基于单片机的数字温度计.docx

1、基于单片机的数字温度计数字温度计设计一、设计任务与要求11 设计容： 数字温度计的设计要能实现温度的实时采集与显示，以AT89S51单片机为核心芯片，使用DS18B20数字温度传感器或使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应采集环境温度，并通过一组4位共阴极数码管将温度显示出来，也可用LM1602液晶显示屏。12 设计基本要求：（1）温度设定围：温度为0099（2）温度精度为0.1；（3）可以设置报警温度，发出报警信息，可以用声或光表示。二、方案设计与论证 本设计以检测温度并显示温度，以及提供上下限报警和设定某一个报警温度为目的。按照系统设计功能的要求，对于温度的采集可以使用温度传感器、热敏电阻

2、或热电偶等等；将采集到的温度传到单片机，利用软件编程对温度进行处理；温度围和精度由软硬件决定；报警采用声音和灯光相结合，由蜂鸣器和LED灯组成；报警温度的设置由键盘的up和down来设定。方案一由于本设计实现的是测温电路，首先我们可以使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应，将其随被测温度变化的电压或电流值采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，通过显示电路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。因此，我们引出第二种方案。方案二我们可以采用技术成熟、操作简单、精确度高的温度传感器，在此，可以选用数字温度传感器DS18B20，根据它的特点和测温

3、原理，很容易就能直接读取被测温度值并进行转换，这样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，故在本设计中采用了方案二。以下为利用DS18B20温度传感器的硬件构成图： 图2.1 数字温度计设计总体硬件构成图三、硬件电路设计3. 1、硬件设计总图见图3.1 图3.1 硬件设计仿真总图 3.2最小系统的电路设计单片机晶振电路、外部按键电路和复位电路的设计如图3.2所示。XTAL1（X1）为反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。XTAL2(X2)是来自反向振荡器的输出。在此使用的是12MHz的晶振； 复位电路采用手动复位与上电复位相结合的方式

4、。当按下按键S1时，VCC通过R1电阻给复位输入端口一个高电平，实现复位功能，即手动复位。上电复位就是VCC通过电阻R2和电容C3构成回路，该回路是一个对电容C充电和放电的电路，所以复位端口得到一个周期性变化的电压值，并且有一定时间的电压值高于CPU复位电压，实现上电复位功能；以及外部按键电路通过UP和DOWN按键将I/O口直接与地相连，当按键按下时I/O口将检测到低电平。图3.2 最小系统的设计电路3.3温度采集电路的设计(1)、数字温度传感器DS18B20它是一种新型的”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DS18B2

5、0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

6、如下： 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条总线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯； DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温； DS18B20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； 适应电压围更宽，电压围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电； 测温围-55125，在-10+85时精度为0.5； 零待机功耗； 可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温； 在9位分辨率时最多在93.75ms把

7、温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms把温度值转换为数字，速度较慢； 用户可定义报警设置； 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CRC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。 (2)、工作原理如下器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间

8、由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中，计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。它有严格的时序概念，初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命

9、令发存储器操作命令处理数据。(3)、部构造和硬件仿真图如下图3.3 DS18B20温度采集仿真图3.4 数码管温度显示电路设计 LED数码管，也叫LED数码显示器，由于它具有很高的性能价格比、显示清晰、亮度高、使用方便、电路简单、寿命长等诸多优点，长期以来一直在各类电子产品和工程控制中得到非常广泛的应用。在单片机控制系统中，因为单片机的硬件简单、灵活等特点，非常适合使用LED数码管作为其输出设备，这样既满足了控制系统硬件简单，又能如实地显示被控系统的温度、压力、流量、高度等一些单片机的处理结果。本设计的显示电路采用4个共阴极LED数码管，从P0口并行输出温度段码，用P2.0P2.3四个端口输出

10、位选，控制数码管的点亮。其工作过程如下：1、并行数据由P1口送至4个数码管。2、这时P3.0、P3.1、P3.2、P3.3轮流输出低电平，LED数码管依次被点亮，显示P1传送来的数据。由于数码管余辉效应和人眼的视觉延迟，当数码管每秒点亮50次时，就会出现静止显示的温度值。硬件图如图3.4所示： 图3.4 数码管温度显示电路3.5声光报警电路设计报警电路采用蜂鸣器和LED灯相结合的办法，通过两个NPN三极管来驱动，如图3.5所示。当三极管基极为低电平时，蜂鸣器和LED灯都关闭；当基极由低电平变为高电平时，三极管导通，这时蜂鸣器响，LED灯亮，达到声光报警的目的。 图3.5 声光报警电路四、温度传

11、感器程序设计4.1程序设计流程框图4.2主要程序代码与说明/*延时函数*/* DS18B20初始化以及对它读写的程序*/void dsreset(void) uint i; ds=0;i=100; while(i0)i-; ds=1;i=4; while(i0)i-;bit tempreadbit(void) /读1位数据函数 uint i=0; bit dat; ds=0;i+; /i+起延时作用 ds=1;i+;i+; dat=ds; i=8;while(i0)i-; return(dat); uchar tempread(void) /读1个字节的数据 uchar i,j,dat; da

12、t=0; for(i=1;i=8;i+) j=tempreadbit(); dat=(j1); return(dat);void tempwritebyte(uchar dat) /向DS18B20写一个字节数据 uint i,j; bit testb; for(j=1;j1; if(testb) /写1 ds=0; i+;i+; ds=1; i=8;while(i0)i-; else /写0 ds=0; i=8;while(i0)i-; ds=1; i+;i+; /*向DS18B20发送转换指令*/*将转换后的数字温度转换为模拟温度*/*将模拟温度通过数码管显示*/*按键输入部分用来改变报警

13、温度初值*/*对报警温度进行判断并声光提示*/*主函数体*/五、仿真过程与仿真结果将硬件设计原理图和程序相结合进行软件仿真，首先，将设计好的数字温度传感器程序输入到Proteus中保存、编译生成HEX文件，将该HEX文件下载到仿真原理图，其仿真结果如下图5.1。 程序默认报警温度为25，DS18B20的模拟温度可以任意设置如图中设置为26.31度，通过DOWN键可以减小报警温度初值，UP键可以增大报警温度初值，并且当有按键按下时，有声光提示，数码管回显报警值。现在通过按UP键使报警初值加1变为26，由于26约等于DS18B20的当前温度26.31（报警误差最大为0.5），所以蜂鸣器响起，LED

14、灯闪烁。再次按下UP后报警初值变为27，声光报警也都关闭。图5.1 仿真结果六、安装与调试 6.1、电路的安装 在制作好电路板以后，就进入了电路的安装过程。安装中要严格按照原理图和PCB图中元件的位置与参数来焊接，焊接时要注意不能让焊锡短路电路，注意元件的正负极，同时还要把握好对温度敏感元件的焊接时间。防止元器件和线路因为高温而烧毁。依据仿真图画出原理图和PCB图如下图6.1所示6.2、电路的调试 焊接好电路以后，对电路的调试是一步很重要的过程，关系到各功能的实现问题与最终的成败问题。系统板上硬件连线（1）把“单片机系统”区域中的P0.0P0.7用8芯排线连接到“动态数码显示”区域中的ABCD

15、EFGH端子上。（2）把“单片机系统”区域中的P2.0P2.3用8芯排线连接到“动态数码显示”区域中的Y0Y1Y2Y3端子上。（3）把DS18B20芯片插入“三路单总线”区域中的一个插座中，注意电源与地信号不要接反。（4）把“三路单总线”区域中的对应的DQ端子连接到“单片机系统”区域中的P3.7/RD端子上。（5）.蜂鸣器接“单片机系统”区域中的P1.5端子上。严格按照仿真原理图正确连接各线路，检查无误后上电，然后看看各功能模块是否正常。七、结论与心得温度的检测和控制是一个经典的课题，生活中的各个领域里经常需要检测和控制某一特定环境的温度，使之能够稳定在一定的温度围之。这就要求系统对温度的检测

16、具有足够的精度和实时性，控制要有足够的精度，并且尽可能具有较低的成本，这样的产品才具有实用价值。DS18B20恰好具有这样的优势，由于其可直接输出数字量，不需要AD转换，测温围大，与单片机容易接口，成为原来广为使用的热电阻、热电偶的理想替代品。因此本设计可以应用于多种温度控制场合。本设计叙述了数字温度计的设计，包括硬件组成和软件的设计。该系统在硬件设计上主要是通过其核心控制器件AT89C51将采集到的数字温度电压值经单片机处理得到相应的温度值，送到数码管显示器，以数字形式显示测量的温度。整个系统的软件编程就是通过C语言对单片机AT89C51实现其控制功能，整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大，性能价格比高，较好的满足了现代生产和科研的需要。八、参考文献 1、新概念51单片机C语言教程 作者：郭天祥 2、单片机原理及应用第二版 作者：毅刚、喜元、宇3、传感器应用教程300例 作者：余凯、吴鸣山、项绮明