数字温度计经典设计.docx
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数字温度计经典设计
摘要
单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个量。
科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。
现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。
本文作者采用AT89C2051单片机和温度传感器DS18B20从硬件和软件两方面介绍了一款简易数字温度计的设计过程， 并对硬件原理图和程序流程图作了简洁的描述。
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。
关键词：
单片机AT89C2051；温度传感器DS18B20；74LS48七段数码译码器
Abstract
Single-chipelectronicproductsinthedailyapplicationofmoreandmorewidely,thetemperatureisoftentheneedfordailylifeinameasureandcontrolthevolume.Developmentofscienceandtechnologydevelopmentandtestingarecloselyrelated.Modernmethodstoachievetheaccuracy,sensitivityandmeasurementrange,toalargeextentdeterminethelevelofdevelopmentofscienceandtechnology.TheauthorofthisarticleusingAT89C2051MCUandtemperaturesensorDS18B20frombothhardwareandsoftware,introducedasimpledigitalthermometerofthedesignprocess,andschematicdiagramofhardwareandprocedureswereconcisedescriptionofflowchart.Digitalthermometerwithatraditionalthermometer,comparedwithareadingofconvenience,awiderangeoftemperaturemeasurement,temperaturemeasurementaccuracy,theoutputofthetemperaturedigitaldisplay,mainlyusedformoreaccuratetemperaturemeasurementsites.
Keywords:
single-chipAT89C2051;temperaturesensorDS18B20;DigitalSevenSegmentDecoder74LS48
第一章绪论
随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，广泛应用于冰箱、空调器、粮仓等日常生活中温度的测量和控制。
传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点，本课程利用集成温度传感器DS18B20设计并制作了一款基于AT89C51的3位数码管显示的数字温度计，其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现。
目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。
目前的温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。
传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。
通过“数字温度计的设计”的设计过程，结合所学的课程，掌握目前自动化仪表的一般设计要求、工程设计方法、开发及设计工具的使用方法，通过这一设计实践过程，锻炼学生的动手能力和分析、解决问题的能力；积累经验，培养按部就班、一丝不苟的工作和对所学知识的综合应用能力。
一、课题背景
单片机，顾名思义就是将计算机的基本部件集成到一块芯片上。
包括CPU、ROM、RAM、并行口、串行看口、定时器/计数器、中断系统、系统时钟及系统总线。
虽然单片机具有通用计算机的基本部件，但又不同于通用计算机。
单片机主要用于控制场合，所追求的目标是：
尽可能体积小，又能实时、快速地对外部事件做出响应，迅速采集大量数据，做出逻辑判断与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制。
本文讨论的单片机数字温度计的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的测温系统，具有体积小，可靠性高等特点。
不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。
20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。
这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。
这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。
其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。
MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。
它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。
目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：
基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。
二、单片机的发展概况
单片机的发展历史可以分为以下4个阶段：
单片机初级阶段（1974~1976年），因工艺限制，单片机采用双芯片形式且功能比较简单。
例如，美国仙童（Fairchild）公司生产的世界上第一台F8单片机，由于仅包括8位CPU、64B的RAM喝2个并行口，需另加一块3851（由1KBROM、定时器/计数器和2个并行I/O口构成）才能构成一台完整的计算机。
低性能单片机阶段（1976~1978年），以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表，这种单片机片内集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等。
不足之处是没有串行口，中断处理比较简单，片内RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于4KB。
高性能单片机阶段（1978~1982年），这个阶段推出的单片机普遍带有串行口、多级中断系统、16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器、可编程逻辑器件PLD、USB接口、PWM通道等。
这类单片机的典型代表是Intel公司的MCS-51系列、Freescale公司的6801和Zilog公司的Z8等。
由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被广泛应用，是目前应用数量较多的单片机。
8位单片机巩固发展及16位、32位单片机推出阶段（1982年至今），此阶段的主要特征是一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机；另一方面，不断完善高档8位计算机，改善其结构，以满足不同用户的需要。
16位单片机的典型产品如Intel公司生产的MCS-96系列单片机，其集成度已达120000管子/片，主振为12MHz，片内RAM为232B，ROM为8KB,中断处理为8级，而且片内带有多通道10位A/D转换器和高速输入/输出部件（HIS/HSO），实时处理的能力很强。
而32位单片机除了具有更高的集成度外，其主振已达66MHz，这使32位单片机的数据处理速度比16位单片机增快许多，性能比8位、16位单片机更加优越。
三、单片机的应用领域
单片机应用领域可以归纳为以下几个方面。
1．智能仪表。
用单片机系统取代老式的测量、控制仪表，实现从模拟仪表向数字化、智能化仪表的转化，如各种温度仪表、压力仪表、流量仪表、电能计量仪表等。
2.测控系统。
用单片机取代原有的复杂的模拟数字电路，完成各种工业控制、数据采集系统等工作。
3．电能变换。
应用单片机设计变频调速控制电路。
4．通信。
用单片机开发通信模块、通信器材等。
5．机电产品。
应用单片机检测、控制传统的机械产品，使传统的机械产品结构简化，控制智能化，提高了机电产品的可靠性，增强了产品的功能。
6．智能接口。
在数据传输中，用单片机实现外部设备与微机通信。
第二章数字式温度计的硬件设计
第一节设计要求与方案
一、设计任务与要求
1.设计任务
（1）设计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。
（2）设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。
2.设计要求
（1）以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个数字式温度计。
（2）采用数字式温度计传感器为检测器件，进行单点温度检测，检测精度为±0.5℃
（3）温度显示采用3位LED数码管显示，两位整数，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。
二、设计方案与思路
1．设计方案
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。
2．设计思路
1）根据设计要求，选择AT89C2051单片机为核心器件。
2）温度检测器件采用DDS18B20数字式温度传感器。
与单片机的接口为P3.7引脚。
3）键盘采用独立式按键，由3个按键组成，分别为：
设置键（SET）、加一键（+1）、确认键（RET）.
SET键（上下限温度设置键）：
当该键按下时，进入上下限温度设置功能。
+1键（加一调整键）：
在输入上下限温度时，该键按下一次，被调整位加一。
RET键（确认键）：
当该键按下时，指向下一个要调整的位。
按键的接入方式：
SET键：
通过P3口INT0引脚接入，中断工作方式。
+1键：
通过P3口引脚接入，查询工作方式。
RET键：
通过P3口引脚接入，查询工作方式。
4）声音报警蜂鸣器通过P1.7引脚接入。
第二节数字温度计的结构原理与器件介绍
一、单片机AT89C2051功能介绍和应用
Atmel公司的生产的AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。
同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。
省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
芯片示图2-1如下:
图2-1AT89C2051芯片示图
1.主要功能特性
（1）.兼容MCS51指令系统
（2）.2k可反复擦写（>1000次）FlashROM
（3）.15个双向I/O口
（4）.6个中断源
（5）.两个16位可编程定时/计数器
（6）.2.7-6V的宽工作电压范围
（7）.时钟频率0-24MHz
（8）.128x8bit内部RAM
（9）.两个外部中断源
（10）.两个串行中断
（11）.可直接驱动LED
（12）.两级加密位
（13）.低功耗睡眠功能
（14）.内置一个模拟比较放大器
（15）.可编程UARL通道
（16）.软件设置睡眠和唤醒功能
2．单片机AT89C2051引脚功能说明
（1）．Vcc:
电源电
（2）．GND:
地
（3）．P1口:
P1口是一组8位双向I/O口,P1.2-P1.7提供内部上拉电阻,P1.0和P1.1内部无上拉电阻,主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同相输入端（AIN1）,如果需要应在外部接上拉电阻。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并可直接驱动LED.当P1口引脚写入“1”时可作输入端，当引脚P1.2-1.7用做输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而输出电流（In）。
P1口还在Flash闪速编程及程序校验时接收代码数据。
（4）．P3口：
P3口的P3.0-P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O口。
P3.6没有引出，它作为一个普通I/O口但不可访问，但可作为固定输入片内比较器的输出信号，P3口缓冲器可吸收20mA电流。
当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端，作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（In）。
P3口还用于实现AT89C2051特殊的功能，
如下表2.1所示：
表2.1P3口特殊的功能
引脚口
功能特性
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INTO（外中断0）
P3.3
/INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时\计数器0输入）
P3.5
T1（定时\计数器1输入）
P3口还接收一些用于Flash闪速存储编程及程序校验的控制信号。
（5）．RST：
复位输入。
RST引脚一旦变成两个机器周期以上电平，所有的I/O都将复位到“1”（高电平）状态，振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的电平便可完全复位，每个机器周期为12个振荡时钟周期。
（6）．XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
（7）.XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
二、74LS48数码管译码器引脚及功能
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中，在此简要介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。
芯片示图2-2如下：
图2-274ls48芯片示图
4线－七段译码器/驱动器（BCD输入，有上拉电阻）
简要说明：
48为有内部上拉电阻的BCD－七段译码器/驱动器，共有54/7448、54/74LS48两种
线路结构型式，其主要电特性的典型值如下：
型号IOLVO（OFF）PD（典型）
54/74486.4mA5.5V265mW
54LS482mA5.5V125mW
74LS486mA5.5V125mW
输出端（Ya－Yg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。
当要求输出0－15时，消隐输入（BI）应为高电平或开路，对于输出为0时还要求脉冲消隐输入（RBI）为高电平或者开路。
当BI为低电平时，不管其它输入端状态如何，Ya－Yg均为低电平。
当RBI和地址端（A0－A3）均为低电平，并且灯测试输入端（LT）为高电平时，Ya－Yg为低电平，脉冲消隐输出（RBO）也变为低电平。
当BI为高电平或开路时，LT为低电平可使Ya－Yg均为高电平。
48与248的引出端排列、功能和电特性均相同，差别仅在显示6和9,248所显示的6和9比48多出上杠和下杠。
引出端符号A0－A3译码地址输入BI/RBO消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效）LT灯测试输入端（低电平有效）RBI脉冲消隐输入端（低电平有效）Ya－Yg段输出逻辑图。
74ls48引脚功能表—七段译码驱动器功能表
十进数
或功能
输入
BI/RBO
输出
备注
LT
RBI
DCBA
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
0000
H
1
1
1
1
1
1
0
1
1
H
x
0001
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
x
0010
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
x
0011
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
x
0100
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
x
0101
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
x
0110
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
x
0111
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
x
1000
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
x
1001
H
1
1
1
0
0
1
1
10
H
x
1010
H
0
0
0
1
1
0
1
11
H
x
1011
H
0
0
1
1
0
0
1
12
H
x
1100
H
0
1
0
0
0
1
1
13
H
x
1101
H
1
0
0
1
0
1
1
14
H
x
1110
H
0
0
0
1
1
1
1
15
H
x
1111
H
0
0
0
0
0
0
0
BI
x
x
xxxx
L
0
0
0
0
0
0
0
2
RBI
H
L
0000
L
0
0
0
0
0
0
0
3
LT
L
x
xxxx
H
1
1
1
1
1
1
1
4
三、硬件电路设计框图与原理图
根据设计要求与设计思路，硬件电路设计框图如图2-3所示。
硬件电路结构与与电子时钟相似，不同之处，一是LED数码管的位驱动电路是由3个PNP型晶体管VT2、VT3、VT4和6个电阻组成，基极与单片机的P1.4、P1.5、P1.6连接。
其工作原理是，当某个晶体管的基极为低电平时，该晶体管导通，对应位的LED被点亮，反之则不亮。
二是加入了一只温度传感器DS18B20进行温度检测，DS18B20的数据I/O端与单片机的P3.7引脚连接。
硬件电路原理图见附录A
图2-3硬件电路设计框图
第三节数字温度传感器DS18B20及应用
DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的一种单总线数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。
该器件将半导体文敏器件、A\D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。
信号传输采用两芯（或三芯）电缆构成的单总线结构。
一条单总线上可以挂接若干个数字温度传感器，每个传感器有一个唯一的地址编码。
微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某一个器件的温度值，从而简化了信号采集系统的电路结构。
DS18B20的性能特点如下：
1．采用单总线技术，与单片机通信只需要一根I/O线，在一根线上可以挂接多个DS18B20。
2．每只DS18B20具有一个独有的，不可修改的64位序列号，根据序列号访问地应的器件。
3．低压供电，电源范围从3~5V，可以本地供电，也可以直接从数据线上窃取电源（寄生式供电）。
4．测温范围为-55℃~+125℃,在-10℃~85℃范围内误差为±0.5℃。
5．可编辑数据为9~12位，转换12位温度时间为750ms（最大）。
6．用户可自设定报警上下限温度
7．报警搜索命令可识别和寻址哪个器件的温度超出预定值。
8．DS18B20的分辩率由用户通过EEPROM设置为9~12位
9．DS18B20可将检测到温度值直接转化为数字量，并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。
一、DS18B20的引脚
DS18B20采用3脚（或8脚）封装，如图2-4a）所示。
其中，VCC和GND是电源和接地引脚，DQ时数据线引脚。
从图中看到，DS18B20以串行通信的方式与为控制器进行数据通信，读出和写入数据仅需要一根I\O接口线。
GNDDQVCC
图2-4a）DS18B20引脚图
图2-4b）DS18B20内部结构图
二、DS18B20内部结构及功能
DS18B20的内部结构如图12-3b所示，主要包括：
寄生电源、温度传感器、64位激光ROM和单总线接口、存放中间数据的高速暂存器RAM、用于存储用户设定温度上下限值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等7部分
1.温度传感器
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术，将被测温度转换成数值信号，测量结果存入温度寄存器中。
温度和数字量的关系如表12-1所示。
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
表12-1温度和数字量的关系
DS18B20与单片机的接口电路
2.寄生电源
寄生电源由二极管VD1、VD2、寄生电容C和电源检测电路组成，如图12-3所示。
电源检测电路用于判定供电方式：
3.0~5.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式（直接从数据线获取电源）。
若采用外部电源给器件供电，外部电源接VCC引脚通过VD2向器件供电，如图12-4所示。
寄生电源供电时，VCC接地，器件从单线总线上获取电源，如图12-5所示。
在I\O线呈低电平时，改由电容C上的电压继续向器件供电。
该寄生电源有两个优点：
第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读ROM。
3.64位只读存储器RO
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