毕业设计（论文）-51单片机数字温度计.doc

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1、 - 1 - 目录目录 摘要摘要 -2 2 1 1 引言引言 -3 3 2 2 总体设计方案总体设计方案 -4 4 2.12.1 数字温度计设计方案论证数字温度计设计方案论证-4 2.1.1 方案一一 -4 2.22.2 方案二的总体设计框图方案二的总体设计框图-4 4 2.2.1 主控制器-5 2.2.2 显示电路-6 2.2.3 温度传感器 -6 2.32.3 DS18B20DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路温度传感器与单片机的接口电路-1111 2.42.4 系路统整体硬件电系路统整体硬件电 -1111 2.4.1 主板电路-11 3 3 系统软件算法分析系统软件算法分析-13

2、13 3.13.1 主程序主程序-1313 3.23.2 读出温度子程序读出温度子程序-1414 3.33.3 温度转换命令子程序温度转换命令子程序-1515 3.43.4 计算温度子程序计算温度子程序 -1515 3.53.5 显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序 -1616 4 4 总结与体会总结与体会-1616 2 参考文献参考文献 -1717 附录附录 -1818 3 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

3、围内时，可以报警。 4 1 引言 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。 本设计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，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确 的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机 AT89S51，测温传感 器使用 DS18B20，用 3 位共阳极 LED 数码管以串口传送数据,实现

4、温度显示, 能准确达到以上要求。 5 2 总体设计方案 2.1 数字温度计设计方案论证 2.1.12.1.1 方案一方案一 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，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。 2.1.2 方案二 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

5、计要求。 从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计 也比较简单，故采用了方案二。 2.22.2 方案二的总体设计框图方案二的总体设计框图 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 AT89S51，温度传感器采用 DS18B20，用 3 位 LED 数码管以串口传送数据实 现温度显示。 主 控 制 器 LED 显 示温 度 传 感 器 单片机复位 时钟振荡 报警点按键调整 6 图 1 总体设计方框图 2.2.12.2.1 主控制器主控制器 单片机 AT89S51 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

6、持式产品的设计使用系 统可用二节电池供电。 2.2.22.2.2 显示电路显示电路 显示电路采用 3 位共阳 LED 数码管，从 P3 口 RXD,TXD 串口输出段码。 2.2.32.2.3 温度传感器温度传感器 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型 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位的数字值读数 方式。DS18B20 的性能特点如下： 1 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； 2 多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 3 无须外部器件； 4

7、 可通过数据线供电，电压范围为 3.05.5； 7 5 零待机功耗； 6 温度以或位数字； 7 用户可定义报警设置； 8 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； 9 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能 正常工作； 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，

8、可通 过软件写入户报警上下限。 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存和一个非 I/O C 64 位 ROM 和 单 线 接 口 高 速 缓 存 存储器与控制逻辑 温度传感器 高温触发器 TH 低温触发器 TL 配置寄存器 8 位 CRC 发生器 Vdd 8 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

9、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0 决 定温度转换的精度位数，来设置分辨率。 TM R1 1R01111 . . 图 3 DS18B20 字节定义 由表 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

10、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 温度 LSB 温度 MSB TH 用户字节 1 TL 用户字节 2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC 9 、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 温度转换时间表 R0R1 0 0 0 1 0 1 1 1

11、9 10 11 12 分辨率/位 温度最大转向时间/ms 93.75 187.5 375 750 . . 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,

12、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；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 10 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，减法计数器的 预置将重新

13、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。 表 2 一部分温度对应值表 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

14、0000 00100008H 00000 0000 0000 10000000H -0.51111 1111 1111 0000FFF8H -10.1251111 1111 0101 1110FF5EH -25.06251111 1110 0110 1111FE6FH -551111 1100 1001 0000FC90H 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。 11 DS 18B 20DS 1

15、8B 20DS 18B 20 4.7 K GNDGNDGND VCC VCC单 片 机 . . . . 图 4 DS18B20 与单片机的接口电路 2.3 DS18B20 温度传感器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。 当 DS18B20 处于写存储器操作和温度 A/D 转换操作时，总线上必须有 强的上拉，上拉开

16、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 系路统整体硬件电 2.4.12.4.1 主板电路主板电路 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，如图 5 所示。 图 5 中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，图 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示，这时可以调整报警上下限，从而测出被 测的温度值。 12 图 5 中的按健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

17、手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。 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 p3 口的 RXD,和 TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用 74LS164 右移寄存器驱动，显示比较清晰。 图 5 单片机主板电路 13 图 6 温度显示电路 14 3 系统软件算法分析 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 主程序 主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理 DS18B20 的测量 的当前温度值，温度测量每 1s 进行一次。这样可以在一秒之内测

18、量一次被 测温度，其程序流程见图 7 所示。 初始化 调用显示子程序 1S 到？ 初次上电 读出温度值温度计算处理显 示数据刷新 发温度转换开始命令 N Y N Y Y 发 DS18B20 复位命令 发跳过 ROM 命令 发读取温度命令 读取操作，CRC 校验 9 字节完？ CRC 校验正？确？ 移入温度暂存器 结束 N N Y 15 发 DS18B20 复位命令 发跳过 ROM 命令 发温度转换开始命令 结束 图 7 主程序流程 图 8 读温度流程图 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 9 字节，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。

19、其程序流程图如图 8 示 图 9 温度转换流程图 3.3 温度转换命令子程序 温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用 12 位分辨率 时转换时间约为 750ms，在本程序设计中采用 1s 显示程序延时法等待转换 的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图 9 所示 3.4 计算温度子程序 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 10 所示。 16 图 10 计算温度流程图 图 11 显示数据刷新流程图 3.53.5 显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序 显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，

20、当最高显示位为 0 时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图 11。 开始 温度零下? 温度值取补码置“”标志 计算小数位温度 BCD 值 计算整数位温度 BCD 值 结束 置“+”标志 N Y 温度数据移入显示寄存器 十位数 0？ 百位数 0？ 十位数显示符号百 位数不显示 百位数显示数据 （不显示符号） 结束 N N Y Y 17 4 4 总结与体会总结与体会 经过将近三周的单片机课程设计，终于完成了我的数字温度计的设计， 虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计 把实物都做了出来，高兴之余不得不深思呀！ 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设

21、 计但这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法 的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写 好一个程序并不是一件简单的事，举个例子，以前写的那几次，数据加减 时，我用的都是 BCD 码，这一次，我全部用的都是 16 进制的数直接加减， 显示处理时在用除法去删分,感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去 试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不 上掌握。 从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理 论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如 此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是

22、我在这次课程设 计中的最大收获。 18 参考文献参考文献 1 李朝青. .单片机原理及接口技术（简明修订版）. .杭州：北京航空航天大学出版社， 1998 2 李广弟. .单片机基础. .北京：北京航空航天大学出版社，1994 3 阎石. .数字电子技术基础（第三版）. . 北京：高等教育出版社，1989 4 廖常初.现场总线概述J.电工技术，1999. 5 沈建华 杨艳琴 徐骁曙 超低功耗单片机实践与系统设计 北京：清华大学出版 社 2005 6 谢兴红 林凡强 吴雄英 MSP430 单片机基础与实践 北京：北京航空航天出版社 2008 7 吴少军 刘光斌 实用低功耗设计 北京：人民邮电出版社 2003 8 曹磊 MSP430 单片机 C 程序设计与实践 北京：北京航空航天出版社 2007 9 秦龙 MSP430 单片机常用模块与综合系统实例精讲 北京：电子工业出版社 2007 10 秦龙 MSP430 单片机应用系统开发典型实例 北京：中国电力出版社 2005 11 古天祥 王厚军等 电子测量原理 北京：机械工业出版社 2004 附录附录 19 数字温度计程序清单数字温度计程序清单