51单片机温度传感器课程设计要点.docx

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51单片机温度传感器课程设计要点

随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中温度传感器就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

本设计所介绍的温度传感器与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，该设计控制器使用单片机STC89S52，测温传感器使用DS18B20，用LCD实现温度显示,能准确达到以上要求。

随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的温度传感器。

关键词：

单片机，数字控制，温度传感器

1.温度传感器设计内容

1.1传感器三个发展阶段

一是模拟集成温度传感器。

该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

此种传感器具有功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等特点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，且外围电路简单。

它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。

二是模拟集成温度控制器。

模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。

某些增强型集成温度控制器（例如TC652/653）中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。

但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。

三是智能温度传感器。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，当然，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

1.2设计目的

通过基于MCS-51系列单片机AT89C51和DS18B20温度传感器检测温度，熟悉芯片的使用，温度传感器的功能，数码显示管的使用，汇编语言的设计；并且把我们这两年所学的数字和模拟电子技术、检测技术、单片机应用等知识，通过理论联系实际，从题目分析、电路设计调试、程序编制调试到传感器的选定等这一完整的实验过程，培养了学生正确的设计思想，使学生充分发挥主观能动性，去独立解决实际问题，以达到提升学生的综合能力、动手能力、文献资料查阅能力的作用，为毕业设计和以后工作打下一个良好的基础。

1.3设计任务和要求

以MCS-52系列单片机为核心器件，组成一个温度传感器，采用数字温度传感器DS18B20为检测器件，进行单点温度检测，检测精度为±0.5摄氏度。

温度显示采用LCD1602显示，两位整数，一位小数。

2.设计思路与总体框图.

采用AT89S52单片机作为控制核心对温度传感器DS18B20控制，读取温度信号并进行计算处理，并送到液晶显示器LCD1602显示。

按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：

主控制器、测温电路和显示电路。

温度传感器原理图

▲图1仿真电路图

PCB版图

3.温度传感器详细设计

3.1管脚电路图

▲图2AT89S52管脚封装

3.2主要特性

·与MCS-51 兼容  

·4K字节可编程闪烁存储器  寿命：

1000写/擦循环 数据保留时间：

10年 

·全静态工作：

0Hz-24Hz ·三级程序存储器锁定 

·128*8位内部RAM ·32可编程I/O线 

·两个16位定时器/计数器 

·5个中断源  

·可编程串行通道 

·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路

3.3管脚说明

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） 

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号.

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，

ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

     XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

     XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

4.温度传感器模块

▲图3DS18B20相关资料

4.1DS18B20原理与分析

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，它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9～12位的数字值读数方式。

可以分别在93.75ms和750ms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。

以下是DS18B20的特点：

（1）独特的单线接口方式：

DS18B20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）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~+5.5V。

（4）测温范围：

-55-+125℃。

固有测温分辨率为0.5℃。

（5）通过编程可实现9-12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可以并联在惟一的三线上，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。

DS18B20的测温原理是这这样的,器件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振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。

器件中还有一个计数门，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，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。

其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。

温度/℃

二进制表示

十六进制表示

+125

0000011111010000

07D0H

+85

0000010101010000

0550H

+25.0625

0000000110010000

0191H

+10.125

0000000010100001

00A2H

+0.5

0000000000000010

0008H

0

0000000000001000

0000H

-0.5

1111111111110000

FFF8H

-10.125

1111111101011110

FF5EH

-25.0625

1111111001101111

FE6FH

-55

1111110010010000

FC90H

▲图4　一部分温度对应值表

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作按协议进行。

操作协议为：

初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

4.2DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。

另一种是寄生电源供电方式，如图4所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。

采用寄生电源供电方式时VDD端接地。

由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。

由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。

DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。

该协议定义了几种信号的时序：

初始化时序、读时序、写时序。

所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。

而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。

数据和命令的传输都是低位在先。

5．软件设计

系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换子程序、计算温度子程序、显示等等。

5.1主程序

主要功能是完成DS18B20的初始化工作，并进行读温度，将温度转化成为压缩BCD码并在显示器上显示传感器所测得的实际温度。

5.2读出温度子程序

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需要进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。

其程序流程图1如下图所示。

▲图5　程序流程图1

5.3温度转换命令子程序

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辩率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。

流程图图2如下

▲图6　程序流程图2

5.4计算温度子程序

计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定。

流程图3如下：

▲图7　程序流程图3

6.完整程序如下：

#include

#include

typedefunsignedcharuint8;

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

sbitDQ=P3^3;//定义DQ引脚为P3.3

ucharcodeBw[10]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};//百位编码

ucharcodeXsw[16]={0x30,0x31,0x31,0x32,0x33,0x33,0x34,0x34,0x35,0x36,0x36,0x37,0x38,0x38,0x39,0x39};//小数位编码

sbitRS=P2^0;

sbitRW=P2^1;

sbitEN=P2^2;

sbitBUSY=P0^7;

ucharwendu;

uchartemp_g,temp_d;

unsignedcharcodeword1[]={"Temperature:

"};

voiddelay（uintxms）

{uinti,j;

for（i=xms;i>0;--i）

for（j=110;j>0;--j）;

}

voidDelayus（intt）//在11.059MHz的晶振条件下调用本函数需要24μs，然后每次计数需16μs

｛ints;

for（s=0;s

}//等待繁忙标志

voidwait（void）

{P0=0xFF;

do

{RS=0;

RW=1;

EN=0;

EN=1;

}while（BUSY==1）;

EN=0;

}//写数据

voidw_dat（uint8dat）

{

wait（）;

EN=0;

P0=dat;

RS=1;

RW=0;

EN=1;

EN=0;

}//写命令

voidw_cmd（uint8cmd）

{

wait（）;

EN=0;

P0=cmd;

RS=0;

RW=0;

EN=1;

EN=0;

}//发送字符串到LCD

voidw_string（uint8addr_start,uint8*p）

{

w_cmd（addr_start）;

while（*p!

='\0'）

{

w_dat（*p++）;

}

}//初始化1602

voidInit_LCD1602（void）

{

w_cmd（0x38）;//16*2显示，5*7点阵，8位数据接口

w_cmd（0x0c）;//显示器开、光标开、光标允许闪烁

w_cmd（0x06）;//文字不动，光标自动右移

w_cmd（0x01）;//清屏

}

ucharReset（）//完成单总线的复位操作。

{

uchard;

DQ=0;//将DQ线拉低

Delayus（29）;//保持480μs.复位时间为480μs，因此延时时间为（480-24）/16=28.5，取29μs。

DQ=1;//DQ返回高电平

Delayus（3）;//等待存在脉冲.经过70μs之后检测存在脉冲，因此延时时间为（70-24）/16=2.875，取3μs。

d=DQ;//获得存在信号

Delayus（25）;//等待时间隙结束

return（d）;//返回存在信号，0=器件存在,1=无器件

}

voidwrite_bit（ucharbitval）//向单总线写入1位值：

bitval

{

DQ=0;//将DQ拉低开始写时间隙

if（bitval==1）

DQ=1;//如果写1，DQ返回高电平

Delayus（5）;//在时间隙内保持电平值，

DQ=1;//Delayus函数每次循环延时16μs，因此Delayus（5）=5*16+24=104μs

}

voidds18write_byte（charval）//向单总线写入一个字节值：

val

{

uchari;

uchartemp;

for（i=0;i<8;i++）//写入字节,每次写入一位

{

temp=val>>i;

temp&=0x01;

write_bit（temp）;

}

Delayus（5）;

}ucharread_bit（）//从单总线上读取一位信号，所需延时时间为15μs，因此无法调用前面定义的Delayus（）函数，而采用一个for（）循环来实现延时。

uchari;

DQ=0;//将DQ拉低开始读时间隙

DQ=1;//然后返回高电平

for（i=0;i<3;i++）;//延时15μs

return（DQ）;//返回DQ线上的电平值

}

uchards18read_byte（）//从单总线读取一个字节的值

{

uchari;

ucharvalue=0;

for（i=0;i<8;i++）

{//读取字节，每次读取一个字节

if（read_bit（））

value|=0x01<

Delayus（6）;

}

return（value）;

}

intReadtemperature（）//如果单总线节点上只有一个器件则可以直接掉用本函数。

如果节点上有多个器件，为了避免数据冲突，应使用MatchROM函数来选中特定器件。

uchartemp_d,temp_g,k,get[2],temp;

Reset（）;

ds18write_byte（0xcc）;//跳过ROM

ds18write_byte（0x44）;//启动温度转换

Delayus（5）;

Reset（）;

ds18write_byte（0xcc）;//跳过ROM

ds18write_byte（0xbe）;//读暂存器

for（k=0;k<2;k++）

{

get[k]=ds18read_byte（）;

}

temp_d=get[0];//低位

temp_g=get[1];//高位

if（（temp_g&0xf0）==0xf0）//正负号判断

{

temp_d=~temp_d;

if（temp_d==0xff）//保证-48（1111110100000000）、-32和-16显示正常

{

temp_d=temp_d+0x01;//00000000

temp_g=~temp_g;//00000010

temp_g=temp_g+0x01;//00000011

}

else

{temp_d=temp_d+0x01;

temp_g=~temp_g;}

w_cmd（0xc5）;

w_dat（Xsw[temp_d&0x0f]）;//查表得小数位的值

temp=（（temp_d&0xf0）>>4）|（（temp_g&0x0f）<<4）;

w_cmd（0xc1）;

w_dat（0x2d）;//负号

}

else//正数

{

w_cmd（0xc5）;

w_dat（Xsw[temp_d&0x0f]）;//查表得小数位的值

temp=（（temp_d&0xf0）>>4）|（（temp_g&0x0f）<<4）;

w_cmd（0xc1）;

w_dat（Bw[temp/100]）;

}

returntemp;

}

main（）

{

Init_LCD1602（）;

w_string（0x80,word1）;

while

（1）

{

wendu=Readtemperature（）;

temp_g=wendu%100/10+'0';//这里要特别注意啊少了%100就差很多

temp_d=wendu%10+'0';

w_cmd（0xc2）;

delay

（2）;

w_dat（temp_g）;

delay

（2）;

w_dat（temp_d）;

delay

（2）;

w_cmd（0xc4）;

delay

（2）;

w_dat（0x2e）;//小数点

delay

（2）;

w_cmd（0xc6）;

delay

（2）;

w_dat（0xdf）;//温度符号

delay

（2）;

w_dat（0x43）;

}

}

7.总结与体会

课程设计给我们带来的不只是一个项目的一系列学习，更重要的是我在这个设计过程中所锻炼的能力和培养的一种精神。

在本次课程设计中，比起上学期，更多是靠自己，去查阅资料，去寻找解决办法，还有就是和同学们互相帮助学习。

我们这次课题虽然不难，但要去做好它，让它实现正确的功能，也少不了不断的研究和探索，可能废寝忘食，可能绞尽脑汁。

不仅是现在的学习，在以后的生活中工作也，以这样一种态度和精神去完成自己的梦想，实现自己的价值。

8.参考文献

[1]《单片机原理及应用》（第二版）张毅刚彭喜元彭宇编著

[2]《ProtelDxp2004简明教程和考证指南》电子工业出版社

[3]《《C单片机原理及应用》》

[4]《数字电路基础技术》康华光第五版

[5]数字温度传感器DS18B20的原理与应用[EB/OL]