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毕业设计(论 文) 粮仓温湿度监测系统 系 别自动化工程 系 专业名称测控技术与仪器 班级学号5060929 学生姓名张娟英 指导教师王军伟 2010 年 6 月 15 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页 粮仓温湿度监测系统 摘 要 随着单片机技术的飞速发展，单片机在各个领域得到了广泛的应用。粮食是人类 生存的必需品，温度是保存好粮食的先决条件，储存大量的粮食对稳定国民经济的发 展起到至关重要的作用。粮库一般较大，测量点会很多。粮仓温湿度测量方法以及相 应的智能控制一直是粮食保存的一个重要问题。 本系统是以 AT89C52 单片机、DS18B20 数值温度传感器和 HS1100 湿度传感器为 核心组成的粮仓温湿度控制系统。该系统利用 AT89C52 单片机采集了各个点的温度、 湿度，实现温湿度显示、报警等功能。它以 AT89C52 单片机为主控制芯片，采用数字 温度传感器 DS18B20 和湿度传感器 HS1100 实现多路温度的检测，利用 LCD1602 液晶 显示器形象直观的显示测出的温湿度值。本文在确定法设计方案基础上，着重论述了 系统的软硬件设计，并且描述了系统电路设计、硬件设计框图及所使用各种芯片功能 和特性。通过 PROTEUS 软件和 KEIL C 仿真出了该系统。 关键词：单片机，DS18B20，HS1100，液晶显示，报警 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页 Temperature And Humidity Monitoring System Of The Granary Author:Zhang Juanying Tutor: Wang Junwei Abstract Along with the single chip microcomputer technology rapid development, the microcontroller obtained the widespread application in each domain. The grain is the human survival essential item，the temperature and humidity are the precondition of preserving the grain well, storing up the massive grain plays a crucial role in the development of the stable national economy. Provision room is generally big, so there will be a lot of measurement points. Grain temperature and humidity measurements methods and the corresponding intelligent control of food preservation has been an important issue. The system is based on AT89C52 single-chip, numerical temperature sensor DS18B20 and humidity sensor HS1100, which composite the core temperature and humidity control system. This system has gathered each temperature and humidity using AT89C52 monolithic integrated circuit, which realizes functions temperature and humidity display and alarm functions and so on. It takes AT89C52 monolithic integrated circuit as main control chip, which uses digit temperature sensor DS18B20 and humidity sensor HS1100 to realize the multi-channel temperature detections. Temperature value and humidity value which determines is displayed using the LCD1602 liquid-crystal in direct-viewing demonstration. This article focuses on system's software and hardware design emphatically on the foundation of determining the design of the program. It describes the system circuit design, the hardware design diagram as well as the function and the characteristic of the chip which is used in the system. This system is simulated through the PROTEUS and KEIL C software. Key Words：Single-chip Microcomputer ，DS18B20 ，HS1100， Liquid-crystal display， Warning 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页 目目 录录 1 绪论.1 1.1 背景 .1 1.2 设计的目的和意义 .1 1.3 相关领域国内外设计方法 .2 2 系统方案设计.7 2.1 方案设计 .7 2.2 方案论证 .7 3 系统硬件的设计.9 3.1 系统工作原理综述 .9 3.2 AT89C52 的介绍 9 3.2.1 AT89C52 芯片的简介9 3.2.2 AT89C52 主要功能特性10 3.3 DS18B20 简介.11 3.3.1 DS18B20 的性能特点.11 3.3.2 DS18B20 的内部结构.11 3.3.3 DS18B20 的温度值格式.13 3.3.4 DS18B20 单总线(1-Wire)的基本原理14 3.3.5 DS18B20 与单片机接口电路16 3.4 HS1100 简介及测湿度原理图.18 3.4.1 HS1100 /1101 的特点18 3.4.2 湿度测量电路设计及工作原理.19 3.5 LCD 液晶显示电路 20 3.5.1 LCD1602 主要技术参数21 3.5.2 LCD1602 的引脚说明21 3.5.3 控制指令说明.22 3.5.4 液晶内部显示地址.22 3.6 扫描键盘 .23 3.7 报警电路 .24 3.8 温湿度控制输出驱动电路 .24 4 系统软件的设计.26 4.1 主程序设计 .26 4.2 DS18B20 的软件设计.27 4.2.1 复位与读、写时序.27 4.2.2 操作命令介绍.28 4.2.3 基本操作程序及流程图.29 4.3 HS1100 的程序设计.33 4.4 1602 的 C51 读写程序34 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 IV 页 4.5 键盘扫描程序设计 .37 4.6 温湿度报警程序设计 .38 5 系统的抗干扰问题.39 5.1 硬件抗干扰措施 .39 5.2 软件抗干扰措施 .41 结论.43 参考资料.44 致谢.45 附录.46 附录 A46 附录 B47 附录 C53 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 V 页 1绪论 1.1 背景 “国以民为本，民以食为天” ， “兵马未动，粮草先行” ，这些都充分说明粮食对国 家的重要性1。从理论上讲国家掌握的粮食越多越好，但从现代经济学的角度看，国 家只要能控制住一定数量的可以灵活支配、质量良好的粮食，既可达到“备战备荒” 、 宏观调控的目的，又可节省资金用于发展经济。 一般来说：粮食存放在粮仓中，大型的粮仓可存放数以万计的粮食。而且这些粮 食存放的时间有长有短。为了保证存放在粮仓中的粮食不致腐烂变质，就必须使粮仓 内的温湿度保持在一定的范围以内。为了达到以上的要求，必不可少的就是既稳定又 精确的粮情监测系统。 粮情监测系统是通过计算机检测粮食储备库中粮食的基本温湿度情况，并结合其 他粮情信息（如入仓时间、品种、仓型、天气状况等）进行综合分析。利用微机技术 对粮仓进行监测，用户可方便地构造自己需要的数据采集系统。 在综合研究国内粮库管理现状和发展的前提下，吸收了国内多种粮库粮情温湿度 监测系统的成功经验后，我们设计了自己的仓库温湿度监测系统。该系统具有可靠性 和高性价比，而且操作维修简便，具有检测、数显等诸多功能。 1.2 设计的目的和意义 科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大 浪费。粮库管理中最重要的问题是监测粮堆中的温湿度变化。粮库一般由几十个甚至 上百个由水泥或钢板构成的圆型仓组成，仓高 2030m。现在，我国在粮仓建设上己实 现规范化，但是监测手段一直未能实现同步现代化2。我国许多储备粮库每年都因测 控设备的不完善而导致部分粮食霉变，许多大型储备粮库的测控设备仍需高价进口， 因此国家准备在未来的几年内对全国所有的粮库进行翻新和改造工作，要求规范粮库 管理，实现粮库管理现代化。 影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的温度和湿度，这就要求能有一种有效的、 低成本的仪表来实现监测控制功能，使得管理人员能够方便有效地进行监测操作。如 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页 果用单片机作为前沿机对现场进行数据采集，通过对采集的数据进行分析（温度设定， 实时温度显示，报警电路）然后通过单片机串行口控制电机启停进行温湿度控制。 利用单片机技术对粮仓进行监测，用户可以方便地够造自己所需要的数据采集系 统，在任何时候把粮仓现场的信息实时地传到控制室，管理人员不进入现场就可以按 照所需的温湿度要求对粮仓内的温度情况进行控制，提高了生产效率，增强了粮仓内 存储安全，获得了粮仓的实时管理，实现自动化。微机测量是微机设计的第一步，是 微机测量技术的现场部分，即测量粮仓中的温湿度，并使用单片机对测量的数据进行 处理并对粮仓内的温湿度进行控制。 1.3 相关领域国内外设计方法 国内外有很多仓库温湿度监测系统的方法，主要有以下几种。 1、基于 CAN 总线的粮情监控系统的设计与实现 基于 CAN 总线的粮情监控系统主要由监控计算机和各仓房智能测控节点构成，具 体分为通用计算机、USBCAN 网络适配器、CAN 总线网络和若干个仓房智能测控节点。 该系统将完成以 AT89C52 控制器为中心的数据采集与通风控制的仓房节点的设计， 其中最重要的工作是完成仓房温度测量网络的设计3。由于仓房数据采集一般以温度 采集为主，其测量点数目之多，使温度测量的难度加大，因此仓房温度的测量一直是 粮情监控系统设计的关键。在设计中将采用单总线数字式温度传感器 DS18B20 组成单 总线数字式测温网络，并最大限度的缩短和简化电缆布局。系统的湿度传感器选用电 容式传感器，电容式传感器输出为 020mA 的电流信号，经过 250 欧电阻转为电压信 号，此信号再经过 A/D 转换器 TLC1549 转化为 AT89C52 所能采集的串行数字信号， 同时，为减小 TLC1549 内部输入阻抗的影响，在其输入端放置了 LM158 组成的压随 电路。 基于 CAN 总线的粮情监控系统的主要任务是完成对各仓房的温湿度的实时巡检， 对采集数据进行处理分析来掌握粮食的储存情况，并按照要求实时控制各仓房的通风 设备。其中 USBCAN 网络适配器主要负责的任务是实现 USB 接口与 CAN 总线之间的 数据交互，由于监控计算机没有 CAN 总线接口，不能直接提供 CAN 通信功能，系统 通过 USBCAN 网络适配器使监控计算机间接地连入到 CAN 总线网络中。仓房智能测 控节点的任务是完成对粮仓内的温湿度的采集和通风设备的控制，并能通过 CAN 总线 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页 和监控计算机通信。 特点：CAN 现场总线技术作为最有前途的现场总线之一，其可靠性高，使用环境 能力强，交错能力突出，性价比高，有灵活的网络拓扑结构，高度分散的系统结构和 高智能化的现场设备。 2、远程温湿度测控系统研究 远程温湿度测控系统主要由温湿度采集器，温湿度测控平台，控制器，执行机构， 远程通讯模块和控制中心软件等部分组成，系统采用了总线结构，模块化设计，各部 分既可独立工作，又可联网工作，组建方便，并具有良好的扩充性。智能型温湿度采 集器采用国际上先进的温敏和湿敏元件，传递温湿度参数；温湿度测控平台内置微处 理器，智能化设计，可独立工作又可方便组网，还可监测并管理各个温湿度测控器的 工作，指令各相应机构，实现环境的检测和控制，同时，控制平台的通讯功能使其可 作为下位机接受上位机和计算机的管理和控制，通过电力载波、电话线或通讯电缆等 通讯手段可接入总体测控系统中心网络。 1）温湿度采集器（信号采集）: 用于测量环境温湿度，采用温敏电阻和高分子湿敏电容高精度测温测湿，智能化 设计，自动校准温湿度基准。 2）控制器:接受温湿度测控平台指令，控制执行机构起停。 3）执行机构: 指用于实现加热、制冷、加湿、除湿等功用的设备，如加热器、制冷机、加湿机、 除湿机等。 4）测控平台: 测控平台是温、湿度测控系统的重要组成部分，是联系温、湿度测控及信号采集 器和计算机管理控制中心（上位机）的枢纽。一方面传送报警设定参数给测量端，并 获取各点的温湿度值和开关变量；另一方面将温湿度值、状态和开关变量上传给计算 机管理控制中心。巡检测控仪提供液晶显示器显示时间、通道号、温度、湿度以及抽 风除湿等状态。系统状态有通风、强制通风、抽湿、强制抽湿、故障、锁定、查询， 可连续设定温湿度控制值，根据设定指令自动监控温湿度测控器的工作，控制整个系 统的运行，同时可通过通讯模块一与计算机管理控制中心（上位机）通讯联网，接受 计算机管理控制中心（上位机）的工作指令。 （可选带汉字打印机） 。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页 5）通讯（链路）模块: 连接计算机管理控制中心（上位机）与测控平台，使测控平台纳入整体计算的控 制管理中心体系。 6）计算机管理控制中心（上位机）: A、可对多个测控平台进行远程实时显示、检测； B、可对各个测控平台的历史数据进行存储分析，并进行相应的处理； C、可对平台的各个测控参数进行设置和控制； D、可以定时的搜索各个测控平台，及时的汇报各平台的状况。 特点：系统的设计可靠，操作简单方便，全自动化，优选分析软件，智能控制， 而且安装简便，维护简单，不仅适用于国防工程、人防工程等，而且也可广泛适用于 大型建筑、工厂车间、仓库（房） 、温室花棚、蔬菜塑料大棚等对温湿度要求较高的场 所。另外，相关于智能化以及相关产品的研发，既有利于推动工控技术的发展，又能 带来可观的经济效益和社会效益。缺点是所测量的温湿度数据不够精确。 3、无线温、湿度仓贮自动测控系统的研究 无线稳、湿度仓贮自动测控系统主要监测、控制仓库现场的温度和湿度等参数， 实时显示和监测各个仓库的环境情况，通过控制室计算机的分析处理，实现现场的控 制，从而提高仓库的科学管理化、控制自动化水平。 系统由温、湿度数据采集、无线收发、单片机数据接收处理及微机数据显示几部 分组成。数据采集发送部分主要以 89C51 单片机作为核心主机，以单片智能化湿度/温 度传感器作为从机加上数据无线发送模块。单片机接收数据并通过串行口将数据发送 给计算机，计算机对接收到的数据进行处理和显示。 整个系统采用对分布的传感器进行分时扫描的工作方式，控制端上电后将主动向 分布的传感器按照预设的编号发起连接请求，与传感器建立数据传输通道。传感器端 将采集到的仓贮现场数据在经过简单的处理后，经过无线发送模块发送到控制器的接 受端，控制端接收到数据后，按照用户的需要进行分析和处理并产生图表。同时控制 端也可以按照预先设定的标号，对某一个或者多个传感器进行扫描，以确定是否为突 发的干扰错误。 系统通讯接口主要包括一个主控芯片 AT89C51 单片机、一个 RS232 接口电路芯片 MAX232、一个 DTMF 编解码电路芯片 MT888O、无线调频发射电路和接收电路等 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页 DTMF 编、解码采用硬件电路 MT8880 芯片，它是一种带呼叫进展滤波器的单片双音多 频收发器。MT8880 有一个标准的微处理器总线接口，可直接与单片机 I/O 端口连接， CPU 通过它控制发送器和接收器工作，与该接口有关的是片内的数据转移寄存器、控 制寄存器和状态寄存器。 无线收发电路设计主要是挪威 Nordic 公司最新推出的一款数传频段为 433MHz 的 单片无线收发一体化的 nRF401 芯片，它将高频发射、高频接收、PLL 合成、FSK 调 制、FSK 解调和多频道切换等功能进行高度集成，具有性能优异、价格低廉和使用方 便等特点，nRF401 芯片能和串口直接相连，且简单的单片机 I/O 输出可直接控制无线 收发芯片的收发工作，无线通信系统设计简便4。 特点：采用无线传输技术的系统唯一缺陷是在传感器收发数据的校准的时候比较 繁琐，花费了大量的时间和精力，但是一经校准，维护工作简单容易，测量数据的准 确率高。 4、智能化粮情监控系统的研究与开发 储粮的主要物理参数是粮食的温度、水分以及仓库内、外的温度、湿度，这些参 数的快速、准确、自动监测对于减少粮食损耗具有重要意义。粮情监控系统是能够对 粮食自动进行测温、测湿及测水分，实现粮情的自动监测，完成粮食状态的分析与估 计的智能系统。智能化粮情监控系统利用计算机构成整个粮食仓储区管理系统，系统 设计成主从工作方式，主机应具备通讯、数据显示、数据存储、数据分析等主要管理 功能；下位机系统应该具备通讯、控制及参数输入等基本功能。 粮情监控系统采用温度传感器来采集粮食的温度，粮仓中各个测温点在测控分机 的控制之下被循环接入测量电路。由于每个粮仓的测温点较多，那么每一个都设置了 一个测控分机，以确保其有足够的测量能力。测控分机与中心控制室的距离较远，为 了增加信号的传输距离，系统采用 RS485 总线与通讯主机相连，而通讯主机收到测控 分机输出的数据信号，经过光电隔离、74LS14 数据整形，然后将 0SV 的数字信号转 换为上位机可以接受的（-12）V（+12）V 数字信号，通过串行通讯口 RS232 传给上 位机，上位机据此信号实现数据实时显示、曲线浏览、粮库管理等功能。 上位机：系统选用标准的 PC 机作为上位机，安放在中心控制室，该部分是整个系 统的核心部分。无论是和下位机通讯，还是系统的综合管理，都完全依赖本控制中心。 主要完成的功能有通讯功能，管理功能，显示机打印功能，还有报警提示功能。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页 下位机：主要由通讯主机和测控分机组成。 通讯主机：通讯主机放在微机室或总控室，一端通过标准工业接口 RS232 与计算 机相连，另一端通过 RS485 总线与现场的若干台分机相连，进行分机与计算机间数据 或指令的上传下达。 测控分机：安装在仓库现场，通过 RS485 总线与通讯主机相连，每台测控分机连 接若干温湿度传感器、通风控制器、仓内外温湿度传感器、水分传感器等设备，完成 仓房粮情检测和通风控制功能。 特点：系统采用了数字式温度传感器 DS18B20，这种芯片省去了 A/D 转换电路， 测量精度高，可靠性强。通讯方式采用 RS485 总线技术，缺点是应用时间长，但软硬 件实现较为容易，因此是国内粮情检测系统采用较多的通讯方式。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页 2系统方案设计 2.1 方案设计 方案一：该方案由单片机、模拟温度传感器 AD590、湿度传感器 HS1100、555 振 荡芯片、运算放大器、A/D 转换器、LCD 显示电路、电风扇、报警灯组成。 该方案采用模拟温度传感器 AD590 作为测温元件，传感器测量的温度变化转换成 电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器交给信号进行适当的放 大，最后通过模数转换器将模拟模拟信号转换成数据信号，传给单片机，单片机将温 度值进行处理之后用 LCD 显示，当温湿度值超过设定值时开始报警且打开电风扇。如 图 2.1 所示： 模拟温度 传感器 运算 放大器 AD 转换 键盘 单 片 机 LCD 显示模块 报警灯 电风扇 湿度传感器555 振荡 图 2.1 方案一温湿度测量系统方案框图 方案二：该方案使用了 AT89C52 单片机作为控制核心，以智能温度传感器 DS18B20 和湿度传感器 HS1100 为温湿度测量元件，进行多点温湿度监测，超过其温 湿度上下限值就报警且打开电风扇和干燥机。显示电路采用 LCD1602 模块，使用单片 机直接驱动发光二极管构成报警电路。 （如图 2.2 所示） 。 2.2 方案论证 方案一采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器传给处理器。它控制虽 然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度测量和监控。由于采用了多个分立元件 和模数转换器，容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。 方案二采用智能温度传感器 DS18B20，它直接输入数字量，精度高，电路简单， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 只需要模拟 DS18B20 的读写时序，根据 DS18B20 的协议读取转换的温度,体现了技术 的先进性，性价比低。综上所述，本课题应当采用方案二对系统进行设计。 DS18B20 键盘 单 片 机 LCD 液晶 显示电路 报警器 HS1100555 振荡 电风扇 干燥机 HS1100555 振荡 DS18B20 8253 可编程计数器/定时器 图 2.2 方案二温湿度测量系统方案框图 8253 可编程计数器/定时器内部有三个计数器，分别为计数器 0、计数器 1 和计数 器 2，他们的机构完全相同。每个计数器的输入和输出都决定于设置在控制寄存器中的 控制字，互相之间工作完全独立。每个计数器内部有一个 8 位的控制寄存器，还有一 个 16 位的计数初值寄存器 CR、一个计数执行部件 CE 和一个输出锁存器 OL。CR、CE 和 OL 都是 16 位寄存器，也可以作 8 位寄存器来用。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 3系统硬件的设计 3.1 系统工作原理综述 基于单片机的单总线多点温度监测系统以 AT89C52 为中心，以 KEIL 为系统程序 开发平台，以 C 语言进行程序设计，以 PROTEUS 作为仿真软件设计而成的。系统主 要由温度传感器、湿度传感器、液晶显示电路、键盘、报警电路、电风扇、干燥机组 成，电路图如附录 A 所示。 温度传感器是 DS18B20 芯片，它的输入、输出采用数字量，通过单总线，接收主 机发送的命令，根据 DS18B20 内部的协议进行相应的处理，将转换的温度数值以串口 形式发给主机，主机按照通讯协议用一个 I/O 口模拟 DS18B20 时序，发送命令（初始 化命令、ROM 命令、功能命令）给 DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数据 处理得到温度值。湿度传感器是 HS1100 芯片，在电路构成中等效于一个电容器件，将 该湿敏电容置于 555 振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号， 可直接被计算机所采集，然后通过编程将电压频率信号转换成与之对应的湿度。湿度 和温度值在液晶上循环显示。在系统启动时，可以通过软件设置各点温湿度的上限值 和下限值，当某点温度或湿度超过设置值时，报警器开始报警且执行器开始工作，从 而实现了对各点温湿度实时监测。 3.2 AT89C52 的介绍 3.2.1 AT89C52 芯片的简介 AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦 写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置 通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可提供许多较复 杂系统控制应用场合3。 AT89C52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中 断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结 合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 AT89C52 有 PDIP、PQFP/TQFP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需 求。 图 3.1 AT89C52 引脚图 3.2.2 AT89C52 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统 32 个双向 I/O 口 3 个 16 位可编程定时/计数器中断 2 个串行中断 2 个外部中断源 2 个读写中断口线 低功耗空闲和掉电模式 8K 可反复擦写（大于 1000 次）Flash ROM bit 内部 RAM256 8 时钟频率 024MHz 可编程 UART 串行通道 共 6 个中断源 3 级加密位 软件设置睡眠和唤醒功能 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 3.3 DS18B20 简介 美国 MAXIM 公司的子公司 Dallas 半导体公司的数字温度传感器 DS18B20 是世界 上第一片支持“一线总线” 接口的温度传感器，全部传感元件及转换电路集成在形如 一只三级管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用用户可轻松地组建传 感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的 DS18B20 体积更小、更 经济、更灵活，使你可以充分发挥“一线总线”的优点6。 3.3.1 DS18B20 的性能特点 单线数字温度传感器 DS18B20 器件的特点如下： 1）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即可实现 单片机与 DS18B20 的双向通讯。 2）在使用中不需要任何外围元件。 3）可用数据线供电，电压范围： 3.0 5.5 V。 4）测温范围：-55 125 。测温分辨率为 0.5。 5）通过编程可实现 912 位的数字读数方式。 6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 7）支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在三条线上，实现多点测温。 8）负压特性，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。 3.3.2 DS18B20 的内部结构 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。DS18B20 的管脚排列如图 3.2 所示。 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） 。 DS18B20 采用 3 角 PR-35 封装或 8 角 SOIC 封装，其内部结构如图 3.3 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 图 3.2 DS18B20 的管脚排列图 64 位 ROM 和 单线 接口 电 流 检 测 存储器和控制器 高速 缓存 存储器 8 位 CRC 生成器 温度敏感元件 低温触发器 TL 高温触发器 TH 配置寄存器 图 3.3 DS18B20 内部结构图 （1）64 位光刻 ROM 的结构如下： 8位CRC校验码48位序列号8工厂代码（10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB 在 ROM 中，开始是 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 56 位的 CRC 校验码。可用 ROM 操作命令读出其内容。 （2）内部存储器 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页 DS18B20 温度传感器的内部存储器字节顺序如下： 温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8 位 CRC 字节 0 字节 8 第 1，2 字节保存温度数值，第 1 字节为低位，第 2 字节为高位。 第 3，4 字节锁存器 TH 和 TL 保存非易市失性温度报警数据，可通过软件写入用 户报警上下限。 第 5 字节是配置寄存器，其内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20 工 作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下： TMR1R011111 该寄存器低 5 位都是 1，TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是 在测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动，R1 和 R0 决定温 度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表 3.1 所示（DS18B20 出厂时被设置为 12 位）。 表表 3.1 分辨率与转换时间表分辨率与转换时间表 R1R0 分辨率温度最大转换时间 00 9 位 93.75ms 01 10 位 187.5ms 10 11 位 375ms 11 12 位 750ms 由表可知，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。 第 68 字节未用，表现为全逻辑 1； 第 9 字节读出的是前面所有 8 个字节的 CRC 码，可用来保证通信正确。CRC 的产 生在 64 位 ROM 的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。处理器根据 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。 3.3.3 DS18B20 的温度值格式 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内部存储器的第 1，2 字节。单片机可通过单线 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页 接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以 0.0625/LSB 形式表示。 温度值格式如表 3.2 所示： 表表3.2 DS18B20 温度值格式表温度值格式表 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 LS Byte Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit 9 Bit 8 MS Byte 2223 21 202-1 2-22-3 2-4 SS S S S 262524 当符号位 S=0 时，直接将二进制位转换为十进制；当 S=1 时，先将补码变换为原 码（在取补） ，再计算十进制值。表 3.3 是一部分温度值对应表。 表表 3.3 部分温度值对应表部分温度值对应表 温度（）二进制十六进制 +1250000 01111101 000007D0H +25.06250000 00011001 00010191H +0.50000 00000000 10000008H 00000 00000000 00000000H -0.51111 11111111 1000FFF8H -25.06251111 11100110 1111FE6FH -551111 11001001 0000FC90H 3.3.4 DS18B20 单总线(1-Wire)的基本原理 1.概述 单总线(l-Wire)采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向， 它具有节省 I/O 口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。 1-Wire 单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。当只有一个 从机位于总线上时，系统可按照单节点系统操作，而当多个从机位于总线上时，则系 统按照多节点系统操作。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页 为了较为全面地介绍单总线系统，将系统分为三个部分讨论硬件结构命令序列和 信号方式(信号类型和时序)。DS18B20 的测温原理图如图 3.4 所示： 斜率累加器 预置 低温度系数振荡器减法计数器 1 计数比较器 预置 温度寄存器减到 0 增加 高温度系数振荡减法计数器 2减到 0 停 止 图3.4 DS18B20测温原理图 图 3.4 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晶振频率明显改变，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 就低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，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所对应的一个基数分别置入 减法计数器 1、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 的预置减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置值将重新被装入，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 时停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。 图 3.4 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，知道温度寄存器仍达到被测温度 值。 2.命令序列 典型的单总线命令序列如下： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 16 页 第一步：初始化； 第二步：ROM 命令（跟随需要交换的数据） ； 第三步：功能命令（跟随需要交换的数据） 。 每次访问单总线器件，必须严格遵守这个命令序列，如果出现序列混乱，则单总 线器件不会响应主机。但是，这个准则对于搜索 ROM 命令和报警搜索命令例外，在执 行两者中任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，必须返回至第一步。 1）初始化 基于单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程由主机发出的复 位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准 备就绪。 2）ROM 命令 在主机检测到应答脉冲后，就可以发出 ROM 命令。这些命令与各个从机设备的唯 一 64 位 ROM 代码相关，允许主机在单总线上连接多个从机设备时，指定操作某个从 机设备。这些命令还允许主机能够检测到总线上有多少个从机设备以及其设备类型， 或者有没有设备处于报警状态。从机设备可能支持 5 种 ROM 命令(实际情况与具体型 号有关)，每种命令长度为 8 位。主机在发出功能命令之前，必须送出合适的 ROM 命 令。ROM 命令主要包括：搜索0F0h、读 ROM33h、匹配 ROM55h、跳越 ROM0