1、数字温度计的设计数字温度计的设计 14.1 14.1 项目概述项目概述 14.2 14.2 项目要求项目要求 14.3 14.3 系统设计系统设计 14.4 14.4 硬件设计硬件设计 14.5 14.5 软件设计软件设计 14.6 14.6 系统仿真及调试系统仿真及调试 教学课题教学课题: :数字温度计的设计数字温度计的设计 知识目标知识目标: : 1 1、掌握数字温度计的工作原理、掌握数字温度计的工作原理 2 2、掌握数字温度计硬件设计方法、掌握数字温度计硬件设计方法 教学重点：教学重点： 1 1、DS18B20DS18B20的使用的使用 2 2、数字温度计系统的硬件设计方法、数字温度计系
2、统的硬件设计方法 教学难点：教学难点： DS18B20的使用的使用 6-3能力目标：能力目标： 培养学生对于测温系统的开发与设计能力培养学生对于测温系统的开发与设计能力情感目标：情感目标： 培养单片机的开发与设计能力培养单片机的开发与设计能力教学方法：教学方法： 讲授法、演示法讲授法、演示法 ，举例法，任务驱动法，举例法，任务驱动法 采用采用AT89S52单片机做为控制核心，晶振采用单片机做为控制核心，晶振采用12MHZ。能够对环境温度进行实时的测量并通过数码。能够对环境温度进行实时的测量并通过数码显示设备显示出当前的温度。设计要求如下：显示设备显示出当前的温度。设计要求如下：（1）温度值用）
3、温度值用LED数码显示器显示。数码显示器显示。（2）测量温度的范围为）测量温度的范围为30摄氏度摄氏度100摄氏度，且摄氏度，且测量误差不得大于测量误差不得大于0.5摄氏度。摄氏度。（3）作品的体积、质量要尽可能的小。）作品的体积、质量要尽可能的小。 项目概述及功能要求项目概述及功能要求 14.3 14.3 系统设计方案论证系统设计方案论证1 1、常用的温器件、常用的温器件 (1)(1)热电偶：热电偶：热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路, ,当两端存在温度梯度时当两端存在温度梯度时, ,回路中就会有电流通过，此时两端
4、之间就回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在存在SeebeckSeebeck电动势电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。(2)(2)热电阻：热电阻： 利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的 Ri=R01+a(t-t0)(3)热敏电阻：热敏电阻：利用半导体的
5、热敏性进行温度的测量。利用半导体的热敏性进行温度的测量。(4)集成温度传感器集成温度传感器AD590 DS1820 DS18B202 2、方案论证、方案论证 方案一方案一 采用热电偶，热电阻，热敏电阻温度传感器采用热电偶，热电阻，热敏电阻温度传感器 硬件电路复杂硬件电路复杂 软件调试复杂软件调试复杂 制作成本高制作成本高 方案二方案二 采用数字集成温度传感器采用数字集成温度传感器DS18B20DS18B20 DS18B20 DS18B20 数字温度计是数字温度计是DALLAS DALLAS 公司生产的公司生产的1 1WireWire，即单总线器件，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此
6、用它来组成一个测温系统，具有线具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。方便。第 4 章 汇编语言程序设计简介 根据设计要求分析，基于根据设计要求分析，基于AT89S52单片机的数字温单片机的数字温度计由单片机控制器，电源，显示电路，复位电路和时度计由单片机控制器，电源，显示电路，复位电路和时钟电路组成，系统框图如图钟电路组成，系统框图如图1所示。电源给整个电路供所示。电源给整个电路供电，显示电路显示温度值，时钟电路为单片机提供时钟电，显示电路显示温度值，时钟电
7、路为单片机提供时钟频率。传感器采用数字式温度传感器频率。传感器采用数字式温度传感器DS18B20，其测温，其测温范围为范围为55125摄氏度，最高分辨率可达摄氏度，最高分辨率可达0.0625摄氏度，摄氏度，完全符合设计要求。完全符合设计要求。 3 3、系统框图、系统框图复位电路时钟电路显示电路传感器单 片机第 4 章 汇编语言程序设计简介 14.4 14.4 硬件电路的设计硬件电路的设计1、电路硬件资源分析主控制器：单片机、电路硬件资源分析主控制器：单片机AT89S522、数码显示器：采用、数码显示器：采用4位一体位一体LED数码显示器。数码显示器。3、LED驱动电路：驱动电路：LED专用驱动
8、器专用驱动器74LS074、传感器：数字温度式传感器、传感器：数字温度式传感器DS18B20。 14.4 14.4 硬件电路的设计硬件电路的设计 一、电路图一、电路图二、数字温度传感器二、数字温度传感器DS18B20DS18B20的工作原理的工作原理 1 1、DS18B20DS18B20的性能和特点的性能和特点 （1 1）、只要求一个端口即可实现通信。）、只要求一个端口即可实现通信。 （2 2）、多个）、多个DS18B20DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能 （3 3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。）、实际应用中不需要外
9、部任何元器件即可实现测温。 （4 4）、可通过数据线供电，电压范围为）、可通过数据线供电，电压范围为3.03.05.5V5.5V （5 5）、零待机损耗）、零待机损耗 （6 6）、测量温度范围在）、测量温度范围在5555。C C 到到125125。C C 之间。之间。 （7 7）、数字温度计的分辨率用户可以从）、数字温度计的分辨率用户可以从9 9 位到位到12 12 位选择。位选择。 （8 8）、内部有温度上、下限告警设置。）、内部有温度上、下限告警设置。 （9 9）、负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁。）、负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁。2 2、DS18B
10、20DS18B20的内部结构的内部结构 64位ROM和单线接口存储器与控制逻辑高速缓存温度传感器高温触发器TH高温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器电源检测GNDVDDVD1VD2(1) 64 b(1) 64 b闪速闪速ROMROM的结构如下的结构如下 开始开始8 8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有共有4848位，最后位，最后8 8位是前位是前5656位的位的CRCCRC校验码，这也是多个校验码，这也是多个DS18B20DS18B20可可以采用一线进行通信的原因。以采用一线进行通信的原因。(2) (2) 非易失性温度报警触发
11、器非易失性温度报警触发器THTH和和TLTL，可通过软件写入用户报警上下限。，可通过软件写入用户报警上下限。(3) (3) 高速暂存存储器高速暂存存储器 DS18B20 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAMRAM和一个非易和一个非易失性的可电擦除的失性的可电擦除的E2RAME2RAM。后者用于存储。后者用于存储THTH，TLTL值。数据先写入值。数据先写入RAMRAM，经，经校验后再传给校验后再传给E2RAME2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第。而配置寄存器为高速暂存器中的第5 5个字节，他的个字节，他的内容用于确定温度值的数字
12、转换分辨率，内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20DS18B20工作时按此寄存器中工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下：的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下： 高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8 8个字节组成，其个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第分配如下所示。其中温度信息（第1 1，2 2字节）、字节）、THTH和和TLTL值第值第3 3，4 4字字节、第节、第6 68 8字节未用，表现为全逻辑字节未用，表现为全逻辑1 1；第；第9 9字节读出的是前面所有字节读出的是
13、前面所有8 8个字节的个字节的CRCCRC码，可用来保证通信正确。码，可用来保证通信正确。 配置寄存器配置寄存器低低5 5位一直都是位一直都是1 1，TMTM是测试模式位，用于设置是测试模式位，用于设置DS18B20DS18B20在工作模在工作模式还是在测试模式。在式还是在测试模式。在DS18B20DS18B20出厂时该位被设置为出厂时该位被设置为0 0，用户不要，用户不要去改动，去改动，R1R1和和R0R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表（如表（DS18B20DS18B20出厂时被设置为出厂时被设置为1212位）。位）。温度数值格式温度
14、数值格式 当当DS18B20DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以的温度值就以1616位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第储器的第1 1，2 2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以位在前，高位在后，数据格式以0.062 5 /LSB0.062 5 /LSB形式表示。形式表示。 对应的温度计算：当符号位对应的温度计算：当符号位S=0S=0时，直接将二进制位转换为十时，直接将二
15、进制位转换为十进制；当进制；当S=1S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。 温度与表示值举例温度与表示值举例4 4、DS18B20DS18B20与单片机的接口电路与单片机的接口电路 1 1、采用电源供电方式、采用电源供电方式2 2、寄生电源供电方式、寄生电源供电方式 P1.0CUP P1.1+3 +5.5V4.7K+3 +5.5V4.4 4.4 系统程序设计系统程序设计一、一、DS18B20DS18B20程序设计程序设计开始开始初始化初始化DS18B20DS18B20写写0CCH0CCH命令命令跳过跳过ROMROM区区送转换温度命令送转换温度命令
16、44H44H，等，等750 ms750 ms写写0CCH0CCH命令跳过命令跳过ROMROM匹配匹配, ,读温度读温度命令（命令（0BEH0BEH）保存温度值保存温度值4.4 4.4 系统程序设计系统程序设计一、一、DS18B20DS18B20程序设计程序设计1 1 初始化初始化 基于单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始基于单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成，应化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成，应答脉冲使主机知道总线上有从机设备且准备就绪，复位和应答答脉冲使主机知道总线上有从机设备且准备就绪，复位和应答脉
17、冲的时间详见单总线信号部分脉冲的时间详见单总线信号部分2 2、 ROM ROM 命令命令 在主机检测到应答脉冲后就可以发出在主机检测到应答脉冲后就可以发出ROM ROM 命令，这些命令命令，这些命令与各个从机设备的唯一与各个从机设备的唯一64 64 位位ROM ROM 代码相关，允许主机在单总代码相关，允许主机在单总线上连接多个从机设备时指定操作某个从机设备，这些命令还线上连接多个从机设备时指定操作某个从机设备，这些命令还允许主机能够检测到总线上有多少个从机设备以及其设备类型允许主机能够检测到总线上有多少个从机设备以及其设备类型或者有没有设备处于报警状态从或者有没有设备处于报警状态从1 1）
18、在温度转换和复制暂存器数据至在温度转换和复制暂存器数据至EEPROM EEPROM 期间主机必须在期间主机必须在单总线上允许强上拉并且在此期间总线上不能进行其它数据传单总线上允许强上拉并且在此期间总线上不能进行其它数据传输输2 2）通过发出复位脉冲主机能够在任何时候中断数据传输）通过发出复位脉冲主机能够在任何时候中断数据传输3 3） 在复位脉冲发出前必须写入全部的三个字节在复位脉冲发出前必须写入全部的三个字节3 3、通信协议：、通信协议： 所有的单总线器件要求采用严格的通信协议以保证数据的完整性该所有的单总线器件要求采用严格的通信协议以保证数据的完整性该协议定义了几种信号类型复位脉冲应答脉冲写协议定义了几种信号类型复位脉冲应答脉冲写0 0 写写1 1 读读0 0 和读和读1 1 所有所有这些信号除了应答脉冲以外都由主机发出同步信号并且发送所有的命这些信号除了应答脉冲以外都由主机发出同步信号并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前这一点与多数串行通信格式不同多数为令和数据都是字节的低位在前这一点与多数串行通信格式不同多数为字节的高位在前字节的高位在前（1 1）写数据）写数据（1 1）读数据）读数据二、主程序二、主程序
