基于单片机的数字温度计的设计

安徽新华学院2022届本科毕业论文（设计）绪论日常生活中，人们可以通过数字温度计直观的了解到被测温对象的温度数值。数字温度计所采用的都是进口芯片，具备组装精度高、稳定性高等优点，且误差较小。数字温度计采用的显示器类型为高精度、低温漂、超低功耗集成电路和宽温型液晶显示屏，内置的高能量电池持续工作时间大于5年且不需铺设电源线缆，它是一款高精度、高稳定性、具有很强适用性的新型现场温度控制显示仪。数字温度计已经取代了传统现场指针双金属温度计，并应用在了生活的各个方面。数字温度计的不断发展和使用在我们的生活中具有不可替代的重要意义。课题背景温度是我们在日常生活中常用到的一个物理量，在工业、医学等领域也会经常用到，由此可见，一个简便精准度高的温度计对我们的影响有多大。用温度计直接读出温度的数值是温度测量的最基本方式。我们见到最多的测温的工具是各式各样温度计，大多数的温度计是通过一系列表征液体的物理现象来反映出温度变化，并且需要对温度刻度进行人工读取才能获得被测物体的温度值，例如水银温度计。而数字温度计可以直接测量温度，读取温度的数值，简单方便，稳定性好，精准度高。随着现代科技的发达以及人们生活水平的日益提升，人们对于测温工具的要求也愈来愈高，尤其是近几年来疫情的发生，进一步提高了人们对温度测定器的要求，同时对温度计的简便和精准度等方面也有了更高的要求，数字温度计便符合且适用于我们的生活现状，给人们带来了极大的便利。此篇论文中设计的数字温度计，由于测试方便、对温度数据的读取直观方便，更适合于有人流量的公共场所，本设计的控制器使用的是AT89C51单片机，使用的测温传感器是DS18B20温度传感器,用LCD1602液晶屏显示检测到的温度数值，可以满足测温方便准确等要求。1.2国内外研究现状国内外数字式温度计的目标顾客主要为特殊行业或有商业前途的公司，并致力于为其提供所缺乏的技术资料，尤其是在公司发展初期阶段。国内和国外产业数字式温度计是不同的，例如在探索方向上或者落地形式上。国外的数字式温度计相对较国内而言，则更加重视创客文化与高技术资本的回报,获利方式更偏向于以获取股份或抛售所在公司股份获取溢价为主；国内的数字式温度计预期发展目标的制定紧密围绕政策导向和产业价值定位。1.3选题的目的和意义数字温度计比较于传统温度计来说，有着构造简单、较高可靠性、低功耗、较广的测量范围等优势，在工业生产和实验研究中也被普遍使用，许多电子设备或电子产品都需要在适宜的温度环境下才可以正常工作，而一旦不是在适宜的温度环境，很多电子设备或电子产品在正常工作时就会发生故障。就目前状况而言，受疫情影响，数字温度计在我们的日常生活中也会被频繁使用，用于测量人体温度，以保证出入任何场合的所有人员的健康安全。所以，我们对于温度的测量和把控是十分有必要的。2数字温度计设计方案及元器件确定2.1设计方案本设计是采用AT89C51芯片控制DS18B20体温感应器来检测实际体温并将其表现出来,从而能够迅速衡量被测对象的实际温度。所采用的温度控制传感器DS18B20,检测的温度控制覆盖范围较广，能够满足本设计的要求，且该温度传感器的精度也比较高。DS18B20是一种内部自带AD转换模块即可以直接输出数字信号的有12位分辨率的温度传感器，所以在连接单片机传输温度信息时不需要再增加AD转换模块，它在感应到温度信息后会将电路信号转化为数字信号，并通过信号传输模块传送至单片机终端。本次温度显示模块运用了LCD1602液晶显示屏，可以直观地看到温度数值。本设计也增添了报警模块，当温度不在DS18B20可以测量温度的范围内时，报警电路就会启动，蜂鸣器报警。图2.1DS18B20温度测量系统方框图2.2单片机的选择2.2.1AT89C51单片机的简介AT89C51在自动化控制领域也叫作单片式微型电脑，该单片机运用了八位的处理模式，处理器在设计上运用了ARMv7-M基本框架元素，是一个高配版的模拟处理器。该单片机的闪存容量为256B，数据存储器的容量为4KB，拥有21个具有特殊信息处理功能的寄存模块，两个双向十六进位计数模块，一个串行I/O口以及中断系统等部分，该单片机的一系列功能模块通过单一总线的连接方式来使其在芯片上集成式分布，并支持两条线同时串联调试端口，而且通过总线矩阵和接口应用来实现。AT89C51单片机的外形及引脚排列如图2.2所示。图2.2AT89C51单片机外形图2.2.2AT89C51单片机的特性概述单片机AT89C51能够实现下列几个功能：实现4k级别的闪存处理，终端存储器的运行速率为128字节，拥有32个I/0端口，两个双向十六进位计数模块，接口多样化设计，中断处理模式总体上延时时间很短并且处理速度相当快。此外，AT89C51能够实现在信号频率归零时进行静态指令控制与信号传输，并能够自动切换到省点模式。当功能化模块不运行时，会自动切断中央处理器的管理功能，但可以维持闪存模块、计数器、中断处理系统、RAM等关键部分的正常运行。断电模式下预留了RAM的部分功能，不过振荡器模块全面停止运行使得别的一系列功能管理工作中断，直到硬件后续能够正常运行后才能恢复。2.2.3AT89C51管脚功能VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口共存在8个连接端口，主要由1个输出锁存器，2格三态缓冲器，输出与输入控制电路等部分构成。P0口从结构上来说是三态双向I/O端口，当系统的指令与工作环境改变时，P0口的功能也会随之进行切换。P1口：P1口有八条端口线，命名为P1.0-P1.7，P1口是一个准双向口，只作普通的I/O口使用。当它作输出口使用时，因其内部有上拉电阻，所以不用再外接上拉电阻。P2口：P2口有八条端口线，命名为P2.0-P2.7，P2口也作为准双向口。当整个系统无需进行存储扩扩展时，它只是进行常规I/O端口连接；若需要扩展存储器时，它将作为进行扩展的总线接口，能够周期性的向外输出高8位的地址。P3口：P3口口有八条端口线，命名为P3.0-P3.7，P3口从本质角度来说是多功能的双向端口。其一是进行常规I/O端口连接，其二是进行指定功能需要的端口连接，这种条件下，八条端口线对应的处理功能之间存在显著差异。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0RXD，串行数据输入端P3.1TXD，串行数据输出端P3.2/INT0，外部中断0P3.3/INT1，外部中断1P3.4T0，定时/计时器0外部输入P3.5T1，定时/计时器1外部输入P3.6/WR，片外RAM写选通信号输出端P3.7/RD，片外RAM读选通信号输出端RST：复位输入。ALE/PROG:地址锁存允许/编程脉冲，在对单片机下载程序的时候，用作PROG，此引脚用于输入编程脉冲。/PSEN：外部ROM的选通信号，即在读取ROM内部的数据时和它有关。/EA/VPP：内、外ROM选择/编程电源。AT89C51单片机本身具有4K的片内ROM，如若不够用，还可外扩片外ROM，EA的值决定了访问数据时选择的是片内还是片外。VPP是在下载程序时施加电压。。XTAL1：外接振荡元件。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.3温度传感器的选择利用传感器自身的材料性质以及热效应作用机制的差异，温度传感器能够大致划分成三大类型，分别是DS18B20温度传感器，NTC热敏电阻，热电偶传感器。DS18B20温度传感器器件体积小，操作方便，而NTC热敏电阻这类温度传感器,感应温度的基本原理是其自身就是一种可变电阻器件,因此环境温度的改变也会使NTC热敏电阻的阻值改变。我们只要把NTC热敏电阻与一个电阻形成分压电路,再把分压电流传递给单片机控制器实现电流识别,便可以知道当前NTC热敏电阻的阻值大小,然后再利用查表的方法找出与电阻系数对应的温度数值,就完成了利用当前NTC热敏电阻测量环境温度的功能;而热电偶传感器则能够直接检测环境温度,利用热电偶在传输电路中形成的热电动势，然后利用单片机控制系统将热电动势转换成温度值从而实现温度检测。通过上述对不同温度传感器的分析，考虑到设计方案的方便可行，本设计采用的是DS18B20温度传感器。DS18B20温度传感器测温范围广，它有3个引脚，分别为两个电源引脚和一个数据引脚，温度信息则是通过数据引脚传送给单片机。2.3.1DS18B20测温原理

将高温度系数的振荡器元件运行一定周期后得到门周期，传感器的内置计数元件在此周期内对低温度系数的振荡器的一系列脉冲信息进行记录，并对这些脉冲信息进行信号的放大与转换，从而转换为温度数字信号后传输至显示屏。由于此温度传感器的测温下限值为-55℃，因此计数器也要设置与之匹配的临界信号值。当一个门周期完成前计数器就已经归零，那么温度信号寄存器（已经初始化为-55℃）对应的信号值会提高，这反映出实测物体的温度超过-55℃。

此外，当计数器自动复位到某个值后，而这个复位值主要通过系统内的温度补偿模块（斜坡式累加器）决定。接着计数器会继续运行直至归零，假使此时门周期还没有完成，将继续循环此步骤。斜坡式累加器主要运用非线性的温度补偿机制来提升温度感应信号的精准度。从本质层面而言是对计数器各个温度梯度所需要进行计数的跨度值进行调整来提升温度感应模块的精准性与分辨性。所以，若要得到预期的分辨力，需要确定具体温度条件下计数器的值以及增加一度的计数变化区间等一系列对应值。2.3.2DS18B20技术性能描述1、DS18B20温度传感器实际运行过程中无需再接入外围信号控制电路，所有的信号感应元件与信号处理模块都均匀的集成在集成电路中。2、DS18B20温度传感器测温精度较高。3、DS18B20运用联合测试工作组，而且支持两条线同时串联调试端口。并通过总线矩阵和接口应用来实现对多点感应区域的温度测量。4、工作电源:3.0~5.5V/DC（可以数据线寄生电源）5、测量结果以数字的方式输出，以“一线总线”串行传送至CPU。6、不锈钢保护管直径Φ67、负压特性：若电路反接，电流的热效应将显著增强，芯片虽然本身添加了耐热材料而不会被破坏，但依然不能维持正常的运行状态。8、标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选2.3.3DS18B20的工作时序DS18B20对工作时间有很严格的规定,而且要有精准的延时时间。DS18B20的工作时间包括了初始化时间、写时序和读时间三种时序。(1)初始化时序。在初始化顺序阶段,单总线控制器拉低总线并维持至少四百八十us以发送下一次复位脉冲,随后返回并放出单总线,进入接收状态,当总线放出后,单总线将上拉低电阻拉至最高电平,在DS十八B二十检测到I/O接口上的上升沿后,再待机15-60us,随后将其以拉低总线至60-240us的方法重新发送存在脉冲电路。初始化时序就此结束。所以，能否读到DS18B20这个先低后高的脉冲时序，并且拉低的时间要满足60-240us是初始化是否成功的标志。(2)写时序。当主机产生写时序之后,DS18B20将会在其后的十五至六十微秒的一个时段内采样为单总线。假设在采样时钟窗口内总线为高电平,那么主机就会向DS18B二20输入1,反之,写入0。每个的写时序都需要至少有六十微秒的时间,而相邻的2个写时序也一定要有恢复时间,且最少一微秒。所有的写时序问题均由拉低总线产生。(3)读时序。当主机发起读时序时，DS18B20的作用仅在于给控制器传输数据，所以，总线控制器在发出读指令后必须立刻开始读时序。所有读时序最少60us，包含两个读周期间至少1us的恢复时间。DS18B20输出信号有效的必要前提是在时序的下降沿指令产生后的15us内，所以读取I/O口状态，总控制线需要在读时序开始后把I/O口设置为输入模式。2.3.4DS18B20的使用要点DS18B20通过单线总线协议的方法,即实现数据的双向传送都是在同一根数据线上,但由于单线总线协议并不能被单片机或微型计算机硬件支持,综上，如果我们要实现对DS18B20芯片的访问,那就必须用软件方式来模拟单总线的协议。由于从DS18B20中读取数据位是在同一条I/O线上完成的,所以对读取的数据位都有很严格精确的时间规定,且有严格的通信协议来确保各位数据信息的正确性与完整性。该协议规定了如下信号的时序:初始化、读、写时序。初始化时序、读时序、写时序这三个时序时序都是将单片机作为主设备的,而DS18B20则视为从设备，每一次命令和数据的传输都始于主机主动启动写时序，如果DS18B20被要求对数据进行回送，那么写命令进行后，主机将会需要启动读时序，最后完成数据的接收。2.4显示器的选择LCD1602液晶显示器是本设计显示温度数值的显示器件。LCD1602液晶模块的引脚功能如下所示：VSS：一般接地；VDD：接电源；RS：RS为寄存器选择接口，当电路中高电平信号为1时，数据寄存模块启动，当电路中低电平信号为1时，指令寄存器运行。RW：RW是读写信号线，当输入信号时高电平时进行的是读操作，反之，进行写操作；E：E端为使能端，下降沿使能；DB0-DB7：数据线。

3系统硬件设计3.1数字温度计电路原理图数字温度计的电路原理图如图3.1所示，它包含了最小系统电路、显示电路、数据采集电路和报警电路四个部分，DS18B20温度传感器将温度值传送给单片机然后通过液晶显示屏将温度值显示出来，当温度超过一定范围时，报警电路启动。图3.1数字温度计的电路原理图3.2最小系统电路最小系统电路是由晶振电路、复位电路和AT89C51单片机构成的。图3.2主控制器电路3.3显示电路显示电路如图3.3所示，它的功能是对单片机传送过来的数据进行显示，它采用的是集成的数码管，结构是共阴极。图3.3显示电路3.4数据采集电路DS18B20温度传感器检测到温度信息时，特有的温度测量技术可以将被测温度转换成数值信号，测量结果会被存在温度寄存器中。图3.4数据采集电路3.5报警电路 图3.5报警模块电路报警电路如图3.5所示，当温度超过所设范围时，报警电路启动报警。3.6按键模块设计图3.6按键模块电路4系统软件设计4.1KeilC51软件介绍单片机开发中不仅需要硬件，也需要用到软件。如果要将我们自己所编写的程序要变成可以被CPU执行的机器码，有两种可以实现的方法，分别是手工汇编，和机器汇编。机器汇编就至是把源程序变成机器码，但需要用到汇编软件，从整体角度而言，单片机程序的开发正在朝着更加深层次的方向发展，从一开始的单项汇编语言逐渐发展到多元化的高级程序语言，此外，单片机开发软件的发展速度也较为迅速。KeilC51软件现阶段应用较为普遍的一款单片机软件，各大自动化与软件开发商这几年来陆续宣布全面推广并适配KeilC51。KeilC51主要能够提供半电路定制扫描、相位转换器、仿真测试器、存储管理器、资源库管理等一系列多元化功能模块在内的较为全面的开发方案，运用一种集成化的程序语言将这一系列功能化模块进行有机组合。运行KeilC151软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。4.2程序介绍此程序是利用C语言编写，keilC51生成的HEX文件。程序包括了主程序、初始化程序、读写温度子程序、温度显示子程序、蜂鸣器报警程序等。DS18B20初始化程序:把DS18B20温度传感器进行初始化操作。读取温度子程序:控制温度传感器DS18B20获取测量的温度值。写温度子程序:将读出的温度写入DS18B20内部的寄存器中来获取温度值。显示子程序:控制显示电路在8位数码管上显示出所获取的温度值。程序功能:能够以十进制的形式显示温度传感器DS18B20测量的温度值。同时外围按键能够设定一个温度值以及报警开关状态来进行报警设定，例如:报警开关关闭时，无论温度为多少都不会引起报警反应，反之，如若当前温度不在设定的温度范围内，蜂鸣器就会发出报警的