最新版基于51单片机的电子温度计设计硬件部分毕业论文Word文档下载推荐.docx

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二、指导教师评定

评分项目

平时成绩

报告（答辩）

综合成绩

权重

50

单项成绩

教师评语：

教师签名：

一、设计目的1

二、设计要求和设计指标1

2.1、系统功能要求1

采用AT89C2051单机，设计一个电子温度计硬件部分。

1

2.2设计指标1

三、设计内容2

3.1总体电路结构框图2

3.2硬件选用2

3.2.1主控制器3

3.2.2总线驱动器74LS2444

3.2.3显示电路4

3.3.4三极管85505

3.3.5温度传感器5

四、本次设计改进建议10

五、总结11

六、主要参考文献11

一、设计目的

在日常生活及工农业生产中，经常要用到温度的检测及控制，正如在大冬天里大家都想洗个痛快的热水澡，喝壶热茶。

这时候我们就很需要对水温有个了解了，从而对加热情况惊醒控制。

为了熟悉单片机课程，巩固所学知识与加强理论与实际联系，决定设计出一款基于单片机的电子温度计。

而传统的测温元件有热电偶和热电阻。

而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持。

其缺点如下：

●硬件电路复杂；

●软件调试复杂；

●制作成本高。

进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。

本电子温度计设计采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55～125℃，最高分辨率可达0.0625℃。

DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的热点。

二、设计要求和设计指标

2.1、系统功能要求

2.2设计指标

1.实时显示所测量温度，温度范围0-99摄氏度；

2.用数码管显示。

三、设计内容

3.1总体电路结构框图

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。

数字温度计总体电路结构框图如3.1图所示：

图3.1

3.2硬件选用

温度计电路设计原理图如下图3.2所示，控制器使用单片机AT89C2051，温度传感器使用DS18B20，使用四位共阳LED数码管以动态扫描法实现温度显示。

图3.2电子温度计电路图

3.2.1主控制器

单片机AT89C2051具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用。

系统可用两节电池供电。

AT89C2051的引脚图如下图3.3所示：

图3.3AT89C2051引脚图

1、VCC：

电源电压。

2、GND：

地。

3、P1口：

P1口是一个8位双向IO口。

口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。

P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（ANI0）和反相输入（AIN1）。

P1口输出缓冲器可吸收

20mA电流并能直接驱动LED显示。

当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。

当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。

4、P3口：

P3口的P3.0~P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向IO口引脚。

P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用IO引脚而不可访问。

P3口缓冲器可吸收20mA电流。

当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。

用作输入时，被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。

P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

P3口还用于实现AT89C2051的一些特殊功能，这些特殊功能定义如下：

口线特殊功能

P3.0RXD（串行口输入端）

P3.1TXD（串行口输出端）

P3.2INT0（外部中断0）

P3.3INT1（外部中断1）

P3.4T0（定时器0外部输入）

P3.5T1（定时器1外部输入）

5、RST：

复位输入。

RST一旦变成高电平所有的IO引脚就复位到“1”。

当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

6、XTAL1：

作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。

7、XTAL2：

作为振荡器反相放大器的输出。

3.2.2总线驱动器74LS244

74LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。

引脚图见上图。

3.2.3显示电路显示电路采用4位共阳极LED数码管，从P1口输出段码，列扫描用P3.0～P3.3口来实现，列驱动用8055三极管。

3.3.4三极管8550

是一种常用的普通三极管。

它是一种低电压，大电流，小信号的PNP型硅三极管

集电极-基极电压Vcbo：

-40V工作温度：

-55℃to+150℃

3.3.5温度传感器DS18B20

DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图4-1所示。

图4-1DS18B20内部结构

图4-1DS18B20内部结构框图

64位ROM的结构开始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位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。

温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的EERAM。

高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如图4-2所示。

头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。

第５个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。

DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。

该字节各位的定义如图3所示。

低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。

温度LSB

温度MSB

TH用户字节1

TL用户字节2

配置寄存器

保留

CRC

图4-2　DS18B20字节定义

由表4-1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。

因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。

高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。

第９字节读出前面所有８字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。

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高速暂存存储器的第１、２字节。

单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃LSB形式表示。

当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；

当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。

表4-2是一部分温度值对应的二进制温度数据。

表4-1DS18B20温度转换时间表

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。

若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。

因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。

主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

DS18B20的测温原理如图5—2所示.图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生的信号作为减法计数器1；

高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显变，所以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。

图5-2DS18B20测温原理图

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，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。

图中的斜率累加器用于温度补偿和修正测温过程中的非线形性，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，直到温度寄存器值达到被测温度值。

表4-2　一部分温度对应值表

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

0000000000001000

0000H

-0.5

1111111111110000

FFF8H

-10.125

1111111101011110

FF5EH

-25.0625

1111111001101111

FE6FH

-55

1111110010010000

FC90H

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。

图4-3DS18B20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4-3所示单片机端口接