数字温度计设计

1、信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目: 数字温度计 专 业: 电子信息工程技术 班 级: 电信 07-1 班 学 号: _ 0710104018 姓 名: _ 余 _ 指导教师: _ _ _ 2009 年 12 月 11 日 信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书 学 生 姓 名 学号 08 班级电信 07-1 班专业电子信息工程技术 设计（或论文）题目数字温度计毕业设计 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注 副教授 设计（论文）内容： 用 51 单片机控制的数字温度计，要求： 1.用温度传感器测试温度，用 6 位 l

2、ed 数码管显示温度； 2.测试温度的范围为5599,温度误差为1； 3.能进行仿真。 进度安排： 1.第 6-7 周：确定设计任务，查找资料，拟定设计方案； 2.第 8-9 周：软、硬件功能划分，系统硬件电路的设计； 3.第 10-11 周：软件结构设计、设计软件流程图并编制相应的软件； 4.第 12-14 周：系统工作原理分析，综合调试，整理资料，拟定初稿； 5.第 15-16 周：检查定稿，准备答辩； 6.第 17-18 周：答辩。 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)： 1李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.北京航空航天大学出版社，1998. 2李广弟.单片

3、机基础m.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）.高等教育出版社，1989. 4王恩荣.mcs-51 单片机应用技术.化学工业出版社，2001. 5楼然苗.单片机课程设计指导.北京航空航天大学出版社，2007. 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 目 录 摘摘 要要 1 绪绪 论论 2 第第 1 章章 数字温度计设计方案数字温度计设计方案 3 1.1 数字温度计设计方案论证 3 1.1.1 方案 1 3 1.1.2 方案 2 3 1.2 方案 2 的总体设计框图 3 1.3 设计要求和实

4、现的功能 4 第第 2 章章 硬件电路设计硬件电路设计 5 2.1 8051 单片机的基本组成5 2.1.1 各部分作用或功能介绍如下： 5 2.2 显示电路 6 2.3 温度传感器 7 2.3.1 ds18b20 的简介7 2.3.2 ds18b20 的两个表格9 2.3.3 ds18b20 的测温原理10 2.3.4 ds18b20 的时序设置11 第第 3 章章 软件设计软件设计 12 3.1 主程序流程图 12 3.2 计算温度子程序流程图 13 3.3 温度显示流程图 14 心得体会心得体会 15 参考文献参考文献 16 附附 录录 17 附录 1 整机电路图 17 附录 2 源程序

5、 18 摘 要 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，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。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，该设计控制器采用单片机 8051，温度传感器 采用 ds18b20，用 6 位共阳极 led 数码管实现温度显示。 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，

6、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。 关键词关键词：单片机；温度计；温度传感器。 绪 论 单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两 个分支。通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能，其数据 总线的宽度不断更新，从 8 位、16 位迅速过渡到 32 位、64 位，并且不断提高运算 速度和完善通用操作系统，以突出其高速海量数值运算的能力，在数据处理、模拟 仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用；单片机作为最 典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、机器

7、人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系 统中最重要的智能化工具。因此，单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速 发展，成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑。 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

8、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 8051，测温传感器使用 ds18b20，用 6 位共阴极 led 数码管 通过 8279 实现温度显示。能准确达到以上要求。 第 1 章 数字温度计设计方案 1.1 数字温度计设计方案论证 1.1.1 方案 1 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。 1.1.2 方案 2 进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多

9、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。 1.2 方案 2 的总体设计框图 温度计电路设计总体设计方框图如图 1-1 所示。 图 1-1 数字温度计总体设计方框图 1.3 设计要求和实现的功能 1.用温度传感器测试温度，用 6 位 led 数码管显示温度； 2.测试温度的范围为5599,温度误差为1； 3.能进行仿真 第 2 章 硬件电路设计 系统整体硬件电路包括单片机控制器，温度传感器。本设计采用 at89c51 为控 制器，ds18b20 为温度传感器与单片机的接口电路。

10、2.1 8051 单片机的基本组成 cpu 时钟电路 并行接口 定时/计数器 ramrom 串行接口中断系统 p0p3p2p1 txdrxd int0int1 t0t1 图 2-1 mcs-51 单片机结构框图 2.1.1 各部分作用或功能介绍如下： 1.中央处理器（cpu） 中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。mcs-51 的 cpu 能处理 8 位二进制数或代码。 2.内部数据存储器（内部 ram） 8051 芯片中共有 256 个 ram 单元，但其中后 128 单元被专用寄存器占用，能 作为寄存器供用户使用的只是前 128 单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说 的内部数据

11、存储器就是指前 128 单元，简称内部 ram。 3.内部程序存储器（内部 rom） 8051 共有 4kb 掩膜 rom，用于存放程序、原始数据或表格，因此称之为程序存 储器，简称内部 rom。 4.定时器/计数器 8051 共有 2 个 16 位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时 或计数结果对计算机进行控制。 5.并行 i/o 口 mcs-51 共有四个 8 位的 i/o 口（p0、p1、p2、p3） ，以实现数据的并行输入输 出。在实训中我们已经使用了 p1 口，通过 p1 口连接 8 个发光二极管。 6.串行口 mcs-51 单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其

12、它设备之间的串行 数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同 步移位器使用。 7.中断控制系统 mcs-51 单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051 共有 5 个中断 源，即外中断 2 个，定时/计数中断 2 个，串行中断 1 个。全部中断分为高级和低 级共二个优先级别。 2.2 显示电路 由 6 位共阴极 led 数码管、位驱动电路、端输入电路组成，采用动态扫描的方 式显示。基本的半导体数码管是由八个条状发光二极管芯片按图 2-3 排列而成的。 可实现 09 的显示。其具体结构有“反射罩式” 、 “条形八段式”及“单片集成式 多位数字式”等。用 6

13、 位共阳极 led 数码管实现温度显示。能准确达到以上要求。 图 2-3 数码管 2.3 温度传感器 2.3.1 ds18b20 的简介 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。ds18b20 的性能特点 如下： 1独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； 2多个 ds18b20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 3无须外部器件； 4可通过数据线供电，电压范围为 3.05.5v； 5零待机功耗； 6温度以

14、9 或 12 位数字； 7用户可定义报警设置； 8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； ds18b20 采用 3 脚 pr35 封装或 8 脚 soic 封装，其内部结构框图如图 2-5 所 示。 图 2-5 ds18b20 内部结构 64rom 的结构开始 8 位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共 有 48 位，最后 8 位是前面 56 位的 crc 检验码，这也是多个 ds18b20 可以采用一线 进行通信的原因。温度报警触发器 th 和 tl，可通过软件写入户报警上下限。 ds18b20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 ram 和一个非易

15、失性的可电 擦除的 eeram。高速暂存 ram 的结构为 8 字节的存储器，结构如图 2-5 所示。头 2 个字节包含测得的温度信息，第 3 和第 4 字节 th 和 tl 的拷贝，是易失的，每次上 电复位时被刷新。第 5 个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转 换分辨率。 ds18b20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的 定义如图 2-6 所示。低 5 位一直为 1，tm 是工作模式位，用于设置 ds18b20 在工作 模式还是在测试模式，ds18b20 出厂时该位被设置为 0，用户要去改动，r1 和 r0 决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。

16、ds18b20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 ram 和一个非易失性 的可电擦除的 eeram。高速暂存 ram 的结构为 9 字节的存储器，结构如图 2-6 所示。 图 2-6 ds18b20 字节定义 由图 2-6 可见，其中 1、2 字节用来存放当前温度，1 为低 8 位，2 为高 8 位。 字节 3、4 用来预置报警温度的上下限，字节 5 用于配置寄存器，用于确定温度数 据位数，字节 6、7、8 均为保留字节，字节 9 存放前 8 个字节循环冗余校验码 （crc） 。 ds18b20 完成温度转换后，就把测得的温度值与 ram 中的 th、tl 字节内容作 比较。若 tth

17、 或 ttl，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警 搜索命令作出响应。因此，可用多只 ds18b20 同时测量温度并进行报警搜索。 在 64 位 rom 的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（crc） 。主机 rom 的前 56 位来计算 crc 值，并和存入 ds18b20 的 crc 值作比较，以判断主机收到的 rom 数据是否正确。 2.3.2 ds18b20 的两个表格 由表 2-7 可见，ds18b20 温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的 温度数据转换时间越长。 表 2-7 ds18b20 温度转换时间表 ds18b20 温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，

18、所需要的温度数据转换时间越 长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 当 ds18b20 接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 1、2 字节。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 0.0625lsb 形式表示。 当符号位 s0 时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十 进制；当符号位 s1 时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计 算十进制数值。如表 2-8 是一部分温度值对应的二进制温度数据。 表 2-8 一部分温度对应值表 温度/c二

19、进制表示十六进制表示 +1250000 0111 1101 000007d0h +850000 0101 0101 00000550h +25.06250000 0001 1001 00000191h +10.1250000 0000 1010 000100a2h +0.50000 0000 0000 00100008h 00000 0000 0000 10000000h 0.5 1111 1111 1111 0000fff8h 10.125 1111 1111 0101 1110ff5eh 25.0625 1111 1110 0110 1111fe6fh 55 1111 1100 1001

20、0000fc90h 2.3.3 ds18b20 的测温原理 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 1；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 2 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 1、温度寄存器中，计数器 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

21、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 减法计数器计数到 0 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另外，由于 ds18b20 单线通信功能是分 时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对 ds18b20 的各种操 作按协议进行。操作协议为：初使化 ds18b20（发复位脉冲）发 rom 功能命令 发存储器操作

22、命令处理数据。ds18b20 温度传感器与单片机的接口为 1 接地，2 接 p1.0 口，3 接 4.7k 上拉电阻。 另外，由于 ds18b20 单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此 读写时序很重要。系统 ds18b20 的各种操作按协议进行。操作协议为：初始化 ds1820（发复位脉冲）发 rom 功能命令发存储操作命令处理数据。 2.3.4 ds18b20 的时序设置 1.1复位时序 复位使用ds18b20时，首先需将其复位，然后才能执行其它命令。复位时，主机将 数据线拉为低电平并保持480us960us，然后释放数据线，再由上拉电阻将数据线 拉高1560us，等待ds18

23、b20发出存在脉冲，存在脉冲有效时间为60240us，这样， 就完成了复位操作。 12.写时序 在主机对ds18b20写数据时，先将数据线置为高电平，再变为低电平，该低电平应 大于lus。在数据线变为低电平后15us内，根据写“1”或写“0”使数据线变高或 继续为低。ds18b20将在数据线变成低电平后15us60us内对数据线进行采样。要 求写入ds18b20的数据持续时间应大6ous而小于120us，两次写数据之间的时间间隔 应大于lus。 13读时序 读时隙当主机从ds18b20读数据时，主机先将数据线置为高电平，再变为低电平，该低电平应 大于lus，然后释放数据线，使其变为高电平。ds

24、18b20在数据线从高电平变为低电平的15us内 将数据送到数据线上。主机可在15us后读取数据线。 第 3 章 软件设计 本数字温度计系统软件由主程序、计算温度子程序、显示温度子程序组成，其 源程序清单见附录 2 所示。 3.1 主程序流程图 主程序是调用显示子程序判断后，读取温度值计算处理显示数据，最后发出温 度转换开始的命令，其子程序流程图如图 3-1 所示。 开始 初始化系统 复位温度传感器 向传感器写指令 启动数据转换 读取数据 处理数据 显示处理后的 数据 while循环 开始 初始化系统 复位温度传感器 向传感器写指令 启动数据转换 读取数据 处理数据 显示处理后的 数据 whi

25、le循环 图 3-1 主程序流程图 3.2 计算温度子程序流程图 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，其子程序流程图如图 3-2 所示。 开始 温度零下？ 温度值取补码置“”标志 计算整数位温度 bcd 值 结束 图 3-2 计算温度子程序流程图 3.3 温度显示流程图 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 3-3 示。 查表符号位送 led 显示 查表十位送 led 显示 查表个位送 led 显示 返回 图 3-3 温度显示程序流程图 心得体

26、会 经过这么长时间的毕业设计，终于完成了我的数字温度计的设计，虽然没有完 全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，高兴之余不得不深思呀！在本次设 计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我 长进了很多，单片机课程设计重点就在于硬件设计软件流程的设计，在单片机硬件 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。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， 单片机主板电路等，其中控制器采用单片机 at89c51，温度传感器采用

27、ds18b20， 由 6 位共阳极 led 数码管、位驱动电路、端输入电路组成，采用动态扫描的方式显 示。led 的显示范围从-55到 99，在一定的温度范围内，不考虑器件导致的误 差的话，精度已经达到1。 通过本次毕业设计，我真正的意识到，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的 掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。在以后的学习中，要理论联系实际， 把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过 程中才能提高，我学会了综合性的运用三年内所学知识分析解决问题，拓展了知识面，动手能 力得到充分锻炼，使我受益非浅。这就是我在这次课程设计中的最

28、大收获。 参考文献 1 赵晶，电路设计与制版 protel99 高级应用，人民邮电出版社 2004. 2李广弟.单片机基础m.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）.高等教育出版社，1989. 4王恩荣.mcs-51 单片机应用技术.化学工业出版社，2001. 5楼然苗.单片机课程设计指导.北京航空航天大学出版社，2007. 附 录 附录 1 整机电路图 附录 2 源程序 /*ds18b20 数字温度计 c 程序*/ /*mcu: at89c51 / /*mcu-crystal: 12 / /*version: 01 / /*last updata: 2009-

29、11-24 / /*author: 余元昌 / /*description: / /89s51 通过 p3.4 读写 ds18b20 内的数据 / /温度传感器 ds18b20 采用器件默认的 12 位转化 / /最大转化时间 750 微秒,显示温度-55 到+99 度,显示精度/ /为正负 1 度，显示采用 6 位 led 共阳显示测温值 / /p0 口为段码输出,p2.0p2.5 为位选 / /*/ #include #include /_nop_();延时函数用 #define disdata p0 /段码输出口 #define discan p2 /扫描口 #define uchar

30、unsigned char #define uint unsigned int sbit dq=p34; /温度输入口 sbit din=p07; /led 小数点控制 sbit hold=p10; uint h; uint temp; unsigned char presence,flash=0; uchar code ditab16= 0 x00,0 x01,0 x01,0 x02,0 x03,0 x03,0 x04,0 x04,0 x05,0 x06,0 x06,0 x07,0 x08,0 x08,0 x09,0 x09;/温度 小数部分用查表法 / uchar code dis_714

31、=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90,0 xff,0 xbf,0 x9c,0 xc6; /共阳 led 段码表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 不亮 - o c uchar code scan_con6=0 xc1,0 xc2,0 xc4,0 xc8,0 xd0,0 xe0; /列扫描控制字 uint data temp_data2=0 x00,0 x00; /读出温度暂放 uint data display7=0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00; /显示

32、单元数据，共 6 个数据和 一个运算暂用 /*延时函数*/ void delay(uint t) for (;t0;t-); /* 显示扫描函数 1，在温度检测开始的时候显示 hello! */ scan1() discan=scan_con0; /位选 disdata=0 xf9; /数据显示 din=0; delay(300); /小数点显示 discan=scan_con1; /位选 disdata=0 xc0; /数据显示 delay(300); discan=scan_con2; /位选 disdata=0 xc7; /数据显示 delay(300); discan=scan_con

33、3; /位选 disdata=0 xc7; /数据显示 delay(300); discan=scan_con4; /位选 disdata=0 x86; /数据显示 delay(300); discan=scan_con5; /位选 disdata=0 xc089; /数据显示 delay(300); /*显示扫描函数*/ scan() char k; for(k=0;k0;i-) dq=1; _nop_(); _nop_(); /从高拉倒低 dq=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /5 us dq=val /最低位移出 delay(6); /66

34、us val=val/2; /右移 1 位 dq=1; delay(1); / /*ds18b20 读 1 字节函数*/ uchar read_byte(void) /从总线上取 1 个字节 uchar i; uchar value=0; for(i=8;i0;i-) dq=1;_nop_();_nop_(); value=1; dq=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 us dq=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 us if(dq)value|=0 x80; delay(6); /66 us dq=1; return(value); / /*读出温度函数*/ read_temp() ow_reset(); /总线复位 write_byte(0 xcc); /发命令 write_byte(0 x44); /发转换命令 ow_reset(); delay(1); write_byte(0 xcc); /发命令 write_byte(0 xbe); temp_data0=read_byte(); /读温度值的第字节 temp_da