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单片机论文

第1章绪论

1.1温度传感器的介绍

1.1.1温度传感器的定义

温度传感器下的定义是：

“能感受规定的被测量（温度）并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

温度传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。

温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。

温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。

从17世纪初人们开始利用温度进行测量。

在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。

与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

1.1.2温度传感器的组成

通常，温度传感器由敏感元件和转换元件组成。

但是由于温度传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。

因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。

　　常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它们分别与相应的传感器相配合。

1.1.3温度传感器DS18B20的功能

1.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。

2.测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1℃。

3.支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

4.工作电源:

3~5V/DC（可以数据线寄生电源）。

5.在使用中不需要任何外围元件。

6.测量结果以9~12位数字量方式串行传送。

7.不锈钢保护管直径Φ6。

8.适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。

9.标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选。

10.PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。

1.1.4DS18B20的接线方式

独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55℃至+125℃。

华氏相当于是67华氏度到257华氏度-10℃至+85℃范围±0.5℃。

描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数）。

由于DS18B20是一条口线通信，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。

为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。

因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。

这使得温度传感器放置在许多不同的地方。

它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。

8引脚封装TO-92封装，5和1接地，4和2数字信号输入输出，一线输出：

源极开路，3和3电源，可选电源管脚。

1.1.5DS18B20的工作原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。

DS18B20测温原理如图3所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

1.2国内外目前的研究进展和成果

测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了3个阶段：

传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化的方向发展。

在这个信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现的时代。

能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。

传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。

热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，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，这里设计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AT89C51型单片机作为主控制器件，DSl8B20作为测温传感器通过LED数码管显示模块显示结果，实现温度显示。

通过DSl8B20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0℃~100℃最大线性偏差小于0.1℃。

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。

1.3设计目的

随着电子技术的发展，人们的生活日趋数字化，多功能的数字温度计可以给我们的生活带来很大的方便；支持“一线总线”接口的温度传感器简化了数字温度计的设计，降低了成本；以美国MAXIM/DALLAS半导体公司的单总线温度传感器DS18B20为核心，以ATMEL公司的AT89C51为控制器设计的DS18B20温度控制器结构简单、测温准确、具有一定控制功能的智能温度控制器。

那么，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展

1.4设计内容

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，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8086系统AT89C51，测温传感器使用DS18B20，由LED数码管显示模块显示结果，能准确达到以上要求。

1.5设计要求

1.掌握单片机硬件电路的设计方法。

2.熟练使用单片机的编程软件，掌握单片机软件程序的设计思路和设计方法。

3.掌握单片机程序的应用系统的调试、监控、运行方法。

4.通过课程设计熟练掌握资料的查询（图书、网络），将单片机课程所获知识在工程设计工作中综合地加以应用，使理论知识和具体案例设计结合起来。

第2章总体设计

2.1选择方案

2.1.1温度传感器的选择

DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，它的测量温度范围为－55～＋125℃，在－10～＋85℃范围内，精度为±0.5℃，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等，DS18B20支持3～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、更方便、更便宜、体积更小。

DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃，分辨率设定及用户设定的报警温度存储在E2PROM中，掉电后依然保存。

因此，本方案选用DS18B20作为温度测量传感器。

2.1.2控制器的选择

AT89C51单片机需要用仿真器来实现软硬件的调试，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

因此，选用AT89C51八位单片机作为温度采集的控部分。

2.1.3显示器的选择

利用数字温度传感器DS18B20与单片机结合来测量温度。

数字温度传感器DS18B20测量温度信号，计算后只需显示相应的温度值。

其温度测量范围为−55℃～125℃，精确到0.5℃。

数字温度计所测量的温度采用数字显示，所以显示器采用LED数码管即可。

2.2总体设计

本方案设计的系统由按键控制模块、单片机系统、温度传感器模块、显示模块、存储模块、串口通信模块和电源模块组成，其总体架构如图2-1。

2-1系统总体设计

第3章硬件设计

3.1单片机复位电路工作原理及设计

原理是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而产生按键复位电平，保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。

硬件图如下图3-1：

图3-1单片机复位电路

3.2单片机晶振电路工作原理及设计

晶振电路是提供系统时钟信号。

为了各部分的同步应当引入公用的外部脉冲信号作为振荡脉冲。

电容选择在10~30pF之间，因为电容的大小影响振荡器振荡的稳定性和起振的速度。

硬件图如下图3-2：

图3-2单片机晶振电路

3.3按键电路

按键电路将按键的一段与单片机I/O口链接，一段与地链接，当按键按下时可以由单片机内的程序检测到。

按键采用普通的按钮按键。

如图3-3和3-4：

图3-3单片机I/O口链接

图3-4单片机与地链接

3.4LED数码管

硬件接线图如下图3-5：

图3-5硬件接线图

3.5DS18B20温度传感器

3.5.1内部构造

如下图3-6：

图3-6内部构造图

3.5.2硬件接线

硬件接线图如下图3-7：

图3-7硬件接线图

3.6总电路图

基于数字温度传感器的数字温度计的总电路图如图3-8：

图3-8系统总电路图

第4章软件设计

4.1主程序流程图

如图4-1为系统主程序流程图：

图4-1主流程图

4.2子程序流程图

4.2.1DS18B20模块程序流程

DS18B20模块程序主要完成DS18B20的初始化和温度的读去操作，程序流程如图4-2所示。

图4-2DS18B20模块程序流程图

4.2.2数码管程序流程

程序流程如图4-3所示。

图4-3数码程序流程图

4.2.3单片机端通信程序流程图

AT89C51程序流程如图4-4所示。

图4-4AT89C51程序流程图

第5章测试结果分析及总结

5.1测试结果分析

DS18B20在12位转化时每一位的精度为0.0625度，我们取小数点后两位进行显示，即两位整数温度和两位小数温度数据，这样已经达到了很高的精度。

在测试过程中，我们将家庭用的寒暑表和设计完成的数字温度计做比较发现，寒暑表反应速度比较快，但经过读数后的结果存在较大的误差，而我们设计完成的数字温度计测温然后显示的反应不及寒暑表，但是测温的精度远比寒暑表高，因为DS18B20测温精度可达0.0625度，并且经电子器件显示只存在取舍误差。

DS18B20本身就是一种数字温度传感器，它会把温度转换成数字量以后存贮在自身内部，由单片机把DS18B20里面存贮的数字量读出来，然后在数码管上显示出来，当四位数码管显示的温度超过上限值时，DS18B20可以实现报警功能；DS18B20与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测量温度，并且可跟就实际需要要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方法。

可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息只需要一根口线读写；温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电。

而无需额外电源，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性高。

5.2设计总结

通过这次课程设计，使我认识到理论联系实际的重要性，在实践中扩展了知识面，不但掌握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，从各方面提高了自身的综合素质。

经过这次一个较完整的产品设计和制作过程，对于将来学习和工作也是有所裨益的。

在课程设计过程中，遇到了很多的问题通过查阅资料最终得以解决了，这个过程让我受益匪浅。

致谢

本课程设计是在韩学辉老师的精心指导下完成的。

从做设计以来，我不仅在专业上有了很大进步，而且开阔了我的视野，明白了更多的知识。

在此，我要向韩学辉老师表示深深的敬意和衷心的感谢！

韩老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；韩老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次设计的每个实验细节和每个结果，都离不开老师您的细心指导。

此外，我在学习期间还得到许多同学、朋友的帮助，在此表示衷心的感谢！

最后再次表示衷心的感谢，但由于水平有限，我的设计还存在许多不足之处，有许多地方需要完善,还望老师多加指正。

最后祝愿老师们工作顺利，身体健康！

祝愿同学们在新的学年取得新的好成绩，一切顺利！

参考文献

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