数字温度报警器标准.docx
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数字温度报警器标准
编号：
中南大学
信息科学工程学院
学生课程设计
题目：
数字温度报警器的设计
系（部）电子信息工程与通信工程系
专业电子信息工程
班级电子信息工程0902
学号0909091510
学生姓名侯亚琦
指导教师（校内）刘子健职称：
讲师
指导教师（校外）职称：
等级（总成绩）
2011年6月27日
中南大学信息科学工程学院课程设计任务书
系部
电子信息与通信工程系
专业
电子信息工程
学号
0909091510
姓名
侯亚琦
题目
数字温度报警器的设计
内容
使用单片机STC89C52，测温传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示及报警功能。
基本要求
实现温度显示及报警功能
重点研究问题
DS18B20传感器、四位七段数码管、单片机的焊接
主要技术指标
DS18B20传感器、四位七段数码管、单片机的焊接
其它要说明的问题
单片机管脚的焊接 、DS18b20的功能
指导教师签字：
年月日
数字温度报警器设计
电子信息工程与通信工程系电子信息工程09级
摘要
摘要：
随着时代的进步和发展，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，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。
关键词：
单片机，数字控制，温度计，DS18B20，STC89C51
Abstract：
Withtheprogressanddevelopment,single-chiptechnologyhasspreadtoourlives,work,researchinvariousfieldshasbecomearelativelymaturetechnology,thisarticlewillintroducethesingle-chipmicrocomputer-basedcontrolofadigitalthermometer,thethermometeraremulti-purposethermometer,youcansetupperandlowertemperaturealarm,whenthetemperaturerangeisnotset,itcouldbereported.
Keywords:
single-chip,digitalcontrol,thermometer,DS18B20,STC89C51
前言…………………………………………………………………………………5
第一章设计方案……………………………………………………………………6
1.1设计设求……………………………………………………………………………6
1.2数字温度计设计方案论证………………………………………………………6
1.3总体设计框图……………………………………………………………………6
第二章系统组成及工作原理………………………………………………………7
2.1DS18B20温度传感器与单片机的接口电路……………………………………7
2.27段LED数码管电路及原理…………………………………………………11
2.3系统整体硬件电路……………………………………………………………13
第三章系统软件算法分析…………………………………………………………14
3.1主程序………………………………………………………………………14
3.2读出温度子程序………………………………………………………………14
3.3温度转换命令子程序…………………………………………………………15
3.4计算温度子程序………………………………………………………………15
第四章实验、调试及测试结果分析……………………………………………17
第五章总结与体会………………………………………………………………19
附录1程序源代码…………………………………………………………………20
附录2元件清单…………………………………………………………………32
参考文献…………………………………………………………………………33
前言
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。
目前，甲型H1N1流感入境，为了把好关，需对流动人口进行人体体温测量。
由于温度传感器DS18B20具有独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，可实现多点组网功能，零待机功耗，电压范围仅为3.0~5.5Ｖ而且具有读数方便，测温范围广，测温准确的特点，最主要的是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），那么只要检测到温度超过设定的正常人体体温就会发出报警，这样就能更有效的防止流感的扩散。
出于对此问题的探索，我们通过上网查阅及相关资料的收集，做了本设计。
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，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，该设计控制器使用单片机STC89C52，测温传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。
。
第一章总体设计方案
1.1计设要求
（1）基本范围0℃-99℃
（2）精度误差小于0.5℃
（3）LED数码直读显示
（4）可以任意设定温度的上下限报警功能
1.2数字温度计设计方案论证
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，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，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
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。
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。
1.3总体设计框图
温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机STC89S52，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。
图1.1 总体设计方框图
第二章系统组成及工作原理
2.1DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
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，其内部结构框图如图2.1所示。
图2.1DS18B20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。
TO－92封装的DS18B20的引脚排列见下图2.2，其引脚功能描述见下：
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。
图2.218B20管脚图
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2.3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2.3 DS18B20字节定义
表2.1
由表2.1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。
当符号位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2.2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
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。
DS18B20的测温原理,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。
表2.2 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
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。
DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式，如图2.4所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。
采用寄生电源供电方式时VDD端接地。
由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。
图2.4DS18B20与单片机的接口电路
2.27段LED数码管电路及原理
7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示0~9等10个数字和小数点，使用非常广泛。
这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如下图2.5所示。
图中的8个LED分别与上面那个图中的A~DP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。
图2.5
还有一种比较常用的是四位数码管，内部的4个数码管共用a~dp这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有4个数码管，所以它有4个公共端，加上a~dp，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）。
引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为1~12脚，下图中的数字与之一一对应。
2.3系统整体硬件电路
温度计电路设计原理图如图2.6所示，控制器使用单片机STC89C52,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。
度显示电路
图2.6数字温度计电路原理图
第三章系统程序的设计
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。
3.1主程序
主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。
这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图3.1所示。
图3.1主程序流程图图3.2读温度流程图
3.2读出温度子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
其程序流程图如图3.2示
3.3温度转换命令子程序
温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。
温度转换命令子程序流程图如图3.3所示
图3.3温度转换流程图
3.4计算温度子程序
计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图3.4所示。
图3.4 计算温度流程图图3.5 显示数据刷新流程图
第四章实验、调试及测试结果分析
4.1硬件调试
检查印制板及焊接的质量情况，在检查无误后可通电检查LED显示器。
若亮度不理想，可以调整P0口的电阻大小，一般情况取200欧电阻即可
4.2软件调试
在KeilC51编译下进行，源程序编译及仿真调试应分段或以子程序为单位逐个进行，最后结合硬件实时调试
通过以上检查后，将电路通电查看是否按要正常工作，实验最终结果显示实验成功
下面分别为面包板方真电路图、实物图。
1，正常示温
2，温度下限设置
3，温度上限设置
4，竣工
第五章总结与体会
经过将近两周的单片机课程设计，终于完成了我的数字温度计的设计，达到设计要求，从心底里说，毕竟这次设计把实物都做了出来，高兴之余不得不深思呀！
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，举个例子，以前写的那几次，数据加减时，我用的都是BCD码，这一次，我全部用的都是16进制的数直接加减，显示处理时在用除法去删分,感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。
从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。
附录一程序代码
/******************************************************************
程序名称：
DS18B20温度测量、报警系统
简要说明：
DS18B20温度计，温度测量范围0~99.9摄氏度
可设置上限报警温度、下限报警温度
即高于上限值或者低于下限值时蜂鸣器报警
默认上限报警温度为31℃、默认下限报警温度为20℃
报警值可设置范围：
最低上限报警值等于当前下限报警值
最高下限报警值等于当前上限报警值
将下限报警值调为0时为关闭下限报警功能
最后更新：
11/6/25日早
******************************************************************/
#include//52系列头文件
#include
#defineucharunsignedchar//宏定义uchar
#defineuintunsignedint//宏定义uint
sbitds=P3^6;//定义DS198B20的io口
sbitbeep=P3^7;//定义蜂鸣器的io
uinttemp,t,w;//定义整型的温度数据
ucharflag;
floatf_temp;//定义浮点型的温度数据
uintlow;//定义温度下限值是温度乘以10后的结果
uinthigh;//定义温度的上限值
sbits1=P3^1;//功能键控制io
sbits2=P3^2;//增大按键io
sbits3=P3^3;//减少键控制io
ucharflag1,flag2,flag3,flag4,s1num,qian,bai,shi,ge;
ucharcodetable[]=
{
0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,
0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,
};//共阳数码管段码表没有小数点0~9
ucharcodetable1[]=
{0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,
0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};//带小数点的编码0~9
voiddelay（ucharz）//延时函数
{
uchara,b;
for（a=z;a>0;a--）
for（b=100;b>0;b--）;
}
voidinit（）
{
EA=1;//打开全局中断控制，再此条件下，由各个中段控制位确定相应中断的打开和关闭
ET1=1;//打开定时器T1中段
TR1=1;//启动定时器T1
TMOD=0x10;//定时器1工作方式1
TH1=（65536-4000）/256;//给定时器高四位赋初值
TL1=（65536-4000）%256;//给定时器第四位赋初值
flag=0;
low=200;//下限温度是20
high=300;//上限温度是30
}
voiddidi（）//高温报警
{
beep=0;//蜂鸣器打开
delay（500）;//延时
beep=1;//蜂鸣器关闭
delay（500）;//延时
}
voiddsreset（void）//DS18b20复位，初始化函数
{
uinti;
ds=0;
i=103;//延时最短480us
while（i>0）i--;
ds=1;//等待16-60us，收到低电平一个约60-240us则复位成功
i=4;
while（i>0）i--;
}
bittempreadbit（void）//读1位数据函数
{
uinti;
bitdat;
ds=0;i++;
ds=1;i++;i++;//i++起到延时作用
dat=ds;
i=8;
while（i>0）i--;
return（dat）;
}
uchartempread（void）//读1字节的数据函数
{
uinti,j,dat;
dat=0;
for（i=1;i<=8;i++）
{
j=tempreadbit（）;
dat=（j<<7）|（dat>>1）;
//读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在dat里
}
return（dat）;
}
voidtempwritebyte（uchardat）//向DS18B20写一个字节的数据函数
{
uinti;
ucharj;
bittestb;
for（j=1;j<=8;j++）
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if（testb）//写1
{
ds=0;
i++;i++;
ds=1;
i=8;
while（i>0）
i--;
}
else//写0
{
ds=0;
i=8;
while（i>0）i--;
ds=1;
i++;i++;
}
}
}
voidtempchange（void）//DS18B20开始获取温度并转换
{
dsreset（）;
delay
（1）;
tempwritebyte（0xcc）;//写跳过读ROM指令
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