数字温度计Word格式文档下载.docx

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本实验设计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，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用3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。

1.2本次设计要求:

（1）基本范围-50℃-110℃。

（2）精度误差小于0.5℃。

（3）LED数码直读显示。

1.3系统主要功能

（1）实现语音报数。

（2）可以任意设定温度的上下限报警功能。

（3）用四只LED数码管来显示当前温度。

第2节系统硬件设计

2.1系统总体设计方案及设计框图：

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。

该设计方案电路比较简单，软件设计也比较简单。

温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

图1　总体设计方框图

2．2系统的硬件构成及功能

2.2.1主控制器

单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能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二节电池供电。

2.2.2显示电路

显示电路采用3位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。

2.2.3温度传感器

DS18B20温度传感器是美国DALLAS公司生产的一种改进型的智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它具有结构简单，能直接读出被测温度，采用一根I/O数据线既可供电又可传输数据、并可由用户设置温度报警界限等特点，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。

DS18B20的性能特点如下：

独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；

无须外部器件；

可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V；

零待机功耗；

温度以9或12位数字；

用户可定义报警设置；

报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；

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；

DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。

图2DS18B20的内部结构图

内部结构中的各个组成部分分别介绍如下:

（1）64b闪速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56位的CRC校验码，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E2RAM。

后者用于存储TH，TL值。

数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM。

而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。

该字节各位的定义如下：

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，如表1所示：

表1R0和R1模式表

R0

R1

分辨率

温度最大转换时间

9位

93.75

1

10位

187.5

11位

275.00

12位

750.00

由表1可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。

因此，在实际应用中要在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。

温度值格式如下:

对应的温度计算：

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2是一部分温度值对应的二进制温度数据。

表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

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的测温原理是这样的:

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。

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。

2.3DS18B20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。

主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：

初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。

假设单片机系统所用的晶振频率为12MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：

INIT为初始化子程序，WRITE为写（命令或数据）子程序，READ为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻4.7kΩ,另外2个脚分别接电源和地。

图4DS18B20与单片机的接口电路

2．4系统整体硬件电路

1．主板电路

系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，如图5所示。

图5中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。

图5中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。

2．温度显示电路

温度显示电路是使用的串口显示，如图6。

这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用p3口的RXD和TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。

图5单片机主板电路

第3节系统的软件设计

系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。

3．1系统主程序设计

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。

这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图7所示。

图6温度显示电路

3.2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。

其程序流程图如图8所示。

3.3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位分辨率时转换时间约为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。

温度转换命令子程序流程图如上图，图9所示。

3.4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，其程序流程图如图10所示。

图7主程序流程图图8读温度流程图

图9温度转换流程图图10　计算温度流程图

3.5显示数据刷新子程序

显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。

程序流程图如图11。

图11　显示数据刷新流程图

3.6程序清单：

S1OK　EQU5FH

TEMPUTER　EQU39H

TEMPHEQU5EH

TEMPL　EQU5DH

MS50　EQU5CH

SIGN　EQU5BH

S1BITP1.0

S2BITP1.1

S3BITP1.2

S4BITP1.3

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG000BH

LJMP　TOIT

ORG0030H

MAIN:

MOVSP,#60H

MOVTMOD,#01H

MOVTH0,#3CH

MOVTL0,#0B0H

SETBET0

SETBTR0

SETBEA

MOVTEMPH,#30

MOVTEMPL,#9

MOVTEMPUTER,#15

;

温度最始值

MOVS1OK,#00H

MOVSIGN,#00H

MOV38H,#0BH

MOV37H,#0CH

MOV36H,#0BH

ACALLDISP

ACALLT1S

***************************

主程序

START:

JBS1,NET1

ACALLT12MS

JNBS1,$

INCSIGN

MOVA,SIGN

CJNEA,#1,TIAO

ACALLTIAOTL

TIAO:

CJNEA,#2,NET1

MOVSIGN,#0

ACALLTIAOTH

*******************************

NET1:

MOVA,S1OK

ADD1:

JBS3,ADD2

JNBS3,$

DECTEMPL

MOVA,TEMPL

CJNEA,#00,ADD2

MOVTEMPL,#100

ADD2:

JBS4,TIAOTL

JNBS4,$

MOVTEMPUTER,50H

LJMPSTART

;

高位调整

********************************

TIAOTH:

MOV50H,TEMPUTER

MOV37H,TEMPH

ACALL　BIN_BCD

ACALL　DISP

ACALL　T12MS

MOV　36H,#0AH

MOV　37H,#0AH

MOV　38H,#0AH

ACALL　DISP

ACALL　T12MS

JB　S2,ADD11

JBS2,ADD11

JNBS2,$

INCTEMPH

MOVA,TEMPH

CJNEA,#100,ADD11

MOVTEMPH,#0

ADD11:

JBS3,ADD22

DECTEMPH

CJNEA,#00,ADD22

MOVTEMPH,#100

ADD22:

JBS4,TIAOTH

TSR4:

CLR20H.1

清标志位,表示DS1820不存在

LJMPTSR7

TSR5:

MOVR0,#06BH

MOVR1,#03H

TSR6:

DJNZR0,TSR6;

延时

MOVR0,#6BH

DJNZR1,TSR6

TSR7:

SETBP2.0

RET

重新写DS18B20暂存存储器设定值

*********************************

RE_CONFIG:

JB20H.1,RE_CONFIG1

若DS18B20存在,转RE_CONFIG1

RE_CONFIG1:

MOVA,#0CCH

发SKIPROM命令

LCALLWRITE_1820

MOVA,#4EH

发写暂存存储器命令

MOVA,#00H

TH（报警上限）中写入00H

LCALLWRITE_1820

MOVA,#00H

TL（报警下限）中写入00H

MOVA,#1FH

选择9位温度分辨率

RET

读出转换后的温度值

GET_TEMPER:

SETBP2.0;

定时入口

LCALLINIT_1820

JB20H.1,TSS2

若DS18B20不存在则返回

TSS2:

跳过ROM匹配

MOVA,#44H

发出温度转换命令

CJNEA,#1,START

MOVA,TEMPUTER

SUBBA,TEMPH

JNBACC.7,ALEM

MOVA,TEMPUTER

SUBBA,TEMPL

JBACC.7,ALEM

SETBP2.1

ACALLWENDU

AJMPSTART

ALEM:

MOV36H,#0CH

MOV38H,#0CH

CLRP2.1

LCALLWENDU

LCALLDISP

SJMPSTART

TIAOTL:

MOV37H,TEMPL

ACALLBIN_BCD

MOV36H,#0AH

MOV37H,#0AH

MOV38H,#0AH

ACALLDISP

JBS2,ADD1

INCTEMPL

CJNEA,#100,ADD1

MOVTEMPL,#0

一秒定时中段

TOIT:

PUSHPSW

PUSHACC

INCMS50

MOVA,MS50

CJNEA,#14H,RETURN

MOVS1OK,#1

MOVMS50,#00H

RETURN:

POPACC

POPPSW

RETI

温度总子程序

wendu:

ACALLINIT_1820

ACALLRE_CONFIG

ACALLGET_TEMPER

ACALLTEMPER_COV

DS18B20初始化程序

INIT_1820:

SETBP2.0

NOP

CLRP2.0

TSR1:

DJNZR0,TSR1;

DJNZR1,TSR1

MOVR0,#25H

TSR2:

JNBP2.0,TSR3

DJNZR0,TSR2

LJMPTSR4;

TSR3:

SETB20H.1

置标志位,表示DS1820存在

LJMPTSR5

LCALLINIT_1820

MOVA,#0BEH

发出读温度命令

LCALLREAD_18200

MOV37H,A

将读出的温度数据保存

*****************************

写DS18B20的程序

******************************

WRITE_1820:

MOVR2,#8

CLRC

WR1:

R