基于单片机的数字温度计毕业设计论文.docx
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基于单片机的数字温度计毕业设计论文
基于单片机的数字温度计毕业设计论文
题目：
基于单片机的数字温度计设计
摘要：
本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计。
在硬件方面介绍单片机温度控制系统的设计,对硬件原理图做简洁的描述。
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。
软硬件分别调试完成以后，将程序下载入单片机中，电路板接上电源，电源指示灯亮，按下开关按钮，数码管显示当前温度。
由于采用了智能温度传感器DS18B20，所以本文所介绍的数字温度计与传统的温度计相比它的转换速率极快，进行读、写操作非常简便。
它具有数字化输出，可测量远距离的点温度。
系统具有微型化、微功耗、测量精度高、功能强大等特点，加之DS18B20内部的差错检验，所以它的抗干扰能力强，性能可靠，结构简单。
关键词：
单片机数字控制温度计DS18B20
毕业设计（论文）外文摘要
Title:
microcomputer-basedcontrolofdigitalthermometersfromthehardwaredescriptionTemperatureControlsystemdesign
Abstract:
Thisarticleintroducesamicrocomputer-basedcontrolofdigitalthermometersfromthehardwaredescriptionTemperatureControlsystemdesign,hardwareschematicsandconcisedescription.Systemprogramincludesthemainprogram,subroutinereadtemperature,thetemperatureconversioncommandsubroutine,subroutinescalculatethetemperature,displaydatarefreshroutines.Debuggingofhardwareandsoftwarewerecompleted,theprogramdownloadedintotheMCU,thecircuitboardconnectedtothepowersupply,powerindicatorlight,presstheswitchbutton,digitaldisplaythecurrenttemperature.AsaresultofsmarttemperaturesensorDS18B20，therefore,thisarticledescribesthetraditionalthermometerdigitalthermometerandtheconversionratecomparedtoitsfast,read,writewithease.Ithasadigitaloutput,measurabledistanceofthepointtemperature.Systemhasamicro,micro-power,highprecision,powerfulcharacteristics,combinedwiththeinternalerrorDS18B20test,itsanti-interferenceability,reliable,simpleinstructure.
keywords:
Single-chipmicrocomputer,digitalcontrol,thermometer,DS18B20
目录
1引言1
1.1背景1
1.2设计的目的和意义1
2设计要求与方案论证2
2.1设计要求2
2.2方案论证2
2.3总体设计方案3
3硬件设计4
3.1主要元件介绍4
3.1.1主控制器4
3.1.2温度传感器DS18B207
3.2显示电路14
3.3DS18B20与单片机的接口电路16
3.4复位电路19
4软件设计20
5调试21
5.1软件调试21
5.2系统调试21
5.3数据检测21
总结23
致谢24
参考文献24
1引言
1.1背景
单片机，更确切的应称作微控制器，是20世纪70年代中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块，其特点是功能强大、体积小、可靠性高、价格低廉。
它一面世便在工业控制、数据采集、智能化仪表、机电一体化、家用电器等领域得到广泛应用，极大地提高了这些领域的技术水平和自动化程度。
因此，单片机的开发、应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。
随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它给人带来的方便也是无可置疑的，其中数字温度计就是一个典型的例子。
随着人们对它的要求越来越高，要为现代人工作和生活提供更好、更方便的设施就需要从数字单片机技术入手，一切向着数字化控制、智能化控制方向发展。
温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学实验中（如：
物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）。
目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。
现在所使用的温度计通常都是精度为1℃和0.1℃的水银、煤油或酒精温度计，这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，且使用非常不方便。
本文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、测温准确等优点，其输出温度采用数字显示。
1.2设计的目的和意义
通过本次毕业设计，熟悉单片机STC89C51和传感器DS18B20的应用，及单片机与外围电路的接法，加深对单片机以及传感器的认识，了解单片机在日常生活中的应用及其重要性。
同时，通过查找资料，设计电路，使本次设计的数字温度计具有结构简单、成本低廉、精确度高、反应速度快、数字化显示和不易损坏等特点。
在这次设计中，熟悉了制作一个产品的总体流程，能熟练使用一些必要的设计工具和仿真工具等。
通过选认元件，连线，调试检测等过程，锻炼自己的理论联系实际的能力和实际操作能力，从而综合性地巩固所学的知识，为将来的工作做准备。
2设计要求与方案论证
2.1设计要求
本设计主要是应用51系列单片机设计一个数字温度计，该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，主要用于要求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STC89C51，测温传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管实现温度显示,其主要功能有：
数字温度计测温范围：
-55~125℃；
可以实现四位温度显示，温度值精确到小数点后一位；
测温误差在正负0.5℃以内；
显示刷新速度为1s/次。
2.2方案论证
方案一：
由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应，将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，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
方案二：
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，传统的测温原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，在转换成对应的温度，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
方案三：
采用智能温度传感器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，进行转换，就可以满足设计要求。
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特点。
从以上三种方案，很容易看出，采用方案三，电路比较简单，软件设计也比较简单，本文采用了方案三。
2.3总体设计方案
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、显示电路。
数字温度计总体电路结构框图如图2-1所示。
图2-1数字温度计总体电路结构框图
3硬件设计
温度计电路设计原理图如图3-1所示，控制器使用单片机STC89C51，温度传感器使用DS18B20，用4位共阳LED数码管以动态扫描法实现温度显示。
用9012实现数码管驱动。
图3-1电路原理图
3.1主要元件介绍
3.1.1主控制器
本次设计采用的是单片机STC89C51。
图3-2STC89C51管脚图
芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口，如图3-2所示。
左边那列逆时针数起，依次为1，2，3，4......40，其中芯片的1脚顶上有一个凹点。
在单片机的40个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。
STC89C51单片机有4组8为可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯等，开发产品时就是利用这些可编程引脚来实现我们想要的功能。
P0口：
8位双向I/O口线，名称为P0.0-P0.7；
P1口：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0-P1.7；
P2口：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0-P2.7；
P3口：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0-P3.7。
由于本次设计主要利用了单片机的P1口和P3口，所以对这两个I/O口做详细的介绍。
图3-3P1口结构图
图3-3为P1口其中一位的电路图，P1口为8位准双向口，每一位均可单独定义为输入或输出口，当作为输入口时，1写入锁存器，Q（非）=0，T2截止，内上拉电阻将电位拉至"1"，此时该口输出为1，当0写入锁存器，Q（非）=1,T2导通，输出则为0。
作为输入口时，锁存器置1，Q（非）=0，T2截止，此时该位既可以把外部电路拉成低电平，也可由内部上拉电阻拉成高电平，正因为这个原因，所以P1口常称为准双向口。
需要说明的是，作为输入口使用时，有两种情况，其一是：
首先是读锁存器的内容，进行处理后再写到锁存器中，这种操作即读—修改—写操作，象JBC（逻辑判断）、CPL（取反）、INC（递增）、DEC（递减）、ANL（与逻辑）和ORL（逻辑或）指令均属于这类操作。
其二是：
读P1口线状态时，打开三态门G2,将外部状态读入CPU。
P3口的电路如图3-4所示，P3口为准双向口，为适应引脚的第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑，在真正的应用电路中，第二功能显得更为重要。
由于第二功能信号有输入输出两种情况，我们分别加以说明。
P3口的输入输出及P3口锁存器、中断、定时/计数器、串行口和特殊功能寄存器有关，P3口的第一功能和P1口一样可作为输入输出端口，同样具有字节操作和位操作两种方式，在位操作模式下，每一位均可定义为输入或输出。
我们着重讨论P3口的第二功能，P3口的第二功能各管脚定义如下：
P3.0 串行输入口（RXD）；
P3.1 串行输出口（TXD）；
P3.2 外中断0（INT0）；
P3.3 外中断1（INT1）；
P3.4 定时/计数器0的外部输入口（T0）；
P3.5 定时/计数器1的外部输入口（T1）；
P3.6 外部数据存储器写选通（WR）；
P3.7 外部数据存储器读选通（RD）。
对于第二功能为输出引脚，当作I/O口使用时，第二功能信号线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出口数据输出通路畅通无阻。
而当作第二功能口线使用时，该位的锁存器置高电平，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出。
对于第二功能为输入的信号引脚，在口线上的输入通路增设了一个缓冲器，输入的第二功能信号即从这个缓冲器的输出端取得。
而作为I/O口线输入端时，取自三态缓冲器的输出端。
这样，不管是作为输入口使用还是第二功能信号输入，输出电路中的锁存器输出和第二功能输出信号线均应置“1”。
图3-4P3口结构图
3.1.2温度传感器DS18B20
1．DS18B20的主要特性
适应电压范围更宽，电压范围为3~5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；
DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；
测温范围-55~125℃，在-10~85℃时精确度为正负0.5℃；
可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，可实现高精度测温；
在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换成数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字；
测温结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；
用户可定义报警设置；
负压特性:
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
2．DS18B20外形和引脚
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。
DS18B20的外形及管脚排列如图3-5所示。
图3-5DS18B20的外形图
DS18B20引脚定义：
（1）DQ为数字信号输入/输出端；
（2）GND为接地端；
（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
3．DS18B20的结构
DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3-6所示。
图3-6DS18B20内部结构
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9字节的存储器，结构如图3-8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3-8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
保留
保留
CRC
图3-7RAM的9字节定义
图3-8DS18B20字节定义
表3-1DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨率\位
温度最大转换时间\ms
0
0
9
93.8
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
由表3-1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。
低字节
8
4
2
1
1\2
1\4
1\8
1\16
高字节
S
S
S
S
S
64
32
16
图3-9温度数据值格式
图3-9中，S表示符号位。
当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3-2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表3-2 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
0
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。
4．DS18B20的测温原理
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。
5．DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
DS18B20有两种供电方式：
（1）寄生电源供电方式
在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量，在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电,如图3-10所示。
图3-10寄生电源供电电路图
（2）外部电源供电方式
在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VCC引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。
注意：
在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单。
本次数字温度计的设计采用的就是外部电源供电方式，其连接方式如图3-11所示。
图3-11DS18B20与单片机的连接图
3.2显示电路
显示电路采用共阳数码管显示。
数码管分为共阳型和共阴型，共阳极型就是发光管的正极都连在一起，作为一条引线，负极分开。
八段数码发光管就是8个发光二极管组成的，在空间排列成为8字型带个小数点，只要将电压加在阳极和阴极之间相应的笔画就会发光。
8个发光二极管的阳极并接在一起，8个阴极分开，因此称为共阳八段数码管。
本次设计显示电路采用4位共阳LED数码管，数码管图形如图3-12所示。
图3-12四位一体共阳数码管图形
数码管的管脚分配如图3-13。
1af23b
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图3-13数码管的管脚分配
其中：
1------数码管百位；
2------数码管十位；
3------数码管个位；
4------数码管小数位。
从STC89C51的P1口输出段码，列扫描用P3.0-P3.3口来实现。
数码管的段码与单片机的管脚连接分别为：
P1.7------dp；
P1.6------g；
P1.5------f；
P1.4------e；
P1.3------d；
P1.2------c；
P1.1------b；
P1.0------a；
数码管位码与单片机的管脚连接分别为：
P3.0------数码管小数位
P3.1------数码管个位
P3.2------数码管十位
P3.3------数码管百位
驱动用9012三极管，它是一种低频小功率的普通PNP型硅管，TO-92标准封装,这个管子常在收音机以及各种放大电路中看到。
如图3-14所示。
图3-149012三极管图形
9012参数：
集电极电流Ic:
Max-500mA
工作温度：
-55℃到+150℃
集电极-基极电压：
-40V
显示电路如图3-15所示：
图3-15显示电路图
3.3DS18B20与单片机的接口电路
本次数字温度计传感器是采用的外部电源供电方式，其中三脚接电源，一脚接地，二脚是信号线直接与P3.7口相连，进行数据的传输。
这种方式可以使传感器工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单。
其接口图如图3-16所示。
图3-16传感器DS18B20与单片机的接口电路
DS18B20与单片机的数据传输原理：
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各
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