单片机DS18B20测温系统仿真设计-创新性实验结题报告

根据 DS18B20 的 1-wire 的通信原理，利用单片机汇编（或 C）语言实现一个温度测试并显示的电路，在 Proteus 平台上进行电路设计，并且载入单片机程序进行仿真验证。

掌握虚拟仿真软件 Proteus 的应用，了解温度传感器 DS18B20 的 1-wire 的通信原理，学会采用 Proteus 虚拟仿真软件工具，利用单片机汇编（或 C）语言实现一个温度测试并显示的电路，并且在 Proteus 软件上仿真测试，进行验证，综合实验系统的使用方法，熟悉创新性实验报告的撰写方法。

实验场地： 院实验室318、424

仪器设备： 计算机一台

软件：   Proteus软件

（1）DS18B20特点：

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部分命令设置：

DS18B20读写时序图：

说明：

主机要生成一个写时间隙，必须把数据线拉到低电平然后释放，在写时间隙开始后的15μs内允许数据线拉到高电平。 主机要生成一个写 0 时间隙，必须把数据线拉到低电平并保持 60μs。

初始化过程“复位和存在脉冲”：

说明：

DS1820 需要严格的协议以确保数据的完整性。协议包括几种单线信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写0、写 1、读0 和读1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。 和 DS1820 间的任何通讯都需要以初始化序列开始，一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明 DS1820 已经准备好发送和接收数据（适当的 ROM 命令和存储器操作命令）。

DS18B20温度值格式表：

说明：

　　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。 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FE6FH，-55℃的数字输出为FC90H 。

（2）数码显示：

采用数码管动态显示，通过位控线选择数码管，同时单片机通过查表送出段选送显示的段码，利用人的视觉暂留特点达到显示的目的。

（3）复位电路：

复位电路采用手动复位，实现单片机系统复位。

（4）震荡电路;

为单片机提供恒定可靠的震荡周期。

（5）驱动电路：

由于单片机的驱动能力有限，考虑到数码管的特点，实际应加上驱动电路，以提供合适的电流。

（6）测温开关

给单片机信号，给予其开始测温，关闭测温指示。

（7）Proteus 虚拟仿真

在keil中编写单片机程序，生成相应的.Hex文件，将文件复制到一个文件夹下，在Proteus里添加单片机并设置程序的路径，找到该文件，仿真时就会调用该程序文件。

2、实验内容

根据设计要求设计硬件电路，根据各项指标选择合适的原件，在Proteus原理图中画出原理图。本设计采用六个八段数码段动态显示，硬件电路主要有单片机，复位电路，数码显示，震荡电路，驱动电路，测温开关电路，传感器电路等组成。开机显示“HELLO”友好界面，测温控制开关开始关闭测温，当开关闭合时，处于测温状态，显示的温度值即为真实温度，开关打开时为关闭状态，数码管组显示“OFF”与最后一次测量值的交替显示，警示测温中断，开关再次合上时又进行正常测温。考虑到成本问题单片机选用AT89C52，该单片机为一8位单片机，详细介绍再次就不过多陈述，具体参数参考技术资料。单片机程序采用汇编语言，在Keil环境下编译。

3、实验步骤

（1）根据功能设计硬件电路

<1>数码管显示及其驱动电路:

本设计采用的是6位8段共阳数码管，如下图所示，ABCDEFG个DP分别是数码管的八个段，123456是对应的六个线选线，由于单片机的灌电流能力也不是很强，直接驱动几个数码管有点困难，因此加上了373锁存器，跟7407同向驱动芯片。373锁存p0（开漏输出）口输出的段选信号，P2口是线选信号输出口。P2口虽然内部有上拉电阻，但是由于7407是集电极开路六组驱动器，没有上拉不能输出高电平所以还要加上拉电阻。7407的驱动能力比较强，高电平时输出最大电流可达41mA，而输入高电平电流只需40uA即可，能够满足该六位数码管正常显示。

<2>振荡电路

该振荡电路外部由两个电容C1，C2跟晶振X1组成，如下图连接接地，并接到单片机的XTAL1跟XTAL2引脚上。由于51单片机内部有一个用于构成振荡器的可控高增益反向放大器，两个引脚XTAL1，XTAL2分别是该放大器的输入端跟输出端。按下图所示，就可构成一个自激振荡器，匹配电容根据晶振的要求选取，一般选用20~30pF瓷片电容即可。

<3>复位电路

下图是一个简单手动复位与上电复位的综合复位电路。R2，R3构成手动复位电路，R2一般取1~5KΩ。在实际电路中，当R3=200Ω，R2=800Ω时，按下按键实现可靠复位电压为4V.即Urst=U*R2/(R2+R3)。由于仿真软件的问题，当R2大于1K时，上电后RST引脚不能实现低电平，因此不能满足复位的条件，采用800Ω电阻时能够实现。但实际电路中R2取到1K才能实现可靠的上电复位。（相关公式：Urst=5*e^(-t/τ), τ=R2*C,当复位电压大于等于3V时是可靠复位电压。带入上式，t=τ*ln(5/3) ≈0.15τ,当R2=1KΩ，C=22uF时，t≈11.2ms.即复位时间约为11.2ms。为保证可靠复位，复位时间大于10ms即可。）

<4>测温开关：

测温开关的实现时利用检验其是否存在的原理进而转换显示状态，故可以设置在DS18B20跟单片机相连的路径之间（接在P3.3引脚），开关断开，单片机就会检测不到传感器，转换到关闭测温状态，开关闭合，单片机又能检测到传感器，自动转到测温显示状态。由于DS1820 的单总线端口（I/O 引脚）是漏极开路式的，一个多点总线由一个单线总线和多个挂于其上的从机构成。在发出任何涉及拷贝到 E2存储器或启动温度转换的协议之后，必须在最多 10μs之内把 I/O 线转换到强上拉，因此单线总线需要一个约 5KΩ的上拉电阻。

实际电路如下图所示：

（2）设计单片机程序，画出流程图

通过单线总线端口访问 DS1820 的协议如下：

• 初始化   

• ROM 操作命令   

• 存储器操作命令

• 执行/数据

程序组成：

主程序

子程序：

HELLO与OFF开关显示、DS18B20初始化、重写DB18B20、读温度、温度数值转换等。

主程序流程图：

HELLO与OFF开关显示流程图：

DS18B20初始化流程图：

重写DB18B20流程图：

读温度流程图：

温度数值转换流程图：

（3）编写程序

根据硬件电路编写程序，程序见实验结果部分的程序清单。

（4）仿真调试

在Keil编译环境下编译汇编程序，设置晶振12MHz，生成.Hex文件。打开用Proteus画好的原理图，双击单片机，设置震荡频率12MHz，与硬件电路相对应，浏览找到生成的该程序的.Hex文件作为其程序。设置完成，打开仿真按钮，进行仿真调试，打开闭合测温开关观察现象，调节DS18B20的温度调节部分调节温度，观察数码显示温度值。

1、实验现象、数据记录

当仿真开始时，显示开机界面“HELLO”：

测温时，当测试零下温度时显示零下温度值：

当测试零上温度时显示正的温度值：

当测温开关打开时，显示“ＯＦＦ”与最后一次测温值交替显示界面：

2、对实验现象、数据及观察结果的分析与讨论：

    开机时显示“HELLO”问候，采用200次动态扫描显示，显示完之后自动转到下面的初始化及测温程序，传感器存在时，进行正常测温，零上温度入上面图示，显示零上温度，无效位消隐，实现方法是每次遍历存储空间，将无效位的段选置空，有效的位用数据填充，小数点另加到倒数第二个数码管的小数点处。当测试零下温度时，数值转换要取反加1，还要在前面加负号，考虑到负数最多显示两位，故将负号固定在倒数第四位，省去了判断的麻烦。当测温开关断开时，由于检测不到DS18B20的存在，故程序转到显示“OFF”界面，由于要不断地检测存在位，所以要循环检测，循环显示，由于时序的原因，会使OFF与最后一次测温结果交替显示。开关闭合，又能检测到标志位，程序自动进入正常测温序列。

3、主要关键和创新点：

　　在Proteus仿真环境下，使用DS18B20进行一路测温，测温精度达到到0.5摄氏度开机显示友好界面“HELLO”问候，当测温关闭时，会显示“ＯＦＦ”提醒，闭合开关，又可以进行正常测温。本设计通过检查存在标志位的方法进行了测温开关的控制，避免了使用中断进行控制，从而避免了中断导致的测温时序混乱，测温不准的结果。