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1、个人资料整理仅限学习使用通信课程设计计划 G14 组王军 饶磊王健1 设计题目数字温度计设计2. 总体设计方案2.1 数字温度计设计方案论证2.1.1 方案一由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。2.1.2 方案二进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20 ，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。根据单片机课程设
2、计的要求与学习目的，学习A/D 转换器的应用与实现和单片机的接口连接，故采用方案一来实现数字温度计的控制。2.2 方案一的总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如图1 所示，控制器采用单片机AT89S51，A/D转换器采用 0809 传输，温度传感器采用DS18B20，用 3 位 LED 数码管以串口传送数据实现温度显示，并用蜂鸣报警器来监视温度的值不超过量程范围。图 1 总体设计方框图主控制器LED显示温度传感器单片机复位时钟振荡报 警 点 按 键 调精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用2.
3、2.1 主控制器单片机 AT89S51 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。2.2.2 显示电路显示电路采用 3位共阳 LED 数码管，从 P3口 RXD,TXD 串口输出段码。2.2.3 温度传感器DS18B20 温度传感器是美国DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现位的数字值读数方式。DS18B20 的性能特点如下：1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2）多个 DS18B20可
4、以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；3）无须外部器件；4）可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；5）零待机功耗；6）温度以 9或 12位数字；7）用户可定义报警设置；8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度温度报警条件）的器件；9）负电压特性，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；DS18B20 采用 3 脚 PR35 封装或 8脚 SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。I/O C 64 位ROM 和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH 低温触发器TL 配置寄存器8 位 CRC 发生器Vdd 精选学习资料 - - - - - - - - - 名
5、师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用图 2 DS18B20 内部结构64 位 ROM 的结构开始位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有 48位，最后位是前面56位的 CRC检验码，这也是多个DS18B20 可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存和一个非易失性的可电擦除的EERAM 。高速暂存 RAM 的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，为配置寄存器，它
6、的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3 所示。低位一直为，是工作模式位，用于设置DS18B20 在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为，用户要去改动， R1 和0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。由表 1 可见， DS18B20 温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当 DS18B20 接收到
7、温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16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、字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表 2 是一部分温度值对应的二进制温度数据。表 1 DS18B20 温度转换时间表精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用R0R100010111
8、9101112分辨率 / 位 温度最大转向时间 /ms93.75187.5375750.DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的 TH 、T字节内容作比较。若 TH 或 TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20 同时测量温度并进行报警搜索。在 64 位 ROM 的最高有效字节中存储有循环冗余检验码CRC ）。主机 ROM 的前 56位来计算 CRC值，并和存入 DS18B20的 CRC 值作比较，以判断主机收到的ROM 数据是否正确。DS18B20的测温原理是这这样的, 器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很
9、小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入。器件中还有一个计数门，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所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中，计数器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，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器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
10、循环直到减法计数器计数到时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20 发复位脉冲）发ROM 功能命令发存储器操作命令处理数据。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用DS18B20DS18B20DS18B204.7KG
11、NDGNDGNDVCCVCC单片机.图 4 DS18B20 与单片机的接口电路2.3 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路DS18B20 可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20 的 1 脚接地， 2 脚作为信号线， 3 脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4 所示单片机端口接单线总线，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 管来完成对总线的上拉。当 DS18B20处于写存储器操作和温度A/D 转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD 端接地。2.4 系统整体硬件电路2.4
12、.1 主板电路系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路， A/D 转换器等，1）单片机 8051 2）直流稳压电源按设计要求需加直流稳压电源用来对温度控制系统进行供电。如图：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用图 5.1 直流稳压电源3）A/D 转换部分A/D 转换部分采用 ADC0809，A/D 转换器 0809的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。2.4.2 显示电路显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口
13、资源比较少，只用p3 口的 RXD, 和 TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。2.5 系统软件算法分析系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。2.5.1 主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s 进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图 7 所示。初始化调用显示子程序1S到？初次上电读出温度值温度计算处理显示数据刷新发温度转换开始命令N Y N Y 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用2.6 读出温度子程序2.7 温度转换命令子程序2.8 计算温度子程序2.9 显示数据刷新子程序3. 设计器件单片机 AT89S51，A/D 转换器 ADC0809，温度传感器DS18B20，3 位 LED 数码管，蜂鸣报警器，二节电池，直流稳压电源，单片机8051，74LS164 寄存器驱动，编程软件，电容、三极管、电阻、电线若干。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页
