1、畢業設計說明書課題名稱： 數字溫度計的設計 學生姓名 學 號 二級學院（系） 專 業 班 級 指導教師 起訖時間：2011 年10 月22 日2012 年4 月5 日 課題名稱 數字溫度計的設計摘 要在這個信息化高速發展的時代，單片機作為一種最經典的微控制器，單片機技術已經普及到我們生活，工作，科研，各個領域，已經成為一種比較成熟的技術，作為自動化專業的學生，我們學習了單片機，就應該把它熟練應用到生活之中來。本文將介紹一種基于單片機控制的數字溫度計，本溫度計屬于多功能溫度計，可以設置上下報警溫度，當溫度不在設置范圍內時，可以報警。本文設計的數字溫度計具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫精確，數字顯示

2、，適用范圍寬等特點。針對傳統的溫度計讀數困難、達到熱平衡所需時間長等幾方面問題展開研究。通過對目前各種溫度傳感器的分析與研究，對溫度傳感器做出合理選擇，并根據實際需要選擇合適的主芯片和顯示器，達到優化整體結構，提高溫度檢測精度，同時使系統具有測溫范圍廣、體積小、功耗低、精度高、顯示直觀的優點，并保證系統結構簡潔。 本論文的研究重點將放在溫度傳感器的選擇、硬件設計和程序設計這三個方面。關鍵詞：單片機；數字控制；數碼管顯示；溫度計；ds18b20；at89s52。目 錄摘要i第1章 緒論11.1 引言11.2 主要機械結構分析1第2章 結構設計3第3章 系統軟件的設計9第4章 proteus軟件仿

3、真16第5章 結論18參考文獻19致謝20第1章 緒論（黑體，小二號）1.1 引言隨著電子工業的發展，數字儀表反應速度快、操作簡單，對使用環境要求不高的優點，市場上逐漸出現越來越多的數字式溫度計，另外，縱觀國際上現有的溫度計的變化，總的趨勢是從模擬向數字轉變，相應的體積也在不斷減小，并且一切向著數字化控制，智能化控制方向發展。測量溫度的關鍵是溫度傳感器，隨著科學技術的發展，溫度傳感器的發展經歷了三個發展階段：(1)傳統的分立式溫度傳感器，(2)模擬集成溫度傳感器，(3)智能集成溫度傳感器。特別是現代儀器的發展，微型化、集成化、數字化正成為傳感器發展的一個重要方向。總之，從溫度計的誕生，發展到現

4、在，溫度計對物理學和日常生活起著非常重要的作用。1.2 主要機械結構分析目前的智能溫度傳感器（亦稱數字溫度傳感器）是在20世紀90年代問世的，它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術（ate）的結晶，特點是能輸出溫度數據及相關的溫度控制量，適配各種微控制器（mcu）。社會的發展使人們對傳感器的要求也越來越高，現在的溫度傳感器正在基于單片機的基礎上從模擬式向數字式，從集成化向智能化、網絡化的方向飛速發展，并朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速發展，本文將介紹智能集成溫度傳感器ds18b20的結構特征及控制方法，并對以此傳

5、感器，89s51單片機為控制器構成的數字溫度測量裝置的工作原理及程序設計作了詳細介紹。與傳統的溫度計相比，其具有讀數方便，測量范圍廣，測溫準確，輸出溫度采用數字顯示，主要用于對測溫要求比較準確的場所，或科研實驗室使用。該設計控制器使用atmel公司的at89s51單片機，測溫傳感器使用dallas公司ds18b20，用液晶來實現溫度顯示。第2章 結構設計（黑體，小二號） 2.1 通過由于本設計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行a/d轉換后，就可以用單片機進行數據的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設計需要用到a/d

6、轉換電路，感溫電路比較麻煩。進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器ds18b20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉換，就可以滿足設計要求。2.2 總體設計框圖溫度計電路設計總體設計方框圖如圖1所示，控制器采用單片機at89s52，溫度傳感器采用ds18b20，用4位共陰led數碼管以串口傳送數據實現溫度顯示。圖2-1 總體結構示意圖2.2.1 主控制器單片機at89s52具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統的設計需要，適合便攜手持式產品的設計使用。at89s52單片機芯片具有

7、以下特性：1）指令集合芯片引腳與intel公司的8052兼容；2）4kb片內在系統可編程flash程序存儲器；3）時鐘頻率為033mhz；4）128字節片內隨機讀寫存儲器（ram）；5）6個中斷源，2級優先級；6）2個16位定時/記數器；7）全雙工串行通信接口；8）監視定時器；9）兩個數據指針；2.2.2 顯示電路顯示電路采用4位共陰led數碼管，從p0口輸出段碼，p2.0p2.3作片選端。但在焊電路板的時候發現數碼管亮度不夠，所以在p2.0p2.3端口接四個10k的電阻和四個npn的三極管，以使數碼管高亮顯示。2.2.3溫度傳感器ds18b20溫度傳感器是美國dallas半導體公司推出的一種

8、改進型智能溫度傳感器，與傳統的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9-12位的數字值讀數方式。ds18b20的性能特點如下：獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信，無須經過其它變換電路；多個ds18b20可以并聯在惟一的三線上，實現多點組網功能；內含64位經過激光修正的只讀存儲器rom；可通過數據線供電，內含寄生電源，電壓范圍為3.05.5；零待機功耗；溫度以或位數字；用戶可定義報警設置； 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常工作；測溫范圍為-55-+125，

9、測量分辨率為0.0625采用單總線專用技術，ds18b20采用腳pr35封裝或腳soic封裝，其內部結構框圖如圖2所示。圖2 ds18b20內部結構64位rom的結構開始位是產品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后位是前面56位的crc檢驗碼，這也是多個ds18b20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發器和，可通過軟件寫入用戶報警上下限。ds18b20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存ram和一個非易失性的可電擦除的eeram。高速暫存ram的結構為字節的存儲器，結構如圖3所示。頭個字節包含測得的溫度信息，第和第字節和的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第個字

10、節，為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率。ds18b20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數值。該字節各位的定義如圖3所示。低位一直為，是工作模式位，用于設置ds18b20在工作模式還是在測試模式，ds18b20出廠時該位被設置為，用戶要去改動，r1和r0決定溫度轉換的精度位數，來設置分辨率。溫度 lsb溫度 msbth用戶字節1tl用戶字節2配置寄存器保留保留保留crc圖3 ds18b20字節定義由下面表1可見，ds18b20溫度轉換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。 高速暫存的第、字節保留未用

11、，表現為全邏輯。第字節讀出前面所有字節的crc碼，可用來檢驗數據，從而保證通信數據的正確性。當ds18b20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第、字節。單片機可以通過單線接口讀出該數據，讀數據時低位在先，高位在后，數據格式以0.0625lsb形式表示。當符號位時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數值。表2是一部分溫度值對應的二進制溫度數據。表1 ds18b20溫度轉換時間表ds18b20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與ram

12、中的th、t字節內容作比較。若th或ttl，則將該器件內的報警標志位置位，并對主機發出的報警搜索命令作出響應。因此，可用多只ds18b20同時測量溫度并進行報警搜索。 在64位rom的最高有效字節中存儲有循環冗余檢驗碼（crc）。主機rom的前56位來計算crc值，并和存入ds18b20的crc值作比較，以判斷主機收到的rom數據是否正確。 ds18b20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器1；高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器的脈沖輸入。器件中還有一個計數門，當計數門打開時，ds18

13、b20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應的一個基數分別置入減法計數器、溫度寄存器中，計數器和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數值。 減法計數器對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器的預置值減到時，溫度寄存器的值將加1，減法計數器的預置將重新被裝入，減法計數器重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到減法計數器計數到時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數器門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器

14、值大致被測溫度值。溫度/二進制表示十六進制表示+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 1110 0110 1111fe6fh-551111 1100 10

15、01 0000fc90h表2一部分溫度對應值表2.3 ds18b20溫度傳感器與單片機的接口電路圖4 ds18b20與單片機的接口電路ds18b20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時ds18b20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖4 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的ds18b20時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個mosfet管來完成對總線的上拉，多個ds18b20可以將2口串接到一條總線上，而本設計只用了一個ds18b20。當ds18b20處于寫存儲器操作和溫度a/d轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄

16、生電源供電方式時vdd端接地。由于單線制只有一根線，因此發送接口必須是三態的。2.4 系統整體硬件電路設計2.4.1 主板電路 系統整體硬件電路包括，傳感器數據采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調整電路，單片機主板電路等，單片機主板電路如圖5 所示：圖5 單片機主板電路圖5 中包括時鐘振蕩電路和按鍵復位電路，按鍵復位電路是上電復位加手動復位，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復位，這樣就不用在重起單片機電源，就可以實現復位。另外擴展電路中，蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內時，發出報警鳴叫聲音，同時led數碼管將沒有被測溫度值顯示，這時可以調整報警上下限，從而測出被測的溫度值。2.4.2

17、顯示電路 顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優點就是使用口資源比較少，只用p0和p3口,串口的發送和接收，采用4位共陰led數碼管，從p0口輸出段碼，p2.0p2.3作片選端。但在焊電路板的時候發現數碼管亮度不夠，所以在p2.0p2.3端口接四個10k的電阻和四個npn的三極管，期望增加驅動電流，以使數碼管高亮顯示。圖6 溫度顯示電路第3章 系統軟件設計系統程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數據刷新子程序等。3.1初始化程序dq置1短延時dq置0延時450usdq置1延時15-60us延時至少60usx=dq結束x=dq 、圖7 初始化程序流程圖

18、3.2讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出ram中的2字節，讀出溫度的低八位和高八 位，在讀出時需進行crc校驗，校驗有錯時不進行溫度數據的改寫。其程序流程圖如圖8示初始化發跳過rom指令開始溫度轉換延時2ms初始化寫入跳過rom、讀取暫存器和crc字節指令讀取溫度的低八位和高八位取中間八位結束圖8 讀溫度程序流程圖3.3讀、寫時序子程序讀寫的程序是本次設計中的重點和難點，通過我們對其時序的分析，從而寫出高效的程序。寫1，0時序讀0，1時序dq置1短延時dq置0延時450usdq置1延時15-60us延時至少60usx=dq結束x=dqdq=0延時15usdat&=0 x01dat1延

19、時45usdq=1結束圖9 寫時序子程序流程圖 圖10 讀時序子程序流程圖3.4 溫度處理子程序計算溫度子程序將ram中讀取值進行bcd碼的轉換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖11所示取反flag=1開始flag=0ht128?求百位、十位、個位和小數位bai=0？shi=0?顯示個位和小數位顯示十位顯示百位結束 n y n y 圖11 溫度處理程序流程圖3.5 顯示程序此函數實現的對數碼管顯示的處理，其亮點在于可以直接對數碼管進行操作，其本身是個兩變量函數，第一個變量是要開通的位選，第二個變量是要顯示的數據，這樣我們可以直接方便而又簡單直觀的對數碼管進行操作。程序流程圖如圖12

20、。送位選位選值左移n位送段碼n=2?p0.7=0延時1ms關斷位選結束 n y 圖12顯示數據刷新流程圖3.6延時程序延時程序主要分為短延時和長延時，短延時如果要求十分的精確可以采用定時器，如果要求不太高的話可以采用普通函數的疊加，可以近似時間的延時。長延時同樣的道理，不過要求不是很精確的話，可以采取語言結構的循環來實現延時。具體程序如下:/近乎精確的短延時，采用標準庫里的_nop_()函數，此函數一個延時為22微秒左右；void delay15(uint n) do _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(

21、);_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); n-; while(n);/長延時，用于不太嚴格的延時void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=50;y0;y-);表3 delay15（）延時函數的取值采樣：n的取值1234101520222324時間17us48us69us90us216us321us426us468us489us510us第4章 proteus軟件仿真第5章 結論本系統以at89c51單片機、ds18b20溫度傳感器和通用lcd1602顯示模塊為核心，實現了低功耗高精度便攜式數字

22、溫度計的設計。對于便攜式儀器，本設計實現了低成本寬測溫范圍條件下的低功耗高精度要求，具有一定的實用價值。整個便攜式低功耗高精度數字溫度計使用方便，工作穩定，待機時間長，具有廣闊的應用前景。通過本次課程設計，使得我對四年來學習過的知識比如：電路分析、數字電子技術、單片機技術、智能儀器的設計應用、傳感器的使用等有了更進一步的認識。同時，鍛煉了我獨立思考和獨立完成任務的能力。在本次設計中，不但查閱了很多書本上的資料，也通過網絡查閱了芯片的結構、接線等方面很多相關知識。參 考 文 獻1 張百新.溫度計的誕生和發展j.濮陽教育學院學報,2000,12(4):31-322 郭乃寧.近十年來溫度測量的發展概況（連載之一）j.宇航計測技術,1988(2):28-313 戴丹.溫度計的數字化理想.醫藥經濟報n.2005,4,154 劉愛琴.測溫智能儀表中溫度傳感器的選擇與使用j.國外電子元器件,2002,9(9):64-665 趙剛.分布式遠程巡回測溫系統的實現d.福建:廈門大學機電工程系，2001.6 明德剛.ds18b20在單片機溫控系統中的應用j.貴州大學學報,2006,2(1):106-1107 范風強等.單片機語言c51 應