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电子温度计的大学学位论文
题目:
电子温度计的设计
专业:
应用电子技术
班级:
电子3121
作者:
刘冬
指导教师:
程晓芳
摘要
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，它所给人们带来的方便也是不可否认的。
其中电子温度计就是一个典型的例子，医院、家庭等随处可见，为了能更加满足人们的需要，数字体温计正在更新换代。
电子温度测量方式是随着电子技术的兴起而快速发展的一门学科，它利用材料随温度变化的参数转换成电信号对温度进行测量。
电子温度计功能完善、使用方便安全、精度高,克服了传统电子温度计价格昂贵,测量功能单一、误差偏大等问题,使用效果良好,有很好的推广应用价值。
本文通过对电子温度计的系统组成、应用方面、使用技术、功能特点、技术指标等方面来介绍与设计电子温度计。
目录
摘要I
第一章绪论1
1.1选题的依据及意义1
1.2国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）2
1.3本课题研究内容及方案3
1.3.1硬件设计4
1.3.2软件设计4
1.3.3方案设计4
1.4研究目标、主要特色及工作进度：
4
1.4.1研究目标4
1.4.2主要特色4
第二章系统总体方案设计6
2.189C51单片机的介绍6
2.1.189C51单片机管脚图7
2.1.289C51单片机的中断系统8
2.1.389C51单片机的定时/计数器8
2.2温度传感器DS18B208
2.2.1DS18B20的性能特点8
2.2.2DS18B20与单片机的典型接口设计9
2.2.3DS18B20的内部结构11
2.2.4DS18B20的测温原理11
2.2.5告警信号：
12
2.2.6CRC的产生：
12
2.2.7DS18B20使用中注意事项12
2.31602字符型LCD简介13
2.3.11602LCD的基本参数及引脚功能13
2.3.21602LCD的指令说明及时序14
2.3.31602LCD的RAM地址映射及标准字库表16
2.3.41602LCD的一般初始化（复位）过程17
2.4DS1302时钟芯片17
第三章系统硬件设计18
3.1硬件设计：
本文采用89C51单片机作为主要控制芯片，具体框图如图3-1所示。
18
第四章系统软件设计19
4.1主程序设计19
4.2温度子程序19
4.3键盘子程序设计20
4.4报警子程序设计21
第五章系统调试22
5.1Proteus软件简介22
5.2Keil软件22
5.3系统调试与仿真22
结论25
参考文献26
谢辞27
附录1程序代码28
附录2参考电路图38
第一章绪论
1.1选题的依据及意义
温度是人们生活中一个时时刻刻接触到的物理量，它影响着一切，厄尔尼诺现象是因为地球整体温度升高；分子运动因为温度的升高而加剧；30℃是人体感觉最佳的环境温度；工业生产、试验、生活……都离不开温度的影响,但是传统的温度计无法精确及快速的测出当前温度，会产生较大的误差。
本文提出一种新型数字式温度计的设计方案，可以达到传统温度计的测量精度，并且可较好的解决传统温度计存在的缺陷。
增加实时记录及分析温度变化，具有报警功能和实时时钟功能，可随时根据用户需要设定报警温度。
采用AT89C51单片机作为核心来进行控制，该单片机具有较高的性价比，集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。
采用智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为－55℃～＋125℃，最大分辨率可达0.0625℃。
DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3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。
DS18B20数字温度传感器接线方便，根据应用场合的不同而改变其外观。
封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。
耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
单总线数字温度传感器正广泛应用于在多点温度测量系统中。
单总线数字温度传感器将地址线、数据线、控制线合为1根信号线。
每一个数字温度传感器内均有唯一的64位序列号,允许在信号线上挂接多个1-Wire总线器件。
因此在单总路线多传感器系统中,只有获得该序列号后才能识别各传感器并对其进行操作。
显示模块采用1602液晶显示器，显示温度及时间。
微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，在冶金、食品加工、化工等工业生产过程中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，都要求对温度进行严格控制。
在日常生活中，电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等电器也需要进行温度检测与控制。
传统的测温元件有热电偶和热电阻。
而热电偶和热电阻测出的一般是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。
而采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便，简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标。
在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学实验中，有特别重要的意义。
传统所使用的温度计通常都是精度为1°C和0.1°C的水银、煤油或酒精温度计。
这些温度计的刻度间隔通常都紧密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。
电子体温计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温速度快、测温准确、携带方便等优点，其输出温度采用数字显示，主要用于对温度比较准确的场所，或科研实验室使用。
电子体温计和传统的水银体温计相比更安全可靠，我们都知道水银有剧毒，如果破损可能带来玻璃扎伤或水银污染的隐患。
随着信息的发展，温度的监测显得越来越重要了，具有记录及分析温度的数字温度计更有发展前景。
1.2国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）
温度计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、半导体集成数字温度计等。
目前温度计的发展很快，从原始的玻璃温度计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。
主要温度仪表，如热电偶、热电阻及辐射温度计等在技术上已经成熟，但是它们只能在传统的场合应用，尚不能满足简单、快速、准确测温的要求，尤其是高科技领域。
因此，各国专家都在有针对性地竞相开发各种新型温度传感器及特殊与实用测温技术，如采用光纤、激光及遥感或存储等技术的新型温度计已经实用化。
在电子式温度计中，传感器的灵敏度决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：
传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；主要是能够进行非电量和电量之间转换；模拟集成温度传感器/控制器；智能温度传感器。
传统的分立式温度传感器——热电偶传感器：
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。
模拟集成温度传感器：
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
智能温度传感器：
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。
智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。
智能温度传感器包括数字温度传感器和石英温度传感器。
数字温度传感器被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。
用石英作为温度传感器的数字温度计可实现多种功能：
用于热化疗仪中对药液的温度进行测量，能获得较好的测温效果；用于温度检测系统，测温系统可用于各行各业中。
进入21世纪后，数字温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
提高测温精度和分辨力：
20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。
目前，国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。
增加测试功能：
新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。
例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。
另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。
智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。
智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统，它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。
总线技术的标准化与规范化：
目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（1-Wire）总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。
温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。
可靠性及安全性设计：
传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。
新型智能温度传感器，普遍采用了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。
Σ－Δ式A／D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低，由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。
这种智能温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。
水电站的建成，在进行大坝安全监测时，温度是一个最基本的参数。
大坝长期受到水的压力会发生形变，因此位移是大坝安全监测的一个重要项目。
大坝水平方向和垂直方向的位移以及坝间的离合度，都是大坝安全监测的重要内容。
由于大坝长期受到水的浸泡，在水压力作用下，坝段间的缝隙就会增大，从而直接影响到大坝的安全。
测量坝间离合度的装置安装在一根长管子上，由于温度变化，管子也会发生形变，直接影响到离合度的测量。
用数字温度传感器DSl8820测得大坝的环境温度，得到两次测量的温度变化，进而得到管子由于温度变化而引起的形变量，从位移测量数据中除去温度引起的形变即可得到坝间离合度的准确值。
大坝环境恶劣，而数字单总线温度传感器集温度测量、A／D转换于一体，具有单总线结构、数字输出、精度较高、直接与微机接口等优点，是目前最新的测温器件。
其电路设计简单，提高了系统稳定性、可靠性及抗干扰能力，适用于大坝的温度测量。
以单线数字温度传感器DS18B20为温度敏感元件的储粮温检系统，该系统以PIII300PC机为主机，以89C51单片机为检测分机，数字传感器直接与分机连接，分机与主机通过RS485总线网进行通信，所有的操作通过主机的菜单命令进行。
系统具有温度检测，打印，报警和系统故障自检等功能。
基于单线数字温度传感器DS18B20的储粮温度自动测试系统结构简单，现场安装调试方便，成本低，系统可靠性高，易于增减传感器的数量。
由于温度传感器以数字形式输出温度值，长距离传输的可靠性好，抗干扰能力强，该系统还用于烟草，食品，化工等其他类型仓库以及人工气候实验室，生产车间，智能大厦等环境的温度智能实时检测与控制。
1.3本课题研究内容及方案
本文采用89C51单片机作为控制器，采用DS18B20温度传感器进行单线多点温度检测，用1602液晶显示器显示温度，记录并处理数据，实时时钟显示，报警电路的实现。
1.3.1硬件设计
（1）传感器数据采集电路：
采用多个DS18B20温度传感器构成单总线数据采集电路；
（2）温度显示电路：
采用1602显示，能够实时显示出当前温度；
（3）上下限报警调整电路：
当温度超出设定值时会发出报警，直至系统温度恢复正常；
（4）时钟显示电路：
能够显示当前具体时间，当系统掉电时，时钟芯片仍可继续工作，保证系统安全稳定的运行；
（5）人机接口、按键：
根据需要切换时间和温度测量，并可以及时调整时间及校零；
（6）单片机主板电路：
总体布局最优，抗干扰能力强。
1.3.2软件设计
（1）主程序：
主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理传感器测量的当前温度值
重复的温度测量；
（2）读出温度子程序：
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；
（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；（4）计算温度子程序：
计算温度子程序将RAM中读出，取值进行BCD码的转换运算
并进行温值正负的判定；
（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，当最高位显示为0时将符号显示位移入下一位；
（6）时钟显示程序：
显示出当前时间，并可进行调整。
1.3.3方案设计
本文利用AT89C52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，并可以根据需要设定上下限报警温度。
该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。
本文设计一个电子温度计要求可以精确测量多个温度，并在同一时刻同一显示器上进行显示，并具有显示当前具体时间功能，具有存储功能，可查询任一时刻的温度，可根据需要
第二章系统总体方案设计
该系统利用AT89C52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，并可以根据需要设定上下限报警温度。
该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。
2.189C51单片机的介绍
89C51单片机最初是由Intel公司开发设计的，但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如SST、Philip、Atmel等大公司。
如是市面上出现了各式各样的但均以51为内核的单片机，倒是Intel公司自己的单片机却显得逊色了。
这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51指令、并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的。
89C51有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。
89C51的存储器系统由4K的程序存储器（掩膜ROM），和128B的数据存储器（RAM）组成。
89C51单片机的基本组成框图见图2-1
图2-189C51单片机结构
由图2-1可见，8051单片机主要由以下几部分组成：
（1）CPU系统：
8位CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。
（2）存储器系统：
4K字节的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可外扩至64KB）；128字节的数据存储器（RAM，可再外扩64KB）；特殊功能寄存器SFR。
（3）I/O口和其他功能单元：
4个并行I/O口；2个16位定时计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源，2个优先级）。
2.1.189C51单片机管脚图
图2-289C51单片机管脚图
部分引脚说明：
（1）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2：
XTAL2（18脚）：
接外部晶体和微调电容的一端；在8051片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。
若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。
要检查8051/8031的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。
XTAL1（19脚）：
接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时，该引脚必须接地。
（2）输入/输出端口P0/P1/P2/P3：
P0口（P0.0～P0.7，39~32脚）：
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口。
作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。
当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器（地址80H）写入全1,此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。
作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。
在CPU访问片外存储器时，P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。
在此期间，P0口内部上拉电阻有效。
P1口（P1.0～P1.7，1~8脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P1口每位能驱动4个LS型TTL负载。
在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存地址（90H）写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。
P2口（P2.0～P2.7，21~28脚）：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P口每位能驱动4个LS型TTL负载。
在访问片外EPROM/RAM时，它输出高8位地址。
P3口（P3.0～P3.7，10~17脚）：
P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P3口每位能驱动4个LS型TTL负载。
P3口与其它I/O端口有很大的区别，它的每个引脚都有第二功能，如下：
P3.0：
（RXD）串行数据接收。
P3.1：
（RXD）串行数据发送。
P3.2：
（INT0#）外部中断0输入。
P3.3：
（INT1#）外部中断1输入。
P3.4：
（T0）定时/计数器0的外部计数输入。
P3.5：
（T1）定时/计数器1的外部计数输入。
P3.6：
（WR#）外部数据存储器写选通。
P3.7：
（RD#）外部数据存储器读选通。
2.1.289C51单片机的中断系统
89C51系列单片机的中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。
由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求；由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。
2.1.389C51单片机的定时/计数器
在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。
89C51单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：
T0和T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1还可以作为串行口的波特率发生器。
2.2温度传感器DS18B20
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。
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。
与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，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。
其可以分别93．75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，最大分辨率为0．0625℃，而且从DS18B20读出或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写。
2.2.1DS18B20的性能特点
单线数字化智能集成温度的传感器，其特点是：
（1）DSI8B20可将被测温度直接转换成计算机能识别的数字信号输出，温度值不需要经电桥电路先获取电压模拟量，再经信号放大和A／D转换成数字信号，解决了传统温度传感器存在的因参数不一致性，在更换传感器时会因放大器零漂而必须对电路进行重新调试的问题，使用方便．
（2）DS18B20能提供9到12位温度读数，精度高，且其信息传输只需1根信号线，与计算机接口十分简便，读写及温度变换的功率来自于数据线而不需额外的电源．
（3）每一个DS18B20都有一个惟一的序列号，这就允许多个DS18B20连接到同一总线上．尤其适合于多点温度检测系统．
（4）负压特性：
当电源极性接反时，DS18B20虽然不能正常工作，但不会因发热而烧毁正是由于具有以上特点，DS18B20在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面与传统各种温度传感器相比，有无可比拟的优越性，因而广泛应用于过程控制、环境控制、建筑物、机器设备中的温度检测。
2.2.2DS18B20与单片机的典型接口设计
DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。
Dsl8B20与单片机的硬件连接有两种方法：
一是Vcc接外部电源，GND接地，I/0与单片机的I/0线相连；二是用寄生电源供电，此时,~UDD和GND接地，I/0接单片机I/0。
无论是哪种供电方式，I/0口线都要接4．7kQ左右的上拉电阻。
图4给出了DSl8B20与微处理器的典型连接。
（1）DS18B20寄生电源供电方式：
如下面图2-3（a）所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：
在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。
独特的寄生电源方式有三个好处：
1）进行远距离测温时，无需本地电源
2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM
3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温
要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。
因此，该电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。
并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。
（2）DS18B20寄生电源强上拉供电方式：
改进的寄生电源供电方式如下面图2-3（b）所示，为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多10μS内把I/O线转换到强上拉状态。
在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。
（3）DS18B20的外部电源供电方式：
如下面图2-3（c）所示，在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，其VDD端用3～5．5V电源供电，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。
注意：
在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取
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