基于单片机AT89S51的数字温度计设计.docx
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基于单片机AT89S51的数字温度计设计
毕业设计（论文）任务书
专业班级姓名
一、课题名称：
基于单片机AT89S51的数字温度计设计
二、主要技术指标：
（1）检测的温度范围：
0℃～100℃，检测分辨率-0.5℃～+0.5℃
（2）用4位数码管来显示温度值
（3）超过警戒值要报警提示
三、工作内容和要求：
该设计控制器使用单片机AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用3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读数方便，测温范围广，测温准确等要求,
设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。
四、主要参考文献：
[1] 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
[2] 李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：
北京航空航天大学出版社.1994
[3] 阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京：
高等教育出版社.1989
[4]朱定华.单片机原理及接口技术[M].北京:
电子工业出版社.2001
[5]谭家玉.单片机原理及接口技术[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社.2003
学生（签名）年月日
指导教师（签名）年月日
教研室主任（签名）年月日
系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文题目）
基于单片机AT89S51的数字温度计设计
一、选题的背景和意义：
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。
二、课题研究的主要内容：
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，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用3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。
三、主要研究（设计）方法论述：
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。
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，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。
四、设计（论文）进度安排：
时间
工作内容
2009.7.1～2009.8.1
查询资料,完成毕业设计论文
2009.8.2～2009.8.19
修改、充实、完善毕业设计报告
2009.8.22～2009.8.23
准备答辩
五、指导教师意见：
指导教师签名：
年月日
六、系部意见：
系主任签名：
年月日
目录
摘要·············································································5
关键词···········································································5
0.引言···········································································5
1.总体设计方案·······························································5
2.方案二的总体设计框图·····················································5
2.1主控制器··························································6
2.2显示电路···························································6
2.3温度传感器························································6
（1）DS18B20性能特点···············································6
（2）DS18B20内部结构···············································6
（3）DS18B20控制方法···············································8
（4）DS18B20的通信协议·············································8
3.DS18B20温度传感器与单片机的接口电路································9
4.系统整体硬件电路·························································10
4.1主板电路···························································10
4.2显示电路···························································11
5.系统软件算法分析·························································11
5.1主程序······························································11
5.2读出温度子程序·····················································12
5.3温度转换命令子程序················································13
5.4计算温度子程序····················································14
5.5显示数据刷新子程序················································14
6.数据测试····································································15
7.结束语·······································································15
答谢辞···································································15
参考文献·······································································16
基于单片机AT89S51的数字温度计设计
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，温度计，DS18B20，AT89S51
DesignofDigitalTemperatureMeterbyMicroprocessorAT89S51
Abstract:
Withtheprogressanddevelopmentoftimes,Microprocessortechnologyhasbeenspreadedfromourlife,job,scientificresearchandeveryfield.Itisamoreripetechnology.ThistextisgoingtointroduceadigitaltemperaturemetercontrolledbyMicroprocessorAT89S51,andthistemperatureismultifunctionaltemperaturemeter.Itcansetupalarmtemperaturebyhighandlow.Iftemperatureisnotintherange,itcangiveanalarm.
Keywords:
Microprocessor,temperature,DS18B20，AT89S51
0.引言
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。
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，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用3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
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.方案二的总体设计框图
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AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。
图1 总体设计方框图
2.1主控制器
单片机AT89S51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。
2.2显示电路
显示电路采用3位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。
2.3温度传感器
由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。
（1）DS18B20性能特点
1采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）;
2测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃;
3内含64位经过激光修正的只读存储器ROM;
4适配各种单片机或系统机;
5用户可分别设定各路温度的上、下限;
6内含寄生电源。
（2）DS18B20内部结构
DS18B20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,高速暂存器。
64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。
64位ROM结构图如图3所示。
不同的器件地址序列号不同。
DS18B20的管脚排列如图2所示。
图2DS18B20引脚分布图
图364位ROM结构图
DS18B20高速暂存器共9个存储单元，如表1所示：
表1
序号
寄存器名称
作 用
序号
寄存器名称
作 用
0
温度低字节
以16位补码形式存放
4
配置寄存器
1
温度高字节
5、6、7
保留
2
TH/用户字节1
存放温度上限
8
CRC
3
HL/用户字节2
存放温度下限
以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：
12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个高低两个8位的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才能得到实际温度。
如表2所示:
表2
高8位
S
S
S
S
S
26
25
24
低8位
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
（3）DS18B20控制方法
DS18B20有六条控制命令，如表3所示：
表3
指 令
约定代码
操 作 说 明
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
BEH
读暂存器9个字节内容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器的TH、TL字节
复制暂存器
48H
把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中
重新调E2RAM
B8H
把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
读电源供电方式
B4H
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
（4）DS18B20的通信协议
DS18B20器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完整性。
该协议定义了几种信号类型：
复位脉冲，应答脉冲时隙；写0，写1时隙；读0，读1时隙。
与DS18B20的通信，是通过操作时隙完成单总线上的数据传输。
发送所有的命令和数据时，都是字节的低位在前，高位在后。
复位和应答脉冲时隙
每个通信周期起始于微控制器发出的复位脉冲，其后紧跟DS18B20发出的应答脉冲，在写时隙期间，主机向DS18B20器件写入数据，而在读时隙期间，主机读入来自DS18B20的数据。
在每一个时隙，总线只能传输一位数据。
时序图见图4。
图4复位和应答脉冲时隙
写时隙
当主机将单总线DQ从逻辑高拉到逻辑低时，即启动一个写时隙，所有的写时隙必须在60~120us完成，且在每个循环之间至少需要1us的恢复时间。
写0和写1时隙如图所示。
在写0时隙期间，微控制器在整个时隙中将总线拉低；而写1时隙期间，微控制器将总线拉低，然后在时隙起始后15us之释放总线。
时序图见图5。
读时隙
DS18B20器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据。
所以在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便DS18B20能够传输数据。
所有的读时隙至少需要60us，且在两次独立的读时隙之间，至少需要1us的恢复时间。
每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1us。
在主机发起读时隙之后，DS18B20器件才开始在总线上发送0或1，若DS18B20发送1，则保持总线为高电平。
若发送为0，则拉低总线当发送0时，DS18B20在该时隙结束后，释放总线，由上拉电阻将总线拉回至高电平状态。
DS18B20发出的数据，在起始时隙之后保持有效时间为15us。
因而主机在读时隙期间，必须释放总线。
并且在时隙起始后的15us之内采样总线的状态。
时序图见图5。
图5读写时序
3.DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
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6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6DS18B20与单片机的接口电路
4.系统整体硬件电路
4.1主板电路
系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，如图7所示。
图7单片机主板电路
图7中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。
图7中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。
4.2显示电路
显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。
图8温度显示电路
5.系统软件算法分析
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。
5.1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9所示。
图9主程序流程图
5.2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10示
图10读温度流程图
5.3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上图，图11所示
图11温度转换流程图
5.4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12所示。
图12 计算温度流程图
5.5显示数据刷新子程序
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13。
图13 显示数据刷新流程图
6.数据测试
将温度传感器与冰水混合物接触，经过充分搅拌达到热平衡后调节系统，使显示读数为0．00（标定0℃）；利用气压计读出当时当地的大气压强，并根据大气压强和当地重力加速度计算出当时的实际压强；根据沸点与压强的关系查出沸点温度。
把温度传感器放入沸水中，待显示读数稳定后重新调节，使显示器显示读数等于当地当时沸点温度后工作结束。
该温度计的量程为一50℃～150℃，读数精度为0．1℃，实际使用一般在0℃～100℃。
采用0℃～50℃和50℃～100℃的精密水银温度计作检验标准，对设计的温度计进行测试，其结果表明能达到该精度要求。
7.结束语
该温度测试系统不仅具有结构简单、体积小、价格低廉、精确度较高、反应速度较快、数字化显示和不易损坏等特点，而且性能稳定，适用范围广，因此特别适用于对测温要求比较准确的场所。
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，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用3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。
答谢辞
经过一个月的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个大专生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，但通过这次的毕业设计,我也能够领悟到一些含义,可以把我们在大学里所学的知识有力的结合在一起,再自己发挥一下,理论应用于实践,从而提高了自己的学习能力,以及分析处理问题的能力。
在这里，首先我要感谢李亮亮老师。
从毕业设计选题到设计完成，李老师给予了我耐心指导与细心关怀，有了李老师耐心指导与细心关怀,我才不会在设计的过程中迷失方向，失去前进动力。
李老师有严肃的科学态度，严谨的治学精神和精益求精的工作作风，这些都是我所需要学习的，感谢李老师给予了我这样一个学习机会，谢谢！
其次，我要感谢大学两年来所有的老师，为我们打下电子专业知识的基础；同时我还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励,还要感谢我的父母，他们在生活上给予我很大的支柱和鼓励，是他们给予我努力学习的信心和力量。
最后，我要感谢常信院两年来对我的大力栽培,我的母校------常信院,她提供了一个自我发挥,自我成长的平台,使自己明白了一个道理,理想可以很大，但是，我们必须将它建立在具体的、可以实现的事业之上，选择一种事业追求时，要考虑自己的长处，避开自己的短处，一生的事业，我们要用毕生的经历去实现。
在此过程中，我们必须持之以恒，坚持不懈！
千万不可以半途而废！
在我们探索人生，追求梦想的过程中，必须满怀信心，坚定目标，追求卓越，永争第一！
参考文献:
[1] 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
[2] 李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：
北京航空航天大学出版社.1994
[3] 阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京：
高等教育出版社.1989
[4]朱定华.单片机原理及接口技术[M].北京:
电子工业出版社.2001
[5]谭家玉.单片机原理及接口技术[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社.2003
毕业设计（论文）成绩评定表
一、指导教师评分表（总分为70分）
序号
考核项目
满分
评分
1
工作态度与纪律
10
2
调研论证
10
3
外文翻译
5
4
设计（论文）报告文字质量
10
5
技术水平与实际能力
15
6
基础理论、专业知识与成果价值
15
7
思想与方法创新
5
指导教师综合评语：
指导教师签名：
年月日
二、答辩小组
升级会员 