基于单片机的数字温度计.docx
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基于单片机的数字温度计
数字温度计设计
一、设计任务与要求
1．1设计容：
数字温度计的设计要能实现温度的实时采集与显示，以AT89S51单片机为核心芯片，使用DS18B20数字温度传感器或使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应采集环境温度，并通过一组4位共阴极数码管将温度显示出来，也可用LM1602液晶显示屏。
1．2设计基本要求：
（1）温度设定围：
温度为00℃—99℃
（2）温度精度为0.1℃；
（3）可以设置报警温度，发出报警信息，可以用声或光表示。
二、方案设计与论证
本设计以检测温度并显示温度，以与提供上下限报警和设定某一个报警温度为目的。
按照系统设计功能的要求，对于温度的采集可以使用温度传感器、热敏电阻或热电偶等等；将采集到的温度传到单片机，利用软件编程对温度进行处理；温度围和精度由软硬件决定；报警采用声音和灯光相结合，由蜂鸣器和LED灯组成；报警温度的设置由键盘的up和down来设定。
方案一
由于本设计实现的是测温电路，首先我们可以使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应，将其随被测温度变化的电压或电流值采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，通过显示电路就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
因此，我们引出第二种方案。
方案二
我们可以采用技术成熟、操作简单、精确度高的温度传感器，在此，可以选用数字温度传感器DS18B20，根据它的特点和测温原理，很容易就能直接读取被测温度值并进行转换，这样就可以满足设计要求。
从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故在本设计中采用了方案二。
以下为利用DS18B20温度传感器的硬件构成图：
图2.1数字温度计设计总体硬件构成图
三、硬件电路设计
3.1、硬件设计总图见图3.1
图3.1硬件设计仿真总图
3.2最小系统的电路设计
单片机晶振电路、外部按键电路和复位电路的设计如图3.2所示。
XTAL1（X1）为反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。
XTAL2（X2）是来自反向振荡器的输出。
在此使用的是12MHz的晶振；复位电路采用手动复位与上电复位相结合的方式。
当按下按键S1时，VCC通过R1电阻给复位输入端口一个高电平，实现复位功能，即手动复位。
上电复位就是VCC通过电阻R2和电容C3构成回路，该回路是一个对电容C充电和放电的电路，所以复位端口得到一个周期性变化的电压值，并且有一定时间的电压值高于CPU复位电压，实现上电复位功能；以与外部按键电路通过UP和DOWN按键将I/O口直接与地相连，当按键按下时I/O口将检测到低电平。
图3.2最小系统的设计电路
3.3温度采集电路的设计
（1）、数字温度传感器DS18B20
它是一种新型的”一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持”一线总线”接口的温度传感器。
温度测量围为-55～+125摄氏度，可编程为9位～12位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以与用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20的性能特点如下：
▲独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条总线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
▲DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；
▲DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件与转换电路集成在形如一只三极管的集成电路；
▲适应电压围更宽，电压围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
▲测温围-55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；
▲零待机功耗；
▲可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；
▲在9位分辨率时最多在93.75ms把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms把温度值转换为数字，速度较慢；
▲用户可定义报警设置；
▲测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；
▲负电压特性，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。
（2）、工作原理如下
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。
它有严格的时序概念，初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
（3）、部构造和硬件仿真图如下
图3.3DS18B20温度采集仿真图
3.4数码管温度显示电路设计
LED数码管，也叫LED数码显示器，由于它具有很高的性能价格比、显示清晰、亮度高、使用方便、电路简单、寿命长等诸多优点，长期以来一直在各类电子产品和工程控制中得到非常广泛的应用。
在单片机控制系统中，因为单片机的硬件简单、灵活等特点，非常适合使用LED数码管作为其输出设备，这样既满足了控制系统硬件简单，又能如实地显示被控系统的温度、压力、流量、高度等一些单片机的处理结果。
本设计的显示电路采用4个共阴极LED数码管，从P0口并行输出温度段码，用P2.0～P2.3四个端口输出位选，控制数码管的点亮。
其工作过程如下：
1、并行数据由P1口送至4个数码管。
2、这时P3.0、P3.1、P3.2、P3.3轮流输出低电平，LED数码管依次被点亮，显示P1传送来的数据。
由于数码管余辉效应和人眼的视觉延迟，当数码管每秒点亮50次时，就会出现静止显示的温度值。
硬件图如图3.4所示：
图3.4数码管温度显示电路
3.5声光报警电路设计
报警电路采用蜂鸣器和LED灯相结合的办法，通过两个NPN三极管来驱动，如图3.5所示。
当三极管基极为低电平时，蜂鸣器和LED灯都关闭；当基极由低电平变为高电平时，三极管导通，这时蜂鸣器响，LED灯亮，达到声光报警的目的。
图3.5声光报警电路
四、温度传感器程序设计
4.1程序设计流程框图
4.2主要程序代码与说明
/****延时函数****/
/****DS18B20初始化以与对它读写的程序****/
voiddsreset（void）
{
uinti;
ds=0;i=100;
while（i>0）i--;
ds=1;i=4;
while（i>0）i--;
}
bittempreadbit（void）//读1位数据函数
{
uinti=0;
bitdat;
ds=0;i++;//i++起延时作用
ds=1;i++;i++;
dat=ds;
i=8;while（i>0）i--;
return（dat）;
}
uchartempread（void）//读1个字节的数据
{
uchari,j,dat;
dat=0;
for（i=1;i<=8;i++）
{
j=tempreadbit（）;
dat=（j<<7）|（dat>>1）;
}
return（dat）;
}
voidtempwritebyte（uchardat）//向DS18B20写一个字节数据
{
uinti,j;
bittestb;
for（j=1;j<=8;j++）
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if（testb）//写1
{
ds=0;
i++;i++;
ds=1;
i=8;while（i>0）i--;
}
else//写0
{
ds=0;
i=8;while（i>0）i--;
ds=1;
i++;i++;
}
}
}
/***向DS18B20发送转换指令*****/
/***将转换后的数字温度转换为模拟温度*****/
/***将模拟温度通过数码管显示*****/
/***按键输入部分用来改变报警温度初值*****/
/****对报警温度进行判断并声光提示****/
/****主函数体****/
五、仿真过程与仿真结果
将硬件设计原理图和程序相结合进行软件仿真，首先，将设计好的数字温度传感器程序输入到Proteus中保存、编译生成HEX文件，将该HEX文件下载到仿真原理图，其仿真结果如下图5.1。
程序默认报警温度为25℃，DS18B20的模拟温度可以任意设置如图中设置为26.31度，通过DOWN键可以减小报警温度初值，UP键可以增大报警温度初值，并且当有按键按下时，有声光提示，数码管回显报警值。
现在通过按UP键使报警初值加1变为26℃，由于26约等于DS18B20的当前温度26.31（报警误差最大为0.5℃），所以蜂鸣器响起，LED灯闪烁。
再次按下UP后报警初值变为27℃，声光报警也都关闭。
图5.1仿真结果
六、安装与调试
6.1、电路的安装
在制作好电路板以后，就进入了电路的安装过程。
安装中要严格按照原理图和PCB图中元件的位置与参数来焊接，焊接时要注意不能让焊锡短路电路，注意元件的正负极，同时还要把握好对温度敏感元件的焊接时间。
防止元器件和线路因为高温而烧毁。
依据仿真图画出原理图和PCB图如下图6.1所示
6.2、电路的调试
焊接好电路以后，对电路的调试是一步很重要的过程，关系到各功能的实现问题与最终的成败问题。
系统板上硬件连线
（1）．把“单片机系统”区域中的P0.0－P0.7用8芯排线连接到“动态数码显示”区域中的ABCDEFGH端子上。
（2）．把“单片机系统”区域中的P2.0－P2.3用8芯排线连接到“动态数码显示”区域中的Y0Y1Y2Y3端子上。
（3）．把DS18B20芯片插入“三路单总线”区域中的一个插座中，注意电源与地信号不要接反。
（4）．把“三路单总线”区域中的对应的DQ端子连接到“单片机系统”区域中的P3.7/RD端子上。
（5）.蜂鸣器接“单片机系统”区域中的P1.5端子上。
严格按照仿真原理图正确连接各线路，检查无误后上电，然后看看各功能模块是否正常。
七、结论与心得
温度的检测和控制是一个经典的课题，生活中的各个领域里经常需要检测和控制某一特定环境的温度，使之能够稳定在一定的温度围之。
这就要求系统对温度的检测
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