课程设计电子温度计

目录

1、基于单片机的温度数据采集系统设计方案222222222222223

1.1课程设计的要求22222222222222222222222222222222222222222222222223 1.2课程设计目的2222222222222222222222222222222222222222222222222223 1.3系统设计总体方案222222222222222222222222222222222222222222222223

2、系统硬件介绍22222222222222222222222222222222222222222222224

2.1硬件组成22222222222222222222222222222222222222222222222222222224 2.2 AT89C51单片计算机的组成原理22222222222222222222222222222222224 2.2.1组成框图及内部总体结构2222222222222222222222222222222222222224 2.2.2单片机各口及其负载能力、接口要求222222222222222222222222222225

2.3 DS18B20数字温度传感器介绍22222222222222222222222222222228

2.3.1 功能介绍222222222222222222222222222222222222222222222222222228 2.3.2 DS18B20温度传感器的存储器2222222222222222222222222222222222210 2.3.3 DS18B20的内部逻辑图2222222222222222222222222222222222222222212 2.3.4 DS18B20读写时序22222222222222222222222222222222222222222222212 2.3.5存储器操作命令2222222222222222222222222222222222222222222222214

3、硬件电路设计222222222222222222222222222222222222222222222215

3.1主控制器222222222222222222222222222222222222222222222222222222215 3.2显示电路222222222222222222222222222222222222222222222222222222216

4、软件设计222222222222222222222222222222222222222222222222222216

4.1 主程序模块222222222222222222222222222222222222222222222222222216 4.2 温度检测流程2222222222222222222222222222222222222222222222222217

5、程序的编写与调试2222222222222222222222222222222222222222218

5.1 程序的编写222222222222222222222222222222222222222222222222222218 5.2调试程序222222222222222222222222222222222222222222222222222222220

6、仿真调试222222222222222222222222222222222222222222222222222220

7、课程设计体会222222222222222222222222222222222222222222222222

8、参考文献2222222222222222222222222222222222222222222222222223附1：源程序代码22222222222222222222222222222222222222222222223

摘要

现代测温应用中，温度计向数字化方向发展。传统的机遇物理方法的温度计功能单一，而数字温度计以其便携，检测精度高，功能多等优点应用的越来越广泛。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。

本课程设计研究四位数字温度计的设计与实现，并采用Protues软件和Keil 软件来对其进行仿真，通过电阻值的变化使相应电压发生改变，输出电压经A/D 转换后，其值由AT89C51处理，最后将其显示在4个七段数码显示器上。随着技术的发展，一些环境比较恶劣的场合中也能觅得数字温度计的踪迹。在本文中，主要从功能组合，硬件组合，软件算法等几个方面探讨温度计的设计。数字温度计在现代测温应用方面具有诸多优势，值得进一步学习和研究。

关键词：单片机AT89C51、模数转换、数码显示

1、基于单片机的温度数据采集系统设计方案

1.1课程设计的要求

1）基本范围-50℃～110℃

2）精度误差小于0.5℃

3）LED数码直读显示

4）扩展功能

5）可以任意设定温度的上下限报警功能

1.2课程设计目的

（1）通过本次课程设计加深对单片机课程的全面认识复习和掌握，对单片机课程的应用进一步的了解。

（2）掌握按键消抖的方法，LED的动态显示，DS18B20的使用和编程原理。（3）通过此次课程设计能够将单片机软硬件结合起来，对程序进行编辑，校验。（4）掌握Keil及proteus仿真软件的使用方法。

1.3系统设计总体方案

根据任务书要求，初步思路如下：

温度计电路设计总体设计方框图如下图所示，本设计是测温电路，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。温度是非电量模拟信号，数字显示温度就必须将这一非电量信号转换成电量（电压或电流），然后将模拟电信号经A/D转换器转换成数字信号，最后经译码显示器显示温度值。控制器采用单片机AT89C51，采集到的温度模拟信号0～5V用一个滑动变阻器分压实现，模拟信号数字化是通过ADC0808实现的，其主要功能和要求的实现是通过可编程芯片AT89C51单片机达到的，用4位LED 数码管显示温度。

2、系统硬件介绍

2.1硬件组成

本系统所用的硬件有：见表2。

表2系统硬件清单

器件名称 数量 AT89C52单片机 1个 USB 接口

1个 USB 供电的电缆线

1个 0.56寸红色,5461as 共阴四位数码管

1个 DS18B20 1个 电容 若干 电阻 若干 导线

若干

2.2 AT89C51单片计算机的组成原理

2.2.1组成框图及内部总体结构

主

控 制 器

L E D 显 示

温 度

传 感 器

单片机复位

时钟振荡

电源

图2-1AT89C51单片机功能结构框图

图2-1为AT89C51单片机功能结构框图

AT89C51 芯片内部集成了 CPU 、RAM 、ROM 、定时/计数器和I/O 口等各功能部件，并由内部总线把这些不见连接在一起。 AT89C51单片机内部包含以下一些功能部件： (1) 一个8位CPU ；

(2) 一个片内振荡器和时钟电路；

(3) 4KB ROM(80C51有4KB 掩膜ROM ，87C51有4KB EPROM ，80C31片内有无ROM ）； (4) 128B 内RAM ；

(5) 可寻址64KB 的外ROM 和外RAM 控制电路； (6) 两个16位定时/计数器； (7) 21个特许功能寄存器；

(8) 4个8位并行I/O 口，共32条可编程I/O 端线； (9) 一个可编程全双工串行口；

(10) 5个中断源，可设置成2个优先级。 2.2.2单片机各口及其负载能力、接口要求 80C51共有4个8位并行I/O 端口,共32个引脚

振荡器及 时序 OSC

8051CPU

程序存储器4KB ROM

数据存储器256B

2个16位定时器/计数器

64K 总线扩展控制器

可编程I/O 可编程全双工串行口

外时钟源

外部事件计数

中断 控制

并 行 口

串行通信

(1)P0口——8位双向I/O 口。

在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O 口)时, P0口可用作双向I/O 口。 在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O 口)时, P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。位结构如图2-4所示。P0口能驱动8个LSTTL 门。

图2-2 P0口位结构

(2) P1口——8位准双向I/O 口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。位结构如图2-5所示。

P1口能驱动为4个LSTTL 门。

图 2-3 P1口位结构

(3) P2口——8位准双向I/O 口。

在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O 口)时, P2口可用作双向I/O 口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O 口)时, P2口可用于传送高8位地址(属

VCC

锁存器

P1.X D CP

Q

Q

P1.X 引脚

读锁存器

写锁存器

内部总线 读引脚

内部上拉电阻

VCC

地址/数据

控制

锁存器 P0.X D

CP Q

Q

MUX

V1

V2 P0.X 引脚

读锁存器

写锁存器

内部总线 读引脚

&

1

地址总线) 。P2口能驱动4个LSTTL 门。P2口的位结构如图2-6所示，引脚上拉电阻同P1口。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。

图 2-4 P2口位结构

(4) P3口——8位准双向I/O 口。

可作一般I/O 口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P3口驱动能力为4个LSTTL 门。

锁存器P3.X D

CP Q

Q

读锁存器

写锁存器

内部总线读引脚

VCC

P3.X 引脚

内部上拉电阻

&

第二输出功能

第二输入功能

图 2-5 P3口位结构

上述4个I/O 口,各有各的用途。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O 口)时, 4个I/O 口都可作为双向I/O 口用。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O 口)时, P0口专用于分时传送低8位地址信号和8位数据信号,P2口专用于传送高8位地址信号。P3口根据需要常用于第二功能,真正可提供给用户使用的I/O 口是P1口和一部分未用作第二功能的P3口端线。

锁存器 P2.X D CP Q Q

读锁存器

写锁存器

内部总线 读引脚

VCC

P2.X 引脚

内部上拉电阻

1

地址 控制

MUX

2.3 DS18B20数字温度传感器介绍

2.3.1 功能介绍

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一线总线”字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”

接口，测量温度范围为 -55°C~+125°C，-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为±2°C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！ DS1822DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。DS18B20的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下: DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目

的。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位，见表3-1。

表3-1DS18B20内部温度表示形式

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。见表3-2

表3-2DS18B20转化温度形式

实际温度值数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+125℃0000 0111 1101 0000 07D0H

+85℃0000 0101 0101 0000 0550H

+25.0625℃0000 0001 1001 0001 0191H

+10.125℃0000 0000 1010 0010 00A2H

+0.5℃0000 0000 0000 1000 0008H

0℃0000 0000 0000 0000 0000H

-0.5℃1111 1111 1111 1000 FFF8H

-10.125℃1111 1111 0101 1110 FF5EH

-25.0625℃1111 1110 0110 1111 FE6EH

-55℃1111 1100 1001 0000 FC90H

2.3.2 DS18B20温度传感器的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、T和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节，见表3-3。

表2-3DS18B20暂存存储器的8个连续字节

寄存器内容字节地址

温度最低数字位0

温度最高数字位 1

高温限值 2

低温限值 3

保留 4

保留 5

计数剩余值 6

每度计数值7

CTR校验8

该字节各位的意义如下： TM R1 R0 1 1 1 1 1

低五位一直都是1 ，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）,见表3-4

表3-4分辨率设置表

根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。 DS1820使用中注意事项DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： (1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语实现。 (2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。(3)连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

(4)在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计

时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC 和地线，屏蔽层在源端单点接地。 2.3.3 DS18B20的内部逻辑图，见图2-3。

图2-6DS18B20内部内部逻辑图

2.3.4 DS18B20读写时序

主机使用时间隙(time slots)来读写 DSl820 的数据位和写命令字的位 2.3.4.1初始化

时序见图 2-4主机总线 to 时刻发送一复位脉冲(最短为 480us 的低电平信号)接着在 tl 时刻释放总线并进入接收状态DSl820 在检测到总线的上升沿之后 等待 15-60接着 DS1820 在 t2 时刻发出存在脉冲(低电平 持续

60-240 us)如图中虚线所示

图2-7DS18B20初始化时序图

程序：

Init_DS18B20(void)//初始化ds1820 {

C

64 位 RO M 和 单 线 接

高速缓存

存储器与控制

温度传感器 高温触发器低温触发器TL 配置寄存器 8位CRC 发生器

Vdd

DQ = 1; //DQ复位

_nop_();

_nop_(); //稍做延时2ms

DQ = 0; //单片机将DQ拉低,发出复位脉冲（要求480us~960us) Delay(70); //精确延时566us

DQ = 1; //拉高总线(要求16~60us)

Delay(5); //延时46us

presence = DQ; //如果=0则初始化成功 =1则初始化失败

Delay(25);

DQ = 1;

return(presence); //返回信号，0=presence,1= no presence

}

2.3.4.2写时间隙

当主机总线 t o 时刻从高拉至低电平时就产生写时间隙从 to 时刻开始15us 之内应将所需写的位送到总线DSl820 在 t1为15-60us 间对总线采样若低电平写入的位是 0见若高电平写入的位是连续写 2 位间的间隙应大于1us ，见图2-5。

图2-8写时间隙

程序：

WriteOneChar(unsigned char dat)

{

unsigned char i=0;

for (i=8; i>0; i--)

{

DQ = 0;

DQ = dat&0x01;

delay(5);

DQ = 1;

dat>>=1;

}

}

2.3.4.3读时间隙

见图 2-6 主机总线 to 时刻从高拉至低电平时总线只须保持低电平 l 7ts 之后15捍 s也就是说t z 时刻前主机必须完成读位并在 t o 后的 60 尸 s 一120 fzs 内释放总线

读位子程序(读得的位到 C 中)

图2-9读时序

程序：

ReadOneChar(void)

{

unsigned char i=0;

unsigned char dat = 0;

for (i=8;i>0;i--)

{

DQ = 0; // 给脉冲信号

dat>>=1;

DQ = 1; // 给脉冲信号

if(DQ)

dat|=0x80;

delay(4);

}

return(dat);

}

2.3.5存储器操作命令，见表3-5

表3-5存储器操作命令

指令约定代码功能

读ROM 33H 读取DS18B20ROM中的编码（64位地址）

符合ROM 55H 发出命令后，接着发出64位ROM编码，访问

单总线上与该编码相同的DS18B20，使之做

出反应，为下一步读写作准备。

搜索ROM 0F0H 用于确定挂在同一总线上DS18B20的个数，

和识别64位ROM地址，微操作各器件做准

备。

跳过ROM 0CCH 忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发送温

度转换命令，适用于单片工作。

告警搜索命令0ECH 执行后只有温度值超过限度值才做出反

应，

温度变换命令44H 启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长

为500毫秒，结果存入内部就九字节RAM中。

读暂存器0BEH 读内部RA九字节内容

写暂存器4EH 发出向内部RAM的第3、4字节写上下限温度

命令，紧随该命令之后是传送两个字节数

据。

复制暂存器48H 将RAM中的第3、4字节内容写到EEPRAM中。

重调EEPRAM 0B8H 将EEPRAM中的第3、4字节内容写到RAM中。

读供电方式0B4H 读DS18B20供电模式，寄生供电DS18B20时

发送“1”，外接电源发送“1”。3、硬件电路设计

温度计电路设计原理图如图所示,控制器使用单片机AT89C51,温度计传感器使用DS18B20,用LED数码管实现温度显示。

本温度计大体分三个工作过程。首先，由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度，并将结果送入单片机。然后，通过AT89C5I单片机芯片对送来

的测量温度读数进行计算和转换，井将此结果送入数码管显示模块。由图1

可看到，本电路主要由DSl8B20温度传感器芯片、LED数码管显示模块与

AT89C51单片机芯片组成。其中，DSI8B20温度传感器芯片采用“一线制”与

单片机相连，它独立地完成温度测量以及将温度测量结果送到单片机的工

作。

3.1主控制器

单片机AT89C51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显示电路

显示电路采用4位共阴极LED数码管，采用LED动态显示方式，从P1口输出段码，P2.0～P2.3作为位选控制端。其中P1做输出口时需要加上拉电阻。

4、软件设计

4.1 主程序模块

主程序需要调用2个子程序，分别为液晶显示程序，温度测试及处理子程序。各模块程序功能如下：

●液晶显示程序：向液晶显示送数，控制系统的显示部分。

●温度测试及处理程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断

和显示。

主程序流程见图6.1：

图 6.1 DS18B20初始化流程图 图 6.2主程序流程图

4.2 温度检测流程

DS18B20在单片机控制下分三个阶段: ●18B20 初始化：初始化流程图见

●读18B20时序：读DS18B20流程见图 6.3： ●写18B20时序：写18B20 流程见图6.4；

图 6.3读DS18B20流程图 图 6.4写DS18B20流程图

5、程序的编写与调试

5.1 程序的编写

本系统软程序采用C语言编写，所用软件位keil，见图4-1。

图4-1keil软件编程界面

5.1.1新建工程

打开keil软件，单击project->new project—>输入工程名—>选择相应单片机，

见图4-2

图4-2新建工程

5.1.2编写程序

根据电路编写程序，见图4-3。

图4-3

5.2调试程序

编译程序，检查错误。如果没有错误，按Ctrl+F5进行程序调试。

6、仿真调试

安装Protues，打开软件，选择元器件，如图4.1所示：