基于AT89C51数字温度报警器论文正稿.docx
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基于AT89C51数字温度报警器论文正稿
毕业设计（论文）
学生姓名：
学号：
专业：
应用电子技术
院系：
电子工程学院
设计（论文）题目：
基于AT89S51温度报警器
指导教师:
2013年6月3日
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，当温度不在设置围时，可以报警。
关键词：
单片机温度计DS18B20AT89C51
前言2
1．总体设计方案3
1.1计设要求3
1.2数字温度计设计方案论证3
1.3总体设计框图3
2．系统组成及工作原理4
2.1DS18B20温度传感器与单片机的接口电路4
2.27段LED数码管电路及原理8
2.3系统整体硬件电路9
3．软件部分11
3.1主程序12
3.2读出温度子程序13
3.3温度转换命令子程序13
3.4计算温度子程序14
3.5显示数据刷新新子程序15
3.6Proteus软件和Keil软件联合仿真建立15
4．实验、调试及测试结果分析16
4.1硬件调试16
5．总结与体会17
参考文献18
附录一程序代码19
附录二元器件清单25
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，电压围仅为3.0~5.5Ｖ而且具有读数方便，测温围广，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AT89C51，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。
1．总体设计方案
1.1计设要求
（1）基本围低于-20℃或高于70℃
（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。
主控制器
LED显示
温度传感器
单片机复位
时钟振荡
报警点按键调整
图1.1 总体设计方框图
2．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，其部结构框图如图2.1所示。
I/O
C
64
位
ROM
和
单
线
接
口
高速缓存
存储器与控制逻辑
温度传感器
高温触发器TH
低温触发器TL
配置寄存器
8位CRC发生器
Vdd
图2.1DS18B20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。
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字节容作比较。
若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件的报警标志位置位，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。
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
表2.2 一部分温度对应值表
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，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8位共阳LED数码管以动态扫描法实现温度显示。
图2.6数字温度计电路原理图
3．软件部分
Keil简介
Keil是由美国keilsoftware公司出品的单片机开发工具，它是目前最流行的单片机开发工
具之一，该软甲平台主要包括：
C51交叉编译器、A51宏汇编器、BL51连接/重定位器、LIB51库管理器、OH51IntelHEX格式文件转换器、RTX-51实时操作系统以单片机软件仿真Dscope51，它将项目管理、源代码编译、程序调试等集成带一个功能强大的Windows32平台中，支持51汇编、PLM和C语言的混合编程，功能强大、界面友好、易学易用。
Proteus简介
Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件，是一个电子设计的教学平台、实验平台和创新平台，涵盖了电工电子实验室、电子技术实验室、单片机应用实验室等的全部功能。
它是一种组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真、PCB设计以及自动布线进行完整的电子设计的软件。
采用Proteus仿真软件进行虚拟单片机实验，可以仿真单片机及其外围器件电路，可采用仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外围电路，具有比较明显的优势，如涉及到的实验实习容全面、硬件投入少、学生可以自行实验、实验过程中损耗小、与工程实践最为接近等。
它提供了30多个元件库，数千种元件，涉及到数字和模拟、交流和直流等，并且有丰富的仪表资源。
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。
这样可以在一秒之测量一次被测温度，其程序流程见图3.1所示。
初始化
调用显示子程序
1S到？
初次上电
读出温度值温度计算处理显示数据刷新
发温度转换开始命令
N
Y
N
Y
图3.1主程序流程图
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
Y
发DS18B20复位命令
发跳过ROM命令
发读取温度命令
读取操作，CRC校验
9字节完？
CRC校验正？
确？
移入温度暂存器
结束
N
N
Y
图3.2读温度流程图
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
开始
温度零下?
温度值取补码置“—”标志
计算小数位温度BCD值
计算整数位温度BCD值
结束
置“+”标志
N
Y
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
3.5显示数据刷新新子程序
显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。
程序流程图如图3.5。
温度数据移入显示寄存器
十位数0？
百位数0？
十位数显示符号百位数不显示
百位数显示数据（不显示符号）
结束
N
N
Y
Y
图3.5 显示数据刷新流程图
3.6Proteus软件和Keil软件联合仿真建立
整个软件通过C语言编程，先在KileC51集成开发环境下将编好的程序进行编译、调试，调试通过后会生成数码管.HEX文件，运行Proteus如图3-6模拟仿真软件，打开已绘制好的仿真电路原理图，选中单片机AT89C51，左键点击AT889C51，出现对应的对话框如图3-7在ProgramFile中找到已编译好的“数码管.HEX”文件，然后点击OK就可以仿真了。
图3-7
4．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。
5．总结与体会
在本次毕业设计的过程中，发现很多的问题，虽然以前还做过类似这样的课程设计，但是这次毕业设计，从一无所有到最终产品的完成真的是一个很艰难的过程。
我们不仅要选好材料，还要学着把这些材料合理的组织起来。
所以我们要学会如何寻找和搜索自己需要的电路图。
而且还要知道各个部位的作用。
每个环节都不是一件简单的事。
通过这次设计，也学到了许多，了解了传感器能够把自然的各种非电量转换为电信号的物理思想，并且可将报警装置应用到与自己专业相关的行业中去。
有好多东西只有我们去尝试做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西还是很难理解的，更谈不上掌握。
因此要理论与实践并重。
从这次的毕业论文设计中，我们真正的意识到，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，实践事检验真理的唯一标准。
我们电子专业的学习更是如此，不仅要有丰富的理论知识，还要有很强的动手能力，只有理论与实践并重，我们的专业水平才能提高，这就是我们在这次毕业设计中的最大收获。
最后要感王晓君王老师及各位老师们在毕业设计过程中对我们毕业设计的关心和支持！
其次要向同班同学表示感，在我们遇到困难的时候，他们能够帮助我，俗话说，三个臭皮匠顶个诸亮，在大家你一点我一点的意见帮助下，我们才能顺利的完成这次设计，同窗好友们！
参考文献
[1]楼然苗，光飞编著《单片机课程设计指导》航空航天大学
2011年第一版
[2]俊谟编著单片机中级教程——原理与应用航空航天大学
2011年第二版
[3]钢，彦峰．1-Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用．长安大学信息工程学院,2010
[4]建亭，毛善坤．DS18B20工作原理及基于C语言的接口设计．科技大
学机电工程学院2010
[5]跃东．DS18B20集成温度传感器原理及其应用．工程科技学院2011
[6]顾振宇鲁源杜振辉．DS18B20接口的C语言程序设计．大学2011
[7]周月霞传友．DSl8B20硬件连接及软件编程．传感器世界杂志2011
[8]英智．DSl8B20在温度控制中的应用．科技学院
[9]培仁．MCS-51单片机原理与应用．：
清华大学，2011．
[10]亮，侯国锐．单片机C语言编程与实例．：
人民邮电，2011。
[11]粤，倪伟。
DSISB20在分布式测温系统中的应用．工学报．2010
[12]藏荣，游风荷，周景霞．由单片机和多片DS1820组成的多点电温度测控系2011
附录一程序代码
//******************************************************************
//名称：
用数码管与DS18B20设计温度报警器
//******************************************************************
//说明：
本例将报警温度设为高:
70℃，低：
-20℃，当DS18B20感知到温度达到此
临界值时相应的LED闪烁，同时系统发出报警声。
//******************************************************************
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
SbitDQ=P3^6
SbitBEEP=P3^7;
SbitHI_LED=P1^4;
SbitLO_LED=P1^5;
//共阴数码管段码及空白显示
UcharcodeDSY_CODE[]=
{0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F.0x00};
//温度小数位对照表
Ucharcodedf_Table[]={0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9};
//------------------------------------------------------------------------------
//报警温度上下限，为进行正负数比较，此处注意设为char类型
//取值围为-128-+127，DS18B20支持围为-50-+125
//------------------------------------------------------------------------------
CharAlarm_Temp_HL[2]={70,-20};
//------------------------------------------------------------------------------
ucharCurrentT=0;//当前读取的温度整数部分
UcharTemp_VAlue[]={0x00,0x00}//从DS18B20读取的温度值
UcharDisplay_Digit【】、{0,0，，0,0，}；//待显示的各温度数位
BitHI_ALarm=0，LO_Alarm=0；//高低温报警标志
BitDS18B20_TS_OK=1;//传感器正常标志
UintTime0_Count=0;//定位器延时累加
//------------------------------------------------------------------------------
//延时
//------------------------------------------------------------------------------
VoidDelay{uintx}
（
While（--x）;
）
//******************************************************************
//初始化DS18B20
//******************************************************************
UcharInit_DS18B20
（
Ucharstatus;
DQ=1;Delay（8）;
DQ=0;Delay（90）;
DQ=1;Delay（8）;
Status=DQ;
Delay（100）;
DQ=1;
Returnstatus;//初始化成功时返回0
）
//**************************************************************
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