2020年12月09日 | DS18B20单片机数字温度计

①采用单片机设计电子温度计，选择适合的感温元件，温度测量范围-50℃～110℃；

②测量误差小于0.1℃；

③LED数码直读显示；

1.2总体方案分析

在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以本次设计采用温度传感器DS18B20。整个系统由单片机控制，温度传感器采用DS18B20。DS18b20采用单总线方式与单片机相连.把采集到得温度信息传给单片机。单片机采集到的温度输出到四个数码管上进行显示。当四位数码管显示的温度超过上限值时可以实现报警功能。系统总体方案如图1-1所示。

图1-1 系统总体方案

2 电路设计2.1电路原理图

电路原理图如图2-1所示；

图2-1 电路原理图

2.2电路PCB图

电路PCB图底层如图2-2所示；

图2-2 电路PCB底层图

电路PCB顶层如图2-3所示；

图2-3 电路PCB顶层图

电路PCB3D图如2-4所示；

图2-4 电路PCB3D图

2.3设计计算及分析说明2.3.1时钟电路和复位电路

①复位电路

复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。在本系统中，上电复位采用电平方式开关复位。上电复位采用RC电路，其中电容为10uF，电阻为10K。

②晶振电路

单片机系统里晶振的作用非常大，它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振提供的十种频率越高，单片机运行的速度也就越快。单片机的晶振频率应低于40MHZ，本设计中采用的晶振频率为11.0592MHZ，在晶振上并联两个30pF电容。

时钟电路和复位电路如图2-5所示。

图2-5 电路和复位电路图

2.3.2温度采集电路

DS18B20温度传感器是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：
    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3.0~5.5Ｖ；
    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，电极接反时，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常工作。温度采集电路如图2-6所示。

图2-6 温度采集电路图

DS18B20测温原理如图2.7所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

图2-7 DS18B20测温原理

2.3.3蜂鸣器报警电路

本设计报警系统使用蜂鸣器报警电路，在单片机程序内设置了报警温度的上下限值,当温度高于设定温度上限时，蜂鸣器提示；当温度低于设定温度下限时，蜂鸣器也会提示。报警功能是重要功能之一,在很多应用场合下通过报警功能可以避免很多人力、财力的损失，蜂鸣器报警电路所测温度超出上、下限温度极限值时,为实现报警功能,设计了蜂鸣器报警电路。报警电路如图2-8所示。

图2-8 蜂鸣器报警电路图

2.3.4位LED数码管显示电路

              在该电路中采用的是4位共阳极数码管,通过P2.0~P2.3端来控制四位数码管的亮灭,通过P0并行口来控制数码管显示的数值。使用数码管时,采用动态扫描的方式, 动态显示的特点是将所有位数码管的段选线s一位数码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。LED数码管显示电路图如图2-9所示。

图2-9 LED数码管显示电路图

2.3.5按键控制电路

本电路具有按键输入功能，当有按键被按下时，相对应的引脚会变成低电平，便可确定是哪一个按钮被按下。按键可设定报警温度的上限值和下限值，如果当前环境温度不在设定范围之内，蜂鸣器就会报警。按键控制电路如图2-10所示。

图2-10 按键控制电路图

2.4电路元件选择

由Altium Designer的bill of material功能导出得到本次设计的所有元器件，电路元器件如图2-11所示。

图2-11 电路元器件清单图

3 程序3.1程序流程图及说明3.1.1主程序

主程序设计如图3-1所示；

图3-1 主程序流程图

代码：

//主函数

void main()

{

              beep=0;

              delay(10);

              while( 1 )

              {

              tmpchange();                  //温度变换

              if(shu==0)

              {

                      displayTemp(tmp( ));

              }

              keyscan();                                          //键盘扫描

              if(shu==1)

              {

                      displayTemp(count);                //设置上限温度值

               }

              if(shu==2)

              {

                      displayTemp(alarm);              //设置下限温度值

              }

              if(shu==3)

              {

                 shu=0;            

               }

              if(temp>count||(temp              {

              beep=0;

              }

              else

              beep=1;

              }

}

3.1.2按键控制程序设计

在键盘扫描程序中，对按键初始化，然后判断按键是否闭合，如果按键闭合，通过软件延时去抖，最后通过显示程序可以看到相应的按键设置值，以做下一步指示，这是最基本的人机交互模式。按键控制流程如图3-2所示。

图3-2 按键控制流程图

代码：

//键盘扫描函数

uint keyscan()

{

              if(key1==0)

              {

                   delay(5);

                   if(key1==0)

                   {

                            while(!key1);

                            shu++;

                    }

              }

                          if(key2==0)

                           {

                                  delay(5);

                                  if(key2==0)

                                  {

                                     while(!key2);

                                     count=count+10;

                                       if(shu==2)

                                       {

                                            alarm+=10;

                                        }

                                   }

                           }

                               if(key3==0)

                               {

                                     delay(5);

                                     if(key3==0)

                                     {

                                              while(!key3);

                                              count=count-10;

                                                           if(shu==2)

                                                {

                                                      alarm-=10;

                                                 }

                                     }

                                                    }

      return(count);

}

3.1.3DS18B20初始化程序设计

DS18B20的初始化

(1)先将数据线置高电平”1”

(2)延时(该时间要求的不是很严格,但是尽可能的短一点)
(3)数据线拉到低电平“0”
(4)延时750微秒(该时间的时间范围可以从480到960微秒)
(5)数据线拉到高电平“1”
(6)延时等待(如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平”0”。据该状态可以来确走它的存在,但是应注意不能无限的进行等待,不然会使程序进入死循环,所以要进行超时控制)。
(7)若CPU读到了数据线上的低电平“0”后,还要做延时,其延时的时间从发出的高电平算起第(5)步的时间算起)最少要480微秒。
(8)将数据线再次拉高到高电平“1后结束。

DS18B20初始化程序流程图如图3-3所示。

图3-3 DS18B20初始化程序流程图

代码：

void dsreset()//发复位

{   

              uint i;

              DS=0;

              i=103;

              while(i>0)i--;

              DS=1;

              i=4;

              while(i>0)i--;

}

uchar tmpread()   //读取一字节

{

              uchar j,k,dat;

              uint i;