单片机课程设计简易温度计系统.docx
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单片机课程设计简易温度计系统
信息与电气工程学院
课程设计说明书
（2012/2013学年第二学期）
课程名称：
单片机应用
题目：
数字温度计系统
专业班级：
自动化10-02班
学生姓名：
学号：
指导教师：
苗敬利等
设计周数：
16-17
设计成绩：
2013年6月24日
摘要
随着时代的进步和科技发展，单片机技术已经普与到我们的生活、工作、科研等各个领域，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以与程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以与各种智能机械已经成为一种比较成熟的技术，本文主要介绍一个基于51单片机的测温系统，详细地描述了利用51单片机和DS18B20进行温度测试的原理与过程，对各部分的电路也进行了比较详细的介绍。
该系统可以非常方便地进行温度的测量，使用起来非常方便，具有精度高，体积小，功耗低，价格便宜等特点。
适合我们的日常生活与一些基本的工农生产的温度测量需要，也可以当做温度处理模块嵌入到其他系统中，作为其他主系统的扩展。
51单片机和DS18B20的结合实现了温度检测的最简单系统，该系统结构简单，抗干扰性强，具有广泛的应用前景。
关键词：
单片机；温度检测；三位数码管；AT89C51；DS18B20。
一、绪论
课题的背景
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色，都无时无刻不在与温度打交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展与是否掌握温度有着紧密的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎%80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。
1.1传感器三个发展阶段：
一是模拟集成温度传感器。
该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
此种传感器具有功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等特点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，且外围电路简单。
它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。
二是模拟集成温度控制器。
模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。
某些增强型集成温度控制器（例如TC652/653）中还包含了A/D转换器以与固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。
但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。
三是智能温度传感器。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据与相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，当然，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
1.2温度传感器的发展趋势
进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性与安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
1.3传感器在温控系统中的应用
目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。
对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。
此种产品测温范围大都在-200℃~800℃之间，分辨率12位，最小分辨温度在0.001~0.01之间。
自带LED显示模块，显示4位到16位不等。
有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。
该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。
多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。
针对目前市场的现状，本设计提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机多路测温系统。
1.4设计研究意义
随着科学技术的不断进步与发展，温度控制在工业控制、电子测温计、家用电器等各种温度控制系统中被广泛应用，且由过去的单点测量向多点测量发展。
目前温度传感器有模拟和数字两类传感器两种，为克服模拟传感器与微处理器接口时所需的信号调理电路或A／D转换器的缺点，多点检测温度控制系统多采用智能数字温度传感器，是系统的设计更加方便。
常用的智能数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635等等。
在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术，这样就不可避免地遇到引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调整电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就会导致系统性能的降低。
随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。
美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，具有独特的单总线接口，仅需占用一个通用I/0端口即可完成与微处理器间的通信；在-10～+85℃温度范围内具有
0．5℃精度；用户可编程设定9～12位的分辨率。
这些特性使得DS18B20非常适用于高精度、多点温度测量系统的设计。
1.5设计的任务目标
本设计主要是实现对温度进行测量并准确显示。
整个系统由MCU（单片机）控制，用于接收传感器采集的温度数据并加以显示出来。
二、硬件设计
本课程设计的多点测温系统是以单片机和单总线数字温度传感器DS18B20为核心，充分利用单片机优越的内部和外部资源与智能温度传感器DS18B20的优越性能构成一个完备的测温系统，实现对温度的多点测量。
整个系统由单片机控制，能够接收传感器的温度数据并显示出来，可以从键盘输入命令，系统根据命令，选择对应的温度传感器，并由驱动电路驱动温度显示。
本课程设计了一种合理、可行的单片机监控软件，完成测量和显示的任务。
由于单片机具有强大的运算和控制功能，使得整个系统具有模块化、硬件电路简单以与操作方便等优点。
2.1.1AT89S51单片机的功能结构
AT89S51有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。
AT89S51的存储器系统由4K的程序存储器（掩膜ROM），和128B的数据存储器（RAM）组成。
其基本组成结构框图如：
图3-1。
图2-1AT89S51组成结构框图
AT89S51单片机为40引脚双列直插式封装。
其引脚排列和逻辑符号如图3-2所示。
各引脚功能简单介绍如下：
●VCC：
供电电压。
●GND：
接地。
●P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高。
●P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
●P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
图2-2AT89S51引脚图
●P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），也是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：
*P3.0：
RXD（串行输入口）。
*P3.1：
TXD（串行输出口）。
*P3.2：
INT0（外部中断0）。
*P3.3：
INT1（外部中断1）。
*P3.4：
T0（记时器0外部输入）。
*P3.5：
T1（记时器1外部输入）。
*P3.6：
WR（外部数据存储器写选通）。
*P3.7：
RD（外部数据存储器读选通）。
同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
●RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
●ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
●PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
●EA/VPP：
当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，访问内部ROM。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
●XTAL1：
反向振荡放大器的输入与内部时钟工作电路的输入。
●XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.2温度传感器
2.2.1温度传感器选用细则
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以与测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。
当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。
测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：
量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
（2）灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。
因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。
但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。
因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的串扰信号
（3）频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
（4）线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。
以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。
传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。
在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。
当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
（5）稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。
影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。
因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
（6）精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。
传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。
这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。
对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。
自制传感器的性能应满足使用要求。
2.3DS18B20温度传感器简介
温度的测量是从金属（物质）的热胀冷缩开始。
水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。
可是它的缺点是只能近距离观测，而且水银有毒，玻璃管易碎。
代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低，只能作为一个概略指示。
不过在居民住宅中使用已可满足要求。
在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示，出现了许多不同的温度检测方法，常用的有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型、光纤式与石英谐振型等。
它们都是基于温度变化引起其物理参数（如电阻值，热电势等）的变化的原理。
随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。
（1）智能温度传感器DS18B20的性能特点：
1）独特的单总线接口仅需要一个端口引脚进行通信,可以是串行口也可以是其他I/O口，无须变换，直接输出被测温度值（9位二进制，含符号位）。
多个DS18B20可以并联挂接在一条总线上，实现实现多点温度采集检测功能；
2）可测温度范围为-55～+125℃，测量分辨率为0.0625℃；
3）内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；
4）内含寄生电源，可直接通过数据总线供电，电压范围为3.0～5.5V；
5）零待机功耗；
6）用户可通过编程分别设定各路的温度上、下限温度值来实现报警功能；
7）适配各种微处理器；
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；
10）可检测距离远，最远测量距离为150m。
（2）DS18B20的内部结构
DS18B20的内部结构如图2-3所示。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM，温度报警触发器,温度传感器以与高速缓存器。
64位光刻ROM。
64位光刻ROM是出厂前已被刻好的，它可以看做是该DS18B0的地址序列号，不同的器件不一样，64位的地址序列号的构成如表2-1所示。
开始8位是产品序列号代表产品的序列，接着48位产品序号代表同一系列产品的不同产品，最后8位是前56位的CRC校验码，所以不同的器件的地址序列号各不一样这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因（8位CRC编码的计算公式为CRC=X+X+X+1）。
在64bROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。
主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
表2-164位ROM地址序列号结构
48位产品序列号
8位产品序号
8位CRC编码检验
图2－3DS18B20内部结构
2）非挥发的温度报警触发器（包括上限温度触发器TH和下限温度触发器TL）。
可通过软件程序写入设定用户所要求的报警上下限温度值。
3）高速暂存器。
可以设置DS18B20温度转换的精度。
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,如图1.4。
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E2PRAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，
表2－2DS18B20高速暂存器结构
序号
寄存器名称
作用
0
温度低字节
以16位补码形式存放
1
温度高字节6
2
TH/用户字节1
存放温度上限值
3
HL/用户字节2
存放温度下限值
4、5
保留字节1、2
6
计数器余值
7
计数器
8
CRC值
此外，DS18B20内部还包括寄生电源、电源检测、存储控制逻辑、8位循环冗余码生成器（CRC）等部分。
DS18B20有两种供电方式。
如图2-4所示：
图（a）是由外电源供电，图（b）是I/O口总线和寄生电容配合供电。
DS18B20寄生电源由两个二极管和寄生电容构成。
电源检测电路用于判定供电方式。
寄生电源供电时，电源端与接地端并联接地，器件从总线上获取电源。
在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。
采用寄生电源有两个优点：
一是检测远程温度是无需本地电源；二是缺少正常电源时也能读ROM。
若采用外部电源，则通过二极管向器件供电。
UDD
I/OI/O
GNDUDDGND
图（a）使用外部电源供电图（b）使用寄生电源供电
图2-4DS18B20与微处理器的硬件连接方式
由表2-3可见，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。
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2-4是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表2－3DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨率/位
温度最大转向时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
表2－4 一部分温度对应值表
温度/℃
数字输出（二进制）
数字输出（十六进制）
+125
0000000011111010
00FAH
+25
0000000000110010
0032H
+0.5
0000000000000001
0001H
0
0000000000000000
0000H
-0.5
1111111111111111
FFFFH
-25
1111111111001110
FFCEH
-55
1111111110010010
FF92H
2.3.1DS18B20的测温原理
每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的64地址位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。
主机在进入操作程序前必须用读ROM（33H）命令将该DSl8B20的序列号读出。
程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。
DS18B20的测温原理如图2-5所示。
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震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，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后进行计数，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℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器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。
图2.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，提高测量准确制度。
其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。
停止
置位/清零
图2-5DS18B20的测温原理图
2.3.3DS18B20的测温流程
图2－8DS18B20测温流程
2.4LED数字显示与其驱动电路
该模块主要是将单片机输出的结果进行显示。
为了能实时动态显示单片机的输出结果，该模块使用8位数码管进行接收显示和1片74HC245对数码管进行控制。
其主要还是利用单片机进行对该模块的整体控制。
该模块整体结构示意图如下所示：
图2-9显示模块示意图
2.4.1LED显示器简介
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。
2.4.2LED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”与“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
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