基于51单片机的数字温度计设计 大学论文.docx
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基于51单片机的数字温度计设计大学论文
基于51单片机的数字温度计设计
摘要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应用于诸多领域。
这里设计的数字温度计采用DS18B20为传感器，选用AT89C51型单片机作为主控制器件，通过4位一体共阳极的数码管进行温度显示。
与热敏电阻为温度敏感元件的温度计相比，该数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确等特点。
另外，还在该温度计中加入了秒表计时的功能，能够实现“分，秒”的计时显示，并且，两种功能能够用按键实现切换。
关键词：
AT89C51；DS18B20传感器；温度；秒表
Abstract:
Withthedevelopmentofmoderninformationtechnologyandtheprogressiveofthetraditionalindustrialtransformation.UsingDS18B20asthesensorofthedigitalthermometer,AT89C51microcontrollerasthemaincontroldevice,andthefourdigitaltubeareusedtodisplay.Comparedwiththethermometerthermistorfortemperaturesensitiveelement,thedigitalthermometerhavemanyadvantages,forexample,it’scangettemperaturemoreconvenient,wider,andmoreaccurate.Inadition,
Thedigitalthermometeralsoasastopwatch,accordingtotheminutesandseconds.Andwiththepressingofthekeys,wecanchoosethedifferentfunctionsofthedigitalthermometer.
Keywords:
AT89C51;DS18B20;thetemperature;stopwatch
数字温度计设计
1系统硬件设计方案
作品主要利用AT89C51单片机、DS18B20数字温度传感器而设计的数字温度计，实现对空气温度的测量。
图1系统原理结构框图
如图1所示，该温度计通过ds18b20数字传感器进行采集，将数据传送给单片机，程序通过按键对单片机进行操作，然后再数码管上显示。
1.1单片机选择
AT89C51作为温度测试系统设计的核心器件。
该器件是INTEL公司生产的MCS一5l系列单片机中的基础产品，采用了可靠的CMOS工艺制造技术，具有高性能的8位单片机，属于标准的MCS—51的CMOS产品。
不仅结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，而且继承和扩展了MCS—48单片机的体系结构和指令系统。
单片机小系统的电路图如图2所示。
图2单片机小系统电路
AT89C51单片机的主要特性：
（1）与MCS-51兼容，4K字节可编程闪烁存储器；
（2）灵活的在线系统编程，掉电标识和快速编程特性；
（3）寿命为1000次写/擦周期，数据保留时间可10年以上；
（4）全静态工作模式：
0Hz-33Hz；
（5）三级程序存储器锁定；
（6）128*8位内部RAM，32可编程I/O线；
（7）两个16位定时器/计数器，6个中断源；
（8）全双工串行UART通道，低功耗的闲置和掉电模式；
（9）看门狗（WDT）及双数据指针；
（9）片内振荡器和时钟电路；
1.2温度传感器介绍
DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。
可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。
分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EPROM中，掉电后依然保存。
温度传感器DS18B20引脚如图3所示。
8引脚封装TO－92封装
图3温度传感器
引脚功能说明：
NC：
空引脚，悬空不使用；
VDD：
可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
DQ：
数据输入/输出脚。
漏极开路，常态下高电平。
GND：
为电源地
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（如图4）。
图4DS18B20内部结构图
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。
图5温度寄存器格式
第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
该字节各位的意义如下：
TMR1R011111
低五位一直都是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用来设置分辨率，如表1所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
表1DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨率/位
温度最大转向时间
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
1.3温度传感器与单片机的连接
温度传感器的单总线（数据线DQ）与单片机的/P3.3口连接（如图5）。
图6DS18B20和单片机的接口连接
程序设计时通过P3.3口对DS18B20进行操作，实现初始化和温度读取等功能。
1.4复位电路
MCS-51单片机的复位是靠外部电路实现的。
MCS-51单片机工作后，只要在它的RESET引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能有效地复位。
上电复位：
上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。
上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。
图7复位电路
1.5时钟电路
时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。
因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有两种方式：
一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。
设计采用的是内部时钟方式。
图8时钟电路
1.6按键电路
按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。
当按键按下时，在单片机的相应I/O口产生负脉冲，闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。
抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。
为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动；消抖一般是通过在程序中给一定的延时再检测信号。
本设计中采用的是独立式按键，每个按键的工作状态不会产生互相影响，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，这样只需要对单片机单个I/O口进行操作就能实现按键功能（如图9）。
图9按键电路
1.7显示电路
LED数码管使用发光二极管构成显示字型，LED数码管连接方式分类：
共阴极数码管和共阳极数码管（如图10）。
共阴极数码管：
将数码管阴极接地，相应段上的阳极接正电压。
共阳极数码管：
将数码管阳极接地，相应段上的阴极接正电压。
图10共阴和共阳数码管
根据数码管连接方式的不同，在应用中，要实现数字显示，则需要用不同的编码，从低到高位为：
abcdefgh。
如：
数字“5”，需要相应二极管亮的是：
afgcd；共阳极编码为：
10010010（0x92），共阴极则正好相反。
表20~9共阳极数码管编码（不含小数点）
需要显示数字
编码
需要显示数字
编码
0
c0H（11000000）
5
92H（10010010）
1
f9H（11111001）
6
82H（10000010）
2
a4H（10100100）
7
f8H（11111000）
3
b0H（10110000）
8
80H（10000000）
4
99H（10011001）
9
90H（10010000）
同理可得0~9共阳极数码管编码（含小数点）：
40H,79H,24H,30H,19H,12H,02H,78H,00H,10H
本设计中采用的是4位一体的数码管（图11），与单个数码管相比，有4个位选线A1，A2，A3，A4，通过接高电平实现对每一位的操作，数据线的原理则与单个数码管一样。
图11四位一体数码管引脚图
如图12，数码管上拉电阻采用共阳极方式，以单片机P2口为位选信号，由于直接使用单片机I/O口不足以驱动数码管，因此在显示电路上加入了三级管驱动，采用的是s9012三极管，s9012是PNP型的三级管，基极通过1k电阻接单片机的P2口，发射极接正电压，集电极接数码管位选信号；由于是PNP型三级管，只有当单片机P2口为低时，数码管的相应的位选才选中。
图12显示电路图
1.8电源电路和系统供电
由于该系统需要稳定的5V电源，因此必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。
设计采用外部的5V电源供电，在电源两端并连上了两个电容（如图13）。
图13电源电路图
设计中外部供电采用的是Mini-usb（B型）接口，由于并没有用到数据的传输，只是单纯供电，所以设计中只用到了Pin1（VBus）和Pin5（GND）。
图14mini-usb引脚图
对系统供电的设计，可采用以下方法：
直流稳压电源，单片机开发板，手机电池，迷你USB接口；其中利用迷你USB接口供电可以通过手机充电器、电脑USB接口等，可以让温度计在使用起来更方便，这也是本设计中的特点之一。
2软件设计
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