1、精選優質文檔-傾情為你奉上基于51單片機的數字溫度計設計摘要 隨著現代信息技術的飛速發展和傳統工業改造的逐步實現能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統應用于諸多領域。這里設計的數字溫度計采用DS18B20為傳感器，選用AT89C51型單片機作為主控制器件，通過4位一體共陽極的數碼管進行溫度顯示。與熱敏電阻為溫度敏感元件的溫度計相比，該數字溫度計具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫精確等特點。另外，還在該溫度計中加入了秒表計時的功能，能夠實現“分，秒”的計時顯示，并且，兩種功能能夠用按鍵實現切換。關鍵詞：AT89C51；DS18B20傳感器；溫度；秒表Abstract:With the developmen

2、t of modern information technology and the progressive of the traditional industrial transformation. Using DS18B20 as the sensor of the digital thermometer , AT89C51 microcontroller as the main control device,and the four digital tube are used to display. Compared with the thermometer thermistor for

3、 temperature sensitive element,the digital thermometer have many advantages,for example,its can get temperature more convenient, wider,and more accurate.In adition,The digital thermometer also as a stopwatch,according to the minutes and seconds.And with the pressing of the keys,we can choose the dif

4、ferent functions of the digital thermometer.Key words: AT89C51;DS18B20;the temperature;stopwatch目 錄專心-專注-專業數字溫度計設計1 系統硬件設計方案作品主要利用AT89C51單片機、DS18B20數字溫度傳感器而設計的數字溫度計，實現對空氣溫度的測量。圖1 系統原理結構框圖如圖1所示，該溫度計通過ds18b20數字傳感器進行采集，將數據傳送給單片機，程序通過按鍵對單片機進行操作，然后再數碼管上顯示。1.1 單片機選擇AT89C51作為溫度測試系統設計的核心器件。該器件是INTEL公司生產的MCS

5、一5l系列單片機中的基礎產品，采用了可靠的CMOS工藝制造技術，具有高性能的8位單片機，屬于標準的MCS51的CMOS產品。不僅結合了HMOS的高速和高密度技術及CHMOS的低功耗特征，而且繼承和擴展了MCS48單片機的體系結構和指令系統。單片機小系統的電路圖如圖2所示。圖2 單片機小系統電路AT89C51單片機的主要特性：(1)與MCS-51 兼容，4K字節可編程閃爍存儲器；(2)靈活的在線系統編程，掉電標識和快速編程特性；(3)壽命為1000次寫/擦周期，數據保留時間可10年以上；(4)全靜態工作模式：0Hz-33Hz；(5)三級程序存儲器鎖定；(6)128*8位內部RAM，32可編程I/

6、O線；(7)兩個16位定時器/計數器，6個中斷源；(8)全雙工串行UART通道，低功耗的閑置和掉電模式；(9)看門狗（WDT）及雙數據指針；(9)片內振蕩器和時鐘電路；1.2 溫度傳感器介紹 DS18B20可以程序設定912位的分辨率，精度為0.5C。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EPROM中，掉電后依然保存。溫度傳感器DS18B20引腳如圖3所示。 8引腳封裝 TO92封裝圖3 溫度傳感器引腳功能說明： NC ：空引腳，懸空不使用； VDD ：可選電源腳，電源電壓范圍35.5V。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 DQ ：數據輸入/輸出腳。漏

7、極開路，常態下高電平。 GND ：為電源地DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器（如圖4）。圖4 DS18B20內部結構圖光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 DS18B20中的溫度傳感器可完

8、成對溫度的測量，以12位轉化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S為符號位。 DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發器TH、TL和結構寄存器。 暫存存儲器包含了8個連續字節，前兩個字節是測得的溫度信息，第一個字節的內容是溫度的低八位，第二個字節是溫度的高八位。圖5 溫度寄存器格式第三個和第四個字節是TH、TL的易失性拷貝，第五個字節是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節的內容在每一次上電復位時被刷新。第六、七、八個字節用于內部計算。第九個字節是冗余檢驗字節。 該字節

9、各位的意義如下：TM R1 R0 1 1 1 1 1低五位一直都是1 ，TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設置分辨率，如表1所示：（DS18B20出廠時被設置為12位） 表1 DS18B20溫度轉換時間表R1R0分辨率/位溫度最大轉向時間00993.750110187.510113751112750根據DS18B20的通訊協議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20

10、進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。1.3 溫度傳感器與單片機的連接溫度傳感器的單總線(數據線DQ)與單片機的/P3.3口連接（如圖5）。圖6 DS18B20和單片機的接口連接程序設計時通過P3.3口對DS18B20進行操作，實現初始化和溫度讀取等功能。1.4 復位電路MCS-51單片機的復位是靠外部電路實現的。MCS-51單片機工作后，只要在它的RESET引線上加載10ms以上的高電平，單片機就能有效地復位。上電復位：上電復位電路是種簡單的復位電路，只

11、要在RST復位引腳接一個電容到VCC，接一個電阻到地就可以了。上電復位是指在給系統上電時，復位電路通過電容加到RST復位引腳一個短暫的高電平信號，這個復位信號隨著VCC對電容的充電過程而回落，所以RST引腳復位的高電平維持時間取決于電容的充電時間。為了保證系統安全可靠的復位，RST引腳的高電平信號必須維持足夠長的時間。圖7 復位電路1.5 時鐘電路時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性。常用的時鐘電路有兩種方式：一種是內部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。設計采用的是

12、內部時鐘方式。圖8 時鐘電路1.6 按鍵電路按鍵的開關狀態通過一定的電路轉換為高、低電平狀態。當按鍵按下時，在單片機的相應I/O口產生負脈沖，閉合和釋放過程都要經過一定的過程才能達到穩定，這一過程是處于高、低電平之間的一種不穩定狀態，稱為抖動。抖動持續時間的常長短與開關的機械特性有關，一般在5-10ms之間。為了避免CPU多次處理按鍵的一次閉合，應采用措施消除抖動；消抖一般是通過在程序中給一定的延時再檢測信號。本設計中采用的是獨立式按鍵，每個按鍵的工作狀態不會產生互相影響，直接用I/O口線構成單個按鍵電路，每個按鍵占用一條I/O口線，這樣只需要對單片機單個I/O口進行操作就能實現按鍵功能（如圖

13、9）。圖9 按鍵電路1.7 顯示電路LED數碼管使用發光二極管構成顯示字型，LED數碼管連接方式分類：共陰極數碼管和共陽極數碼管（如圖10）。共陰極數碼管：將數碼管陰極接地，相應段上的陽極接正電壓。共陽極數碼管：將數碼管陽極接地，相應段上的陰極接正電壓。圖10 共陰和共陽數碼管根據數碼管連接方式的不同，在應用中，要實現數字顯示，則需要用不同的編碼，從低到高位為：a b c d e f g h。如：數字“5”，需要相應二極管亮的是：a f g c d；共陽極編碼為：（0x92），共陰極則正好相反。表2 09共陽極數碼管編碼（不含小數點）需要顯示數字編碼需要顯示數字編碼0c0H(1100 0000

14、)592H(1001 0010)1f9H(1111 1001)682H(1000 0010)2a4H(1010 0100)7f8H(1111 1000)3b0H(1011 0000)880H(1000 0000)499H(1001 1001)990H(1001 0000)同理可得09共陽極數碼管編碼（含小數點）：40H,79H,24H,30H,19H,12H,02H,78H,00H,10H本設計中采用的是4位一體的數碼管（圖11），與單個數碼管相比，有4個位選線A1，A2，A3，A4，通過接高電平實現對每一位的操作，數據線的原理則與單個數碼管一樣。圖11 四位一體數碼管引腳圖如圖12，數碼管上

15、拉電阻采用共陽極方式，以單片機P2口為位選信號，由于直接使用單片機I/O口不足以驅動數碼管，因此在顯示電路上加入了三級管驅動，采用的是s9012三極管，s9012是PNP型的三級管，基極通過1k電阻接單片機的P2口，發射極接正電壓，集電極接數碼管位選信號；由于是PNP型三級管，只有當單片機P2口為低時，數碼管的相應的位選才選中。圖12 顯示電路圖1.8 電源電路和系統供電由于該系統需要穩定的5 V電源，因此必須采用能滿足電壓、電流和穩定性要求的電源。設計采用外部的5V電源供電，在電源兩端并連上了兩個電容（如圖13）。圖13 電源電路圖設計中外部供電采用的是Mini-usb（B型）接口，由于并沒

16、有用到數據的傳輸，只是單純供電，所以設計中只用到了Pin 1（V Bus）和Pin 5（GND）。圖14 mini-usb引腳圖對系統供電的設計，可采用以下方法：直流穩壓電源，單片機開發板，手機電池，迷你USB接口；其中利用迷你USB接口供電可以通過手機充電器、電腦USB接口等，可以讓溫度計在使用起來更方便，這也是本設計中的特點之一。2 軟件設計2.1 DS18B20測溫2.1.1 DS18B20復位圖15 DS18B20復位時序DS18B20復位時序：1單片機拉低總線480950us，然后釋放總線（拉高電平）；2DS18B20會拉低電平60240us表示應答；3DS18B20拉低電平的602

17、40us之間，單片機讀取總線電平，為低則復位成功，為高則復位失敗；4DS18B20拉低電平60240us之后，會釋放總線。2.1.2 DS18B20讀寫邏輯0與1圖16 DS18B20寫邏輯0與1DS18B20寫邏輯0與1時序：1 單片機拉低電平約1015us；2 單片機持續拉低“0”（高“1”）電平約2045us；3 釋放總線。圖17 DS18B20讀邏輯0與1DS18B20讀邏輯0與1時序：1 讀取時單片機拉低總線1us；2 單片機釋放總線，讀取總線電平；3 DS18B20會拉低“0”（高“1”）電平；4 讀取電平后延時4045us。2.1.3單片機訪問DS18B20DS18B20充當從機

18、，單片機是主機，而單片機作為主機通過一線總線訪問DS18B20需要經過以下步驟：1DS18B20復位指令；2執行ROM指令；3執行DS18B20功能指令（RAM指令）。設計程序中需要用到的DS18B20功能指令有：10xcc:跳過讀序號列；20x44:啟動溫度轉換；30xbe:讀取溫度寄存器。2.1.4 DS18B20程序設計圖18 DS18B20程序測溫流程DS18B20可以精確到0.0625，對于正的溫度直接將高八位和低八位進行整合，即可求出溫度；對于負的溫度，讀出的高8位的最高4位代表了溫度的符號位（0000則代表溫度為正，1111代表了溫度為負），可以對這4位進行判斷，如果為1111，

19、說明溫度為負，則需要將temp取反再補1，圖18為DS18B20程序測溫流程圖。2.2 秒表程序設計秒表程序實現的是計時功能，分為4位顯示：分十位，分個位，秒十位，秒個位。把定時器的定時時間定為50ms，這樣，計數溢出20次即可得到時鐘的最小計時單位秒（若計數2次則得到的秒表精度為0.1s）；秒計時是采用中斷方式進行溢出次數的累積，計滿20次，即得到秒計時。當秒計時到“59”時，秒清零，分個位加“1”。圖19為秒表計時程序流程圖。圖19 秒表計時程序流程圖2.3 按鍵功能設計中共有5個按鍵，其中一個用于對AT89C51的復位，當按鍵按下時復位成功；另外四個按鍵分別定義為KEY1測溫，KEY2秒

20、表，KEY3秒表暫停/開始，KEY4秒表清零；圖20為按鍵處理流程圖。圖20 按鍵處理流程程序開始：KEY1按下：測溫功能，顯示溫度為xx.xC（正溫度）或xx.xE（負溫度）；KEY2按下：開始秒表計時，顯示當前計時xx分，xx秒；KEY3按下：定時器0的定時控制位TR0=TR0，開始時TR0=1，第一次按下時，秒表暫停，以后每次按下，TR0取反，即第二次按下，TR0=1，則實現秒表開始計時；KEY4按下：關定時器中斷，使定時器定時控制位置0，令min和sec為零，即實現清零。3 系統測試3.1 測試方案 1硬件測試把系統板分為幾個部分，分別單獨測試，然后再整體測試。2軟件仿真測試利用軟件仿

21、真，分別實現溫度測試，秒表測試，按鍵測試。3 軟件硬件聯合測試把程序下載到C51單片機上，進行系統測試。具體操作：將寫好的C程序通過單片機開發板下載到AT89C51上，再將單片機安裝在系統板上，供5v直流電，操作按鍵看是否能進行測溫和秒表功能。3.2 測試條件與儀器 測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。硬件測試儀器：萬用表，直流穩壓電源、示波器、單片機開發板；3.3 測試結果及分析Protus 仿真測試（見附頁）：綜合測試（如圖21）：分別顯示：溫度為17.8C； 秒表計時到146秒。 測空氣中的溫度 秒表計時圖21 綜合測試圖剛開

22、始測試的時候，發現數碼管不夠亮，后來自己查找了許多資料，找到了原因：三級管驅動沒有工作，后來我自己用面包板焊接了一個三極管驅動，再修改了程序進行檢測，最后數碼管能很好的顯示溫度；結合自己的系統板，我將單片機的P2口作為數碼管的位選端，重新設計了一下原有的驅動，采用1k電阻和S9012 PNP型三級管。最后我在系統的供電端加入了迷你usb接口，這樣整個系統就能采用usb接口與電腦連接和手機充電器供電。結合軟件和硬件的測試結果看，該溫度計能實現對溫度的測量，并且能隨接觸物的溫度改變而改變。4 系統特色 系統的特色主要有：采用多種供電方式，采用迷你USB接口能實現多種方式的使用，如：手機充電器，電腦

23、，手機等；采用數字溫度傳感器DS18B20更精確的獲得溫度值；在測量溫度功能的基礎上加入了秒表計時的功能，秒表可用于長時間的計時，并且用戶可以通過按鍵實現功能之間的相互轉換。5 心得和體會通過這次對數字溫度計的設計，我發現自己還有許多需要加強的地方，比如：畫PCB板和畫原理圖；缺少對以前許多學過的C語言、模電等課程的溫習；過程中我也查找了許多資料，同時我也學到了許多東西，在調適過程中，動手寫程序和改程序，一步步將結果調適出來，在動手能力和解決問題能力的有所提高。更重要的是團隊的協作，有這樣一句話：如果我用個人的能力，可以賺一個億，可能100%是我的；但我用十個人的時候，我們可能賺到十個億，可能

24、我只有10%，我同樣是一個億，但我們的事業變大了。在做這次課題的過程中，我明白了一個人的力量是有限的，只有協調好團隊才能獲得最多的成就。6 參考文獻1電子技術基礎模擬部分/康華光主編2單片微機原理、匯編與C51及接口技術 清華大學出版社3C程序設計（第三版） 譚浩強（著） 清華大學出版社附錄1：電路原理圖附錄2：實物圖 附錄3：仿真測試圖溫度仿真測試：顯示13.0C即13.0攝氏度秒表仿真測試：附錄4：源程序/*程序說明： 主要兩大功能：DS18B20測溫，秒表計時（精確到秒）；顯示：測溫顯示為xx.xC(xx.xE) 溫度為正，最后一位顯示字母C；溫度為負，最后一位顯示字母E； 秒表顯示為x

25、x分xx秒；當秒增加到59時，秒清零，分+1；精度為秒； 按鍵說明：按鍵1KEY1 選擇測溫功能; 按鍵2KEY2 選擇秒表功能； 按鍵3KEY3 按下秒表暫停，再次按下秒表開始； 按鍵4KEY4 按下秒表清零；*/#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int/*變量定義*/sbit KEY1 = P10; /按鍵，低有效；KEY1測溫，KEY2秒表；sbit KEY2 = P11;sbit KEY3 = P12; /秒表模式暫停sbit KEY4 = P13; /秒表開始sbit DQ = P3

26、3; /原理圖中ds18b20接INT1，INT1為P3.3口；sbit wei4 = P27; /位選口sbit wei3 = P26;sbit wei2 = P25;sbit wei1 = P24;uchar flagnum; /按鍵標志uchar wenbiao; /溫度標志，溫度為負 wenbiao=0;溫度為正 wenbiao=1;uchar min,sec;/秒表分、秒uchar k;/定時50msuint temp;/溫度變量/*共陽極數碼管不含小數點編碼*/uchar code Tab=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0

27、x90;/*共陽極數碼管不含小數點編碼*/uchar code Tab1=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10;/*函數聲明*/ void Delay_ms(uint n); /毫秒延時 void Delay_us(uchar n); /微秒延時 void Display2(); /分、秒顯示 void System_Ini(); /定時器0初始化 void timer0 (); /定時器0中斷1 void DS18b20_Reset(); /DS18b20復位 bit Read_bit(); /讀1位 uchar DS18b20_

28、Read(); /讀1個字節 void Write_bit(bit bitval); /寫1位 void DS18b20_Write(uchar byte); /寫1個字節 void Changtemp(); /開啟溫度轉換 uchar Readtemp(); /讀取溫度 void Display1(uint z); /溫度顯示 void Wenduji(); /溫度計 uchar Keycheck(); /按鍵檢測 void Key_ser(uchar num); /按鍵實現功能轉換/*函數名稱：void main()函數功能：主函數輸入參數：無函數變量：num1函數調用：void Syst

29、em_Ini(); void Wenduji(); uchar Keycheck(); void Key_ser(uchar num);返回值： 無函數說明：無*/void main()uchar num1;System_Ini();while(1) if(flagnum = 1)Wenduji();num1 = Keycheck();Key_ser(num1); /*函數名稱：void Delay_ms(uint n)函數功能：毫秒延時輸入參數：n函數變量：i,j函數調用：無 返回值： 無函數說明：無*/void Delay_ms(uint n) /毫秒延時 uint i,j;for(i=n

30、;i0;i-) for(j=110;j0;j-); /*函數名稱：void Delay_us(uchar n)函數功能：微秒延時輸入參數：n函數變量：無函數調用：無 返回值： 無函數說明：無*/void Delay_us(uchar n) /微秒延時 while(n-); /*秒表模塊*/*函數名稱：void Display2()函數功能：分、秒顯示輸入參數：無函數變量：無函數調用：void Delay_ms(uint n);返回值： 無函數說明：無*/void Display2()wei1 = 0; P0 = Tabsec%10;Delay_ms(2);wei1 = 1;P0 = 0xff;

31、 /消影wei2 = 0; P0 = Tabsec/10;Delay_ms(2);wei2 = 1;P0 = 0xff;wei3 = 0; P0 = Tabmin%10;Delay_ms(2);wei3 = 1;P0 = 0xff;wei4 = 0; P0 = Tabmin/10; Delay_ms(2);wei4 = 1;P0 = 0xff; /*函數名稱：void System_Ini()函數功能：定時器初始化輸入參數：無函數變量：無函數調用：無 返回值： 無函數說明：無*/void System_Ini() /定時器初始化TMOD= 0x01; /定時器0方式1TH0=(65535-50

32、000)/256; TL0=(65535-50000)%256; ET0 = 1; TR0 = 0;EA=1;/*中斷1*/void timer0 () interrupt 1 TH0=(65535-50000)/256; TL0=(65535-50000)%256; k+; if( k=20 ) /定時器定時50ms，20次就是1秒 k = 0; sec+; if(sec59) sec = 0; min+; if(min59) min = 0; /*溫度計模塊*/*函數名稱：void DS18b20_Reset()函數功能：DS18b20復位輸入參數：無函數變量：DQ函數調用：void De

33、lay_us(uchar n); 返回值： 無函數說明：無*/void DS18b20_Reset()DQ = 1; _nop_(); /1usDQ = 0; /拉低總線 Delay_us(80); /延時530us_nop_(); DQ = 1; /拉高總線（釋放數據線）Delay_us(5);_nop_();_nop_();_nop_();Delay_us(30);_nop_();_nop_();DQ = 1; /拉高總線，讓總線處于空閑狀態/*函數名稱：bit Read_bit()函數功能：讀1位輸入參數：無函數變量：b ; DQ函數調用：void Delay_us(uchar n);

34、返回值： b函數說明：無*/bit Read_bit()bit b;DQ = 0; /拉低總線1us_nop_();DQ = 1; /釋放總線 _nop_();_nop_();b = DQ;Delay_us(7); /延時4050微秒return(b); /*函數名稱：uchar DS18b20_Read()函數功能：讀1個字節輸入參數：無函數變量：i , j, byte;函數調用：無 返回值： byte函數說明：無*/uchar DS18b20_Read()uchar i,j,byte;byte = 0;for(i=0;i8;i+) j = Read_bit(); byte = (j1);

35、/讀出的數據最低位在前面 return(byte); /*函數名稱：void Write_bit(bit bitval)函數功能：寫1位輸入參數：bitval函數變量：DQ , bitval;函數調用：void Delay_us(uchar n); 返回值： 無函數說明：無*/void Write_bit(bit bitval)DQ = 0;Delay_us(2); /拉低總線1015usif(bitval=1) /如果寫1就拉高總線DQ = 1;Delay_us(5); /延時2045uselseDQ = 0;Delay_us(5);DQ = 1; /釋放總線 _nop_(); _nop_(

36、);/*函數名稱：void DS18b20_Write(uchar byte)函數功能：寫1個字節輸入參數：byte函數變量：i ,temp;函數調用：void Write_bit(bit bitval); 返回值： 無函數說明：無*/void DS18b20_Write(uchar byte)uchar i,temp;for(i=0;ii; /分別將temp的每一位移到最低位temp = temp&0x01; /將temp的最低位取出來Write_bit(temp);/*函數名稱：void Changtemp()函數功能：開啟溫度轉換輸入參數：無函數變量：無函數調用：void DS18b20

37、_Reset() void DS18b20_Write(uchar byte) 返回值： 無函數說明：無*/void Changtemp() DS18b20_Reset();DS18b20_Write(0xcc); / 跳過讀序號列號的操作DS18b20_Write(0x44); / 啟動溫度轉換/*函數名稱：uchar Readtemp()函數功能：讀取溫度函數輸入參數：無函數變量：temp1 ，temp2 ，fuhao，wendu，wenbiao；函數調用：void DS18b20_Reset() void DS18b20_Write(uchar byte) uchar DS18b20_Read() 返回值： wenbiao函數說明：無*/uchar Readtemp() uint temp1 = 0,temp2 = 0; uint fuhao;float wendu;DS18b20_Reset();DS18b20_Write(0