1、基于 18B20 的温度测量仪 1目 录第一章 单片机原理及应用技术课程设计的目的意义 .21.1 设计目的 .21.2 课程在教学计划中的地位和作用 .2第二章 基于 18B20的温度测量仪设计任务 .22.1 设计内容及要求 .22.2 课程设计的要求 .22.2.1 控制要求 .22.2.2 设计要求 .2第三章 系统的硬件设计与选型 .3 3.1 总体设计思想与选型 .33.2 硬件设计方案 .33.3 硬件设计系统原理图 .33.4 选型芯片及其各自功能说明 .53.4.1 89C51的引脚与功能简介 .53.4.2 DS18B20的引脚与功能简介 .83.4.3 74LS138的引
2、脚与功能简介 .133.4.4 74LC573的引脚与功能简介 .153.4.5 数码管简介 .15第四章 软件设计 .174.1 源程序说明 .17第五章 系统调试及使用说明 .205.1 系统使用说明 .205.2 系统调试 .25收获、体会 .26附录 系统源程序及实物图 .27基于 18B20 的温度测量仪 2第一章 单片机原理与技术应用课程设计的目的意义1.1 课程设计目的单片机原理及技术应用主要内容包括 MCS-51单片机的内部结构、指令系统、汇编语言和 C语言程序设计、并行接口和并行设备的扩展、中断系统结构与应用、定时器计数器原理与应用、串行接口与串行通信、模拟量接口以及单片机应
3、用系统设计技术。 本课程设计目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，是通过设计单片机检测系统，加深学生对单片机技术的了解，进一步掌握其程序设计与硬件接口技术。 本课程的主要任务是运用所学单片机技术、单片机原理等方面的知识，设计出一台以89C51MCU为核心的单片机数据采集、通讯或测控系统，完成信息的采集、处理、输出及人机接口电路等部分的软、硬件设计。1.2 课程设计在教学计划中的地位和作用本课程是生物医学工程的一门主要专业课之一。以 MCS-51系列的 8位单片机为教学对象，介绍单片机的发展概况、原理及应用。主要内容：单片机的基本概念，MCS-51 系列单片机的结构，MCS
4、-51 系列单片机指令系统，程序设计基础，中断系统，MCS-51 系列单片机内部定时器/计数器及其应用，串行接口，单片机应用系统扩展设计基础，模拟量输入输出接口技术，人机接口技术，功率接口技术，单片机应用系统设计技术，单片机应用系统举例，新型单片机介绍等。学生获得的知识和能力：单片机的基本结构和原理、指令系统、汇编语言程序设计、C51开发技术，简单的单片机应用系统的设计等。单片机原理及应用课程设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上，通过完成一个涉及 MCS-51单片机多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电
5、子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、排错调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。使学生增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好基础。第二章 基于 18B20的温度测量仪设计任务2.1 设计内容基于 18B20的温度测量仪是以温度传感器 DS18B20为关键的测温系统，测得的温度由三位数码管显示，精确到一度。2.2 课程设计要求掌握 18B20温度传感器原理；三位数码管显示温度值。2.2.1 控制要求设计技术参数，温度测量精确到一度。2.2.2 设计要求设计出硬件电路，说明工作原理
6、，编写程序，调试、得到要求现象。基于 18B20 的温度测量仪 3第三章 系统硬件设计与选型3.1 总体设计思想与选型本次课程设计会用到的主要器件是 51单片机和 DS18B20温度传感器以及数码管，主要就是通过温度传感器的检测，把实际测得的温度值转换成二进制，再传回单片机处理，然后通过数码管显示出温度值。其次是 74LS138和 74LCX573芯片，用来控制数码管显示。3.2 硬 件 设 计 方 案系 统 的 硬 件 部 分 主 要 包 括 ： 电 源 、 晶 振 、 复 位 、 单 片 机 、 数 码 管 、 DS18B20、74LS138和 74LCX573。3.3 硬 件 设 计 系
7、 统 原 理 图硬 件 电 路 原 理 图 反 映 了 所 用 到 的 芯 片 的 连 接 情 况 ， 也 可 以 清 楚 看 到 各 硬 件是 如 何 连 接 的 ， 具 体 请 看 图基于 18B20 的温度测量仪 5基于 18B20 的温度测量仪 63.4 选 型 芯 片 及 其 各 自 功 能 说 明3.4.1 芯 片 列 表依 照 设 计 思 路 ， 本 次 设 计 使 用 了 如 下 芯 片 ：1. 微处理器 89C512. 温度传感器 DS18B203. 译码器 74LS1384. 集成芯片 74LC5733.4.2 89C51的引脚与功能简介MCS-51系列单片机是美国 Int
8、el公司在 1980年推出的高性能 8位单片机，它包含 51和 52两个子系列。单片机由于体积小、功耗低、易于产品化，面向控制，抗干扰能力强，适用温度范围宽，可以方便地实现和分布式控制等优点，因而被广泛地应用于各种控制系统和分布式系统中。89C51和 MCS-51是完全兼容的，是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。 其主要特点如下： 8位 CPU。 工作频率最高为 24M。 128B数据存储器。 4KB程序存储器。 程序存储器的寻址空间为
9、64KB。 片外数据存储器的寻址空间为 64KB。 128个用户位寻址空间。 21个字节特殊功能寄存器。 4个 8位的并行 I/O接口：P0、P1、P2、P3。 两个 16位定时/计数器。 两个优先级别的 5个中断源。 1个全双工的串行 I/O接口，可多机通信。 111条指令，喊乘法指令和除法指令。 较强的位处理能力 。 采用单一+5V 电源。对于 89C52而言，不同之处在于：有 256B的数据存储器、8K 的程序存储器、全双工串行I/O接口、6 个中断源、3 个 16位定时/计数器，工作频率可升直 33Mhz。比 51拥有更高的性能。基于 18B20 的温度测量仪 7图 1-1是 51单片
10、机的接口硬件分布图我们此次采用的是 AM-51H学习板（如图 1-2） ，板载的芯片是 89C52芯片，拥有丰富功能模块及外接电路，如图的标注。I. 89C51单片机两种封装形式:(1) 双列直插（PDIP）: 40 引脚。(2) 方形（PLCC）封装形式: 44 引脚，有 4条引脚是空脚（标为 NC） 。图 3-2（a）为引脚排列图。图 3-2（b）为逻辑符号图。 II. 89C51引脚功能：1. 电源引脚 Vcc和 Vss(1) Vcc ：电源端，接+5V 电源。(2) Vss ：接地端。2. 外接晶体引脚 XTALl和 XTAL2(1) XTAL1：片内振荡电路的输入端； (2) XTA
11、L2：片内振荡电路的输出端。3. 控制信号引脚 (1) RST / VPD：RST是复位信号输入端，高电平有效。出现两个机器周期以上的高电平时复位；图 3-4 89C51单片机引脚排列及逻辑符号图 RST引脚的第二功能：备用电源 VPD的输入端；基于 18B20 的温度测量仪 8 当主电源 VCC发生故障，降低到规定值时，此引脚可接备用供电，由 VPD向内部RAM提供备用供电，以保持片内 RAM中的数据。 (2) ALE/PROG：地址锁存允许信号 访问外部存储器时，ALE 信号的输出用于锁存低 8位地址的控制信号。 信号频率为振荡器的 1/6； ALE端可以驱动 8个 TTL负载； 对 Fl
12、ash存储器编程时，用于输入编程脉冲信号。(3) /PSEN：片外程序存储器读选通信号 低电平有效，可驱动 8个 TTL负载。(4) /EA(VPP)：片内、外程序存储器选择端 编程电压输入端； 当/EA 端为高电平时，先访问片内 EPROM； 当/EA 端接地时，只访问片外 EPROM； 在 Flash存储器编程时，提供编程电压。 4. I / O引脚(1) P0口（P0.0P0.7）： 第一功能：通用 I/O口，用来输入/输出数据 第二功能：当 CPU访问片外存储器时，分时提供低 8 位地址和高 8位数据的复用总线。(2) P2口（P2.0P2.7）： 第一功能：不扩展片外存储器时，作为通
13、用 I/O口。 第二功能：扩展片外存储器时，输出片外存储器的高 8位地址。(3) P1口（P1.0P1.7）： 第一功能：通用 I/O口。 第二功能：片内 ROM编程或校验时，输入片内 ROM的低 8位地址。(4) P3口（P3.0P3.7）： 第一功能：通用的 I/O口。 第二功能：控制功能。III. 89C51的外部总线外部总线结构图如图 3-5所示。基于 18B20 的温度测量仪 9图 3-5 外部总线结构图(1) 地址总线(AB)。16 位，寻址范围 64KB。高 8位(A15A8)由 P2口输出，低 8位(A7 A0)由 P0口输出。(2) 数据总线(DB)。8 位，由 P0口提供。
14、(3) 控制总线(CB)。由 4条控制线和 P3口的第二功能状态组成。 IV. 89C51的内部结构89C51单片机在一块芯片中集成了 CPU、RAM、 ROM、定时器/计数器和 I/O口等基本功能部件。各功能部件由内部总线连接在一起。89C51 基本结构见图 3-6所示。图 3-6 89C51单片机基本结构图CPU是单片机的核心部件，由运算器和控制器等部件组成。运算器的功能主要是进行算术运算和逻辑运算。由 8位 ALU单元，两个 8位的暂存器，8 位的累加器 ACC、B 寄存器，程序状态寄存器 PSW等组成。控制器用于控制单片机各部分的运行，由程序计数器 PC，指令寄存器、译码器及定时控制逻
15、辑和数据指针 DPTR组成。3.4.3 DS18B20温度传感器简介DS18B20是 DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器芯片，具有 3引脚 TO-92小体积封装形式；温度测量范围为-55+125，可编程为 9-12为 A/D转换精度，测量分辨率可达 0.0625，被测温度用 16位补码方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个 DS18B20可以并联到 3根或 2根线上，CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20通信，占用微处理器的端口较少。可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。（一）DS18B20 的主要特性如下
16、：1、 适应电压范围宽：3.0V-5.5V，在寄生电源方式可有数据线共电。2、 在使用中不需要任何外围元件。3、 独特的单线接口方式：DS18B20 与微处理器连接时仅需要一条信号线既可实现微处理器与 DS18B20的双向通信。4、 温度范围：-55+125，在-10-+85时精度为0.5。5、 编程可实现分辨率为 9-12位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125基于 18B20 的温度测量仪 10和0.0625，可实现高精度测温。6、 在 9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度值转换为数字，12 位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字。7、 支持多点组网功能，多个
17、 DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。8、 用户可自设定非易失性的报警上下限值。9、 负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧坏，但不能正常工作。（二）DS18B20 内部结构主要由四部分组成：64位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH和 TL、配置寄存器。该装置信号线高的时候，内部电容器储存能量通由 1线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。 DS18B20 的电源也可以从外部 3V-5 .5V的电压得到。DS18B20的外部机构图和内部结构图（如图 1-3、1-4）图 1-4 DS1820内部结构图 1-3
18、 TQ-92封装及 8脚 SOIC封装（三）D S18B20 温 度 值 格 式默 认 的 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 1-5 DS18B2
19、0 温 度 值 格 式 表（四）DS18B20 采用一线通信接口。因为一线通信接口，必须在先完成 ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先提供以下功能命令之一： 1 ）读 ROM， 2 ）ROM匹配， 3 ）搜索 ROM， 4 ）跳过 ROM， 5 ）报警检查。这些指令操作作用在没有一个器基于 18B20 的温度测量仪 11件的 64位光刻 ROM序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有有多少，什么样的设备。若指令成功地使 DS18B20完成温度测量，数据存储在 DS18B20的存储器。一个控制功能指挥指示 DS18B20的演出测温。测量结果将被
20、放置在 DS18B20内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器 TH和 TL都有一字节 EEPROM 的数据。如果 DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写 TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。通过缓存器读寄存器。所有数据的读，写都是从最低位开始。DS18B20有 4个主要的数据部件：（1）光刻 ROM中的 64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20的地址序列码。64 位光刻 ROM的排列是：开始 8位（28H）是产品类型标号，接着的 48位是
21、该DS18B20自身的序列号，最后 8位是前面 56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM的作用是使每一个 DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。（2） DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12位转化为例：用 16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB 形式表达，其中 S为符号位。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 ROM，温度传感器，温度报警触发器TH和 TL,配置寄存器。存储器DS18B20的存储器包括高速暂存器 RAM和可电擦除 RAM，可电擦除 RAM又包括温度
22、触发器 TH和 TL，以及一个配置寄存器。存储器能完整的确定一线端口的通讯，数字开始用写寄存器的命令写进寄存器，接着也可以用读寄存器的命令来确认这些数字。当确认以后就可以用复制寄存器的命令来将这些数字转移到可电擦除 RAM中。当修改过寄存器中的数时，这个过程能确保数字的完整性。高速暂存器 RAM是由 8个字节的存储器组成；第一和第二个字节是温度的显示位。第三和第四个字节是复制 TH和 TL，同时第三和第四个字节的数字可以更新；第五个字节是复制配置寄存器，同时第五个字节的数字可以更新；六、七、八三个字节是计算机自身使用。用读寄存器的命令能读出第九个字节，这个字节是对前面的八个字节进行校验。存储器
23、的结构图如图 4.6所示。64位光刻 ROM的前 8位是 DS18B20的自身代码，接下来的 48位为连续的数字代码，最后的 8位是对前 56位的 CRC校验。64-位的光刻 ROM又包括 5个 ROM的功能命令：读ROM，匹配 ROM，跳跃 ROM，查找 ROM和报警查找。64-位光刻 ROM的结构图如图 4.7所示。DS18B20外部电源的连接方式DS18B20可以使用外部电源 VDD，也可以使用内部的寄生电源。当 VDD端口接 3.0V5.5V的电压时是使用外部电源；当 VDD端口接地时使用了内部的寄生电源。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O 口线要接 5K 左右的上拉电阻。连接图如图 4.8、图 4.9所示。配置寄存器配置寄存器是配置不同的位数来确定温度和数字的转化。R1，R0 是温度的决定位，由R1，R0 的不同组合可以配置为 9位，10 位，11 位，12 位的温度显示。这样就可以知道不
