1、目录1 引言 .11.1 课题背景 .11.2 课题研究的目的和意义 .12 温度显示器原理 .22.1 温度显示器的设计方案 .22.2 温度显示器的电路原理 .23 温度显示器的硬件设计 .33.1 DS18B20 温度传感器的基本介绍 .33.1.1 性能简述 .33.1.2 DS18B20 温度传感器的存储器 .43.1.3 DS18B20 存储器操作命令 .43.1.4 DS18B20 的测温原理 .53.1.5 DS18B20 使用时的注意事项 .63.1.6 DS18B20 的外形和内部结构 .63.2 AT89C2051 单片机的基本介绍 .73.2.1 性能简述 .73.2.
2、2 AT89C2051 的引脚介绍如 图 所 示 。 .83.2.3AT89C2051 的振荡器特性及芯片擦除 .93.2.4AT89C2051 与 AT89C51 对比 .103.2.56 AT89C2051 内部结构 .114 温度显示器的软件设计 .125 测试 .155.1 测试内容 .155.2 测试结果 .15结论与展望 .16致谢 .17参考文献 .18附录一 .19附录二 .20附录三 .22- 1 -1 引言1.1 课题背景温度控制器是对温度进行控制的开关设备。在当今的社会中，越来越多的坏境需要对温度进行控制。随着温控器应用领域和范围的日益广泛，电子技术的发展，特别是随着大规
3、模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的的出现使现代的科学研究得到了质的的飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用作用也体现到了各个方面。1.2 课题研究的目的和意义目的：培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力；对学生的知识面、运用理论结合实际去处理问题的能力、实验能力进行考核。意义：温度控制器是使用 DS18B20 集成温度传感器，七段数码管做显示，AT89C2051单片机做处理控制，电路简单。该电路最大的特点是用可以直观方便的调节所要限定的温度值，温度值是用
4、3 个 7 段共阳极数码管显示的，上电后会显示当前的温度值，按设定键时会闪烁显示设定温度值，这时可以按上/下调节键调整设定温度值，再次按下设定键时返回当前温度显示同时会对设定温度值进行保存，这个设定值会保存在 DS18B20中，掉电后也不会丢失，下次上电时，单片机会自动读入上次的温度设定值。2 温度显示器原理2.1 温度显示器的设计方案单片机AT89C2051 七段数码管显示DS18B20温度传感器按钮输入设定温度设计的这一款温度控制器是使用 DS18B20 集成温度传感器，七段数码管做显示，AT89C2051 单片机做处理控制，电路简单。特点是用可以直观方便的调节所要限定的温度值，温度值是用
5、 3 个 7 段共阳极数码管显示的，上电后会显示当前的温度值，按设定- 2 -键时会闪烁显示设定温度值，这时可以按上/下调节键调整设定温度值，再次按下设定键时返回当前温度显示同时会对设定温度值进行保存，这个设定值会保存在 DS18B20 中，掉电后也不会丢失，下次上电时，单片机会自动读入上次的温度设定值。长按设定键为关闭显示和温控，再次按下时功能再次打开。2.2 温度显示器的电路原理制作中 DS18B20 使用外接电源的供电方式，数据端用 4.7K 电阻上拉，并联接到2051 的 11 脚上。晶振选用 12M 的，使用简单的上电复位电路。选用共阳极的数码管，用 S8550 作位驱动，段引脚通过
6、 470 欧的电限流电阻接入 2051 的 P1 口上，如选用的数码管亮度不足可以调小限流电阻值。笔者也使用过共阴极的数码管，在 P1 口用 1K 电阻上拉提供电流，亮度不高，但可以节省三个位驱动 IO 脚，电路更是简单。电路中有三个按键，分别是显示开关/温度设定，温度上调，温度下调，在电路上电运行时程序初始是处于关闭状态的，要按一下 S1 电路开始显示和监测，如再按一下 S1 进入温度设定状态，设定值每秒闪烁一次，这时可以按 S2 或 S3 进行调节，再按下 S1 时退回显示当前温度状态并保存温度值到 DS18B20。电路原理图 - 3 -3 温度显示器的硬件设计3.1 DS18B20 温度
7、传感器的基本介绍DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够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 912 位的数字值读数方式。可以分别在 93.75 ms 和 750 ms 内完成 9 位和 12 位的数字量，并且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨
8、率等方面较 DS1820 有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果3.1.1 性能简述(1)独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 (2)测温范围 55+125，固有测温分辨率 0.5。 (3)支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，最多只能并联 8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。 (4)工作电源: 35V/DC (5)在使用中不需要任何外围元件 (6)测量结果以 912 位数字量方式串行传送 (7)不锈钢保护管直径 6 (8)
9、适用于 DN1525, DN40DN250 各种介质工业管道和狭小空间设备测温 (9)标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选 (10)PVC 电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。3.1.2 DS18B20 温度传感器的存储器DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电擦除的E2PPRAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH.T 和结构寄存器。暂存存储器包含了 8 个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是 TH.TL 的易失性拷贝，第五
10、个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六七八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节，详见表中内容。- 4 -3.1.3 DS18B20 存储器操作命令- 5 -3.1.4 DS18B20 的测温原理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
11、 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度。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 DS1
12、8B20 的测温原理。1.低温度系数振荡器是一个对频率随温度变化很小的振荡器,为计数器 1 提供频率稳定的技术脉冲。2.高温度系数计数器是一个对频率对温度很敏感的振荡器,为计数器 2 提供了一个频率随温度变化的技术脉冲。3.DS18B20 内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号;同样,高温系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20 进行计数,计数门打开时间高温度系数振荡器决定。原理图如图 2。3.1.5 DS18B20 使用时的注意事项根据 DS18B20 的通讯协议，主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进
13、行复位，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 ROM指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒，然后释放，DS18B20 收到信号后等待 1660 微秒左右，后发出 60240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。DS18B20 使用中注意事项，DS18B20 虽然具有测温系统简单，测温精度高，连接方便，占用口线少等特点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS18B20 与微处理器间采用串行数据传送，因此在对 DS18B20 进行读写编程时，必须严格的保证读
14、写时序，否则将无法读取测温结果。在使用 PL/M,C 等高级语言进行系统程序计时，对 DS18B20 最好采用汇编语言实现。（2）在 DS18B20 的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS18B20 数量问题，容易使- 6 -人误认为可以挂任意多个 DS18B20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂 DS18B20超过八个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。（3）连接 DS18B20 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过 50M 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150M
15、,当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波产生畸变造成的。因此，再用 DS18B20 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。（4）在 DS18B20 测温程序设计中，向 DS18B20 发出温度转换命令后，程序总要等待 DS18B20 的返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 DS18B20 硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽 4 芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组姐 VCC 和地线，屏蔽层在源端单点接地。3.1.6 DS18B20 的外形和内部结构DS18B20 内部结
16、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。DS18B20 的外形及管脚排列如下图 1:DS18B20 引脚定义：(1)DQ 为数字信号输入/输出端；(2)GND 为电源地；(3)VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图 1： DS18B20 外形及引脚排列图- 7 -图 2： DS18B20 内部结构图3.2 AT89C2051 单片机的基本介绍AT89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一种小型单片机。95 年出现在中国市场。其主要特点为采用 Flash 存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与 MCS
17、-51 完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。对于一些不大复杂的控制电路我们就可以增加少量元件来实现，例如，对温度的控制，过压的控制等。3.2.1 性能简述1、 和 MCS-51 产 品 兼 容 ； 2、 2KB 可 重 编 程 FLASH 存 储 器 （ 10000 次 ） ； 3、 2.7-6V 电 压 范 围 ； 4、 全 静 态 工 作 ： 0Hz-24MHz； 5、 2 级 程 序 存 储 器 保 密 锁 定 ； 6、 128*8 位 内 部 RAM； 7、 15 条 可 编 程 I/O 线 ； 8、 两 个 16 位 定 时 器 /计
18、数 器 ； 9、 6 个 中 断 源 ； 10、 可 编 程 串 行 通 道 ； 11、 高 精 度 电 压 比 较 器 （ P1.0， P1.1， P3.6） ； 12、 直 接 驱 动 LED 的 输 出 端 口 。3.2.2 AT89C2051 的引脚介绍如 图 所 示 。(1)VCC： 电 源 电 压 。 (2)GND： 接 地 。 (3)P1 口 ： P1 口 是 一 个 8 位 双向 I/O 口 。 口 引 脚 P1.2P1.7 提 供内 部 上 拉 电 阻 ， P1.0 和 P1.1 要 求外 部 上 拉 电 阻 。 P1.0 和 P1.1 还 分别 作 为 片 内 精 密 模
19、拟 比 较 器 的 同 相输 入 (ANI0)和 反 相 输 入 (AIN1)。 P1口 输 出 缓 冲 器 可 吸 收 20mA 电 流 并能 直 接 驱 动 LED 显 示 。 当 P1 口 引脚 写 入 “1”时 ， 其 可 用 作 输 入 端 ，- 8 -当 引 脚 P1.2P1.7 用 作 输 入 并 被 外 部 拉 低 时 ， 它 们 将 因 内 部 的 写 入 “1”时 ， 其 可用 作 输 入 端 。 当 引 脚 P1.2P1.7 用 作 输 入 并 被 外 部 拉 低 时 ， 它 们 将 因 内 部 的 上 拉 电阻 而 流 出 电 流 。 (4)P3 口 ： P3 口 的
20、P3.0P3.5、 P3.7 是 带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 七 个 双 向 I/O 口引 脚 。 P3.6 用 于 固 定 输 入 片 内 比 较 器 的 输 出 信 号 并 且 它 作 为 一 通 用 I/O 引 脚 而 不可 访 问 。 P3 口 缓 冲 器 可 吸 收 20mA 电 流 。 当 P3 口 写 入 “1”时 ， 它 们 被 内 部 上 拉 电阻 拉 高 并 可 用 作 输 入 端 。 用 作 输 入 时 ， 被 外 部 拉 低 的 P3 口 脚 将 用 上 拉 电 阻 而 流 出电 流 。 P3 口 还 用 于 实 现 AT89C2051 的 各 种 第 二 功
21、能 ， 如 下 表 所 示 。 P3 口 还 接 收 一 些 用 于闪 速 存 储 器 编 程 和 程 序 校 验 的 控 制 信 号 。 引脚口 功 能 P3.0 RXD 串行输入端口P3.1 TXD 串行输出端口P3.2 INT0 外中断 0P3.3 INT1 外中断 1P3.4 T0 定时器 0 外部输入P3.5 T1 定时器 1 外部输入(5)RST： 复 位 输 入 。 RST 一 旦 变 成 高 电 平 所 有 的 I/O 引 脚 就 复 位 到 “1”。 当振 荡 器 正 在 运 行 时 ， 持 续 给 出 RST 引 脚 两 个 机 器 周 期 的 高 电 平 便 可 完 成
22、复 位 。 每 一个 机 器 周 期 需 12 个 振 荡 器 或 时 钟 周 期 。 (6)XTAL1： 作 为 振 荡 器 反 相 器 的 输 入 和 内 部 时 钟 发 生 器 的 输 入 。 (7)XTAL2： 作 为 振 荡 器 反 相 放 大 器 的 输 出 。3.2.3AT89C2051 的振荡器特性及芯片擦除1.振 荡 器 特 性XTAL1 和 XTAL2 分 别 为 反 向 放 大 器 的 输 入 和 输 出 。 该 反 向 放 大 器 可 以 配 置 为 片 内振 荡 器 。 石 晶 振 荡 和 陶 瓷 振 荡 均 可 采 用 。 如 采 用 外 部 时 钟 源 驱 动 器
23、 件 ， XTAL2 应 不接 。 有 余 输 入 至 内 部 时 钟 信 号 要 通 过 一 个 二 分 频 触 发 器 ， 因 此 对 外 部 时 钟 信 号 的 脉 宽无 任 何 要 求 ， 但 必 须 保 证 脉 冲 的 高 低 电 平 要 求 的 宽 度 。2.芯 片 擦 除XTAL1 和 XTAL2 分 别 为 反 向 放 大 器 的 输 入 和 输 出 。 该 反 向 放 大 器 可 以 配 置 为 片 内振 荡 器 。 石 晶 振 荡 和 陶 瓷 振 荡 均 可 采 用 。 如 采 用 外 部 时 钟 源 驱 动 器 件 ， XTAL2 应 不接 。 有 余 输 入 至 内 部
24、 时 钟 信 号 要 通 过 一 个 二 分 频 触 发 器 ， 因 此 对 外 部 时 钟 信 号 的 脉 宽无 任 何 要 求 ， 但 必 须 保 证 脉 冲 的 高 低 电 平 要 求 的 宽 度 。- 9 -3.2.4AT89C2051 与 AT89C51 对比AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器
25、可以反复擦除 100 次。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，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 单片机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。啊 T89C2051 是 精 简 版 的 51 单 片 机 ， 精 简 掉 了 P0 口 和 P2 口 ， 只 有 20 引 脚 ， 但 其内 部 集 成 了 一 个 很 实 用 的 模 拟 比 较 器 ， 特 别 适 合 开 发 精 简 的
26、51 应 用 系 统 ， 毕 竟 很 多 时候 我 们 开 发 简 单 的 产 品 时 用 不 了 全 部 32 个 I/O 口 ， 用 AT89C2051 更 合 适 。1.两者的不同点AT89C2051 可以看作 AT89C51 的简化版。如果不需要扩展片外 RAM ,ROM 主要区别有:（1）AT89C51 有 4KB 的 ROM,而 AT89C2051 只有 2KB 的 ROM。（2）AT89C51 有 4 个 8 位 I/O 口,而 AT89C2051 只有 2 个 8 位 I/O 口(P3.6 没有引脚)。由于 AT89C2051 的 IO 线很少，导致它无法外加 RAM 和程序 ROM，片内 Flash 存储器也少，但它的体积比 AT89C51 小很多.AT89C2051 AT89C512KB 可编程 Flash 存储器（可擦写1000 次）4KB 可编程 Flash 存储器（可擦写 1000次）两级程序存储器保密 三级程序存储器保密静态工作频率:0Hz-24MHz 静态工作频率 :0Hz-24MHz128 字节内部 RAM 128 字节内部 RAM2 个 16 位定时/计数器 2 个 16 位定时/计数器一个串行通讯口 一个串行通讯口6 个中断源 6 个中断源15 条 I/O 引线 32 条 I/O 引线1 个片内模拟比较器 片内时种振荡器
