学位论文基于单片机的数字温度计的设计论文.docx

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学位论文基于单片机的数字温度计的设计论文

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。

本设计分为硬件设计和软件设计。

硬件系统由3个模块组成：

主控制器、测温电路和显示电路。

软件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。

单片机AT89C51具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点。

所以在本设计中采用单片机AT89C51作为控制器来控制电路。

测温传感器使用DS18B20，因为传感器DS18B20具有读数方便，测温范围广，测温准确。

用4位LED数码管以串口传送数据,实现温度显示。

关键词：

单片机AT89C51、DS18B20传感器、4位共阳极LED数码显示管。

Abstract

Withtheconstantimprovementofpeople'slivingstandard,itisundoubtedlyoneofthegoalswhichpeoplepursuethattheone-chipcomputercontrols,theconveniencethatitbringstosomebodycan'tbedeniedeither,amongthemthedigitalthermometerisatypicalexamp.Buttherequirementstoitofpeoplearehigherandhigher,wantworkingformodern,scientificresearch,life,offeringthebetterfacilitiesmoreconvenientlytoneedstartingwithcountingtheone-chip

Originallydesigndigitalthermometersrecommendedtocomparewithtraditionalthermometer,convenienttohavereading,itiswarmandinextensiverangetoexamine,itiswarmandaccuratetoexamine

Originallydesignandisdividedintohardwaredesigningandsoftwaredesign.Thehardwaresystemismadeupof3piecesofmodule:

Mastercontroller,examiningthewarmcircuitandrevealingthecircuit.Thesoftwaresystemproceduremainlyincludesthemainprogram,readsthetemperaturesubprogram,temperaturechangestheordersubprogram,accountingtemperaturesubprogram.

Theone-chipcomputerAT89C51hasstrong,smallfunctions,lowpowerdissipation,thepriceischeap,itisreliabletowork,characteristiceasytouse.Socontrolcircuitadoptstheone-chipcomputer

ExaminethewarmtransduceranduseDS18B20,becausethetransducerDS18B20hasreadingconvenient,itiswarmandinextensiverangetoexamine,Realizetemperaturereveals.

Keyword:

One-chipcomputerAT89C51,DS18B20transducer,4positivepoleLEDnumberreveal,inchargeoftogether。

引言

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展.进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。

这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

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。

温度测控技术也在各个领域应用越来越广泛，同时温度测量也被人们所异常关注，一时间涌现出大量各式各样的测试温度仪器，这些仪器的原理到底是怎样的呢？

说到底也是属于温度测控的范畴，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。

温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。

测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：

①传统的分立式温度传感器，②模拟集成温度传感器，③智能集成温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。

文章将介绍智能集成温度传感器DS18B20的结构特征及控制方法，并对以此传感器，89C2051单片机为控制器构成的温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。

该装置适用于人民的日常生活和工、农业生产用于温度测量。

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，测温传感器使用DS18B20，用4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。

第一章单片机的发展

单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

第一节单片机的三大发展阶段

一、按照微处理器集成度的发展分类

单片机诞生于20世纪70年代末，按照微处理器集成度的发展，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。

（一）SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

（二）微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：

不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

（三）嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。

随着微子

技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。

自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。

二、按照单片机的发展历史分类

6位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段:

第一阶段（1976-1978）：

单片机的控索阶段。

以Intel公司的MCS – 48为代表。

MCS – 48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。

这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。

第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。

Intel公司在MCS – 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS –51。

它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

（一）完善的外部总线。

MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。

（二）CPU外围功能单元的集中管理模式。

（三）体现工控特性的位地址空间及位操作方式。

（四）指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

第三阶段（1982-1990）：

8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。

Intel公司推出的MCS – 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

随着MCS – 51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。

第四阶段（1990—）：

微控制器的全面发展阶段。

随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

第二节单片机的发展趋势

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

下面是单片机的主要发展趋势。

一、CMOS化CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。

CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。

这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。

因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。

CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。

采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。

随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。

CHMOS和HMOS工艺的结合。

目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。

因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。

二、低功耗化机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。

低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。

三、低电压化所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。

允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。

低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。

目前0.8V供电的单片机已经问世。

四、低噪声与高可靠性高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。

五、大容量化单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。

但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。

为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。

目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。

六、高性能化是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控

制的可靠性。

采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。

现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。

这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。

由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。

七、小容量、低价格化述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也

是发展动向之一。

这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。

八、外围电路内装化是单片机发展的主要方向。

随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。

除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。

九、串行扩展技术长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。

随着低价位OTP（One Time Programble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。

特别是 I C、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。

在单片机家族中，89C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS –51系列中的89C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、C、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与89C51单片机兼容的基础上改善了89C51的许多特性。

这样，89C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为89C51系列。

89C51单片机已成为单片机发展的主流。

专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，89C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

第二章单片机的组成及特点

单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。

就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。

第一节单片机的组成

单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。

其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等.

第二节单片机的特点

由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。

单片机主要发如下特点：

一、有优异的性能价格比。

二、集成度高、体积小、有很高的可靠性。

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。

另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

三、控制功能强。

为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。

单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的

微机。

四、低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

五、单片机系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

第三节单片机的分类

单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。

根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

一、通用型/专用型

这是按单片机适用范围来区分的。

例如，89C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

二、总线型/非总线型

这是按单片机是否提供并行总线来区分的。

总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

三、控制型/家电型

这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。

一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。

显然，上述分类并不是惟一的和严格的。

例如，89C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

第三章单片机的应用

由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。

它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：

一、单片机在智能仪表中的应用

单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。

二、单片机在机电一体化中的应用 

机电一体化是械工业发展的方向。

机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。

单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。

三、单片机在实时控制中的应用

单片机广泛地用于各种实时控制系统中。

例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。

单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。

四、单片机在分布式多机系统中的应用

在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。

多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。

单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。

单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。

5、单片机在人类生活中的应用 

自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。

单

片机使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。

综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。

另一方面，单片机

应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。

这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

第四章系统硬件电路的设计

第一节方案论证

在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，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都是电压，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。

本数字温度计设计采用美国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-55～125℃。

DS18B20可以直接读出温度被测温度值，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。

采用单片机AT89C51作为控制器，它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点。

第二节系统硬件电路的设计

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AT89C51，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

图一总体设计方框图

主控制器

　89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。

89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

　　1．主要特性：

　　·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

　　·两个16位定时器/计数器

　　·5个中断源

　　·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

　　2．管脚说明：

　　VCC：

供电电压。

　　GND：

接地。

P0：

P0为一个8位漏级开路双向I/O，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1的管脚第一次写1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FIASH编程时，P0作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1：

P1是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O，P1缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1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FLASH编程和校验时，P1作为第八位地址接收。

　　P2：

P2为一个内部上拉电阻的8位双向I/O，P2缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2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输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2输出其特殊