基于DS18B20的温度测量模块设计

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1、第一章第一章 单片机的发展与应用概述单片机的发展与应用概述 1.1.1单片机简介单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术将具有数据处理能力（如算 术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的中央处理器（CPU） ，随机存取存储器 （RAM） 、只读存储器（ROM） 、输入/输出（I/O）电路，可能还包括定时/计数器、串行通 信口（SCI） 、显示驱动电路（LCD 工 LED 驱动电路）/脉宽调制（PWM）电路、模数转换器 等电路集成到一片芯片上，构成一个既小而又完善的计算机系统，结构框图如图 1-1 所示。 这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 图 1

2、-1 单片机结构框图由以上分析可以看出，单片机除了具备微处理品的功能外，还可以单独地完成现代工 业控制所要求的智能化控制功能，这也是单片机最大的特点。单片机与单板机或个人计算机具有本质的区别。单片机的应用属于芯片级应用，需要 用户了解单片机制芯片一结构和指令系统以及其他集成电路应用技术和系统设计所需要的 理论与技术，并对芯片定稿特定的应用程序，才能使其具备特定的功能。不同的单片机具有不同的硬件特征和软件特征。硬件特征取决于单片机芯片的内部结 构用户要使用某种单片机，必须了解该型号产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的 特性指标。这里的技术包括功能功能特性/控制特性和电气特性等，需要从生产厂商

3、的技术 手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即单片机的寻址方式、 数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性以及对电源的要求等。开发支持的环境包括指令 的兼容以及可移植性，支持软件以及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统， 掌握其结构特征和技术特征是必须的。 1.1.2单片机的特点 单片机的一块半导体芯片集成了一台微型计算机的基本部件，在硬件结构、指令功能 方面均有独特之处，主要特点如下。 （1）单片机内集成了存储器。由于电路集成度的限制，单片机片内存储器容量有限，必要 时可以在片外扩展存储器。 （2）单片机存储结构将 ROM 和 RAM 严格分工。ROM 为程序存

4、储器，只存放程序、常数 及数据表格；RAM 则为数据存储器。两个存储空间采用不同的寻址方式，使用不同的指针， PC 指向程序存储器，DPTR 指向数据存储器。 （3）为了满足工业控制的需要，单片机有很强的位处理功能，在其他逻辑控制功能方面也 都优于一般的 8 位微处理器。 （4）8 位处理器的引脚功能一般都是固定的。由于单片机带有一定数量的接口电路，所需 的引脚较多，但芯片的引脚数受到制造工艺的限制，如 8 位单片机芯片引脚数一般为 40.为 了解决实际相脚 数和需要数的矛盾，单片机的多数引脚具有复用功能。 （5）单片机类型多，并且便于扩展功能。 （6）单片机把微型计算机的各个部分集成在一块芯

5、片上，极大地缩短了系统内信号的传送 距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度。由于单片机具有体积小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、价格低廉等特点， 因此在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、家用电器等领域得到了日 益广泛的应用。 1.13 单片机的应用领域单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管 理及过程控制领域，大致可分为以下几个方面。 1.在智能仪器仪表中的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广 泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可以实现如电压、功率、频率、温度、温 度、流量、速度、厚度、角

6、度、长度、硬度和压力等物理量的测量。采用单片机控制使仪 器仪表数字化、智能化和微型化，并且功能比采用电子或数字电路更加强大。 2.在工业控制中的应用 工业自动化能使工业产品的生产处于最佳状态，是提高经济效益、改善产品质量和减 轻劳动强度有效的科技手段。单片机广泛应用于工业自动化控制系统中，无论是数据采集、 过程控制，还是生产线上的机器人系统，单片机都融入其中并发挥着重要的作用，如数控 机床、汽车安全技术检测、各种报警系统等。 3.在家用电器中的应用 现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，如洗衣机、冰箱、空调、微波炉、电视 机、VCD、音响设备、手机和 BP 机等。 4.在计算机网络和通信领域

7、的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机 网络的通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机 智能控制，如手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统和列车无线通信系 统等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途也相当广泛，如呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断 设备以及病床呼叫系统等。 此外，单片机在工商、金融、科研、教育和国防航空等领域的应用也十分广泛。 1.2 单片机的发展 1.2.1 单片机的发展概况 单片机诞生于 20 世纪 70 年代。如果以 8 位单片机的推出作为单片机发展的起点，单

8、 片机的发展大致可分为 3 个阶段。 第一阶段（19761978 年）为单片机发展的初级阶段。1976 年 9 月，Intel 公司推出 MCS-48 单片机，受到广大用户的欢迎。随后其他公司争相推出各自的单片机。这些单片机 都是 8 位机，片内；Rokwell 公司推出了与 6502 微处理器兼容和容量有限的存储器，并且 具有简单的中断功能。 第二阶段（19781981 年）为高性能 8 位单片机发展阶段。1978 年 Motorola 公司推 出 M6800 系列单片机，Zilog 公司则相继推出 Z8 系列单片机。1980 年 Intel 公司在 MCS-48 基础上又推出了高性能的 M

9、CS-51 系列单片机。这类单片机带有串行 I/O 口，其定时/计数 器为 16 位，片内存储器容量相应增大，并有中断优先级处理功能。 第三阶段（1982 年至今）为 16 位单片机的推出以及 8 位单片机继续提高性能的阶段。 1982 年，Mostek 公司和 Intel 公司先推出了比 8 位机性能更高的 16 位单片机 MK68200 和 MCS-96 系列，NS 公司和 NEC 公司则分别推出了 16 位单片机 HPC16040 和 MPD783XX 系列。 1987 年，Intel 公司宣布研制出比 8096 提高一档的 CHMOS 型 16 位单片机 80C196.1988 年，

10、该公司推出 8098 单片机，类似于 8088 微处理器，CPU 内部数据总线为 16 位，外部数据总 线为 8 位，便于推广使用。 同时，各计算机公司对 8 位高档单片机不断提高性能并开发新产品。例如，扩大片内 存储器容量，增加定时器，加强中断功能，采用 CHMOS 工艺设计出低功耗 8 位高档单片 机，将 16 位机的某些功能高速输出、脉宽调制等植入 8 位机中。 目前，8 位高档机和 16 位机在单片机发展中占主导地位，产品众多，已有几十个系列， 几百个型号。此外，32 位单片机也已问世。除了通用单片机以外，还有专用单片机产品，如专门用于数据处理（图像和语言处理等）的单片机。 第二章第二

11、章 基于基于 DS18B20 的温度测量模块设计的温度测量模块设计 2.1 设计目的 1）掌握 DS18B20 数字测试传感器的工作原理及使用方法； 2）掌握对 DS18B20 转换数据进行处理的方法； 3）学习用数码管显示复杂数据的方法。 2.2 设计任务 用 AT89S52 控制 DS18B20，读取数据，并对 DS18B20 转换后的数据进行处理，最后在 数码管上显示 DS18B20 测出的温度。要求使用 6 位数码管显示，最高位为符号位，如果温 度值为正，不显示，如果温度为负，则显示负号；第 14 位显示温度值的整数部分，并在 第 4 位数据上显示小数点；第 5 位显示一位小数，最低位

12、显示摄氏度符号为“” 。 2.3 设计原理 2.3.1 系统结构图30pFC1 30pFC222UC31KR24.7KR7R322012X1振振AT89S52P1.5 P1.6 P1.7PSENP0.0/AD2P0.0/AD4P3.4/T1P0.0/AD7P1.1P2.0/A10P2.0/A12RSTP1.3P0.0/AD5P2.0/A13P2.0/A15P2.0/A14ALEXTAL1P1.0P1.2P0.0/AD6P2.0/A11P1.4P3.6/WRP3.4/T0P3.3/INT1P3.3/INT0P3.1/TXDP0.0/AD3P0.0/AD1P0.0/AD0XTAL2P2.0/A8E

13、AP2.0/A9P3.0/RXDP3.7/RD1922 23 2426 27 2816 17323334353637381829 301 2 3 4 5 6 7 8392125A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A731VCC DOGND DS18B20U3U1123RP1 1 2 3 4 5 6 7 8 9A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A710KA0.7A0 A1 A2 A3 A4 7A5 A6 A7AB/BACE2 3 4 5 68 9A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7119B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B774LS24518 17 16 15 1

14、4 13 12 11S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S710 11131214 15B0 B1 B2 B3 B4 B5S0 S1 S2 S3 S4S6S5S7B0 B1 B2 B3 B4 B5图 2-1 为基于 DS18B20 的测温系统结构图。 2.3.2 DS18B20 数字温度传感器概述DS18B20 数字温度传感器是达斯半导体公司生产的 1Wire 器件，即单总线器件，它与 传统的热敏电阻有所不同的是，它可直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理， ，并 且根据具体要求，通过简单的编程实现 9 位的温度读数。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，线路简单

15、，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计， 它们可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。由于每一个 DS18B20 出厂时都刻有惟一 的一个序列号并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了 大量的引线和逻辑电路，给设计者带来很多方便。 2.3.3 DS18B20 的 1Wire 技术目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有 I2C 总线、SPI 总线等。其 中 I2C 总线以同步串行 2 线方式进行通信（一条时钟线、一条数据线） ，SPI 总线则以同步 串行 3 线方式进行通信（一条时钟线、一条数据输入线、一条数据输出线） 。这些总线至少 需要两

16、条或两条以上的信号线。而达拉斯半导体公司推出了一项特有的 1Wire Bus 技术， 该技术与上述总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传 输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展 和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机微控制器， 从机单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统 可按单节点系统操作；当有多个设备时，系统则按多节点系统操作。DS18B20 产品的特点如下： 1） 只要求一个端口即可实现通信； 2） 在 DS18B20 中的每个器件上都有独一无二的序列号； 3） 实际应用中不需要任何外部元器件即可实现测温； 4） 测量温度范围在-55+125； 5） 数字温度计的分辩率可以从 912 位选择； 6） 内部有温度上、下限告警设置。 TO90 封装的 DS18B20 的引脚排列见图 2-2，其引脚功能描述见表 2-1. 表 2-1 DS18B20 详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND接地2DQ数据输入/