溫度計(jì)采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，熱電偶，半導(dǎo)體，熱敏電阻等），將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號(hào)的變化有一定的關(guān)系，如線(xiàn)性關(guān)系，一定的曲線(xiàn)關(guān)系等，這個(gè)電信號(hào)可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路即AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)再送給處理單元，如單片機(jī)或者PC機(jī)等，處理單元經(jīng)過(guò)內(nèi)部的軟件計(jì)算將這個(gè)數(shù)字信號(hào)和溫度聯(lián)系起來(lái)，成為可以顯示出來(lái)的溫度數(shù)值，如25.0攝氏度，然后通過(guò)顯示單元，如LED,LCD或者電腦屏幕等顯示出來(lái)給人觀(guān)察。這樣就完成了數(shù)字溫度計(jì)的基本測(cè)溫功能。數(shù)字溫度計(jì)根據(jù)使用的傳感器的不同，AD轉(zhuǎn)換電路，及處理單元的不同，它的精度，穩(wěn)定性，測(cè)溫范圍等都有區(qū)別，這就要根據(jù)實(shí)際情況選擇符合規(guī)格的數(shù)字溫度計(jì)。

1.2 單片機(jī)的簡(jiǎn)介

單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

單片機(jī)也被稱(chēng)為 微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫(xiě)MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專(zhuān)用處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備　　和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專(zhuān)用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。

　　早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開(kāi)始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢(xún)r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。目前，高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過(guò)300MHz，性能直追90年代中期的專(zhuān)用處理器，而普通的型號(hào)出廠(chǎng)價(jià)格跌落至1美元，最高端[1]的型號(hào)也只有10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開(kāi)發(fā)和使用，大量專(zhuān)用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專(zhuān)用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。

單片機(jī)比專(zhuān)用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)。現(xiàn)代人類(lèi)生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話(huà)、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車(chē)上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過(guò)PC機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類(lèi)的數(shù)量還要多。

1.3 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車(chē)的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。

單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇：

1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用

單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類(lèi)型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測(cè)量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。

2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用

用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠(chǎng)流水線(xiàn)的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。

3.在家用電器中的應(yīng)用

可以這樣說(shuō)，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門(mén)，無(wú)所不在。

4.在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話(huà)機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車(chē)無(wú)線(xiàn)通信、再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話(huà)，集群移動(dòng)通信，無(wú)線(xiàn)電對(duì)講機(jī)等。

5.單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。

6.在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用

　　某些專(zhuān)用單片機(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進(jìn)行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂(lè)集成單片機(jī)，看似簡(jiǎn)單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類(lèi)似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂(lè)信號(hào)以數(shù)字的形式存于存儲(chǔ)器中（類(lèi)似于ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂(lè)電信號(hào)（類(lèi)似于聲卡）。

　　在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡(jiǎn)化了電路，降低了損壞、錯(cuò)誤率，也方便于更換。

7.單片機(jī)在汽車(chē)設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

單片機(jī)在汽車(chē)電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車(chē)中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，基于CAN總線(xiàn)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)智能電子控制器，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，abs防抱死系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)等等。

此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。

第二章 系統(tǒng)硬件組成

2.1 DS18B20溫度傳感器介紹

DS18B20溫度傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)９～１２位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點(diǎn)如下：

●獨(dú)特的單線(xiàn)接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊

●DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫

●DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)

●適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線(xiàn)供電

●溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃

●零待機(jī)功耗

●可編程的分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫

●在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快

●用戶(hù)可定義報(bào)警設(shè)置

●報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件

●測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以"一線(xiàn)總線(xiàn)"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力

●負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作

TO－92封裝的DS18B20的引腳排列見(jiàn)下圖2.1，其引腳功能描述見(jiàn)下：1．GND地信號(hào)

2．DQ

   數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開(kāi)漏單總線(xiàn)接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。

3．VDD

   可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。

圖2.1 18B20管腳圖

2、DS18B20 使用中的注意事項(xiàng)：

DS18B20 雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線(xiàn)少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問(wèn)題：

●DS18B20 從測(cè)溫結(jié)束到將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這是必須保證的，不然會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的現(xiàn)象，使溫度輸出總是顯示85。

●在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)使電源電壓保持在5V 左右，若電源電壓過(guò)低，會(huì)使所測(cè)得的溫度精度降低。

●較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì)DS1820進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)DS1820操作部分最好采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

●在DS18B20的有關(guān)資料中均未提及單總線(xiàn)上所掛DS18B20 數(shù)量問(wèn)題，容易使人誤認(rèn)為可以?huà)烊我舛鄠�(gè)DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此，當(dāng)單總線(xiàn)上所掛DS18B20 超過(guò)8 個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。

●在DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS18B20 接觸不好或斷線(xiàn)，當(dāng)程序讀該DS18B20 時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)，這一點(diǎn)在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。

3、DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

圖為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線(xiàn)接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM），用于存儲(chǔ)用戶(hù)設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）發(fā)生器等七部分。

DS18B20采用３腳PR－35 封裝或８腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.2所示

開(kāi)始８位是產(chǎn)品類(lèi)型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48 位，最后８位是前面56 位的CRC 檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS18B20 可以采用一線(xiàn)進(jìn)行通信的原因。溫度報(bào)警觸發(fā)器ＴＨ和ＴＬ，可通過(guò)軟件寫(xiě)入戶(hù)報(bào)警上下限。主機(jī)操作ROM的命令有五種，如表所列

DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存ＲＡＭ和一個(gè)非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM 的結(jié)構(gòu)為８字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖 2.3所示。               

前２個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第３和第４字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第５個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。

LSB                                                            MSB

當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1，2字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單線(xiàn)接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062 5 ℃/LSB形式表示。溫度值格式如下：��

這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。圖中，S表示位。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，表示測(cè)得的溫度植為正值，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，表示測(cè)得的溫度植為負(fù)值，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，-55℃的數(shù)字輸出為FC90H。

DS18B20溫度傳感器主要用于對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)可用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。表2是部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度表示數(shù)據(jù)。��

DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值與RAM中的TH、TL字節(jié)內(nèi)容作比較，若T>TH或T<TL,則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行告警搜索。

在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）。主機(jī)根據(jù)ROM的前 56位來(lái)計(jì)算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù) 據(jù)是否正確。

4、DS18B20測(cè)溫原理：

:    DS18B20的測(cè)溫原理如圖2所示，圖中低溫度系數(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(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量.計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將-55 ℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55 ℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。

減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入,減法計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫圖2中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線(xiàn)性其輸出用，于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值，這就是DS18B20的測(cè)溫原理。

另外，由于DS18B20單線(xiàn)通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)    序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20   （發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。

在正常測(cè)溫情況下，DS1820的測(cè)溫分辨力為0.5℃，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果：首先用DS1820提供的讀暫存器指令（BEH）讀出以0.5℃為分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測(cè)實(shí)際溫度的整數(shù)部分Tz，然后再用BEH指令取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值Cs和每度計(jì)數(shù)值CD。考慮到DS1820測(cè)量溫度的整數(shù)部分以0.25℃、0.75℃為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度Ts可用下式計(jì)算：

         Ts=（Tz-0.25℃）+(CD-Cs)/CD

5、提高DS1820測(cè)溫精度的途徑

（1）、DS1820高精度測(cè)溫的理論依據(jù)

   DS1820正常使用時(shí)的測(cè)溫分辨率為0.5℃，這對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦溫度監(jiān)測(cè)來(lái)講略顯不足，在對(duì)DS1820測(cè)溫原理詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，我們采取直接讀取DS1820內(nèi)部暫存寄存器的方法，將DS1820的測(cè)溫分辨率提高到0.1℃～0.01℃．

DS1820內(nèi)部暫存寄存器的分布如表1所示，其中第7字節(jié)存放的是當(dāng)溫度寄存器停止增值時(shí)計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值，第8字節(jié)存放的是每度所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，這樣，我們就可以通過(guò)下面的方法獲得高分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果。首先用DS1820提供的讀暫存寄存器指令(BEH)讀出以0.5℃為分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位(LSB)，得到所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分T整數(shù)，然后再用BEH指令讀取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值M剩余和每度計(jì)數(shù)值M每度，考慮到DS1820測(cè)量溫度的整數(shù)部分以0.25℃、0.75℃為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度T實(shí)際可用下式計(jì)算得到：T實(shí)際=(T整數(shù)－0.25℃)+(M每度－M剩余)/M每度。

低5位一直都是1，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式。在DS18B20出廠(chǎng)時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶(hù)不要去改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，即是來(lái)設(shè)置分辨率，如表1所示（DS18B20出廠(chǎng)時(shí)被設(shè)置為12位）。��

由表1可見(jiàn)，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存存儲(chǔ)器除了配置寄存器外，還有其他8個(gè)字節(jié)組成，其分配如下所示。其中溫度信息（第1，2字節(jié)）、TH和TL值第3，4字節(jié)、第6～8字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有8個(gè)字節(jié)的CRC碼，可用來(lái)保證通信正確。��

     根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線(xiàn)下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。

（2）、 測(cè)量數(shù)據(jù)比較

表2為采用直接讀取測(cè)溫結(jié)果方法和采用計(jì)算方法得到的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)比較，通過(guò)比較可以看出，計(jì)算方法在DS1820測(cè)溫中不僅是可行的，也可以大大的提高DS1820的測(cè)溫分辨率。

7段LED數(shù)碼管分為共陽(yáng)極與共陰極兩種，共陽(yáng)極就是把所有LED的陽(yáng)極連接到共同接點(diǎn)com，而每個(gè)LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點(diǎn)）；共陰極則是把所有LED的陰極連接到共同接點(diǎn)com，而每個(gè)LED的陽(yáng)極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點(diǎn)），如下圖2.5所示。圖中的8個(gè)LED分別與上面那個(gè)圖中的A~DP各段相對(duì)應(yīng)，通過(guò)控制各個(gè)LED的亮滅來(lái)顯示數(shù)字。

圖2.5數(shù)碼管顯示

4個(gè)數(shù)碼管共用a~dp這8根數(shù)據(jù)線(xiàn)，為人們的使用提供了方便，因?yàn)槔锩嬗?個(gè)數(shù)碼管，所以它有4個(gè)公共端，加上a~dp，共有12個(gè)引腳，下面便是一個(gè)共陰的四位數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（共陽(yáng)的與之相反）。引腳排列依然是從左下角的那個(gè)腳（1腳）開(kāi)始，以逆時(shí)針?lè)较蛞来螢?~12腳，下圖中的數(shù)字與之一一對(duì)應(yīng)。

（一）、方案一

采用熱電偶溫差電路測(cè)溫，溫度檢測(cè)部分可以使用低溫?zé)崤迹瑹犭娕加蓛蓚�(gè)焊接在一起的異金屬導(dǎo)線(xiàn)所組成（熱電偶的構(gòu)成如圖 3.1），熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種金屬的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成。通過(guò)將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測(cè)量該電壓，便可推斷出檢測(cè)結(jié)點(diǎn)的溫度。數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有A/D 通道的單片機(jī)，在將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過(guò)來(lái)，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來(lái)。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，且體積小，但是它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來(lái)自導(dǎo)線(xiàn)環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點(diǎn)，并且這種設(shè)計(jì)需要用到A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。

系統(tǒng)主要包括對(duì)A/D0809 的數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)手動(dòng)工作方式檢測(cè)，溫度的顯示等，這幾項(xiàng)功能的信號(hào)通過(guò)輸入輸出電路經(jīng)單片機(jī)處理。此外還有復(fù)位電路，晶振電路，啟動(dòng)電路等。故現(xiàn)場(chǎng)輸入硬件有手動(dòng)復(fù)位鍵、A/D 轉(zhuǎn)換芯片，處理芯片為51 芯片，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有4 位數(shù)碼管、報(bào)警器等。系統(tǒng)框圖如圖 3.2所示：

圖 3.2熱電偶溫差電路測(cè)溫系統(tǒng)框圖

（二）、方案二

采用數(shù)字溫度芯片DS18B20 測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，此元件線(xiàn)形較好。在0—100 攝氏度時(shí)，最大線(xiàn)形偏差小于1 攝氏度。DS18B20 的最大特點(diǎn)之一采用了單總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì)DS18B20和微控制器AT89S51構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置,它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào),可直接與計(jì)算機(jī)連接。這樣,測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單,體積也不大。采用51 單片機(jī)控制，軟件編程的自由度大，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便。既可以單獨(dú)對(duì)多DS18B20

控制工作，還可以與PC 機(jī)通信上傳數(shù)據(jù)，另外AT89S51 在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。

該系統(tǒng)利用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報(bào)警溫度。該系統(tǒng)擴(kuò)展性非常強(qiáng)，它可以在設(shè)計(jì)中加入時(shí)鐘芯片DS1302以獲取時(shí)間數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理同時(shí)顯示時(shí)間，并可以利用AT24C16芯片作為存儲(chǔ)器件，以此來(lái)對(duì)某些時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用鍵盤(pán)來(lái)進(jìn)行調(diào)時(shí)和溫度查詢(xún)，獲得的數(shù)據(jù)可以通過(guò)MAX232芯片與計(jì)算機(jī)的RS232接口進(jìn)行串口通信，方便的采集和整理時(shí)間溫度數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)框圖如圖 3.3所示

從以上兩種方案，容易看出方案一的測(cè)溫裝置可測(cè)溫度范圍寬、體積小，但是線(xiàn)性誤差較大。方案二的測(cè)溫裝置電路簡(jiǎn)單、精確度較高、實(shí)現(xiàn)方便、軟件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，故本次設(shè)計(jì)采用了方案二。

溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖2.7所示，控制器使用單片機(jī)STC89C51,溫度傳感器使用DS18B20，用4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)溫度顯示電路。

圖2.6數(shù)字溫度計(jì)電路原理圖

系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計(jì)算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等

主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測(cè)量的當(dāng)前溫度值，溫度測(cè)量每1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測(cè)量一次被測(cè)溫度，其程序流程見(jiàn)圖3.1所示。

　   讀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(shí)需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫(xiě)。其程序流程圖如圖3.2示

溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令，當(dāng)采用12位分辨率時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為750ms，在本程序設(shè)計(jì)中采用1s顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如圖3.3所示

計(jì)算溫度子程序?qū)�RAM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，其程序流程圖如圖3.4所示。

顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對(duì)顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高

顯示位為0時(shí)將符號(hào)顯示位移入下一位。程序流程圖如圖3.5。

檢查印制板及焊接的質(zhì)量情況，在檢查無(wú)誤后可通電檢查L(zhǎng)ED顯示器。若亮度不理想，可以調(diào)整P0口的電阻大小，一般情況取200歐電阻即可

在KeilC51編譯下進(jìn)行，源程序編譯及仿真調(diào)試應(yīng)分段或以子程序?yàn)閱挝恢饌�(gè)進(jìn)行，最后結(jié)合硬件實(shí)時(shí)調(diào)試

通過(guò)以上檢查后，將電路通電查看是否按要正常工作，實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)成功下面分別為方真電路圖、實(shí)物圖。

本設(shè)計(jì)利用89C51 芯片控制溫度傳感器DS18B20，再輔之以部分外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)控，性能穩(wěn)定，精度教高，而且擴(kuò)展性能很強(qiáng)大。由于DS18B20 支持單總線(xiàn)協(xié)議，我們可以將多個(gè)DS18B20 可以并聯(lián)到3 根或2 根線(xiàn)上，CPU 只需一根端口線(xiàn)就能與諸多DS18B20 通信，占用較少的微處理器的端口就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)。由于DS18B20的測(cè)量精度只有±0.5 度，往往很多場(chǎng)合需要更加精確的溫度，在所測(cè)溫度精度不變的基礎(chǔ)上必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。由于DS18B20 是基于帶隙結(jié)構(gòu)的數(shù)字式溫度傳感器，PN 結(jié)增量電壓正比于IC 絕對(duì)溫度（PTAT），它的測(cè)溫精度較高,但存在著一定的誤差.不過(guò),其誤差在時(shí)間和外部環(huán)境變化的條件下,保持相當(dāng)高的穩(wěn)定性。針對(duì)這一特性,基于線(xiàn)性插補(bǔ)的數(shù)學(xué)思想,利用DSP技術(shù),對(duì)其進(jìn)行誤差校正補(bǔ)償.這種誤差校正的補(bǔ)償方法,不需增加硬件電路,計(jì)算方法簡(jiǎn)單,軟件費(fèi)用也很小,既提高了測(cè)量精度,又不需增加成本。它充分利用監(jiān)控計(jì)算機(jī)的處理能力，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上用線(xiàn)性插補(bǔ)的數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行誤差校正補(bǔ)償，能輕易地將其提高其精度。

   經(jīng)過(guò)將近三周的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，終于完成了我的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)，雖然沒(méi)有完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但從心底里說(shuō)，還是高興的，畢竟這次設(shè)計(jì)把實(shí)物都做了出來(lái)，高興之余不得不深思呀！

在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問(wèn)題，雖然以前還做過(guò)這樣的設(shè)計(jì)但這次設(shè)計(jì)真的讓我長(zhǎng)進(jìn)了很多，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)就在于軟件算法的設(shè)計(jì)，需要有很巧妙的程序算法，雖然以前寫(xiě)過(guò)幾次程序，但我覺(jué)的寫(xiě)好一個(gè)程序并不是一件簡(jiǎn)單的事，舉個(gè)例子，以前寫(xiě)的那幾次，數(shù)據(jù)加減時(shí)，我用的都是BCD碼，這一次，我全部用的都是16進(jìn)制的數(shù)直接加減，顯示處理時(shí)在用除法去刪分,感覺(jué)效果比較好，有好多的東西，只有我們?nèi)ピ囍�做了，才能真正的掌握，只學(xué)習(xí)理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。

從這次的課程設(shè)計(jì)中，我真真正正的意識(shí)到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實(shí)際，把我們所學(xué)的理論知識(shí)用到實(shí)際當(dāng)中，學(xué)習(xí)單機(jī)片機(jī)更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫(xiě)與讀的過(guò)程中才能提高，這就是我在這次課程設(shè)計(jì)中的最大收獲。

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