基于单片机的数字温度计设计

1、目录目录1摘要2正文31设计目的和要求32设计原理33设计内容33.1总体方案设计33.2器件选型43.2.1主控制器43.2.2显示电路43.2.3温度传感器工作原理43.3 系统设计93.4软件设计103.4.1主程序103.4.2读出温度子程序113.4.3温度转换命令子程序123.4.4计算温度子程序134结论及致谢145参考文献156附录16protues仿真图16电路原理图17程序代码18摘要单片机是一种特殊的计算机,它是在一块半导体的芯片上集成了CPU,存储器，RAM，ROM，及输入与输出接口电路，这种芯片称为:单片机。由于单片机的集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，

2、重量轻，能耗低，价格便宜，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便的优点，使它迅速的得到了推广应用，目前已成为测量控制系统中的优选机种和新电子产品中的关键部件。本次课程设计，就是用单片机实现温度控制，采用DS18B20数字温度传感器来实现基于51单片机的数字温度计的设计。该数字温度计利用AD590集成温度传感器及其接口电路完成温度的测量并转换成模拟电压信号，然后送到单片机AT89C51中进行处理变换，最后将温度值显示在LED显示器上。，其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现。关键词：单片机 温度传感器 LED显示器正文1设计目的和要求数字式温度计要求测温范围为55125C，精度误差在0.1C以内，LE

3、D数码管直读显示。选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。2设计原理 本次课程设计中运用到单片机来处理数据采集、处理、显示、报警等问题，而温度信息必须通过传感器来采集。传感器是将感受到的外界信息，按照一定的规律转换成所需的有用信息的装置，它获取的信息可以是各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也有各种形式。例如：光、温度、声、委位移、压力等物理量，可以通过传感器相互转化。但是通常是将非电量或电量转换成易于处理和传输的电量，有些传感器的这种转换是可逆的，即输入量为电量而输出量为机械量或热工艺量等。3设计内容3.

4、1总体方案设计按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：主控制器、测温电路和显示电路。数字温度计总体电路结构框图如图1所示。AT89C51主控制器显示电路温度传感器DS18B20扫描驱动图1 数字温度计总体电路结构框图3.2器件选型3.2.1主控制器AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。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AT89C51是一种高效微控制器，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。

5、3.2.2显示电路显示电路采用4位共阳LED数码管，从P0口输出段码，列扫描用P3.0P3.3口来实现，列驱动用8550三极管。3.2.3温度传感器工作原理DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。（1）DS18B20 的性能特点如下：独特的单线接口方式仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；无需外部器件；可通过数据线供电，电压范围：3.05.5V；测温范围55125，在-10+85时精

6、度为0.5零待机功耗温度以9或12位数字量读出；用户可定义的非易失性温度报警设置报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作如图2为18B20的引脚排列图 图2 DS18B20引脚排列图（2） DS18B20的内部结构如图3为DS18B20的内部结构图 图3 DS18B20内部结构图 DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。完成后的温度值用16位符号扩展的二进制补码读数形式存储在高速暂存RAM的第0、1字节中。单片机可以通过单线接口读出该数据。读数据时，低位在先，高位在后，数据格式以0.0625/LSB

7、形式表示。温度值格式如表1所示。表1：SSSSS262524232221202-12-22-32-4符号位整数部分小数部分（3）DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图4所示，图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1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，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后进行计数，进而完成温度测量.计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器

8、1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1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1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器 1的预置将重新被装入,减法计数器1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2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用，于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因

9、此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算： Ts=（Tz-0.25）+(CD-

10、Cs)/CD 图4 DS18B20测温原理图（4） DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启

11、动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。DS18B20的写时序，对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程，对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO

12、总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单线3.3 系统设计根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样/保持电路、运放、数/模转换电路以及进行长距离传输时的串/并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。该系统的总体设计思路如下：温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器用4位共阳LED数码管以动态扫描法实现。

13、检测范围-55摄氏度到125摄氏度。温度计电路设计proteus仿真图如图5所示 图53.4软件设计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。3.4.1主程序主程序的主要功能是测温系统初始化，温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值。主程序流程图如图6所示。YN初始化调用显示子程序初次上电读出温度值温度计算处理显示数据刷新发温度转换开始命令 图6 主程序流程图3.4.2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。在读出时须进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。读出温度子程序流程图如图7所示。NNY

14、Y发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作，CRC校验9字节完？CRC校验正确移入温度暂存器结束 图7 读出温度子程序流程图3.4.3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。程序流程图如图8所示。结束发读取温度命令发跳过ROM命令发DS18B20复位命令 图8 温度转换命令程序流程图 3.4.4计算温度子程序计算温度子程序将RAM中的读取值进行BCD码的转换、运算，并进行温度值正负的判定。程序流程图如图9所示。NY开始温度零下温度值取补码置“”标志计算小数位温度BCD值计算整数位温度BCD值结束置“+”标

15、志 图9 计算温度子程序流程图4结论及致谢本设计利用89C51芯片控制温度传感器DS18B20，再辅之以部分外围电路实现对环境温度的测控，性能稳定，精度教高，而且扩展性能很强大。此次课程设计中，难点在于DS18B20的使用，即对它的时序控制、初始化以及字节读写方法，任何一个环节出错或是时序控制不到位的话就不能得到正确的数据。一旦学会了正确的使用方法，就能感觉到它带来的便利是热电偶不能比拟的，以后再次使用的话就能很快上手了。软件设计中，把程序按功能分模块的话能提高编程效率，把问题一一解决，同时画流程图能帮助理清思路，使问题简单化。定义变量时，尽量定义局部变量，在字符型变量能达到要求的情况下就不用

16、定义成整形变量了，以节省内存空间。同时局部变量应避免与全局变量取同名，否则全局变量将被屏蔽或与局部变量相冲突而达不到设计的效果。另一方面，取变量名时也要讲究技巧，应尽量使其见名知意，同样地，写程序时加注释确是非常必要的，否则隔一段时间后，想再改进或做扩展的话就比较困难了，因为即使是自己写的程序也变得难读难懂了。在设计的过程和设计说明书的撰写过程中，张老师给予了我热心的帮助和大力的支持，给我提了诸多的宝贵意见，拓宽了我的思路。在此我向张老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！感谢老师一直以来对我们的帮助，对于老师提出的建议和意见我也虚心的接受和加以改善自己，希望老师能给与批评指正。5参考文献1 陈在平.

17、 现场总线及工业控制网络技术M.北京: 电子工业出版社,2008.2 沈建华，杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践M. 北北京航空航天大学出版社,2008.3 张成伟. 基于嵌入式Linix的GSM/GPRS无线通信模块的设计与实现D. 华中科技大学4 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2003. 5 胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京:清华大学出版社,2004.6 雷霖. 现场总线及工业控制网络技术M.北京: 电子工业出版社,2004. 7 许洪华. 现场总线与工业以太网技术M. 北京: 电子工业出版社,2007. 6附录protue

18、s仿真图电路原理图程序代码;=;DS18B20温度计;采用4位LED共阳显示器显示测温值，显示精度0.1，测温范围-55+125;用AT89C51单片机，12MHz晶振;=常数定义=TIMELEQU 0E0H ;20ms，定时器0时间常数TIMEHEQU 0B1HTEMPHEAD EQU 36H;=工作内存定义=BITST DATA 20HTIME1SOK BIT BITST.1TEMPONEOKBIT BITST.2TEMPL DATA 26HTEMPH DATA 27HTEMPHC DATA 28HTEMPLC DATA 29H;= 引脚定义=TEMPDIN BIT P3.7;= 中断向量

19、区=ORG 0000HLJMP STARTORG 00BHLJMP T0IT;=系统初始化=ORG100HSTART: MOVSP,#60HCLSMEM: MOV R0,#20HMOV R1,#60HCLSMEM1:MOV R0,#00HINC R0DJNZ R1,CLSMEM1MOV TMOD,#B ;定时器0工作方式1（16BIT）MOVTH0,#TIMELMOV TL0,#TIMEH ;20msSJMPINITERROR:NOPLJMP STARTNOPINIT:NOPSETB ET0SETB TR0SETBEAMOV PSW,#00HCLR TEMPONEOKLJMP MAIN;= 定

20、时器0中断服务程序=T0IT:PUSH PSWMOV PSW,#10HMOV TH0,#TIMEHMOV TL0,#TIMELINC R7CJNE R7,#32H,T0IT1MOV R7,#00HSETB TIME1SOK ;1s定时到标志T0IT1:POP PSWRETI;= 主程序=MAIN:LCALL DISP1 ;调用显示子程序JNB TIME1SOK,MAINCLR TIME1SOK ;测温每1s一次JNB TEMPONEOK,MAIN2 ;上电时先温度转换一次LCALL READTEMP1;读出温度值子程序LCALL CONVTEMP ;温度BCD码计算处理子程序LCALL DIS

21、PBCD ;显示区BCD码温度值刷新子程序LCALL DISP1 ;消闪烁，显示一次MAIN2: LCALLREADTEMP ;温度转换开始SETB TEMPONEOKLJMP MAIN;= 子程序区=;RESET DS18B20;=INITDS1820:SETB TEMPDINNOPNOPCLR TEMPDINMOV R6,#0A0H ;DELAY 480usDJNZ R6,$MOV R6,#0A0HDJNZ R6,$SETB TEMPDINMOV R6,#32H ;DELAY 70usDJNZ R6,$MOVR6,#3CHLOOP1820:MOV C,TEMPDINJC INITDS182

22、0OUTDJNZ R6,LOOP1820MOV R6,#064HDJNZ R6,$SJMP INITDS1820RETINITDS1820OUT:SETB TEMPDINRET;= 读DS18B20的程序，从DS18B20中读出一个字节的数据=READDS1820:MOV R7,#08HSETB TEMPDINNOPNOPREADDS1820LOOP:CLR TEMPDINNOPNOPNOPSETB TEMPDINMOV R6,#07H ;DELAY 15usDJNZ R6,$MOV C,TEMPDINMOV R6,#3CH ;DELAY 120usDJNZ R6,$RRC ASETB TEM

23、PDINDJNZ R7,READDS1820LOOPMOV R6,#3CH ;DELAY 120 usDJNZ R6,$RET;= 写DS18B20的程序，从DS18B20中写一个字节的数据=WRITEDS1820:MOV R7,#08HSETB TEMPDINNOPNOPWRITEDS1820LOP:CLR TEMPDINMOV R6,#07H ;DELAY 15usDJNZ R6,$RRC AMOV TEMPDIN,CMOV R6,#34H ;DELAY 104usDJNZ R6,$SETB TEMPDINDJNZ R7,WRITEDS1820LOPRET;= READ TEMP =REA

24、DTEMP:LCALL INITDS1820MOV A,#0CCHLCALL WRITEDS1820 ;SKIP ROMMOV R6,#34H ;DELAY 104usDJNZ R6,$MOV A,#44HLCALL WRITEDS1820 ;START CONVERSIONMOV R6,#34H ;DELAY 104DJNZ R6,$RETREADTEMP1:LCALLINITDS1820MOV A,#0CCHLCALL WRITEDS1820;SKIP ROMMOV R6,#34H ;DELAY 104usDJNZ R6,$MOV A,#0BEHLCALL WRITEDS1820 ;SCR

25、ATCHPADMOV R6,#34H ;DELAY 104usDJNZ R6,$MOV R5,#09HMOV R0,#TEMPHEADMOV B,#00HREADTEMP2:LCALL READDS1820MOV R0,AINC R0READTEMP21:LCALL CRC8CALDJNZ R5,READTEMP2MOV A,BJNZ READTEMPOUTMOV A,TEMPHEAD+0MOV TEMPL,AMOV A,TEMPHEAD+1MOV TEMPH,AREADTEMPOUT:RET;= 处理温度BCD码子程序=CONVTEMP:MOV A,TEMPHANL A,#80HJZ TEM

26、PC1CLR CMOV A,TEMPLCPL AADD A,#01HMOV TEMPL,AMOV A,TEMPH ;-CPL AADDC A,#00HMOV TEMPH,A ;TEMPHC HI=符号位MOV TEMPHC,#0BHSJMP TEMPC11TEMPC1:MOV TEMPHC,#0AH ;+TEMPC11:MOV A,TEMPHCSWAP AMOV TEMPHC,AMOV A,TEMPLANL A,#0FH ;乘0.0625MOV DPTR,#TEMPDOTTABMOVC A,A+DPTRMOV TEMPLC,A ;TEMPLC LOW=小数部分BCDMOV A,TEMPL ;整

27、数部分ANL A,#0F0HSWAP AMOV TEMPL,AMOV A,TEMPHANL A,#0FHSWAP AORL A,TEMPLLCALL HEX2BCD1MOV TEMPL,AANL A,#0F0HSWAP AORL A,TEMPHC ;TEMPHC LOW=十位数BCDMOV TEMPHC,AMOV A,TEMPLANL A,#0FHSWAP A ;TEMPLC HI=个位数BCDORL A,TEMPLCMOV TEMPLC,AMOV A,R7JZ TEMPC12ANL A,#0FHSWAP AMOV R7,AMOV A,TEMPHC ;TEMPLC HI=百位数BCDANL A

28、,#0FHORL A,R7MOV TEMPHC,ATEMPC12:RET;= 小数部分码表=TEMPDOTTAB:DB 00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06HDB 06H,07H,08H,08H,09H,09H;= 显示区BCD码温度值刷新子程序=DISPBCD:MOV A,TEMPLCANL A,#0FHMOV 70H,AMOV A,TEMPLCSWAP AANL A,#0FHMOV 71H,AMOV A,TEMPHCANL A,#0FHMOV 72H,AMOV A,TEMPHCSWAPAANL A,#0FHMOV 73H,AMOV A,TEMPHCA

29、NL A,#0F0HCJNE A,#010H,DISPBCD0SJMP DISPBCD2DISPBCD0:MOV A,TEMPHCANL A,#0FHJNZ DISPBCD2;十位数是0MOV A,TEMPHCSWAP AANL A,#0FHMOV 73H,#0AH;符号位不显示MOV 72H,A;十位数显示符号DISPBCD2:RET;= 显示子程序=;显示数据在70H73H单元内，用4位LED共阳数码管显示，P1口输出段码数据，;P3口做扫描控制，每个LED数码管亮1ms时间再逐位循环。DISP1:MOV R1,#70H;指向显示数据首址MOV R5,#0FEH;扫描控制字初值PLAY:MOV P0,#0FFHMOV A,R5;扫描字放入AMOV P3,A;从P3口输出MOV A,R1;取显示数据到AMOV DPTR,#TAB;取段码表地址MOVC A,A+DPTR;查显示数据对应段码MOV P0,A;段码放入P0口MOV