基于单片机的温度传感器的设计

基于单片机的温度传感器

的设计

目录

第一章绪论 --------------------------------------------------------------------- ---2

1.1 课题简介--------------------------------------------------------------------------------- 2

1.2 设计目的--------------------------------------------------------------------------------- 3

1.3 设计任务--------------------------------------------------------------------------------- 3

第二章设计内容与所用器件---------------------------------------------------- 4第三章硬件系统设计------------------------------------------------------------- 4

3.1单片机的选择 --------------------------------------------------------------------------- 4

3.2温度传感器介绍 ------------------------------------------------------------------------ 5

3.3温度传感器与单片机的连接 --------------------------------------------------------- 8

3.4单片机与报警电路 --------------------------------------------------------------------- 9

3.5电源电路 -------------------------------------------------------------------------------- 10

3.6显示电路 -------------------------------------------------------------------------------- 10

3.7复位电路 -------------------------------------------------------------------------------- 11

第四章软件设计------------------------------------------------------------------ 12

4.1 读取数据流程图 ---------------------------------------------------------------------- 12

4.2 温度数据处理程序的流程图 ------------------------------------------------------- 13

4.3程序源代码 ----------------------------------------------------------------------------- 14

总结 --------------------------------------------------------------------------------- 21附录------------------------------------------------------------------------------------16

第一章绪论

1.1 课题简介

单片机，更确切的应称作微控制器，是20世纪70年代中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块，其特点是功能强大、体积小、可靠性高、价格低廉。它一面世便在工业控制、数据采集、智能化仪表、机电一体化、家用电器等领域得到广泛应用，极大地提高了这些领域的技术水平和自动化程度。因此，单片机的开发、应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。

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，它给人带来的方便也是无可置疑的，其中数字温度计就是一个典型的例子。随着人们对它的要求越来越高，要为现代人工作和生活提供更好、更方便的设施就需要从数字单片机技术入手，一切向着数字化控制、智能化控制方向发展。

温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学实验（如：物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。现在所使用的温度计通常都是精度为1℃和0.1℃的水银、煤油或酒精温度计，这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。本文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、测温准确等优点，其输出温度采用数字显示，主要供测温要求准确的场

所和科研实验室使用。

该设计控制器使用单片机AT89C51，温度传感器DS18B20，用4位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示，能准确达到以上要求。

1.2 设计目的

熟悉单片机AT89C51和传感器DS18B20的应用，及单片机与外围电路的接法，加深对单片机以及传感器的认识，了解单片机在日常生活中的应用及其重要性。同时，通过查找资料，设计电路，使本次设计的数字温度计具有结构简单、成本低廉、精确度高、反应速度快、数字化显示和不易损坏等特点。在这次设计中，熟悉了制作一个产品的基本流程。通过选认元件，连线，等过程，锻炼自己的学习能力。

1.3 设计任务

1、以AT89C51单片机为核心器件，组成一个数字式温度计。

2、采用数字式温度计传感器为检测器件，进行单点温度检测，检测精度为±0.5°C。

3、温度显示采用4位LED数码管显示，两位整数，一位小数。

4、具有键盘输入上、下限功能，超过上、下限温度时，进行声音报警。

第二章设计内容与所用器件

基本功能：

利用89C51作为主控器组成一个数字温度计。

可选器件：

AT89C51单片机、DB18B20、7段LED数码管等

系统原理图

第三章硬件系统设计

硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。单片机实质上是一个硬件的芯片，在实际应用中，通常很难直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。本设计选用以AT89C51单片机为主控单元,DB18B20为数据采集模块，显示部分采用7段LED动态显示，警报部分采用蜂鸣器。

3.1 单片机的选择

AT89C51

AT89C51单片机的主要特性：

1、与MCS-51 兼容，4K字节可编程闪烁存储器；

2、灵活的在线系统编程，掉电标识和快速编程特性；

3、寿命为1000次写/擦周期，数据保留时间可10年以上；

4、全静态工作模式：0Hz-33Hz；

5、三级程序存储器锁定；

6、128*8位内部RAM，32可编程I/O线；

7、两个16位定时器/计数器，6个中断源；

8、全双工串行UART通道，低功耗的闲置和掉电模式；

9、片内振荡器和时钟电路；

芯片共有40个引脚，其中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。

3.2 温度传感器介绍

DS18B20可以程序设定9-12的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的封装方式，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EPROM中，掉电后依然保存。

温度传感器DS18B20引脚如图所示

引脚功能说明：

NC ：空引脚，悬空不使用；

VDD ：可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

DQ ：数据输入/输出脚。漏极开路，常态下高电平。

GND ：为电源地

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。

64位ROM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。

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0.0625℃／LSB形式表示。

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Ｔ＞TH或T＜TL，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。

DS18B20的测温原理是这样的,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

存储器操作命令→处理数据。

源供电方式

在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VCC引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。

注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。

部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单。

本次数字温度计的设计采用的就是外部电源供电方式。

3.3 温度传感器与单片机的连接

温度传感器的单总线(1-Wire)与单片机的P2．0连接，P2．0是单片机的高位地址线A8。P2端口是一个带内部上拉电阻的8位双向I ／O，其输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对该端口写“1”，可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平，此时可作为输入口使用，这是因为内部存在上拉电阻，某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时。如执行MOVX DPTR指令，则表示P2端口送出高8位的地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，可执行MOVX RI 指令，P2端口内容即为特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器内容，整个访问期间不改变。在Flash编程和程序校验时，P2端口也接收

高位地址和其他控制信号。

下图为DSl8B20内部结构。

下图为DSl8B20与单片机的接口电路。

3.4 单片机与报警电路

系统中的报警电路是由发光二极管和限流电阻组成，并与单片机的P1.2端口连接。P1端口的作用和接法与P2端口相同，不同的是在Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址数据。

3.5 电源电路

由于该系统需要稳定的5 V电源，因此设计时必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。该电源采用三端集成稳压器LM7805。它仅有输入端、输出端及公共端3个引脚，其内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路．由于所需外接元件少，使用方便、可靠，

因此可作为稳压电源。

下图为电源电路连接图。

3.6 显示电路

采用技术成熟的74HCl64实现串并转换。LED显示分为静态显示和动态显示。这里采用静态显示，系统通过单片机的串行口来实现静态显示。串行口为方式零状态，即工作在移位寄存器方式，波特率为振荡频率的1/12。当器件执行任何一条将SBUF作为目的寄存器的命令时，数据便开始从RXD端发送。在写信号有效时，相隔一个机器周期后发送控制端SEND有效，即允许RXD发送数据，同时允许从TXD端输出移位脉冲。

下图为显示电路的连接图。

3.7复位电路

单片机的P1.6端口是MAX813复位电路中复位信号的输入端，即单片机每执行一次程序就设置一次复位信号，清零复位器件。若程序出现异常，单片机引脚RST将出现两个机器周期以上的高电平，使其复位。该复位信号高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期即两个机器周期以上。若使用频率为12 MHz的晶体振荡器，则复位信号持续时间应超过2μs才完成复位操作。

连接图如下图所示。

第四章软件设计

DSl8820的主要数据元件有：64位激光Lasered ROM，温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器TH和TL。DSBl820可以从单总线获取电源，当信号线为高电平时，将能量贮存在内部电容器中；当单信号线为低电平时，将该电源断开，直到信号线变为高电平重新接上寄生(电容)电源为止。此外，还可外接5 V电源，给DSl8820供电。DSl8820的供电方式灵活，利用外接电源还可增加系统的稳定性和可靠性。读取数据流程图如下:

读出温度数据后，LOW的低四位为温度的小数部分，可以精确到0.0625℃，LOW的高四位和HIGH的低四位为温度的整数部分，HIGH的高四位全部为1表示负数，全为0表示正数。所以先将数据提取出来，分为三个部分：小数部分、整数部分和符号部分。小数部分进行四舍五入处理：大于0.5℃的话，向个位进1；小于0.5℃的时候，舍去不要。当数据是个负数的时候，显示之前要进行数据转换，将其整数部分取反加一。还因为DS18B20最低温度只能为-55℃，所以可以将整数部分的最高位换成一个“-”，表示为负数。图为温度数据处理程序的流程图如下所示:

程序源代码

DATA_BUS BIT P3.3

FLAG BIT 00H ;标志位

TEMP_L EQU 30H ;温度值低字节

TEMP_H EQU 31H ;温度值高字节

TEMP_DP EQU 32H ;温度小数

TEMP_INT EQU 33H ;温度值整数

TEMP_BAI EQU 34H ;温度百位数

TEMP_SHI EQU 35H ;温度十位数

TEMP_GE EQU 36H ;温度个位数DIS_BAI EQU 37H ;显示百位数

DIS_SHI EQU 38H ;显示十位数

DIS_GE EQU 39H ;显示个位数

DIS_DP EQU 3AH ;显示小数位

DIS_ADD EQU 3BH ;显示地址

ORG 0000H

AJMP START

ORG 0050H ;初始化START:

MOV SP, #40H

MAIN: L CALL READ_TEMP ;调读温度程序LCALL PROCESS ;调数据处理程序AJMP MAIN

;读温度程序

READ_TEMP:

LCALL RESET_PULSE ;调用复位脉冲程序MOV A, #0CCH ;跳过ROM命令LCALL WRITE

MOV A, #44H ;读温度

LCALL WRITE

LCALL DISPLAY ;显示温度

LCALL RESET_PULSE ;调用复位脉冲程序MOV A, #0CCH ;跳过ROM命令LCALL WRITE

MOV A, #0BEH ;读缓存命令

LCALL WRITE

LCALL READ

RET

;复位脉冲程序

RESET_PULSE:

RESET: S ETB DATA_BUS

NOP

NOP

CLR DATA_BUS

MOV R7, #255

DJNZ R7, $

SETB DATA_BUS

MOV R7, #30

DJNZ R7,$

JNB DATA_BUS, SETB_FLAG CLR FLAG

AJMP NEXT

SETB_FLAG:

SETB FLAG

NEXT: MOV R7, #120

DJNZ R7, $

SETB DATA_BUS

JNB FLAG, RESET

RET

;写命令

WRITE: SETB DATA_BUS MOV R6, #8

CLR C

WRITING:

CLR DATA_BUS

MOV R7, #5

DJNZ R7, $

RRC A

MOV DATA_BUS, C

MOV R7, #30H

DJNZ R7, $

SETB DATA_BUS NOP

DJNZ R6, WRITING RET

;循环显示段位DISPLAY:

MOV R4, #200

DIS_LOOP:

MOV A, DIS_DP MOV P2, #0FFH MOV P0, A

CLR P2.7

LCALL DELAY2MS

MOV A, DIS_GE MOV P2, #0FFH MOV P0, A

SETB P0.7

CLR P2.6

LCALL DELAY2MS

MOV A, DIS_SHI MOV P2, #0FFH MOV P0, A

CLR P2.5

LCALL DELAY2MS MOV A, DIS_BAI MOV P2, #0FFH MOV P0, A

MOV A, TEMP_BAI CJNE A, #0,SKIP

AJMP NEXTT SKIP: CLR P2.4

LCALL DELAY2MS NEXTT: NOP

DJNZ R4, DIS_LOOP RET

;读命令

READ: SETB DATA_BUS MOV R0, #TEMP_L MOV R6, #8

MOV R5, #2

CLR C

READING:

CLR DATA_BUS

NOP

NOP

SETB DATA_BUS NOP

NOP

NOP

NOP

MOV C, DATA_BUS RRC A

MOV R7, #30H DJNZ R7, $

SETB DATA_BUS DJNZ R6, READING MOV @R0, A INC R0

MOV R6, #8 SETB DATA_BUS DJNZ R5, READING RET

;数据处理PROCESS:

MOV R7, TEMP_L MOV A, #0FH ANL A, R7

MOV TEMP_DP,A MOV R7, TEMP_L MOV A, #0F0H ANL A, R7

SWAP A

MOV TEMP_L, A MOV R7, TEMP_H MOV A, #0FH ANL A, R7

SWAP A

ORL A, TEMP_L MOV B, #64H DIV AB

MOV TEMP_BAI,A MOV A, #0AH XCH A, B

DIV AB

MOV TEMP_SHI,A MOV TEMP_GE,B MOV A, TEMP_DP

MOV DPTR, #TABLE_DP

MOVC A, @A+DPTR

MOV DPTR, #TABLE_INTER

MOVC A, @A+DPTR

MOV DIS_DP, A

MOV A, TEMP_GE

MOV DPTR, #TABLE_INTER

MOVC A, @A+DPTR

MOV DIS_GE, A

MOV A, TEMP_SHI

MOV DPTR, #TABLE_INTER

MOVC A, @A+DPTR

MOV DIS_SHI, A

MOV A, TEMP_BAI

MOV DPTR, #TABLE_INTER

MOVC A, @A+DPTR

MOV DIS_BAI ,A

RET

DELAY2MS:

MOV R6, #3

LOOP3: MOV R5, #250

DJNZ R5, $

DJNZ R6, LOOP3

RET

TABLE_DP:

DB 00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06H DB 06H,07H,08H,08H,09H,09H

TABLE_INTER:

DB 03FH,006H,05BH,04FH,066H