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1、浙江工业大学博士学位论文毕业设计说明书课题名称： 数字温度计的设计 学生姓名 学 号 二级学院（系） 专 业 班 级 指导教师 起讫时间：2011 年10 月22 日2012 年4 月5 日21浙江机电职业技术学院毕业设计说明书 课题名称 数字温度计的设计摘 要在这个信息化高速发展的时代，单片机作为一种最经典的微控制器，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，作为自动化专业的学生，我们学习了单片机，就应该把它熟练应用到生活之中来。本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。本
2、文设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。针对传统的温度计读数困难、达到热平衡所需时间长等几方面问题展开研究。通过对目前各种温度传感器的分析与研究，对温度传感器做出合理选择，并根据实际需要选择合适的主芯片和显示器，达到优化整体结构，提高温度检测精度，同时使系统具有测温范围广、体积小、功耗低、精度高、显示直观的优点，并保证系统结构简洁。 本论文的研究重点将放在温度传感器的选择、硬件设计和程序设计这三个方面。关键词：单片机；数字控制；数码管显示；温度计；DS18B20；AT89S52。目 录摘要I第1章 绪论11.1 引言11.2 主要机械结构分析1第2章
3、结构设计3第3章 系统软件的设计9第4章 Proteus软件仿真16第5章 结论18参考文献19致谢20第1章 绪论（黑体，小二号）1.1 引言随着电子工业的发展，数字仪表反应速度快、操作简单，对使用环境要求不高的优点，市场上逐渐出现越来越多的数字式温度计，另外，纵观国际上现有的温度计的变化，总的趋势是从模拟向数字转变，相应的体积也在不断减小，并且一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。测量温度的关键是温度传感器，随着科学技术的发展，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：(1)传统的分立式温度传感器，(2)模拟集成温度传感器，(3)智能集成温度传感器。特别是现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化
4、正成为传感器发展的一个重要方向。总之，从温度计的诞生，发展到现在，温度计对物理学和日常生活起着非常重要的作用。1.2 主要机械结构分析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，适配各种微控制器（MCU）。社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展，本文将介绍智
5、能集成温度传感器DS18B20的结构特征及控制方法，并对以此传感器，89S51单片机为控制器构成的数字温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细介绍。与传统的温度计相比，其具有读数方便，测量范围广，测温准确，输出温度采用数字显示，主要用于对测温要求比较准确的场所，或科研实验室使用。该设计控制器使用ATMEL公司的AT89S51单片机，测温传感器使用DALLAS公司DS18B20，用液晶来实现温度显示。第2章 结构设计（黑体，小二号） 2.1 通过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，
6、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。进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，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。2.2 总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，用4位共阴LED数码管以串口传送数据实现温度显示。图2-1 总体结构示意图2.2.1 主控制器单片机AT89S52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
7、要，适合便携手持式产品的设计使用。AT89S52单片机芯片具有以下特性：1）指令集合芯片引脚与Intel公司的8052兼容；2）4KB片内在系统可编程FLASH程序存储器；3）时钟频率为033MHZ；4）128字节片内随机读写存储器（RAM）；5）6个中断源，2级优先级；6）2个16位定时/记数器；7）全双工串行通信接口；8）监视定时器；9）两个数据指针；2.2.2 显示电路显示电路采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2.0P2.3作片选端。但在焊电路板的时候发现数码管亮度不够，所以在P2.0P2.3端口接四个10K的电阻和四个NPN的三极管，以使数码管高亮显示。2.2.3温度传感器
8、DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司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9-12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，无须经过其它变换电路；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；可通过数据线供电，内含寄生电源，电压范围为3.05.5；零待机功耗；温度以或位数字；用户可定义报警设置； 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；负电压特性，电源极性接反时，温度计
9、不会因发热而烧毁，但不能正常工作；测温范围为-55-+125，测量分辨率为0.0625采用单总线专用技术，DS18B20采用脚PR35封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。图2 DS18B20内部结构64位ROM的结构开始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。温度报警触发器和，可通过软件写入用户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信
10、息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，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3所示。低位一直为，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，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。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC图3 DS18B20字节定义由下面表1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。因此，在实际应
11、用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。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、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。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。表1 DS18B20温度转
12、换时间表DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、T字节内容作比较。若TH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。 DS18B20的测温原理是这这样的,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
13、数器的脉冲输入。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、温度寄存器中，计数器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，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加1，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器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
14、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。温度/二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 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 111
15、0 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H表2一部分温度对应值表2.3 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路图4 DS18B20与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉，多个DS18B20可以将2口串接到一条总线上，而本设计只用了一个DS18B20。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操
16、作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。2.4 系统整体硬件电路设计2.4.1 主板电路 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，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，单片机主板电路如图5 所示：图5 单片机主板电路图5 中包括时钟振荡电路和按键复位电路，按键复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。另外扩展电路中，蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显
17、示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。2.4.2 显示电路 显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用P0和P3口,串口的发送和接收，采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2.0P2.3作片选端。但在焊电路板的时候发现数码管亮度不够，所以在P2.0P2.3端口接四个10K的电阻和四个NPN的三极管，期望增加驱动电流，以使数码管高亮显示。图6 温度显示电路第3章 系统软件设计系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。3.1初始化程序DQ置1短延时DQ置0延时450usDQ置1延时15-60us
18、延时至少60usX=DQ结束X=DQ 、图7 初始化程序流程图3.2读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的2字节，读出温度的低八位和高八 位，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8示初始化发跳过ROM指令开始温度转换延时2ms初始化写入跳过ROM、读取暂存器和CRC字节指令读取温度的低八位和高八位取中间八位结束图8 读温度程序流程图3.3读、写时序子程序读写的程序是本次设计中的重点和难点，通过我们对其时序的分析，从而写出高效的程序。写1，0时序读0，1时序DQ置1短延时DQ置0延时450usDQ置1延时15-60us延时至少60usX=DQ
19、结束X=DQDQ=0延时15usdat&=0x01dat1延时45usDQ=1结束图9 写时序子程序流程图 图10 读时序子程序流程图3.4 温度处理子程序计算温度子程序将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，其程序流程图如图11所示取反flag=1开始flag=0ht128?求百位、十位、个位和小数位bai=0？shi=0?显示个位和小数位显示十位显示百位结束 N Y N Y 图11 温度处理程序流程图3.5 显示程序此函数实现的对数码管显示的处理，其亮点在于可以直接对数码管进行操作，其本身是个两变量函数，第一个变量是要开通的位选，第二个变量是要显示的数据，这样我们可
20、以直接方便而又简单直观的对数码管进行操作。程序流程图如图12。送位选位选值左移n位送段码n=2?P0.7=0延时1ms关断位选结束 N Y 图12显示数据刷新流程图3.6延时程序延时程序主要分为短延时和长延时，短延时如果要求十分的精确可以采用定时器，如果要求不太高的话可以采用普通函数的叠加，可以近似时间的延时。长延时同样的道理，不过要求不是很精确的话，可以采取语言结构的循环来实现延时。具体程序如下:/近乎精确的短延时，采用标准库里的_nop_()函数，此函数一个延时为22微秒左右；void delay15(uint n) do _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_
21、nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); n-; while(n);/长延时，用于不太严格的延时void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=50;y0;y-);表3 delay15（）延时函数的取值采样：n的取值1234101520222324时间17us48us69us90us216us321us426us468us489us510us第4章 Proteus软件仿真第5章 结论本系统以AT89C51单片机、DS18B20温度传感器和通
22、用LCD1602显示模块为核心，实现了低功耗高精度便携式数字温度计的设计。对于便携式仪器，本设计实现了低成本宽测温范围条件下的低功耗高精度要求，具有一定的实用价值。整个便携式低功耗高精度数字温度计使用方便，工作稳定，待机时间长，具有广阔的应用前景。通过本次课程设计，使得我对四年来学习过的知识比如：电路分析、数字电子技术、单片机技术、智能仪器的设计应用、传感器的使用等有了更进一步的认识。同时，锻炼了我独立思考和独立完成任务的能力。在本次设计中，不但查阅了很多书本上的资料，也通过网络查阅了芯片的结构、接线等方面很多相关知识。参 考 文 献1 张百新.温度计的诞生和发展J.濮阳教育学院学报,2000
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24、http:/ 10 伟纳电子著. DS18B20单线数字温度传感器11 网址: http:/12 蒋延彪.单片机原理及应用M.重庆:重庆大学出版社，200513 阎石.数字电子技术基础（第四版）M.北京:高等教育出版社，199714 王恩荣.MCS-51单片机应用技术M.北京:化学工业出版社，200115 沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用 M. 北京:机械工业出版社,200216 林伸茂.8051单片机彻底研究基础篇M. 北京:人民邮电出版社.200417 刘迎春等.新型传感器及应用M. 湖南:国防科技大学出版社,199118 孙育才. MCS- 51 系列单片微型计算机及其应用M. 东
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