数字式温度计课程论文.docx
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数字式温度计课程论文
单片机原理与应用技术
课程设计报告（论文）
题目：
数字式温度计
专业班级：
电气128班
姓名：
上官鹏飞
时间：
2014.12.20
指导教师：
张素君
2014年12月20日
数字式温度计课程设计任务书
1．设计目的与要求
设计出一个用于测量温度的控制器，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：
（1）测温范围—50-110摄氏度。
（2）精度范围不大于0.1摄氏度。
（3）LED数码直读显示。
2．设计内容
（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；
（2）确定元器件及元件参数；
（3）进行电路模拟仿真；
（4）SCH文件生成与打印输出；
3．编写设计报告
写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。
4．答辩
在规定时间内，完成叙述并回答问题。
论文结构清晰，层次分明，理论严谨。
基于单片机的数字温度计设计
128班上官鹏飞
摘要：
本设计采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。
在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。
在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。
温度控制在生产过程中占有相当大的比例。
温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。
传统的测温元件有热电偶和二电阻。
而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，这些方法相对比较复杂，需要比较多的外部硬件支持。
我们用一种相对比较简单的方式来测量。
我们采用美国DALLAS半导体公司继DS18B20之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，温度范围为-55~125ºC,最高分辨率可达0.0625ºC。
DS18B20可以直接读出北侧温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
本文介绍一种基于STC89C52单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用DS18B20作为温度监测元件，测量范围-55℃-～+110℃，使用四位一体式数码管显示，能设置温度报警上下限。
正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了集成温度传感器DS18B20的原理，STC89C52单片机功能和应用。
该电路设计新颖、功能强大、结构简单。
关键词：
温度测量；四位一体式数码管；DS18B20；STC89C52
1引言：
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
2总体设计方案
2.1设计思路
2.1.1先通过温度传感器将所测的温度的数字量送入单片机，然后通过单片机来控制四位一体式数码管显示。
该系统主要由温度测量和数据采集两部分电路组成，实现的方法有很多种，下面将列出两种在日常生活中和工农业生产中经常用到的实现方案。
（1）方案确立
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化,在利用单片机处理及控制，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。
2.2设计方框图
如下图2-2
图2-2
3设计原理分析
3.1测温电路的设计
测温可以采用目前最先进的美国生产的ds18b20来测量温度。
DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。
可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。
分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EPROM中，掉电后依然保存。
温度传感器DS18B20引脚如图3-1所示。
图3-1DS18B20TO－92封装温度传感器
引脚功能说明：
VDD：
可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
DQ：
数据输入/输出脚。
漏极开路，常态下高电平。
GND：
为电源地。
图3-1-2DS18B20内部结构图
DS18B20内部结构如上图3-1-2主要由四部分组成：
64位光刻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。
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。
第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
该字节各位的意义如下：
TMR1R011111
低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如表3-1-3所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
表3-1-3DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨率/位
温度最大转向时间
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
18B20初始化流程图见图5-2。
3.1.2温度传感器与单片机的连接
温度传感器的单总线（1-Wire）与单片机的P2．0连接，P2．0是单片机的高位地址线A8。
P2端口是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O，其输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对该端口写“1”，可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平，此时可作为输入口使用，这是因为内部存在上拉电阻，某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时。
如执行MOVXDPTR指令，则表示P2端口送出高8位的地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器时，可执行MOVXRI指令，P2端口内容即为特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器内容，整个访问期间不改变。
在Flash编程和程序校验时，P2端口也接收高位地址和其他控制信号。
图3-5为DSl8820内部结构。
图3-1-4为DSl8820与单片机的接口电路。
图3-1-4DS18B20和单片机的接口连接
3.2外部复位电路的设计
单片机的P1.6端口是MAX813看门狗电路中喂狗信号的输入端，即单片机每执行一次程序就设置一次喂狗信号，清零看门狗器件。
若程序出现异常，单片机引脚RST将出现两个机器周期以上的高电平，使其复位。
该复位信号高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期即两个机器周期以上。
若使用频率为12MHz的晶体振荡器，则复位信号持续时间应超过2μs才完成复位操作。
复位电路如图3-2-1
图3-2-1复位电路
3.2.1四位一体式数码管显示电路的设计
显示电路采用四位一体式共阳数码管，它的工作原理是采用动态显示驱动，数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划abcdefgdp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极com增加位选通控制电路。
四位一体式数码管于单片机接线电路图3-2-2
图3-2-2数码管接线电路
3.2.2报警电路设计
报警模块由2个发光二极管构成，当测量到的温度值小于报警下限或大于报警上限，发光二极管发光。
也可以通过2个发光二极管的发光情况判断报警的是上限报警还是下限报警
它的电路图如下图3-2-3
图3-2-3报警电路
3.2.3单片机模块
单片机模块是系统的控制单元主要复杂系统的调控，如接收温度模块的信号，处理并为显示模块，报警模块等模块提供信号。
单片机模块是以AT89C2051为基础外加单片机的外围电路构成，外围电路如晶振电路，复位电路，按键等。
3.2.4晶振电路设计
晶振电路由一个12M的晶振和两个电容构成的一个无输入，而输出电路，其硬件电路如图3-2-4所示。
图3-2-4晶振电路图
3.2.5上拉电阻电路的设计
由于单片机的po口所提供的电流很小不能来驱动四位一体式数码管，所以需要接上拉电阻来驱动。
上拉电阻电路图如图3-2-5
图3-2-5上拉电阻电路图
4结束语
本次为期两周的单片机课程设计已经结束了，真的很感激学校能够提供本次的学习机会，在这次实习中我学到的最深的就是对软件的操作技术和自学与理解的能力。
真的也是对以前的知识的复习，通过这次的实习我相信我对单片机有了更深的理解，另外也感谢我的指导老师，对我的耐心指导。
其实数字温度计科利用在很多领域，在一些人不能直接进入的场所，利用单片机控制的数字温度计，可以设置并控制其中的温度，在以后的时间里我会不断的去尝试设计更新更实用的数字温度计，相信我会做到的。
参考文献
[1]孙雷.《单片微型计算机及其应用》［Ｍ］.东南大学出版社.2010
[2]李德金陈粤初.《单片机接口电路与应用程序实例》［J］.北京航天航空大学出版社.2012
[3]杨新民王燕芳.《微型计算机控制技术》［J］.电子工业出版社2013
[4]李青.单片机原理及接口技术（简明修订版）［Ｍ］.杭州：
北京航空航天大学出版社，2014
[5]李光.单片机基础.北京：
北京航空航天大学出版社［A］.2001
[6]涂东东.数字电子技术基础（第三版）［J］.北京：
高等教育出版社，2004
附录1数字式温度计整体电路图
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附录2数字式温度计整体仿真图
附录3数字式温度计PCB图
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