基于AT89S5单片机的数字温度计的设计学士学位

1、 学 士 学 位 论 文基于AT89S51单片机的数字温度计的设计姓 名：王露学 号：200905120334 指导教师：李爱云 田中俊学 院：光电工程学院专 业：电子信息工程完成日期：2013年05月25日 学 士 学 位 论 文基于AT89S51单片机的数字温度计的设计姓 名：王露学 号：200905120334 指导教师：李爱云 田中俊学 院：光电工程学院专 业：电子信息工程完成日期：2013年05月25日 摘 要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、科研、各个领域，已经成为一种比较成熟的技术, 本文主要设计了一个基于AT89S51单片机和DS18B20数字温度传感器

2、开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了研究。该系统可以方便的实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上限报警温度，它使用起来相当方便，具有精度高、灵敏度高、量程宽、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。关键词：AT89S51单片机；温度检测；DS18B20。AbstractAlong with the progress and development of the ages, single slice the machine technique has a

3、lready make widely available the life is to us, work, research, each realm, have already become the technique of a kind of very maturity. This paper mainly designs the development process of a temperature measurement system based on AT89S51 single chip and DS18B20digital temperature sensor, the pape

4、r researches the hardware connectivity and software programming of the DS18B20 based on the single-chip, and give the software flow chart of each module. System can easily to collect and display the temperature, it can also arbitrary set alarm temperature according to the actual need, It is used con

5、venience, it has high precision, wide range ,high sensitivity, small size, and low power dissipation, The device is especially applied to measure temperature in peoples daily lives ，industrial and agricultural production, and also easily as a temperature processing module embed in the other system,

6、turn into as a complementary expansion.Key word : AT89S51Single chip ;temperature measurement; DS18B20.目录第1章 绪论11.1引言11.2设计内容及性能指标2第2章 系统方案论证与比较32.1方案一32.2方案二3第3章 理论分析与实验研究53.1系统器件选择53.1.1 单片机的选择53.1.2温度传感器的选择63.1.3显示及报警模块器件选择83.2硬件设计电路83.2.1主控制器103.2.2显示电路103.2.3温度检测电路103.2.4温度报警电路103.3 软件设计113.3.1

7、 概述113.3.2主程序模块113.3.3各模块流程设计11第4章 基于单片机的数字温度计设计的研究总结14参考文献15附录17致谢28 基于AT89S51单片机的数字温度计的设计第1章 绪论1.1引言随着科技的发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度要求更高，而如何准确而迅速的获得这些参数又受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(传感器技术)、信息传输(即通信技术)和信息处理(即计算机技术)中，传感器是信息技术前沿尖端的产品，尤其是温度传感器在日常生活、工农业生产中已经引用的非常广泛，所以温度的装置及测量方法的研究具有极其重要的意义。测量温度的核心是温度传感器，温度传感器经历

8、了三个发展阶段张越,张炎,赵延军等.基于DS18B20温度传感器的数字温度计J.微电子学,2007,37(5):709-711,716.：传统的分立式温度传感器模拟集成温度传感器智能集成温度传感器。社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器基于单片机的基础上正从模拟向数字，从集成向智能网络化的方向发展，并朝着精度高、功能多、总线标准化、可靠性及安全性高、开发虚拟及网络传感器、研制开发单片测温系统等方向飞速发展，目前的智能温度传感器(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(ATE)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量

9、，适配于各种微控制器(MCU)张立.基于单片机的数字温度计设计J华章,2011,(31):347.。本文将介绍DS18B20智能集成温度传感器的结构特征及使用方法，并对其与AT89S51单片机构成的数字温度测量装置的原理及程序设计作了详细的介绍。与传统温度计相比较测温准确，用数字显示输出温度读数方便，主要用于科研实验室或对测温要求比较精确的场所。该设计控制器使用AT89S51单片机，测温传感器使用DS18B20，用LCD来实现温度显示。1.2设计内容及性能指标本设计主要是介绍了单片机控制下的温度检测报警系统，详细介绍了其硬件和软件设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下：利用温

10、度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度测量范围为-5599，精度为0.5用LCD进行实际温度值显示设定温度上下限并报警第2章 系统方案论证与比较该系统主要由温度测量电路及数据采集电路两部分构成，实现的方法也很多，下面将介绍在日常生活及工农业生产过程中最常用到的两种实现方案。2.1方案一热电偶温差电路测温：温度检测可以采用低温热偶，热电偶用两个焊接的异金属导线组合在一起（热电偶的构成如图 2-1），单一导体的温差电势与两种金属的接触电势组成热电势。检测结点的温度可通过测量已知温度的电压推断 冯霞.基于单片机的数字式热敏温度计设计J.硅谷,2012,(9):71-71,192.。数据采集用单

11、片机（带有A/D 通道），将电流或电压采集过来并用单片机处理用A/D 转换后数据，把温度显示在显示电路上 石树正,徐政,吕祎莎等.基于单片机平台上的智能控制数字温度计硬件设计J.河北建筑工程学院学报,2011,29(1):89-93. 。热电偶的优点是工作温度范围广，体积比较小，但输出电压小、容易受导线环路的噪声影响、漂移高，并且该设计需要用到A/D 转换电路，感温电路比较麻烦宋艳丽,宋武.基于单片机的智能数字温度计的设计J.黄冈职业技术学院学报,2011,13(2):99-102. 。 图2-1 热电偶电路图系统主要包括对A/D0809 的数据采集，自动手动工作方式检测，温度的显示等，这几项

12、功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。此外还有复位电路，晶振电路，启动电路等。故现场输入硬件有手动复位键、A/D 转换芯片，处理芯片为51 芯片，执行机构有4 位数码管、报警器等。2.2方案二数字温度计DS18B20 测温：输出信号均数字化便于单片机进行处理和控制，可以省去很多外围电路。该温度计元件线形比较好物理化学性质很稳定，可以用做工业测温元件，。最大线形偏差在0100 摄氏度时小于1 胡天明,齐建家.基于DS18B20的数字温度计设计及其应用J.黑龙江工程学院学报（自然科学版）,2008,22(2):59-62.。DS18B20采用单总线的数据传输方式，与AT89S51构成的温度测量装

13、置，可以与计算机直接连接，可以直接输出温度的数字信号宰广旭.基于DS18B20数字温度计的设计及在轧机轴承温度测控中应用J.山西电子技术,2012,(1):22-23,67.。测温系统的体积较小，结构非常简单。用单片机控制，可以通过编程实现多种多样的算术算法及逻辑控制，可以实现单对多个DS18B20进行控制工作，也可以与PC 机通信上传数据，此外AT89S51 在工业控制中应用也很广泛，编程技术以及外围电路的配合使用也比较成熟。从以上两种方案，容易看出方案一 的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单，所以本次设计采用

14、了方案二。第3章 理论分析与实验研究3.1系统器件选择系统器件的选择包括：单片机的选择、温度传感器的选择及显示及报警模块器件选择。3.1.1 单片机的选择对于单片机的选择，可以考虑使用8031与8051系列，由于8031没有内部RAM，系统又需要大量内存存储数据，因而不适用。AT89S51可以兼容标准 8051 指令系统和引脚，是功耗低，性能高的 CMOS8 位单片机，含 4kbytes 的可编程Flash 只读程序存储器 Wu, W.,Lee, N.Y.Three-dimensional on-chip continuous-flow polymerase chain reaction em

15、ploying a single heaterJ.Analytical and bioanalytical chemistry,2011,400(7):2053-2060.。集 Flash 程序存储器既可用传统方法编程及在线编程（ISP），低价位的 AT89S51单片机可提供很多高性价比的应用场合，可以应用在许多控制领域，完全可以满足简单的测温系统的需要 徐敏.基于AT89C51单片机的数字温度计设计J.数字技术与应用,2009,(12):7-9.。AT89S51单片机(如图3-1-1)具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用

16、系统可用二节电池供电吴延伟,贾丽丽.基于单片机数字温度计的设计J.计算机光盘软件与应用,2011,(13):73-74.。主要特性廖月琴.基于AT89S51单片机数字温度计的设计J.咸宁学院学报,2010,30(12):13-14.：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环三级程序存储器 锁定数据的保留时间：10年128*8位 内部RAM静态工作：0Hz-24Hz32 可编程I/O线16 位计数器/定时器两个5 个中断源可编程的串行通道低功耗闲置与掉电模式 图3-1-1 AT89S51单片机引脚图片内振荡器与时钟电路 3.1.2温度传感器的选择由于传统的热敏电阻等测

17、温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。数字温度传感器DS18B20作为温度检测元件，测温范围为-55e125e，精度较高，可以直接采集被测点当前的温度值，并能将采集的模拟温度信号转换为数字温度值，而且它形如一个三极管，采用3线制与单片机相连，硬件电路简单，节省系统成本并提高了系统可靠性周克辉.基于单片机控制的DS18B20数字温度计设计J.湖南农机,2010,37(11):61-62.。DS18B20 的性能特点如下王玲芝,李育贤.基于DS18B20的数字式温

18、度计设计J.工业仪表与自动化装置,2011,(5):74-76,81.：单线的接口方式独特，DS18B20和AT89S51微处理器只需一条口线连接就可以实现DS18B20与微处理器间的双向通信支持多点组网功能，在唯一的三线上可以并联多个DS18B20，实现多点测温使用时不需要其它外围元件温度范围 ：55125，在-10+85时测量精度为0.5电压范围 ：3.05.5V，寄生电源方式时由数据线供电可编程的分辨率912位在9位分辨率时对应的可分辨温度为0.5，最多在93.75ms内把温度转换为数字；12位分辨率时对应的可分辨温度为0.0625，最多在750ms内把温度值转换为数字速度更快用户可定义

19、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）的器件直接将测量结果以数字信号输出，以一线总线方式串行传送给CPU并传送CRC校验码，具有很强的抗干扰及纠错能力负电压特性，电源极性接反时，数字温度计不会因为发热而烧毁，但不能够正常工作以上特点使DS18B20非常适用与多点、远距离温度检测系统。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、配置寄存器、EPROM（TH，TL）、 温度传感器杨海波,张玮,刘晓静等.一种基于数字温度传感器DS18B20的多功能电子温度计设计J.中国医学物理学杂志,2013,30(1):3890-3893.。DS18B20的管脚排列及各种封装

20、形式如图3-1-3所示，DQ 为数据输入/输出引脚；GND为地信号；VDD为外接供电电源输入端（当工作于寄生电源时接地） Bruschi, P,Nizza, N,Piotto, M et al.Measurement and modeling of pulsed mode flow meter for liquids based on a single chip probeJ.Sensors and Actuators. A, Physical,2006,132(1):188-194.。其电路图 3-1-2所示。 图3-1-2 传感器电路图 图3-1-3 外部封装形式 (2)温度数据值的格式(

21、如图3-1-4)。DS18B20接到温度转换的命令后启动其温度转换，以16位二进制补码的形式把转换之后的温度值存储于高速缓存存储器中，单片机通过其单线接口读取数据,读数时高位在后低位在前,用0. 0625e/LSB形式表示其数据格式阮忠,邹琦萍.基于AT89S2051单片机的单总线数字温度计设计J.广西轻工业,2008,24(2):44-46.。图3-1-4 温度格式图注：/S0为标志位：当符号位S是1时,表示所测温度是负值；当S为0时,表示所测温度是正值，十进制值的计算需先将补码转变为原码。(3)温度转换44H该命令只需一次启动就可进行温度转换。每次读/写前都要对DS18B20进行复位；如果

22、温度转换已完成则输出1，如果DS18B20做温度转换时总线控制器紧接着发出时间隙DS18B20将会输出0。(4) DSl8B20工作时序DSl8B20与单片机之间的数据传输采用串行的方式进行。主机读写DSl8B20的写命令字位及数据位时按严格的时间隙操作(程序都采用12M晶振), DSl8B20数据线接在单片机P3.3引脚张志勇,卫勇,单慧勇等.一种基于单片机控制的数字温度计的设计J.天津农学院学报,2007,14(1):51-54.。3.1.3显示及报警模块器件选择在本设计中温度测量范围为0125，精度为0.5，因此液晶就可以完成相关的显示功能，只需要报警器完成相关的报警功能。3.2硬件设计

23、电路温度计电路设计仿真图如图3-2-1（a）、3-2-1（b）所示,控制器使用单片机AT89S51,温度计传感器使用DS18B20, DS18B20与单片机相连采用“一线制”独立地进行温度测量并把结果送到单片机，用LCD数码管实现温度显示。本温度计大致分三个过程。首先，用DS18B20温度传感器测得当前温度，并把结果送入单片机。其次，通过AT89S51单片机对送入的温度读数进行计算及转换，并把结果送入显示模块。最后，LCD将数值在显示屏上显示。图3-2-1（a） 单片机控制数码管显示温度值图3-2-1 （b） 单片机控制数码管显示温度值图3-2-1（b） 单片机控制数码管显示温度值3.2.1主

24、控制器单片机AT89S51具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好满足电路系统的设计需要，很合适携手特式产品的使用。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。3.2.2显示电路LCD显示电路：采用三位数码管显示温度值, 最高位的数码管当温度是负值时显示为-。数码管八段段码利用单片机P0口控制, 3个数码管位码利用P2. 0-P2. 2控制,显示温度值用动态扫描方式 Steffens, O.,Szabo, P.,Lenz, M. et al.Thermal transient characte

25、rization methodology for single-chip and stacked structuresC./21st IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium.2005:313-321.。3.2.3温度检测电路DS18B20 最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20 的数据I/O 均由同一条线来完成。DS18B20 的电源供电方式分为寄生电源和外部供电方式两种。当处于寄生电源方式时VDD 和GND 都接地,很适合空间受限及需要远程温度探测的场合, 原理是信号线DQ 为高电平时, DS18

26、B20由窃取信号能量供电；当DQ为低电平时DS18B20 由释放能量供电。但是寄生电源方式供电需强上拉电路, 软件控制变得很复杂(特别是在温度转换完成及数据拷贝到EPROM 完成时) , 同时芯片性能也会降低顾春禄,贾姝娟,刘茹敏等.基于单片机的数字温度计设计J.科协论坛（下半月）,2010,(12):84-85.。因此, 在条件允许的情况下,应尽量选择外供电方式。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电。在这里采用前者方式供电。DS18B20与芯片连接电路如图3-2-2所示：图3-2-2 DS18B20与单片机的连接3.2.4温度报警电路 本设计采软件处理报警，利用有源

27、蜂鸣器进行报警输出。当所测温度超过获低于所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出 Cheon, J.,Lee, J.,Lee, I. et al.A Single-Chip CMOS Smoke and Temperature Sensor for an Intelligent Fire DetectorJ.IEEE sensors journal,2009,9(8):914-921.。3.3 软件设计3.3.1 概述整个系统功能的实现是由硬件电路配合软件来完成的，软件功能依据硬件大致确定了。可按软件的不同功能分为两大类：一类是监控软件（主程序），用来协调执行模块与操作者之间的关系。另一类

28、是执行软件（子程序），用来完成实质性的功能比如测量、显示等。把每个执行模块分别列出并进行功能和接口定义。规划好各个执行模块继而对监控程序进行规划。选择合适的监控程序结构然后依据实时性对监控软件与执行模块之间的调度关系进行安排。运行程序见附录。3.3.2主程序模块主程序需要调用4 个子程序，分别为数码管显示程序，温度测试及处理子程序，报警子程序，中断设定子程序。各模块程序功能如下胡敏,谌海云,侯阳等.数字温度计的设计J.现代电子技术,2012,35(6):168-169,172. 附录#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned

29、 int#include1602.hsbit led0 = P10;/第1个led灯sbit led1 = P11;/第2个led灯sbit spk = P17;/蜂鸣器#includeds18b20.h/温度传感器 char temp;char temp1;char temp2;char temp_buf;uchar flag_baojing; uchar FRQ; /1Ms加1#define baojing_wd 80void display_1602(); /1602显示void baojing();/*主函数 main()*/void main()TMOD = 0x11;TH0 = (

30、65536 - 1000) / 256;TL0 = (65536 - 1000) % 256;EA = 1;ET0 = 1;ET1 = 1;TR0 = 1;L1602_init(); /1602初始化L1602_string(1,1,temp : ); /初始化第一行spk = 0;led0 = 0;led1 = 1;while(1)temp2 = temp1;temp1 = Get_Tmp() ; / 读取温度if(temp1 = temp2)temp = temp1;display_1602();baojing();/* 定时器 中断*/void Timer0_INT() interrup

31、t 1 TH0 = (65536 - 1000) / 256;TL0 = (65536 - 1000) % 256;FRQ+;void time1() interrupt3 TH1 = 0xfe; TL1 = FRQ;spk = spk;/*1602显示*/void display_1602()if(temp =100)L1602_char(1,7,0+temp/100);elseL1602_char(1,7, );L1602_char(1,8,0+temp/10%10);L1602_char(1,9,0+temp%10);/*声光报警*/void baojing()if(temp = bao

32、jing_wd)led1 = 0; /red onled0 = 1; flag_baojing = 1 ;TR1 = 1;elseled1 = 1; /red offled0 = 0; flag_baojing = 0 ;TR1 = 0;spk = 0;/这三个引脚参考资料/sbit E=P22;/1602使能引脚/sbit RW=P21;/1602读写引脚/sbit RS=P20;/1602数据/命令选择引脚sbit E =P22;/1602使能引脚sbit RW=P21;/1602读写引脚sbit RS=P20;/1602数据/命令选择引脚#define dis_data P0void d

33、elay_1602()uchar i = 2;uchar j = 100 ;while( -i )while( -j );/* 名称 : enable(uchar del)* 功能 : 1602命令函数* 输入 : 输入的命令值* 输出 : 无*/void enable(uchar del)dis_data = del;RS = 0;RW = 0;E = 0;delay_1602();E = 1;delay_1602();/*名称 : write(uchar del)* 功能 : 1602写数据函数* 输入 : 需要写入1602的数据* 输出 : 无*/void write(uchar del

34、)dis_data = del;RS = 1;RW = 0;E = 0;delay_1602();E = 1;delay_1602();/* 名称 : L1602_init()* 功能 : 1602初始化，请参考1602的资料* 输入 : 无* 输出 : 无*/void L1602_init(void)enable(0x01);enable(0x38);enable(0x0c);enable(0x06);enable(0xd0);/* 名称 : L1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)* 功能 : 改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符显示b

35、 ，调用该函数如下L1602_char(1,5,b)* 输入 : 行，列，需要输入1602的数据* 输出 : 无*/void L1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)uchar a;if(hang = 1) a = 0x80;if(hang = 2) a = 0xc0;a = a + lie - 1;enable(a);write(sign);/* 名称 : L1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p)* 功能 : 改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符开始显示ab cd ef ，调用该函数如下L16

36、02_string(1,5,ab cd ef;)* 输入 : 行，列，需要输入1602的数据* 输出 : 无*/void L1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p)uchar a;if(hang = 1) a = 0x80;if(hang = 2) a = 0xc0;a = a + lie - 1;enable(a);while(1)if(*p = 0) break;write(*p);p+;#include reg52.h#include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char/*

37、18B20接口*/sbit DQ=P33;uint temp_out; /*精确延时函数*/void delay_us(unsigned char i) while(-i); /*DS18B20*/void Init_Ds18b20(void) /DS18B20初始化send reset and initialization commandDQ = 1; /DQ复位,不要也可行delay_us(1); /稍做延时DQ = 0; /单片机拉低总线delay_us(250); /精确延时，维持至少480usDQ = 1; /释放总线，即拉高了总线delay_us(100); /此处延时有足够,确保

38、能让DS18B20发出存在脉冲。uchar Read_One_Byte() /读取一个字节的数据read a byte date /读数据时,数据以字节的最低有效位先从总线移出uchar i = 0;uchar dat = 0;for(i=8;i0;i-) DQ = 0; /将总线拉低，要在1us之后释放总线 /单片机要在此下降沿后的15us内读数据才会有效。 _nop_(); /至少维持了1us,表示读时序开始 dat = 1; /让从总线上读到的位数据，依次从高位移动到低位。 DQ = 1; /释放总线，此后DS18B20会控制总线,把数据传输到总线上 _nop_(); _nop_();

39、if(DQ=1) /控制器进行采样 dat |= 0x80; /若总线为1,即DQ为1,那就把dat的最高位置1;若为0,则不进行处理,保持为0 delay_us(35); /此延时不能少，确保读时序的长度60us。return (dat);void Write_One_Byte(uchar dat)uchar i = 0;for(i=8;i0;i-) DQ = 0; /拉低总线 _nop_(); /至少维持了1us,表示写时序(包括写0时序或写1时序)开始 DQ = dat&0x01; /从字节的最低位开始传输/指令dat的最低位赋予给总线,必须在拉低总线后的/15us内因为15us后DS1

40、8B20会对总线采样。 delay_us(12); /必须让写时序持续至少60us DQ = 1; /写完后,必须释放总线, dat = 1;/ delay_us(1);char Get_Tmp() /获取温度get the temperaturefloat tt;char temp_1;uchar a,b;Init_Ds18b20(); /初始化Write_One_Byte(0xcc); /忽略ROM指令Write_One_Byte(0x44); /温度转换指令Init_Ds18b20(); /初始化Write_One_Byte(0xcc); /忽略ROM指令Write_One_Byte(0xbe); /读暂存器指令a = Read_One_Byte(); /读取到的第一个字节为温度LSBb = Read_One_Byte(); /读取到的第一个字节为温度MSBtemp_out = b; /先把高八位有效数据赋于temptemp_out 4; /得到真