基于51单片机和DS18B20的数字温度计设计说明

题目：基于89C51和DS18B20的数字温度计设计一、设计要求数字式温度计要求测温范围为－55～125°C，精度误差在0.1°C以内，LED数码管直读显示。

二、方案论证根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。

选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样/保持电路、运放、数/模转换电路以及进行长距离传输时的串/并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。

该系统的总体设计思路如下：温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器用4位共阳LED数码管以动态扫描法实现。

检测范围-55摄氏度到125摄氏度。

按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：主控制器、测温电路和显示电路。

数字温度计总体电路结构框图如图1所示。

图1 数字温度计总体电路结构框图三、系统硬件电路的设计温度计电路设计原理图如图2所示，控制器使用单片机AT89C51，温度传感器使用DS18B20，用4位共阳LED数码管实现温度显示。

图2 数字温度计设计电路原理图1、主控制器AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2、显示电路显示电路采用4位共阳LED数码管，从P0口输出段码，列扫描用P3.0~P3.3口来实现，列驱动用8550三极管。

3、温度传感器工作原理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9～12位的数字值读数方式。

DS18B20 的性能特点如下：●独特的单线接口方式仅需要一个端口引脚进行通信；●多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；●无需外部器件；●可通过数据线供电，电压范围：3.0～5.5V；●测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃●零待机功耗●温度以9或12位数字量读出；●用户可定义的非易失性温度报警设置●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●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PR－35 封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图3所示图3 DS18B20内部结构框图64 b 闪速ROM 的结构如下：开始8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8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TH 和TL ，可通过软件写入户报警上下限。

主机操作ROM 的命令有五种，如表1所列表1 主机操作ROM 的命令指 令 说 明读ROM （33H ） 读DS1820的序列号匹配ROM （55H ） 继读完64位序列号的一个命令，用于跳过ROM （CCH ） 此命令执行后的存储器操作将针对搜ROM （F0H ） 识别总线上各器件的编码，为操作各报警搜索（ECH ）仅温度越限的器件对此命令做出响DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。

高速暂存RAM 的结构为8字节的存储器，结构如图4所示。

图4 高速暂存RAM结构图前2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。

第5个字节，为配置寄存器，它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。

温度低位LSB 温度高位MSBTH TL 配置保留保留保留8位CRC当DS18B20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1，2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0.062 5 ℃/LSB形式表示。

温度值格式如下：这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

图中，S表示位。

对应的温度计算：当符号位S=0时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，表示测得的温度植为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。

表2是部分温度值对应的二进制温度表示数据。

表2 部分温度值DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL 字节内容作比较，若T>TH或T<TL,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告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告警搜索。

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。

主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC 值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

3）DS18B20测温原理DS18B20的测温原理如图5所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，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后进行计数，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 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1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1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1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用，于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。

考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：Ts=（Tz-0.25℃）+(CD-Cs)/CD图5 DS18B20测温原理图四系统程序的设计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，报警子程序和显示数据刷新子程序等。

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的测量温度值。

温度测量每1s进行一次。

主程序流程图如图6所示。

2 读出温度子程序读出温度子程的主要功能是读出RAM中的9字节。

在读出时须进行CRC校验，校验有错时不能进行温度数据的改写。

读出温度子程序流程图如图7所示。

3 温度转换命令子程序温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令。

当采用12位分辨率时，转换时间约为750 ms。

在本程序设计中，采用1s显示程序延时法等待转换的完成。

温度转换命令子程序流程图如图8所示。

4 计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取的值进行BCD码的抓换运算，并进行温度值正负的判断。

其流程图如图9所示。

5 显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高数据显示位为0时，将符号显示位移入下一位。

显示数据刷新子程序流程图如图10所示。

图6 主程序流程图图9 计算温度子程序流程图图8 温度转换命令子程序流程图图7 读出温度子程序流程图五 汇编程序;================================================================;DS18B20温度计;采用4位LED 共阳显示器显示测温值，显示精度0.1℃，测温范围-55～+125℃ ;用AT89C51单片机，12MHz 晶振 ;============================常数定义============================= TIMEL EQU 0E0H ;20ms ，定时器0时间常数 TIMEH EQU 0B1H TEMPHEAD EQU 36H;==========================工作内存定义============================ BITST DATA 20H温度数据移入显示寄存器十位数0？百位数0？百位数显示数据 （不显示符号）十位数显示符号 百位数不显示结束图10 显示数据刷新子程序流程图YNYN右图为DS18B20 引脚图DS18S20采用3脚PR35封装（或8脚SOIC 封装），DQ 为数据输入/输出脚，VDD 为电源电压。

TIME1SOK BIT BITST.1TEMPONEOK BIT BITST.2TEMPL DATA 26HTEMPH DATA 27HTEMPHC DATA 28HTEMPLC DATA 29H;============================= 引脚定义===========================TEMPDIN BIT P3.7;============================= 中断向量区=========================ORG 0000HLJMP STARTORG 00BHLJMP T0IT;=============================系统初始化==========================ORG 100HSTART: MOV SP,#60HCLSMEM: MOV R0,#20HMOV R1,#60HCLSMEM1: MOV @R0,#00HINC R0DJNZ R1,CLSMEM1MOV TMOD,#00100001B ;定时器0工作方式1（16BIT）MOV TH0,#TIMELMOV TL0,#TIMEH ;20msSJMP INITERROR: NOPLJMP STARTNOPINIT: NOPSETB ET0SETB TR0SETB EAMOV PSW,#00HCLR TEMPONEOKLJMP MAIN;====================== 定时器0中断服务程序=======================T0IT: PUSH PSWMOV PSW,#10HMOV TH0,#TIMEHMOV TL0,#TIMELCJNE R7,#32H,T0IT1MOV R7,#00HSETB TIME1SOK ;1s定时到标志T0IT1: POP PSWRETI;============================= 主程序=============================MAIN: LCALL DISP1 ;调用显示子程序JNB TIME1SOK,MAINCLR TIME1SOK ;测温每1s一次JNB TEMPONEOK,MAIN2 ;上电时先温度转换一次LCALL READTEMP1 ;读出温度值子程序LCALL CONVTEMP ;温度BCD码计算处理子程序LCALL DISPBCD ;显示区BCD码温度值刷新子程序LCALL DISP1 ;消闪烁，显示一次MAIN2: LCALL READTEMP ;温度转换开始SETB TEMPONEOKLJMP MAIN;============================= 子程序区===========================;RESET DS18B20;============================================================ ====INITDS1820:SETB TEMPDINNOPNOPCLR TEMPDINMOV R6,#0A0H ;DELAY 480usDJNZ R6,$MOV R6,#0A0HDJNZ R6,$SETB TEMPDINMOV R6,#32H ;DELAY 70usDJNZ R6,$MOV R6,#3CHLOOP1820: MOV C,TEMPDINJC INITDS1820OUTDJNZ R6,LOOP1820MOV R6,#064HDJNZ R6,$SJMP INITDS1820RETINITDS1820OUT: SETB TEMPDIN;====== 读DS18B20的程序，从DS18B20中读出一个字节的数据=============READDS1820: MOV R7,#08HSETB TEMPDINNOPNOPREADDS1820LOOP: CLR TEMPDINNOPNOPNOPSETB TEMPDINMOV R6,#07H ;DELAY 15usDJNZ R6,$MOV C,TEMPDINMOV R6,#3CH ;DELAY 120usDJNZ R6,$RRC ASETB TEMPDINDJNZ R7,READDS1820LOOPMOV R6,#3CH ;DELAY 120 usDJNZ R6,$RET;======== 写DS18B20的程序，从DS18B20中写一个字节的数据=============WRITEDS1820: MOV R7,#08HSETB TEMPDINNOPNOPWRITEDS1820LOP: CLR TEMPDINMOV R6,#07H ;DELAY 15usDJNZ R6,$RRC AMOV TEMPDIN,CMOV R6,#34H ;DELAY 104usDJNZ R6,$SETB TEMPDINDJNZ R7,WRITEDS1820LOPRET;========================= READ TEMP ===========================READTEMP: LCALL INITDS1820MOV A,#0CCHLCALL WRITEDS1820 ;SKIP ROMMOV R6,#34H ;DELAY 104usDJNZ R6,$MOV A,#44HLCALL WRITEDS1820 ;START CONVERSIONMOV R6,#34H ;DELAY 104DJNZ R6,$RETREADTEMP1: LCALL INITDS1820MOV A,#0CCHLCALL WRITEDS1820 ;SKIP ROMMOV R6,#34H ;DELAY 104usDJNZ R6,$MOV A,#0BEHLCALL WRITEDS1820 ;SCRATCHPADMOV R6,#34H ;DELAY 104usDJNZ R6,$MOV R5,#09HMOV R0,#TEMPHEADMOV B,#00HREADTEMP2: LCALL READDS1820MOV @R0,AINC R0READTEMP21: LCALL CRC8CALDJNZ R5,READTEMP2MOV A,BJNZ READTEMPOUTMOV A,TEMPHEAD+0MOV TEMPL,AMOV A,TEMPHEAD+1MOV TEMPH,AREADTEMPOUT: RET;================== 处理温度BCD码子程序==========================CONVTEMP: MOV A,TEMPHANL A,#80HJZ TEMPC1CLR CMOV A,TEMPLCPL AADD A,#01HMOV TEMPL,AMOV A,TEMPH ;-CPL AADDC A,#00HMOV TEMPH,A ;TEMPHC HI=符号位MOV TEMPHC,#0BHSJMP TEMPC11TEMPC1: MOV TEMPHC,#0AH ;+TEMPC11: MOV A,TEMPHCSWAP AMOV TEMPHC,AMOV A,TEMPLANL A,#0FH ;乘0.0625MOV DPTR,#TEMPDOTTABMOVC A,@A+DPTRMOV TEMPLC,A ;TEMPLC LOW=小数部分BCDMOV A,TEMPL ;整数部分ANL A,#0F0HSWAP AMOV TEMPL,AMOV A,TEMPHANL A,#0FHSWAP AORL A,TEMPLLCALL HEX2BCD1MOV TEMPL,AANL A,#0F0HSWAP AORL A,TEMPHC ;TEMPHC LOW=十位数BCDMOV TEMPHC,AMOV A,TEMPLANL A,#0FHSWAP A ;TEMPLC HI=个位数BCDORL A,TEMPLCMOV TEMPLC,AMOV A,R7JZ TEMPC12ANL A,#0FHSWAP AMOV R7,AMOV A,TEMPHC ;TEMPLC HI=百位数BCDANL A,#0FHORL A,R7MOV TEMPHC,ATEMPC12: RET;========================= 小数部分码表===========================TEMPDOTTAB: DB 00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06HDB 06H,07H,08H,08H,09H,09H;====================== 显示区BCD码温度值刷新子程序===============DISPBCD: MOV A,TEMPLCANL A,#0FHMOV 70H,AMOV A,TEMPLCSWAP AANL A,#0FHMOV 71H,AMOV A,TEMPHCANL A,#0FHMOV 72H,AMOV A,TEMPHCSWAP AANL A,#0FHMOV 73H,AMOV A,TEMPHCANL A,#0F0HCJNE A,#010H,DISPBCD0SJMP DISPBCD2DISPBCD0: MOV A,TEMPHCANL A,#0FHJNZ DISPBCD2 ;十位数是0MOV A,TEMPHCSWAP AANL A,#0FHMOV 73H,#0AH ;符号位不显示MOV 72H,A ;十位数显示符号DISPBCD2: RET;======================= 显示子程序===============================;显示数据在70H~73H单元内，用4位LED共阳数码管显示，P1口输出段码数据，;P3口做扫描控制，每个LED数码管亮1ms时间再逐位循环。