基于51单片机的数字温度计的设计综述.docx

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基于51单片机的数字温度计的设计综述

《单片机原理与接口技术》课程设计

题目:

基于51单片机的数字温度计的设计。

指导教师签名：

2010年6月10日

实验目的：

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,本实验主要介绍了一个基于89C51单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器

DS18B2C开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现实现温度采集和显示，它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量。

实验分工：

实验方案：

采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。

便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。

且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。

在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。

DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51构成的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。

这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。

采用51单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程

实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

既可以单独对多DS18B20

控制工作，还可以与PC机通信上传数据，另外AT89S51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

该系统利用AT89C51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度。

实验器材

3.1、单片机的选择

对于单片机的选择，可以考虑使用8031与8051系列，由于8031没有内部RAM系统又需要大量内存存储数据，因而不适用。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可编程的Flash只读程序存储器,兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP），也可用传统方法进行编程，所以低价位AT89C51单片机可为提

供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。

单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。

主要特性如下图-1所示：

•与MCS-51兼容

•4K字节可编程闪烁存储器

•寿命：

1000写/擦循环

•数据保留时间：

10年

•全静态工作：

0Hz-24Hz

•三级程序存储器锁定

•128*8位内部RAM

•32可编程I/O线

•两个16位定时器/计数器

•可编程串行通道

•低功耗的闲置和掉电模式

•片内振荡器和时钟电路

3.289C51引脚功能介绍：

AT89C51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-1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“T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FLASHY程时，P0口作为原码输入口，当FLAS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。

在FLASHY程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

•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®程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

•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AT89C5的一些特殊功能口：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INT0（外部中断0）

P3.3INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（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RS■脚两个机器周期的高

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FLASHY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永冲。

如想禁止ALE勺输出可在SFR8E地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOV，MOV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PSE两次有效。

但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的PSE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FLAS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及内部时钟工作电路的输入

•XTAL2来自反向振荡器的输出

3.3、温度传感器的选择

3.3.1.DS18B20简单介绍:

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。

DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

温度测量范围为-55〜+125摄氏度，可编程为9位〜12位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

DS18B20的性能特点如下：

•独特的单线接口方式，DS18B2在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B2的双向通讯

•DS18B2支持多点组网功能，多个DS18B2可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温

•DS18B2在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内

•适应电压范围更宽，电压范围：

3.0〜5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电

•温范围—55E〜+125C，在-10〜+85C时精度为土0.5C

•零待机功耗

•可编程的分辨率为9〜12位，对应的可分辨温度分别为0.5C、0.25C、

0.125C和0.0625C,可实现高精度测温

•在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750mS内把温度值转换为数字，速度更快

•测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU同时可传送CR校验码，具有极强的抗干扰纠错能力

•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

以上特点使DS18B20E常适用与多点、远距离温度检测系统

DS18B2内部结构主要由四部分组成：

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。

DS18B2的管脚排列、各种封装形式如图4.2所示，DQ为数据输入/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；GN为地信号；VD为可选择的VD引脚。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

其电路图4.3所示.。

DS18B20TO-92

-

-oo

-OZ0

DS18B20Z

8-PINSOIC（150-MILI

图4.3传感器电路图

图4.2外部封装形式

3.3.2DS18B20使用中的注意事项

DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

•DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是

必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示85。

•在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V左右，若电源电压过低，会使所测得的温度精度降低。

•较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间

采用串行数据传送，因此，在对DS182进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS182操作部分最好采用汇编语言实现。

•在DS18B2的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20在实际应用中并非如此，当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

•在DS18B2测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B2的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS18B2硬件连

接和软件设计时也要给予一定的重视。

4.硬件电路设计

本设计由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度并将转换后的结果送入单片机。

然后通过A89C51单片机驱动两位共阳极8段LED数码管显示测量温度值。

如附录中本设计硬件电路图所示，本电路主要有DS18B20温度传感器芯片,两位共阳极数码管，AT89C51单片机及相应外围电路组成。

其中DS18B20采用“一线制”与单片机相连。

4.1、温度检测电路

DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同

一条线来完成。

DS18B20的电源供电方式有2种：

外部供电方式和寄生电源方式。

工作于寄生电源方式时，VDD和GND均接地，他在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用,原理是当1Wire总线的信号线DQ为高电平时,窃取信号能量给DS18B20供电，同时一部分能量给内部电容充电,当DC为低电平时释放能量为DS18B20供电。

但寄生电源方式需要强上拉电路,软件控制变得复杂（特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PROM寸）,同时芯片的性能也有所

降低。

外部电源供电方式是DS18B2C最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。

因此本

设计采用外部供电方式。

如下图所示：

温度传感器DS18B20勺测量范围为-55C〜+125C，在-10C〜+85C时精度为土0.5C。

因为本设计只用于测量环境温度，所以只显示0C〜+85C。

4.2、显示电路

本设计显示电路采用两位共阳极LED数码管来显示测量得到的温度值。

LED数码管能在低电压下工作，而且体积小、重量轻、使用寿命长，因次本设计选用此数码管作为显示器件。

一个LED数码管只能显示一位的字符，如果字符位数不止一位，可以用

几个数码管组成，但要控制多位的显示电路需要有字段控制和字位控制，字段控

制是指控制所要显示的字符是什么，控制电路应将字符的七段码通过输出口连接到LED的a〜g引脚，是某些段点亮，某些段处于熄灭状态。

字位控制是指控制在多位显示器中，哪几位发光或那几位不发光，字位控制则需要通过字位码作用于LED数码管的公共引脚，是某一位或某几位的数码管可以发光。

数码管显示电路分为动态显示和静态显示。

静态显示方式是指每一个数码管的字段控制是独立的，每一个数码管都需要配置一个8位输出口来输出该字位的七段码。

因此需要显示多位时需要多个输出口，通常片内并口不够用，需要在片外扩展。

动态显示又称为扫描显示方式，也就是在某一时刻只能让一个字位处于选通状态，其他字位一律断开，同时在字段线上发出该位要显示的字段码，这样在某一时刻某一位数码管就会被点亮，并显示出相应的字符。

下一时刻改变所显示的字位和字段码，点亮另一个数码管，显示另一个字符。

绕后一次扫描轮流点亮其他数码管，只要扫描速度快，利用人眼的视觉残留效应，会使人感觉到几位数码管都在稳定的显示。

本设计采用数码管动态显示，电路如下图所示:

显示部分电路图-6

图中由单片机P1口串接74HC245驱动两位共阳极数码管，上拉电阻排为

10K。

由P2.0和P2.1通过PNP型三极管Q1,Q2驱动其字位。

三极管发射极接高电平，当P2.0或P2.1为低电平时使三极管导通选通数码管的某一位。

五、系统软件设计

5.1.总程序流程图

#include

定义

5.2.C语言程序

〃包含头文件，一般情况不需要改动，头文件包含特殊功能寄存器的

#include

#include

#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint;

count=0;

x=0;

while

（1）

{

if（!

s1）{delay（300）;if（!

s1）

{x++;}

if（x==2）

{x=0;}

}

str[5]=0x39;//显示C符号

str[1]=tab[TempH/100];//百位温度str[2]=tab[（TempH%100）/10];//十位温度str[3]=tab[（TempH%100）%10]|0x80;//个位温度,带小数点str[4]=tab[TempL];

if（flag_get==1）//定时读取当前温度

{

temp=ReadTemperature（）;

if（temp&0x8000）

{

str[0]=0x40;//负号标志

temp=~temp;//取反加1

temp+=1;

}

else

str[0]=0;

TempH=temp>>4;

TempL=temp&0x0F;

TempL=TempL*6/10;//小数近似处理flag_get=0;

}

}

}

/******************************************************************/

/*定时器中断*/

'**************************************************************voidtim（void）interrupt1using1//中断，用于数码管扫描和温度检测间隔{

TH0=0xef;//定时器重装值TL0=0xf0;

num++;

if（num==50）

{num=0;flag_get=1;//标志位有效second++;

if（second>=60）{second=0;

minute++;

}

}

if（x==0）

{count++;

if（count==1）

{P2=0;

dataled=str[0];}//数码管扫描if（count==2）

{P2=1;

dataled=str[1];}if（count==3）

{P2=2;dataled=str[2];

}

if（count==4）

{P2=3;dataled=str[3];

}

if（count==5）

{P2=4;dataled=str[4];

}

if（count==6）

{P2=5;dataled=str[5];

count=0;}

}

if（x==1）

{

count++;

if（count==1）

{str[4]=0;}if（count==2）

{P2=4;

dataled=str[5];

}if（count==3）

{P2=0;

dataled=str[0];}if（count==4）

{P2=1;

dataled=str[1];

}if（count==5）

{P2=2;

dataled=str[2];

}if（count==6）

{P2=3;

dataled=str[3];

count=0;}

'**************************************************************

voidInit_DS18B20（void）

{

unsignedcharx=0;

DQ=1;//DQ复位

delay（8）;//稍做延时

DQ=0;//单片机将DQ拉低

delay（80）;//精确延时大于480us

DQ=1;//拉高总线

delay（10）;

x=DQ;//稍做延时后如果x=0则初始化成功x=1则初始化失败

delay（5）;

}

/****************************************************************

*/

/*读一个字节

/****************************************************************

unsignedcharReadOneChar（void）

{

unsignedchari=0;

unsignedchardat=0;

for（i=8;i>0;i--）

{

DQ=0;//给脉冲信号

dat>>=1;

DQ=1;//给脉冲信号

if（DQ）

dat|=0x80;

delay（5）;

}

return（dat）;

}

/****************************************************************

*/

/*写一个字节

/****************************************************************voidWriteOneChar（unsignedchardat）

{

unsignedchari=0;

for（i=8;i>0;i--）

{

DQ=0;

DQ=dat&0x01;

delay（5）;

DQ=1;

dat>>=1;

}

delay（5）;

}

/******************************************************************/

*/

前两个就是温度

/*读取温度/******************************************************************/unsignedintReadTemperature（void）

{

unsignedchara=0;

unsignedintb=0;

unsignedintt=0;

Init_DS18B20（）;

WriteOneChar（0xCC）;//跳过读序号列号的操作WriteOneChar（0x44）;//启动温度转换delay（200）;

Init_DS18B20（）;

WriteOneChar（0xCC）;//跳过读序号列号的操作

WriteOneChar（0xBE）;//读取温度寄存器等（共可读9个寄存器）a=ReadOneChar（）;//低位b=ReadOneChar（）;//高位

b<<=8;

t=a+b;

return（t）;

}

六、设计体会

温度传感器DS18B20外形像一个小三极管，硬件连接非常简单，应用非常方便。

它不仅能测量温度，而且也是一个ADC专换器，它能将测得的温度信号直接转换成数字信号输入到单片机。

硬件开销较小，相对需要复杂的软件进行补偿，DS18B2C软件编程比较复杂，但是可以把复位、读和写3个基本操作的子程序看成是3个固定的基本模块。

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。

最后，还要感谢我的指导老师和热心的同学，在他们的帮助下我的毕业设计才能顺利完成，谢谢你们！

参考文献

[1]孙育才.《单片微型计算机及其应用》.东南大学出版社.2004

[2]沈德金陈粤初.《单片机接口电路与应用程序实例》.北京航天航空大学出版社.1990.

[3]潘新民王燕芳.《微型计算机控制技术》.电子工业出版社2003

[4]李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：

北京航空航天大学出版社，1998

⑸李广弟.单片机基础[M].北京：

北京航空航天大学出版社，1994

⑹阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京：

高等教育出版社，1989

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性另U

专业、班级

课程设计题目：

基于51单片机的数字温度计的设计课程设计答辩或质疑记录：

1.为什么要采用采用数字温度芯片DS18B20测量温度？

答：

便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。

且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。

2.硬件系统的设计原理是什么？

答：

本设计由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度并将转换后的结果送入单片机，然后通过A89C5