数字温度计的设计.docx

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数字温度计的设计

数字温度计设计

指导老师：

摘要：

本论文介绍了一种以单片机为主要控制器件，以DS18B20为温度传感器的新型数字温度计。

主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。

硬件电路主要包括主控制器，测温电路和显示电路等，主控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20，显示电路采用4位共阳极LED数码管以动态扫描法直读显示。

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。

此外，还介绍了系统的调试和性能分析。

由于采用了改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，与传统的温度计相比，本数字温度计减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

DS18B20温度计还可以在高温报警、远距离多点测温控制等方面进行应用开发，具有很好的发展前景。

关键词：

单片机，主控制器，温度传感器，DS18B20，AT89S51，显示电路,数字温度计

1引言3

2系统方案论证与比较3

2.1方案一3

2.2方案二4

3硬件设计电路5

3.1设计所需硬件5

3.1．1单片机选择AT89S515

3.1．2LED显示器6

3.1．3DS18B207

3.2温度检测电路8

3.3温度报警电路8

4软件设计9

4.1概述9

4.2主程序模块9

4.3、各模块流程设计10

4.3.1温度检测流程10

4.3.2报警模块流程10

4.3.2程序的设计11

5软硬件综合实现11

6系统的仿真调试及结果13

6.1ProteusISIS的介绍13

6.2电路图的绘制13

总结15

致谢16

参考文献17

附录A数字温度计程序清单18

附录B系统电路图22

1引言

温度测量是电子测量的一个重要内容。

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。

如：

气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、高温温度计、指针式温度计、玻璃管温度计、压力式温度计、转动式温度计、半导体温度计、光测高温计、热电偶温度计、液晶温度计。

根据使用目的的不同，已设计制造出多种温度计。

其设计的依据有：

利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩的现象；在定容条件下，气体（或蒸气）的压强因不同温度而变化；热电效应的作用；电阻随温度的变化而变化；热辐射的影响等。

　　一般说来，一切物质的任一物理属性，只要它随温度的改变而发生单调的、显著的变化，都可用来标志温度而制成温度计。

随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而温度的测量甚为突出，因为温度的测量最为普遍。

传统的模拟温度计，已有百年的发展历史，虽然经过改进，但是仍然远远不能满足测量的需要。

近几十年来随着电子技术的发展，经常需要测量高精度的温度，因此数字温度计应运而生，发展的数度很快。

随着数字温度计的发展，它已然成为单片机等器材的应用领域。

基于单片机的数字温度计的研究开发以及应用，让我更加了解到单片机技术已经成为日常生活和研究领域一个不可或缺的一部分，基于单片机的数字温度计具有电路简单、成本低、测量方便等特点在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域。

因此研究实现数字温度计的测量方法和装置具有重要的意义。

本次设计本次设计通过单片机的应用，并通过PROTEUS中的虚拟终端观察是否可以实现温度检测的情况，最终完成并实现数字式温度计开发的可行性。

主要介绍如何使用单片机来实现数字温度计的仿真以及其具体步骤。

目的就是让我们在理论学习的基础上，通过完成一个传感器件的设计，使我们学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、排版调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。

2系统方案论证与比较

2.1方案一

采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。

数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。

热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影以及漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

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图2.1热电偶电路图

系统主要包括对A/D0809的数据采集，自动手动工作方式检测，温度的显示等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。

还有复位电路，晶振电路，启动电路等。

故现场输入硬件有手动复位键、A/D转换芯片，处理芯片为51芯片，执行机构有4位数码管、报警器等。

系统框图如3.2所示：

按键防抖动

图2.2热电偶温差电路测温系统框图

2.2方案二

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。

采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。

便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。

且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。

在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。

DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。

这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。

采用52单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

方案二设计方框图如3.3所示：

：

报警点按键调整

图3.3DS18B20温度测温系统框图

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，故采用了方案二。

3硬件设计电路

3.1设计所需硬件

AT89S51型号CMOS8位单片机LED显示器DS18B20

3.1．1单片机选择AT89S51

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

　　AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

主要特性：

（1}1CPU与MCS-51兼容

　　•4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

　•全静态工作：

0Hz-24KHz

　　•三级程序存储器保密锁定

　　•128*8位内部RAM

　　•32条可编程I/O线

　　•两个16位定时器/计数器

　　•6个中断源

　　•可编程串行通道

　　•低功耗的闲置和掉电模式

　　•片内振荡器和时钟电路

3.1．2LED显示器

LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。

它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示器集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体，以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长、工作稳定可靠等优点，成为最具优势的新一代显示媒体，目前，LED显示器已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境的需要。

LED显示器结构及分类

通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。

可构成发光显示器的发光段或发光点。

由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。

通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。

（一）LED显示器结构

基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。

可实现0～9的显示。

其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等

（1）反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。

在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。

反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。

实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。

空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可靠性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率。

这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）。

（2）条形七段式数码管属于混合封装形式。

它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成内含一只或数只LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好内引线，再用环氧树脂包封起来。

（3）单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。

它们适用于小型数字仪表中。

（4）符号管、米字管的制作方式与数码管类似。

（5）矩阵管（发光二极管点阵）也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。

3.1．3DS18B20

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，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。

DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

温度测量范围为-55～+125摄氏度，可编程为9位～12位转换精度，测温分辨率