简易数字温度计的设计 精品.docx
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简易数字温度计的设计精品
引言.............................................................................................................................................3
1功能要求…………………………………………………………..…………………...……4
2系统方案论证与比较………………………………………………..……..…………….…4
2.1数字温度计设计方案论证…………………………………………..…………………...4
2.1.1方案一……....………………..………………………………………………….…..4
2.1.2方案二…....……….…………………………………….…………...………..…......6
2.2方案二的总体设计框图………………………………………….……………..………..7
3系统主要元器件的选择及介绍.............................................................................................8
3.1单片机的选用及功能介绍…..…………………………….….……………..…….…….8
3.1.1单片机简介.................................................................................................................8
3.1.2单片机的产生与发展……………………………….……………...………..…...…9
3.1.3单片机的应用……………………………………….………………..…..………..10
3.1.4MCS-51单片机引脚及功能介绍..............................................................................11
3.2温度传感器的选择…………..………………………….………..……………..……...13
3.2.1DS18B20简单介绍………………………………….……..………………..….…..14
3.2.2DS18B20的性能特点和使用中的注意事项……….…..…………………..….…..14
3.2.3DS18B20的引脚及内部结构………………………...………………………...…..16
3.2.4DS18B20的工作原理…………………………………….……………….……....25
3.2.5DS18B20的单线协议和命令…………………....………….………….……........26
3.2.6温度数据的计算处理方法……………………...………………………….…........29
4系统硬件电路的设计…………………………….………..................................................32
4.1主板电路...........................................................................................................................32
4.2显示电路………………………………………………………………….……….…….32
4.3DS18B20温度传感器与单片机的接口电路…………………………….…….………..33
5系统软件算法分析………………………………………………………………..………..34
5.1主程序…………………………………………………………………………………...34
5.2读出温度子程序………………………………………………………..……………….35
5.3温度转换命令子程序………………………………………………….…….………….36
5.4计算温度子程序…………………………………………………………..…………….37
5.5显示数据刷新子程序…………………………………………………………..……….38
6调试及性能分析………………………………………………………………..………….39
结论…………………………………………………………………………..……………….40
致谢………………………………………………………………………………..………….41
参考文献…………………………………………………………………………..………….42
附录…………………………………………………………………………..……………….43
附录一原理图……………………….………...……………………..…………...……44
附录二控制源程序清单……………………………………………..…………...……48
基于单片机的数字温度计的设计
指导教师：
宗文军
2006级机电专业学号20060279姓名胡雄飞
摘要
随着时代的进步和发展，人类不断的需求，科技不断的进步。
温度计所给人类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。
由于老式温度计的精确度低，测量范围小，无法满足现代化生活:
工业、教学、科研、旅游等等各个领域的需求。
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，由于单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，它属于多功能温度计。
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，测温准确等优点。
该温度计以AT89S51为主控器，通过DS18B20来检测温度，并通过四位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示。
同时可以设置上下线报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。
数字温度计是单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
关键词：
单片机；数字控制；温度计；DS18B20；AT89S51
Basedonthedesignofmicrocontrollerdigitalthermometer
Tutor:
QinZhiGuang
Author:
JiaZhen
Abstract
Asthetimesprogressanddevelopment,humanconstantdemand,technologicalprogress.Thermometer,giventheconvenienceofmankindisundeniable,inwhichthedigitalthermometerisatypicalexample,butithavebecomeincreasinglydemanding.Duetothelowaccuracyofold-fashionedthermometer,measuringrangeissmall,doesnotmeetmodernlife:
industry,teaching,research,andtourismdemandinvariousfields.Withtheintegratedcircuitstechnology,single-chipmicro-computerfeaturesarealsogrowing,duetomicrocontrollertechnologyhasspreadtoourlives,work,researchinvariousfieldshasbecomearelativelymaturetechnology,thisarticledescribesacontrolbasedonsinglechipdigitalthermometer,itbelongstomulti-functionthermometer.Thedesignpresentedindigitalthermometerwithatraditionalthermometer,comparedwithareadingconvenience,awiderangeoftemperaturemeasurement,temperaturemeasurementaccurate.ThethermometerinordertoAT89S51-basedcontroller,throughtheDS18B20todetectthetemperature,andthroughfourcommonanodeLEDdigitaltubes,serialtransmissionofdatatoachievetemperaturedisplay.Youcansetthealarmofftheassemblylineatthesametimethetemperatureissetwhenthetemperatureisnotwithinthescopewhenitcouldbereported.Digitalthermometerisasinglebusdevice,withasimplecircuit,smallsizeandcharacteristics.Therefore,useittoformatemperaturemeasurementsystemwithasimplecircuit,inacommunicationlinecancarrymanyofthesedigitalthermometerisveryconvenient.
Keywords:
SCM;digitalcontrol;thermometer;DS18B20;AT89S51
引言
在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测与控制，而在传统的温度测量系统中，一般采用热电偶或铂电阻进行温度测量。
在这些电路中，有这样一些问题必须解决:
为了进行准确的温度测量，必须给铂电阻提供一个良好的恒流源;由于热电偶出来的信号是模拟信号，所以此信号在送给CPU之前必须先进行A/D转换，然后再送给CPU进行处理;并且热电偶的信号很微弱，只有十几个mA，因此在A/D转换之前通常还需要进行增益放大，因此，采用热电偶和铂电阻进行温度测量，需要考虑很多问题，构成的系统也比较复杂。
况且它们测出一般为电压，再转换成相应的温度，需要比较多的外部硬件来支持，这样以来造成系统硬件电路复杂，软件调试复杂，并且制作成本高。
DALLAS公司推出的数字式温度传感器DS18B20很好地解决了这样一些问题，DS18B20采用一线接口，只需占用单片机的一个I/O口位，其外围电路也非常简单;并且DS18B20将测得的温度信号转换为数字量输出，可以与单片机直接相连，而不需进行信号放大和A/D转换，大大简化了电路的设计，因此本数字温度计的设计采用了DS18B20作为温度传感器进行温度采集。
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。
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。
本数字温度计采用DS18B20作为检测原件，控制器使用单片机AT89S51，用3位共阳极LED数码管实现温度显示,减少了外部硬件电路，具有读数方便，测温范围广，测温准确，低成本,易使用等特点。
1功能要求
1）以AT89S51单片机为核心器件，组成一个数字式温度计；
2）采用数字式温度计传感器DS18B20为检测器件，精度误差小于0.5℃；
3）温度显示采用3位LED数码管显示，三位整数，一位小数；
4）具有键盘输入上、下限功能，超过上、下限温度时，进行声音报警。
2系统方案论证与比较
2.1数字温度计设计方案论证
一个典型的单片机自动测温系统由三大部分组成：
测量放大电路、A/D转换电路和显示电路。
它广泛应用于发电厂、化工厂的测温和温度控制系统中。
2.1.1方案一
传统的测温元件有热电偶和热电阻。
热电偶和热电阻测出相应的电压值，再将电压转化成对应的温度。
本方案硬件电路设计主要由热电偶温度传感器、测量放大电路、A/D转换电路、ICL与单片机的接口电路和显示电路构成；软件设计主要由ICL模块、WAVE数字滤波模块、MODIFY模块、YA查表模块、查表法和DIR组成。
需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。
2.1.2方案二
本数字温度计设计采用温度传感器DS18B20作为检测元件，测温基本范围为-50℃-110℃，最大分辨率可达0.0625℃。
DS18B20可以读出被测温度值，而且采用3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。
2.2方案二的总体设计框图
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、测温电路及显示电路。
数字温度计总体电路结构框图如图2-1所示。
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。
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。
图2-1数字温度计电路结构框图
3系统主要元器件的选择及介绍
3.1单片机的选用及功能介绍
3.1.1单片机简介
一、单片机的概念
所谓的单片机就是在一块半导体芯片上集成了CPU（中央处理器）、ROM（只读存储器）、RAM（静态可读/写存储器）、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件的的微型计算机。
单片机全称叫单片微型计算机，又称微处理器或微控制器等。
二、单片机的特点
1、性价比高；
2、集成度高、体积小、可靠性高；
3、控制功能强；
4、低电压、低功耗。
3.1.2单片机的产生与发展
从1974年12月，仙童（Fairchild）公司首先推出8位单片机F8，采用：
双片形式F8（8位CPU＋64RAM＋2个并行I/O口）＋3851（1KROM＋定时器/计数器＋2个并行I/O）。
至今经历四代：
第一代：
1974~78，典型代表如Intel公司的MCS-48型8位单片机，采用8位CPU、2个I/O口、8位定时器/计数器、64RAM/1KROM、简单中断，寻址小于4K，且无串行口。
第二代：
1978~83，高档8位单片机，如MCS-51，MC6801，Zilog公司的Z8等。
增加功能：
串行I/O、多级中断、16定时/计数器、片内RAM/ROM增大，寻址64K，片内带A/D转换器接口。
第三代：
1983~90年代初，16位单片机出现，如MCS-96系列的8096、8098芯片。
增加性能：
16位CPU，RAM/ROM增大，中断能力增强、A/D、HSIO等
第四代：
90年代至今，高档16位产品和32位产品的出现，如80196，MC8300等，性能、速度大大提高。
3.1.3单片机的应用
1、测控系统；
2、智能仪表；
3、机电一体化产品；
4、智能接口；
5、智能民用产品。
3.1.4MCS-51单片机引脚及功能介绍
单片机引脚如图3-1所示
1.电源引脚
VCC：
电源端，单片机的工作电源，接＋5V直流电；
VSS：
接地端；
图3-1MCS－51单片机引脚介绍
2.控制信号引脚
/EA：
程序存储器选择控制端，
/EA=0，选择片外程序存储器；
/EA=1，选择片内程序存储器
RST：
复位信号输入，当干引脚保持2个机器周期的高电平，就能使单片机复位。
ALE（AddressLatchEnable）：
地址锁存允许信号输出端
/PSEN（ProgramSelectEnable）：
外部程序存储器输出允许控制信号
常用复位电路:
图3-2（a）上电复位电路图3-2（b）上电复位和按键复位电路
3.并行I/O接口引脚
P0.0～P0.7：
P0口，双向输入/输出口。
如系统接有外部存储器，P0口可作为数据总线和低8位地址总线。
当作为普通I/O口使用时，应接上拉电阻。
P1.0～P1.7：
P1口，仅作为一般I/O口使用。
P2.0～P2.7：
P2口，准双向输入/输出口。
如系统接有外部存储器，P0口作为高8位地址总线。
P3.0～P3.7：
P3口，准双向输入/输出口。
P3口具有第二功能。
P3口的第二功能如表3-1所示。
4.时钟电路引脚
XTAL1：
内部振荡电路输入端，外接晶体振荡器的一个引脚；XTAL2：
内部振荡电路输出端，外接晶体振荡器的另一个引脚，如图3-3所示。
表3-1P3口的第二功能
I/O口
第二功能
I/O口
第二功能
P3.0
串行数据接收端
P3.4
T/C0外部脉冲输入端
P3.1
串行数据发送端
P3.5
T/C1外部脉冲输入端
P3.2
外部中断0输入
P3.6
写片外数据存储器
P3.3
外部中断1输入
P3.7
读片外数据存储器
晶振可选择4M-40MHZ
电容可选20-30PF
图3-3内部振荡方式
3.2温度传感器的选择
3.2.1DS18B20简单介绍
DSl8B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线（和地线）。
DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。
因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。
DSl8B20的测量范围从-55°C到+125°C，增量值为0.5°C，可在ls（典型值）内把温度变换成数字。
每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DSl8B20内部的ROM（只读存贮器）中。
开始8位是产品类型编码（DSl8B20编码均为10H）。
接着的48位是每个器件唯一的序号。
最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。
DSl8B20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号为0号和1号。
1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负°C，则1号存贮器8位全为1，否则全为0。
0号存贮器用于存放温度值的补码，LSB（最低位）的1表示0.5°C。
将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值。
3.2.2DS18B20的性能特点和使用中的注意事项
1DS18B20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：
（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
（2）多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
（3）无须外部器件；
（4）可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V；
（5）零待机功耗；
（6）温度以9或12位数字；
（7）用户可定义报警设置；
（8）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；
（9）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。
2DS18B20温度计还可以在高底温报警、远距离多点测温等方面进行应用开发，但在实际设计中应注意一下问题：
（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。
（2）DS18B20工作时电流高达1.5mA，总线上挂接点数较多且同时进行转换时，要考虑增加总线驱动，可用单片机端口在测温转换时导通一个MOSFET供电。
（3）连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的，因此在用DS18B20进行长距离测温系统设计时，要充分考虑总线分别电容和抗阻匹配等问题。
（4）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时要给与一定的重视。
3.2.3DS18B20的引脚及内部结构
1DS18B20的引脚及功能
图3-4TO－92封装的DS18B20的引脚排列
表3-2 DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
2DS18B20的内部结构及各部分功能
DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3-5所示。
主要由4部分组成：
64位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。
图3-5DS18B20内部结构
4.2.4DS18B20的工作原理
64位ROM的结构如图3-6所示，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。
非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
图3-664位ROM结构图
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8字节的存储器，结构如图3-7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，定义方法见表3-3。
图3-7高速暂存RAM结构图
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
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