基于DS18B20数字温度计的设计.docx
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基于DS18B20数字温度计的设计
引言
随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统正在逐步应用于诸多领域。
传统的温度检测以热电偶和热电阻为温度敏感元件。
然热电偶和热电阻的成本低，但他们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，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。
与传统的温度计相比,基于DS18B20的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。
选用AT89C2051型单片机作为主控制器件，DS18B20作为测温传感器，通过4位共阳极LED数码管串口传送数据，实现温度显示。
通过DS18B20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。
另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。
摘要
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。
对于温度的测量方法与装置的研究就凸显得非常重要。
由单片机与温度传感器构成的测温系统可广泛应用于很多领域。
本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，从硬件和软件两方面介绍了单片机温度控制系统的设计，对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。
本设计所介绍的数字温度计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AT89C2051，测温传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以串口传送数据，实现温度显示，能准确达到以上要求。
DS18B20数字温度传感器是单总线器件与51单片机组成的测温系统，具有线路简单、体积小等特点，而且在一根通信线上，可以挂接多个DS18B20，因此可以构成多点温度测控系统。
关键词：
单片机，数字控制，温度计，温度传感器
Abstract
Withtheprogressanddevelopmentofera,microcontrollertechnologyhasbecomepopularinourlife,inthework,thescientificresearchandvariousfields,hasbecomearelativelymaturetechnology.Thetemperaturemeasurementmethodanddeviceofthehighlightsisveryimportant.Posedbythesinglechiptemperaturesensorandtemperaturemeasurementsystemcanbewidelyappliedinmanyfields.
Thisarticleintroducesamicrocomputer-basedcontrolofdigitalthermometers;bothhardwareandsoftwareintroducedTemperatureControlsystemdesign,hardwareschematicsandmadeabriefdescriptionoftheblockdiagram.Thedesignpresentedindigitalthermometerwithatraditionalthermometer,comparedwithreadingconvenience,awiderangeoftemperaturemeasurement,temperaturemeasurementaccuracy,theoutputofthetemperaturedigitaldisplay,thedesignofthecontrollerusingmicrocontrollerAT89C2051,temperaturesensorusesDS18B20,with4LEDdigitaltubesanodespacestoserialtransmissionofdata,toachievetemperaturedisplay,accuratetotheaboverequirements.DS18B20single-busdigitaltemperaturesensoriscomposedof51single-chipdevicewithtemperaturemeasurementsystemissimple,smallsizeandothercharacteristics,butalsoacommunicationline,youcanmountmultipleDS18B20,itcanconstituteamulti-pointtemperaturecontrolsystem.
Keywords:
microcontroller,digitalcontrol,thermometer
第1章绪论
1.1温度计的介绍及发展史
温度计是测温仪器的总称。
根据所用测温物质的不同和测温范围的不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计等。
最早的温度计是在1593年由意大利科学家伽利略（1564～1642）发明的。
他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡。
使用时先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插入水中。
随着温度的变化，玻璃管中的水面就会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。
这种温度计，受外界大气压强等环境因素的影响较大，所以测量误差大。
伽利略发明的第一个温度计，后来伽利略的学生和其他科学家，在这个基础上反复改进，如把玻璃管倒过来，把液体放在管内，把玻璃管封闭等。
比较突出的是法国人布利奥在1659年制造的温度计，他把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，这样的温度计已具备了现在温度计的雏形。
以后荷兰人华伦海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水银作为测量物质，制造了更精确的温度计。
他观察了水的沸腾温度、水和冰混合时的温度、盐水和冰混合时的温度；经过反复实验与核准，最后把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0℉，把纯水凝固时的温度定为32℉，把标准大气压下水沸腾的温度定为212℉，用℉代表华氏温度，这就是华氏温度计。
在华氏温度计出现的同时，法国人列缪尔（1683～1757）也设计制造了一种温度计。
他认为水银的膨胀系数太小，不宜做测温物质。
他专心研究用酒精作为测温物质的优点。
他反复实践发现，含有1/5水的酒精，在水的结冰温度和沸腾温度之间，其体积的膨胀是从1000个体积单位增大到1080个体积单位。
因此他把冰点和沸点之间分成80份，定为自己温度计的温度分度，这就是列氏温度计。
华氏温度计制成后又经过30多年，瑞典人摄尔修斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度，他把水的沸点定为零度，把水的冰点定为100度。
后来他的同事施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来，就成了现在的百分温度，即摄氏温度，用℃表示。
华氏温度与摄氏温度的关系为
℉＝9/5℃+32，或℃＝5／9（℉-32）。
现在英、美国家多用华氏温度，德国多用列氏温度，而世界科技界和工农业生产中，以及我国、法国等大多数国家则多用摄氏温度。
随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也不断地改进和提高。
由于测温范围越来越广，根据不同的要求，又制造出不同需要的测温仪器。
下面介绍几种。
气体温度计多用氢气或氦气作测温物质，因为氢气和氦气的液化温度很低，接近于绝对零度，故它的测温范围很广。
这种温度计精确度很高，多用于精密测量。
电阻温度计分为金属电阻温度计和半导体电阻温度计，都是根据电阻值随温度的变化这一特性制成的。
金属温度计主要有用铂、金、铜、镍等纯金属的及铑铁、磷青铜合金的；半导体温度计主要用碳、锗等。
电阻温度计使用方便可靠，已广泛应用。
它的测量范围为-260℃至600℃左右。
温差电偶温度计是一种工业上广泛应用的测温仪器。
利用温差电现象制成。
两种不同的金属丝焊接在一起形成工作端，另两端与测量仪表连接，形成电路。
把工作端放在被测温度处，工作端与自由端温度不同时，就会出现电动势，因而有电流通过回路。
通过电学量的测量，利用已知处的温度，就可以测定另一处的温度。
这种温度计多用铜——康铜、铁——康铜、镍铭——康铜、金钴——铜、铂——铑等组成。
它适用于温差较大的两种物质之间，多用于高温和低浊测量。
有的温差电偶能测量高达3000℃的高温，有的能测接近绝对零度的低温。
高温温度计是指专门用来测量500℃以上的温度的温度计，有光测温度计、比色温度计和辐射温度计。
高温温度计的原理和构造都比较复杂，这里不再讨论。
其测量范围为500℃至3000℃以上，不适用于测量低温。
1.2单片机的介绍
单片计算机即单片微型计算机。
（Single-ChipMicrocomputer）,是集CPU,RAM,ROM定时，计数和多种接口于一体的微控制器。
它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。
近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。
这次毕业设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。
单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。
自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。
1.2.1单片机的发展历史
如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段
（1）第一阶段（1976-1978）：
单片机的探索阶段。
以Intel公司的MCS–48为代表。
MCS–48的推出是在工控领域的探索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。
MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
（3）第三阶段（1982-1990）：
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。
随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。
（4）第四阶段（1990—今）：
微控制器的全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。
1.2.2单片机的发展趋势
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势：
（1）CMOS化
近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。
CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。
因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
（2）低功耗化
单片机的功耗已从mA级降至uA级，甚至1uA以下；使用电压在3～6V之间，完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
（3）低电压化
几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽，一般在3～6V范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达1～2V。
目前0.8V供电的单片机已经问世。
（4）低噪声与高可靠性
为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
（5）大容量化
以往单片机内的ROM为1KB～4KB，RAM为64～128B。
但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。
目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。
（6）高性能化
主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。
现指令速度最高者已达100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。
这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。
由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。
（7）小容量、低价格化
与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。
这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。
（8）外围电路内装化
这也是单片机发展的主要方向。
随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。
除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。
随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将更强。
在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。
这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。
80C51单片机已成为单片机发展的主流。
1.2.3单片机的组成及特点
单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。
就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。
（1）单片机的组成
以MCS—51单片机为例，它通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。
其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。
（2）单片机的特点
由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。
单片机主要有如下特点：
①有优异的性能价格比。
②集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
③控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
④低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
⑤外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
1.2.4单片机的分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。
根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
（1）通用型/专用型
这是按单片机适用范围来区分的。
例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专门用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
（2）总线型/非总线型
这是按单片机是否提供并行总线来区分的。
总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大节省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。
（3）控制型/家电型
这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。
一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。
1.2.5单片机的应用
由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。
它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：
（1）单片机在智能仪表中的应用
单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
（2）单片机在机电一体化中的应用
机电一体化是机械工业发展的方向。
机电一体化产品是指集集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。
单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。
（3）单片机在实时控制中的应用
单片机广泛地用于各种实时控制系统中。
例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。
单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。
（4）单片机在分布式多机系统中的应用
在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。
多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。
单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。
单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。
（5）单片机在人类生活中的应用
自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。
单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。
综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。
另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
1.3选题的目的和意义
1.3.1选题的目的
利用单片机AT89C2051和温度传感器DS18B20设计一个数字温度计，能够测量-55～+125℃之间的温度值，用LED数码管直接显示，误差在±0.5℃以内，同时要求使用的元器件数目最少。
通过本次设计能够更加了差解数字式温度计的工作原理和熟悉单片机的发展和应用，巩固所学的知识。
1.3.2选题的意义
单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。
本课题主要实现利用单片机和LED数码管设计一个数字显示的温度计。
选题的意义就在于通过这次设计可以将平时在课堂上学到的关于单片机的知识应用与实践当中，而且更加深入的认识到单片机在现代生产和生活中的重要性。
1.4小结
在拿到毕业设计任务书以后开始认真阅读，明确毕业设计的具体要求和应完成的设计任务。
然后在接下来的一周内搜集、整理资料并研究资料。
了解目前国内外关于数字温度计的研究现状，对本研究课题有一个全面的认识和把握。
学习借鉴同类课题研究的最新成果，形成自己的设计思路和方法。
通过技术经济等指标的比较进行严密论证，确定了一个最佳设计方案，接下来便是硬件电路的设计、硬件制作、软件设计和系统集成、系统的调试与运行。
其中软件设计要求能实现控制系统的各种功能并进行程序优化，满足系统对灵活性、适应性、准确性、稳定性等的要求，最后是论文的纂写。
本章主要是对数字温度计的结构、特点、发展过程以及单片机的发展历史、发展趋势、结构及特点、分类、应用等的介绍，通过这一章的介绍我们可以从宏观上了解到本次设计的一些背景知识，大体了解数字温度计还有单片机的一些知识，为以后的设计做好了准备。
第2章数字温度计的设计方案
2.1设计方案的确立及论证
功能要求：
数字式温度计测温范围在-55~+125℃，误差在±0.5℃以内，采用LED数码管显示，直接读取测量值。
方案论证：
2.1.1温度传感器DS18B20的选择
方案一：
传统测温元件测温
在日常生活及工农业生产中，经常要用到温度计的检测及控制，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。
方案二：
温度传感器DS18B20测温
本设计采用美国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
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