基于单片机的多点温度检测量系统 - 图文

河西学院物理与机电工程

学院

本科生毕业设计

中文题目： 基于单片机的多点温度检测系统 英文题目： Design of based on the microprocessor multipoint

temperature measurement

学 号： 1251001242 姓 名： 赵梓崎

年 级： 电子122 专 业： 电子信息科学与技术 系 别： 物理与机电工程 指导教师： 张学军

摘 要

通过运用DS18B20数字温度传感器的测温原理和特性，利用它独特的单线总线接口方式，与AT89C51单片机相结合实现多点测温。并给出了测温系统中对DS18B20操作的C51编程实例。实现了系统接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳定等特点。

本文介绍基于AT89C51单片机、C语言和DS18B20传感器的多点温度测量系统设计及其在Proteus平台下的仿真。利用51单片机的并行口，同步快速读取8支DS18B20温度，实现了在多点温度测量系统中对多个传感器的快速精确识别和处理，并给出了具体的编程实例和仿真结果。

关键词：单片机；DS18B20数字温度传感器；Proteus仿真；C51编程

Abstract

With using the measuring principle and characteristics of the numerical temperature sensor of DS18B20,making use of special characteristics of single line as the total line, and combine together with AT89C51 to realize several points temperature measuring. Also this paper gives the example of the C51 program which is used to operate to the DS18B20. Make system have characteristics of simple, high accuracy, strong anti- interference ability, stable work etc.

This design introduced AT89C51 monolithic integrated circuit temperature control system design from the hardware and the software two aspects. A multipoint temperature measurement system based on DS18B20 and AT89C51 microcontroller is designed and simulated by Proteus in this paper, including software and hardware design of this system. The system has such advantages as novel circuit design, quick measurement speed, high measurement accuracy, and good practicality.

Key words: SCM；DS18B20；Proteus simulation；C51 program

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目 录

摘 要 ................................................................................................. I Abstract ................................................................................................ I 第一章 绪论 .................................................................................... 1

1.1温度智能测控系统的研究背景与现状分析 ................................ 1 1.2温度智能测控系统的工作原理 .................................................... 2

第二章 单片机简介 ........................................................................ 3

2.1单片机的定义 ................................................................................ 3 2.2单片机的基本结构 ........................................................................ 4 2.3单片机执行指令的过程 ................................................................ 5 2.4单片机的特点 ................................................................................ 6

第三章 数字温度传感器DS18B20原理 ...................................... 7

3.1概述 ................................................................................................. 7 3.2主要特征 ........................................................................................ 7 3.3引脚功能 ........................................................................................ 8 3.4工作原理及应用 ............................................................................ 8 3.5单片机对DS18B20的操作流程 .................................................. 8 3.6 DS18B20与单片机的接口............................................................ 9 3.7 DS18B20芯片ROM指令表 ........................................................ 9 3.8 DS18B20芯片存储器操作指令表 ............................................. 10 3.9 DS18B20复位及应答关系及读写隙 ......................................... 11

第四章 系统硬件设计 .................................................................. 11

II

4.1系统结构设计思路 ...................................................................... 11 4.2系统框图 ...................................................................................... 13 4.3系统硬件设计 .............................................................................. 13

第五章 系统软件设计 .................................................................. 16

5.1 系统软件设计思路 ..................................................................... 16 5.2系统软件设计 .............................................................................. 21

第六章 系统运行结果 .................................................................... 27 第七章 结束语 .............................................................................. 31 参考文献 .......................................................................................... 32 致 谢 .............................................................................................. 33

III

第一章 绪论

1.1温度智能测控系统的研究背景与现状分析

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一，同时它也是一种最基本的环境参数。人民的生活与环境温度息息相关，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，在电力、化工、石油、冶金、机械制造、大型仓储室、实验室、农场塑料大棚甚至人们的居室里经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对环境温度进行控制。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行。炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分流才能得到汽油、柴油、煤油等产品；没有合适的温度环境，许多电子设备不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。可见，研究温度的测量具有重要的理论意义和推广价值。

随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日益突出，成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。本设计就是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方面的需求。

本设计要求系统测量的温度的点数为2个，测量精度为0.5℃，测温范围为-20℃～+80℃。采用液晶显示温度值和路数，显示格式为:温度的符号位,整数部分,小数部分,最后一位显示℃。显示数据每一秒刷新一次。

21世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于生产的各个领域。对于本次设计，其目的在于：

1. 掌握数字温度传感器DS18B20的原理、性能、使用特点和方法，利用C51对系统进行编程。

2. 本课题综合了现代测控、电子信息、计算机技术专业领域方方面面的知识，具有综合性、科学性、代表性，可全面检验和促进学生的理论素养和工作能力。

3. 本课题的研究可以使学生更好地掌握基于单片机应用系统的分析与设计方法，培养创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，提高电子产品研发素质、增强针对实际应用进行控制系统设计制作的能力。

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至单片机AT89C51的8个通用I/O端口。单片机获得温度信息后，通过特定的算法，将处理后的温度信息通过LED显示出来，同时通过串行口送上位机处理。每个端口只连接一个温度传感器件，也即一条一线制总线上仅有一个DS18B20。并在Keil环境下编辑应用软件程序，通过Proteus和Keil的联合实现该多点温度测量系统的设计、调试和仿真。

1.2温度智能测控系统的工作原理

课题采用由Dallas公司生产的智能数字温度传感器DS18B20和Atmel公司推出的单片机AT89C51以及相关外围电路实现高精度、多点温度测量系统。同时本设计在单片机系统设计主流EDA软件Proteus环境下完成，能够及时观察效果和修改软硬件。

本系统采用8片DS18B20构成小型温度传感器网络，通过并行连接方式连接至单片机AT89C51的8个通用I/O端口。单片机获得温度信息后，通过特定的算法，将处理后的温度信息通过LED显示出来，同时通过串行口送上位机处理。每个端口只连接一个温度传感器件，也即一条一线制总线上仅有一个DS18B20。并在Keil环境下编辑应用软件程序，通过Proteus和Keil的联合实现该多点温度测量系统的设计、调试和仿真。

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第二章 单片机简介

单片微型计算机自20世纪70年代问世以来，以对人类社会产生了巨大的影响。尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在世界范围内已经得到广泛的普及和应用。而且随着以MCS-51单片机基本内核为核心的各种扩展型、增强型的新型单片机不断推出，MCS-51系列仍是我国单片机应用领域的主流机型。目前在工业控制、智能仪器仪表、办公室自动化、家用电器等诸多领域，到处都可看见单片机的踪影，单片机技术开发和应用高水平已成为一个国家工业化水平的标志之一。

2.1单片机的定义

单片机[1]是在一块半导体上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM、ROM、EPROM）和各种输入、输出接口（定时计数器，并行IO口，串行口，A/D转换器以及脉宽调制器PWM等），这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因此被称为单片微型计算机，简称单片机。单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，单片机以小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、应用温度范围宽等优点。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能 CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元。功能强大AT89C51单片机可提供高性价比的应用场合，可灵活运用与各种控制领域。

AT89C51方框图2-1:

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图2-1 AT89C51方框图

2.2单片机的基本结构

1. 微处理器（CPU）

MCS-51单片机中有1个8位的CPU，包括运算器和控制器两大部分，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。例如：位处理、查表、状态检测、中断处理等。

2. 内部数据存储器（RAM）

单片机芯片共有256个RAM单元，其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。地址范围为00H~FFH（256B）。片外最多可外扩64KB。RAM是一个多用多功能数据存储器，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址等空间。

3. 内部程序存储器（ROM）

单片机内部有4KB的ROM，用于存放程序、原始数据或表格。因此称之为程序存储器，简称内部RAM。地址范围为0000H~FFFFH（64KB）。片外最多可外扩64KB。

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4. 定时器/计数器

单片机共有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。定时时靠内部分频时钟频率计数实现，做计数器时，对P3.4（T0）或P3.5（T1）端口的低电平脉冲计数。

5. 并行I/O口

MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）以实现数据的输入输出。

6. 串行口

MCS-51单片机有一个全双工的串行口，具有4种工作方式，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为移位器使用。RXD（ P3.0）脚为接收端口，TXD（P3.1）脚为发送端口。

7. 中断控制系统

MCS-51单片机的中断功能较强，以满足不同控制应用的需要。共有5个中断源，即外中断2个，定时中断2个，串行中断1个，全部中断分为高级和低级共二个优先级别。

8. 时钟电路

MCS-51单片机芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率为12MHZ等。

9. 特殊功能寄存器（SFR）

特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

2.3单片机执行指令的过程

单片机执行程序的过程，实际上就是执行所编制程序的过程。即逐条指令的过程。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令-----分析指令-----执行指令。

取指令的任务是：根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。

分析指令阶段的任务是：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。

计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令可循环等待指令。

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2.4单片机的特点

单片机应用在检测控制领域中，具有如下特点： 1.小巧灵活、成本低、易于产品化。 2.可靠性好，适应温度范围宽。

3.易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。 4.可以很方便的实现多机和分布式控制系统。 5.具有优异的性能价格比。

6.存储器ROM和RAM是严格分工的。 7.采用面向控制的指令系统。

8.输入/输出（I/O）端口引脚通常设计有多种功能。 9.品种规格的系列化。 10.功率消耗低。

所以从工业自动化、智能仪器仪表、消费类电子产品、通信方面、家用电器方面等，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。

综观单片机几十年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内存储器容量增加和Flash存储器化方向发展。可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成的和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便。此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。

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第三章 数字温度传感器DS18B20原理

3.1概述

温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器[2]当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。对于我们普通的电子爱好者来说，DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。了解其工作原理和应用可以拓宽您对单片机开发的思路。DS18B20器件具体的封装形式如图3-1所示：

图3-1 DS18B20器件具体的封装形式图

3.2主要特征

DS18B20的主要特征： ? * 全数字温度转换及输出。 ? * 先进的单总线数据通信。

? * 最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。 ? * 12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。 ? * 可选择寄生工作方式。

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? * 检测温度范围为–55°C ~+125°C (–67°F ~+257°F) ? * 内置EEPROM，限温报警功能。

? * 64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。

* 多样封装形式，适应不同硬件系统

3.3引脚功能

?GND 电压地 ?DQ 单数据总线 ?VDD 电源电压 ?NC 空引脚

?DQ一线制总线（输入/输出）

3.4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位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。

我们在每一次读温度之前都必须进行复杂的且精准时序的处理，因为DS18B20的硬件简单结果就会导致软件的巨大开消，也是尽力减少有形资产转化为无形资产的投入，是一种较好的节约之道。

3.5单片机对DS18B20的操作流程[3]

1.复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。当18B20接到此复位信号后则会在15~60uS后回发一个芯片的存在脉冲。

2.存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于

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在15~60uS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240uS的低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。

3.控制器发送ROM指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。

4.控制器发送存储器操作指令：在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。

5.执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待18B20执行其指令，一般转换时间为500uS。如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。

单支DS18B20若要读出当前的温度数据我们需要执行两次工作周期，第一个周期为：复位、跳过ROM指令[CCH]、执行温度转换存储器操作指令[44H]、等待500uS温度转换时间。紧接着执行第二个周期为：复位、跳过ROM指令[CCH]、执行读RAM的存储器操作指令[BEH]、读数据（最多为9个字节，中途可停止，只读简单温度值则读前2个字节即可）。

3.6 DS18B20与单片机的接口

DS18B20只需要接到控制器（单片机）的一个I/O口上，由于单总线为开漏所以需要外接一个4.7K的上拉电阻。如要采用寄生工作方式，只要将VDD电源引脚与单总线并联即可。但在程序设计中，寄生工作方式将会对总线的状态有一些特殊的要求。

3.7 DS18B20芯片ROM指令表[4]

Read ROM（读ROM）[33H] （方括号中的为16进制的命令字） 这个命令允许总线控制器读到DS18B20的64位ROM。只有当总线上只存

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在一个DS18B20的时候才可以使用此指令，如果挂接不止一个，当通信时将会发生数据冲突。

Match ROM（指定匹配芯片）[55H]

这个指令后面紧跟着由控制器发出了64位序列号，当总线上有多只DS18B20时，只有与控制发出的序列号相同的芯片才可以做出反应，其它芯片将等待下一次复位。这条指令适应单芯片和多芯片挂接。

Skip ROM（跳跃ROM指令）[CCH]

这条指令使芯片不对ROM编码做出反应，在单芯片的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。

Search ROM（搜索芯片）[F0H]

在芯片初始化后，搜索指令允许总线上挂接多芯片时用排除法识别所有器件的64位ROM。

Alarm Search（报警芯片搜索）[ECH]

在多芯片挂接的情况下，报警芯片搜索指令只对符合温度高于TH或小于TL报警条件的芯片做出反应。只要芯片不掉电，报警状态将被保持，直到再一次测得温度什达不到报警条件为止。

3.8 DS18B20芯片存储器操作指令表[5]

Write Scratchpad （向RAM中写数据）[4EH]

这是向RAM中写入数据的指令，随后写入的两个字节的数据将会被存到地址2（报警RAM之TH）和地址3（报警RAM之TL）。写入过程中可以用复位信号中止写入。

Read Scratchpad （从RAM中读数据）[BEH]

此指令将从RAM中读数据，读地址从地址0开始，一直可以读到地址9，完成整个RAM数据的读出。芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。

Copy Scratchpad （将RAM数据复制到EEPROM中）[48H]

此指令将RAM中的数据存入EEPROM中，以使数据掉电不丢失。此后由于芯片忙于EEPROM储存处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持10MS，来维持芯片工作。

Convert T（温度转换）[44H]

收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入RAM的第1、2地址。此后由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。在寄生工作方式时必须在发出此

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指令后立刻超用强上拉并至少保持500MS，来维持芯片工作。 Recall EEPROM（将EEPROM中的报警值复制到RAM）[B8H]

此指令将EEPROM中的报警值复制到RAM中的第3、4个字节里。由于芯片忙于复制处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。另外，此指令将在芯片上电复位时将被自动执行。这样RAM中的两个报警字节位将始终为EEPROM中数据的镜像。 Read Power Supply（工作方式切换）[B4H]

此指令发出后发出读时间隙，芯片会返回它的电源状态字，“0”为寄生电源状态，“1”为外部电源状态。

3.9 DS18B20复位及应答关系及读写隙

每一次通信之前必须进行复位，复位的时间、等待时间、回应时间应严格按时序编程。

DS18B20的数据读写是通过时间隙处理位和命令字来确认信息交换的。 写时间隙：

写时间隙分为写“0”和写“1”，时序如图7。在写数据时间隙的前15uS总线需要是被控制器拉置低电平，而后则将是芯片对总线数据的采样时间，采样时间在15~60uS，采样时间内如果控制器将总线拉高则表示写“1”，如果控制器将总线拉低则表示写“0”。每一位的发送都应该有一个至少15uS的低电平起始位，随后的数据“0”或“1”应该在45uS内完成。整个位的发送时间应该保持在60~120uS，否则不能保证通信的正常。

读时间隙：

读时间隙时控制时的采样时间应该更加的精确才行，读时间隙时也是必须先由主机产生至少1uS的低电平，表示读时间的起始。随后在总线被释放后的15uS中DS18B20会发送内部数据位，这时控制如果发现总线为高电平表示读出“1”，如果总线为低电平则表示读出数据“0”。每一位的读取之前都由控制器加一个起始信号。注意：必须在读间隙开始的15uS内读取数据位才可以保证通信的正确。 在通信时是以8位“0”或“1”为一个字节，字节的读或写是从高位开始的，即A7到A0.字节的读写顺序也是如图2自上而下的。

第四章 系统硬件设计

4.1系统结构设计思路

当一线制总线[6]上仅有一个DS18B20器件时，可以用skip ROM操作（即跳过ROM匹配）命令来代替64位序列号的匹配过程，这点也是使用单个DS18B20

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器件的系统常用的方法。所以，要想节省掉64位序列号匹配的时间开销，就必需设计成一个一线制总线上仅有一个DS18B20器件的系统。

DS18B20的一线制总线在时序上的严格要求，也从另一方面意味着在一定的弹性范围内，不同DS18B20器件的时序细节上的一致性应该是非常好，所以可以将系统设计成利用MCU的并行端口同时对多个DS18B20进行统一的操作，不过这时候并行端口上的每一个端口连接着一个DS18B20器件而已。 本文所述的解决方案正是以端口的消耗为代价，换取对多点DS18B20温度查询的速度，并在程序结构的设计上采用一些巧妙的处理方法，使得系统对DS18B20的操作上花更少的时间。此外，采用本设计实现的快速多点温度查询系统，可以省掉烦琐的总线上器件序列号的查询操作，并可节省大量的存储空间（原用于存储总线上器件的序列号所用的空间）。

从理论上分析，本设计方案的采用，查询多个DS18B20器件操作所消耗的时间与查询一个DS18B20器件操作所消耗的时间是等量的。

本系统方案8个DS18B20器件连接在MCU的一组端口的8个I/O口上，连线示意图4-1所示：

图4-1 系统连线示意图

当然，上图中的示意图并没有考虑诸如端口驱动能力、抗干扰处理等，仅表明一个逻辑的连接示意，具体在产品级的设计时会根据产品的应用做必要的处理，比如增加一些必要的电路等，此处不作为讨论的重点。

从上图可见，每个端口连接有一个DS18B20器件，也即一条一线制总线上仅有一个DS18B20器件，符合了前面所述的解决方法。实际在对DS18B20器件进行操作时，只需统一地对这一组并行端口进行操作（每个端口在同一时间输出相同的电平状态）即可。

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一个端口对应一个DS18B20器件，也就表示每组端口的某一个位的读回数据状态也就是该端口所对应的器件的输出状态，所以，这样的系统里面是不需要进行每个器件的序列号搜索、匹配的操作的。可知，在对DS18B20器件进行操作时，可以使用skip ROM命令来跳过ROM序列号匹配的操作，也即在所有的DS18B20器件的ROM操作时可以使用相同的端口输出时序。

4.2系统框图

数码管显示 AT89C51 DS18B20

图4-2 系统框图

系统框图[15]简介：

系统的核心是AT89C51单片机，系统通过控制选择某一个DS18B20，并把 其检测到的温度数据送到单片机进行处理，在把处理后的温度送到数码管显示， 并显示是那个点的温度，系统也可以多点温度循环扫描显示。

4.3系统硬件设计

模块介绍

图4-3 为单片机AT89C51仿真模块图

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4-3 AT89C51仿真模块图 图4-4 为四位数码管的仿真模块图

4-4 数码管仿真模块图

图4-5 为数字温度传感器DS18B20的仿真模块图

4-5 DS18B20仿真模块图

在 Keil[12],Proteus[13]环境下设计多点测温系统硬软件,进行验证,硬件电路图4-6如下

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图4-6 系统硬件电路图

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第五章 系统软件设计

5.1 系统软件设计思路

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在接下来的软件介绍中，会以C语言的例子介绍具体的编程思路，但这些代码并非就是实际中所使用的代码，仅作为逻辑性的参考，以便大家理解。 软件设计从最底层的与DS18B20时序相关的驱动，到与一线制总线器件处理过程控制/协议的接口函数，再上升到应用API接口函数的关系如下图5-1所示：

图5-1 接口函数关系图

在对连在一组8位端口上的8个DS18B20操作时，是同时对该组端口进行操作，也即同时对8个DS18B20器件进行同步的操作。

下面详细介绍一下以MCS51系列单片机的应用为例的范例程序，其中约定与8个DS18B20器件进行连接的是P1端口。

底层时序驱动[8]程序与DS18B20的一线制总线的协议保持一致，根据一线制总线时序的特点，设计了四个基本的函数： 总线写1时序控制函数： void DS18B20_Write_1(void) {

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P1 = 0x00; //8个DQ 线全部设置为低电平 Delay_1us(10); //延时10us左右 P1 = 0xff; //8个DQ线全部输出高电平 Delay_1us(30); //延时30us左右 }

总线写0时序控制函数： void DS18B20_Write_0(void) {

P1 = 0x00; //8个DQ 线全部设置为低电平 Delay_1us(40); //延时 P1 = 0xff; //端口恢复高电平 Delay_1us(1); }

总线读取一个数据位时序控制函数: unsigned char DS18B20_ReadDQ(void) {

unsigned char DQ_S=0;

P1 = 0x00; //8个DQ 线全部设置为低电平 Delay_1us(10);

P1 = 0xff; //端口置1，准备读取 Delay_1us(1); //延时待总线准备好数据

DQ_S = P1; //一次性读取8条DQ线的数据状态 P1 = 0xff; //恢复端口电平 Delay_1us(30); //延时 return DQ_S; //返回读取的值 }

在读取一个总线状态数据位的函数中，将会返回一个byte的数据，该数据的8个位正好与连接在P2端口上的8个I/O口对应，如下图5-2所示：

图5-2

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总线复位时序控制函数： void DS18B20_Reset(void) {

unsigned char Error_Counter=0;

P1 = 0x00; //8个DQ 线全部设置为低电平 Delay_1us(500); //保持总线低电平500us P1 = 0xff; Delay_1us(100);

if(P1!=0x00) B20_Error = P1;//如检测到DS18B20总线响应了回复信号，则读取当前8条 //总线的状态 Delay_1us(50); P1 = 0xff;

for(Error_Counter=0;Error_Counter<200;Error_Counter++) {

if((P1&(~B20_Error))==(~B20_Error)) break; //如检测到总线的回复信号结束，则退出循环 Delay_1us(1); }

P1 = 0xff; //恢复端口电平 Delay_1us(200); //延时 200us }

在复位时序控制的函数中，使用了B20_Error全局变量，它将会传递给上一层的数据处理函数作为判断当前8个I/O口所接的DS18B20是否正常工作，或者是否在各自的总线上。

分析DS18B20的一线制总线控制命令，可以提炼出两个最基本的操作函数，一个是写一个byte数据至DS18B20器件，另一为读取DS18B20器件的数据。而在本文的范例程序当中，仅仅为了提取DS18B20器件的转换完后的温度值，所以在读取DS18B20的数据时，仅读取存放在数据地址前两个字节的温度数据，而不读取其它字节的数据，包括CRC校验值也没有进行读取。 写字节操作函数[9]：

void DS18B20_WriteByte(unsigned char Com) {

unsigned char i; for(i=0;i<8;i++)

18

{

if(Com&0x01) DS18B20_Write_1(); else

DS18B20_Write_0(); Com = Com>>1; } }

调用DS18B20_WriteByte函数，连在8个I/O口上的一线制总线上的8个DS18B20器件，将都会接收到同样的一个字节的数据：Com。 读数据操作函数：

unsigned char Read_buf_8ch[16]; //buffer of Read DS18B20 void DS18B20_Read2Byte(void) {

unsigned int i; for(i=0;i<16;i++) {

Read_buf_8ch[i] = DS18B20_ReadDQ(); } }

在本范例[10]中，只读取位到DS18B20内部数据区域的前两节字的温度值数据，所以数据读取函数设计成读取两个字节的函数，即需要连续读取16个位（对应于每一个DS18B20器件来说是连续的16个位）。而将读回的数据保存于一个Read_buf_8ch（简写：Rb）的数组中，可以根据系统的接线图对读回的16个字节的数据进行分析，如下图5-4所示：

19

图5-4

读取DS18B20的数据时，先读高位再读低位；所以可以从上图看到，以TM2的DS18B20的数据为例，TM2的两个字节的数据由Read_buf_8ch数组的16个字节数据中的每个字节的bit2位组成。可知，完成一次数据读取的操作后，可以同时读回8个DS18B20器件的数据，在数据处理时，只需针对上图的数据结构对Read_buf_8ch数组的数据进行处理即可得到每个DS18B20器件的测温值。 启动温度转换控制函数[11]： void DS18B20_Conver(void) {

DS18B20_Reset();

DS18B20_WriteByte(0xcc); //Skip ROM DS18B20_WriteByte(0x44); //启动测温 }

读取温度值函数[14]：

void DS18B20_ReadTemp(void) {

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DS18B20_Reset();

DS18B20_WriteByte(0xcc); //Skip ROM DS18B20_WriteByte(0xbe); //送入读取数据命令 DS18B20_Read2Byte(); }

调用读取温度值函数后，8个DS18B20器件的测温数据将保存在数组

Read_buf_8ch的16个字节单元当中，还有待进行下一步的处理，方可得到对应每个DS18B20器件的测温值。下面介绍简单的处理代码片断： char i,j;

unsigned int uiData[8]; unsigned char Mask;

//OS the resoult of Temperature for(i=15;i>=0;i--) {

Mask = 0x01; for(j=0;j<8;j++) {

uiData[j] = uiData[j]<<1;

if(Read_buf_8ch[i]&Mask) uiData[j]++; Mask = Mask<<1; } }

经过上述简单的处理，8个DS18B20器件的测温数据将保存在数组uiData当中的8个单元里，就可以根据自身程序设计的需求来对这些数据进行具体的处理了。

5.2系统软件设计

//------------------------------------------------------------------------------------- //函数声明，变量定义

//DS18B20程序 条件：11.0592晶振 DQ上拉4.7K电阻 //------------------------------------------------------------------------------------- #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

#define NOP_1uS _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_()

21

#define DQ P3 //P3口用8个DS18B20 /*

//-------------------------------------------------------------------------------------------------------

//函数名称：Delay10us //入口参数：n

//函数功能：延时子程序

//-------------------------------------------------------------------------------------------------------

void Delay10us(uchar n) {

while(n--) {

NOP_1uS;NOP_1uS;NOP_1uS; NOP_1uS;NOP_1uS;NOP_1uS; NOP_1uS; } } */

//------------------------------------------------------------------------------------- //函数名称：Delay1ms //入口参数：count //函数功能：延时子程序

//------------------------------------------------------------------------------------- void Delay1ms(uint count) { uint i; while(count--) {

for(i=0;i<125;i++){} } }

//------------------------------------------------------------------------------------- //函数名称：Init_18B20

22

//入口参数：无 //函数功能：初始化

//------------------------------------------------------------------------------------- void Init_18B20(void) { uint i; DQ=0x00;

i=103;while(i>0) i--; //大约900us DQ=0xff; i=4;while(i>0) i--; //while(DQ); while(~DQ); i=4;while(i>0) i--; }

//------------------------------------------------------------------------------------- //函数名称：Write_Byte //入口参数：dat //函数功能：写命令

//------------------------------------------------------------------------------------- void Write_Byte(uchar dat) { uint i; uchar j; bit testb;

for(j=1;j<=8;j++) {

testb=dat&0x01; dat=dat>>1;

if(testb) {

DQ=0x00; //写1 i++;i++; DQ=0xff;

23

i=8;while(i>0) i--; } else {

DQ=0x00; //写0 i=8;while(i>0) i--; DQ=0xff; i++;i++; } } }

//------------------------------------------------------------------------------------- //函数名称：Start_convert //入口参数：无 //函数功能：开始转换

//------------------------------------------------------------------------------------- void Start_convert(void) {

Init_18B20(); Delay1ms(1); Write_Byte(0xcc); Write_Byte(0x44); }

//------------------------------------------------------------------------------------- //函数名称：Start_Read_Byte //入口参数：无 //函数功能：开始读取

//------------------------------------------------------------------------------------- void Start_Read_Byte(void) {

Init_18B20(); Delay1ms(1); Write_Byte(0xcc); Write_Byte(0xbe);

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} }

//------------------------------------------------------------------------------------- //函数名称：display //入口参数：dir_temp //返回值： 无

//函数功能：送数码管显示子程序

//------------------------------------------------------------------------------------- void display(uchar dir_temp) { uchar

led_tab[14]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; uchar a,b; uint j; a=dir_temp/10; b=dir_temp; P1=0x01; P2=led_tab[a]; for(j=5000;j>0;j--); P1=0x02; P2=led_tab[b]; for(j=5000;j>0;j--); }

//------------------------------------------------------------------------------------- //函数名称：main //函数功能主程序

//------------------------------------------------------------------------------------- void main() {

uchar buf1[8],buf2[8],dat1[8],dat2[8],last[8]; uint i;

uchar a,b,m,n,y1,y2; while(1)

{ Delay1ms(1); Start_convert();

25

code

Start_Read_Byte(); for(m=0;m<=7;m++) {

DQ=0x00;i++; DQ=0xff;i++;i++; buf1[m]=DQ; i=8;while(i>0) i--;

}

for(m=0;m<=7;m++) {

uint i; DQ=0x00;i++; DQ=0xff;i++;i++; buf2[m]=DQ; i=8;while(i>0) i--;

}

FormatTemp(buf1,dat1); FormatTemp(buf2,dat2); for(m=0;m<=7;m++)

{

a=dat1[m]; b=dat2[m]; y1=a>>4; y2=b<<4; last[m]=y1|y2; }

for(n=0;n<=7;n++) { for(m=0;m<=7;m++)

{

display(last[n]); } } } }

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第六章 系统运行结果

仿真效果图

编号为0～7的数字温度传感器DS18B20所采集的温度将轮流显示在四位数码管上

编号为0的数字温度传感器所测温度如下图

图6-4 0号DS18B20所采集到的温度

编号为1的数字温度传感器所测温度如下图

图6-2 1号DS18B20所采集到的温度

27

编号为2的数字温度传感器所测温度如下图

图6-3 2号DS18B20所采集到的温度

编号为3的数字温度传感器所测温度如下图

图6-4 3号DS18B20所采集到的温度

编号为4的数字温度传感器所测温度如下图

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图6-5 4号DS18B20所采集到的温度

编号为5的数字温度传感器所测温度如下图

图6-6 5号DS18B20所采集到的温度

编号为6的数字温度传感器所测温度如下图

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图6-7 6号DS18B20所采集到的温度

编号为7的数字温度传感器所测温度如下图

图6-8 7号DS18B20所采集到的温度

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第七章 结束语

经过几个月的不断学习和努力，在沈老师和潘老师的谆谆教导下,在其他老师及同学们的热心帮助与指导下，基于DS18B20的多点温度测量系统的毕业设计即将结束，基本完成了老师所规定的各项工作任务。

本次设计的基于DS18B20的多点温度测量系统是一种分布式的温度测量系统，它可以远程对温度实现测量和监控。系统采用单总线技术，按照DS18B20的通信协议，由主机向DS18B20发送命令，读取DS18B20转换的温度，从而实现对多个环境的温度的测量。

本文介绍了用单片机AT89C51控制DS18B20，着重分析各单元电路的设计，以及各电路与单片机的接口技术。最后还给出系统的软件的设计过程，使用了C语言进行程序设计。本文是采用模块化的方式进行叙述，对各模块的设计进行了比较详细地阐述。

经过这一次毕业设计，我学了不少的知识，学会了怎样查阅资料和利用工具书，以及熟练地使用PROTEUS仿真软件和KEIL开发工具。通过这次毕业设计，我更加深刻地认识到只有将书本与具体的实践相结合，才会有真正的收获，才能巩固自已的所学，认识到自己的不足。

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参考文献：

[1] 阎石.数字电子技术基础.北京:清华大学出版社,2005

[2] 张毅刚.单片微机原理及应用.西安:西安电子科技大学出版社,1994 [3] 涂时亮.单片机软件设计技术.重庆:科学文献出版社重庆分社,1987 [4] 何立民. MCS-51单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,1990 [5] 王毅.单片机器件应用手册.北京:人民邮电出版社,1995 [6] 李广弟.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社,2001 [7] 何立民.单片机应用技术选编.北京:北京航空航天大学出版社,1993 [8] 房小翠.单片机使用系统设计技术.北京:国防工业出版社,1999

[9] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计(第3版).北京:北京航空航天大学出版社,2003 [10] 胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京:清华大学出版社,1996

[11] 陈粤初.单片机应用系统设计与实践.北京:北京航空航天大学出版社,1991 [12] 徐君毅.单片微型计算机原理及应用.上海:上海科学技术出版社,1998 [13] Intel.Microcontroller Handbook,1988 [14] Intel.Software Handbook,1984

[15] Analog Device Corp.Data-Acquisition Databook,1991

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致 谢

毕业论文终于完成了,在此之际，我思绪万千，心情久久不能平静。回顾四年学习期间的一千余个日日夜夜，自己为课题的研究，静心钻研，潜心研究，并取得初步研究成果而感到欣慰。欣慰之余,心里感动一丝沉重:我即将离开我的老师和同学们。

非常感谢学校的领导，感谢沈保锁老师和潘勇老师。他们为我做毕业设计提供了条件，并且在百忙之中抽出时间对我的毕业设计给予了详细的指导和细心的修改。在两位老师的帮助下，我的课题的设计任务得以顺利完成。两位老师严谨的治学态度和踏实的工作作风给我留下了深刻的印象，是我学习的榜样。在此，向这两位老师致以最诚挚的谢意。同时还要感谢教育和指导过我的所有老师，你们给予我的不仅仅是知识，还有你们对知识孜孜不倦的追求精神和对生活的积极向上态度，使我终身受益。我将在以后的工作中继续努力，不断学习，努力提高自己。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。我愿在未来的学习和研究过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学、同事和朋友，一并表示感谢！

最后，再次向他们表示我最诚挚的谢意，我将以最大的热情投入到工作中，以报答所以帮助我过的老师和同学。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zd97.html