数字温度计显示设计毕业设计论文.doc

安徽财贸职业学院毕业设计

职业学院
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学号 ___________ 姓名____________
班级____________ 指导教师_________
论文题目_______________________________
_______________________________________

数字温度计显示设计
摘 要
随着时代的进步和现代化信息技术的迅速发展，单片机技术日渐成熟，并且已经普及到我们的生活、工作，学习和科研等各个方面，几乎和我们息息相关。而在我们实行检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机是整个系统的核心部分。本论文将介绍用单片机控制的数字显示温度计。该设计主要以STC89C51为主要控制器件，以DS18B20为测温传感器，由于采用了该温度传感器，所以与传统的温度计相比，具有测温精确度高，测温范围广，适用范围也比较广等特点， 并且采用数字显示，使读数更加方便。此外，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合在各种环境下进行温度测量。总体来说这种温度计的性价比是很高的，它的性能优于传统的感温元件并且省去了A\D、和模拟开关的设计。此外STC89C51体积小并且还可以直接驱动LED，这样大大化简了设计的难度并且降低了成本。
关键词：单片机STC89C51 温度传感器DS18B20 数码管—LED 智能

目 录

第一章 绪论 - 1 -
1.1 引言 - 1 -
1.2研究背景及现状 - 1 -
1.3设计目的 - 2 -
第2章 数字温度计具体设计内容 - 3 -
2.1数字温度计设计方案论证 - 3 -
2.1.1方案一 - 3 -
2.1.2 方案二 - 3 -
2.2所用主要元件清单 - 4 -
2.3 主控制器STC89C51的特点及功能介绍 - 4 -
2.3.1 STC89C51的特点及特性： - 4 -
2.3.2 电源电路： - 6 -
2.4温度采集部分的设计 - 6 -
2.5显示部分电路设计 - 9 -
2.5.1 LED 显示电路 - 9 -
2.5.2整机电路 - 9 -
总结 - 10 -
附录A 主电路原理图 - 11 -
附录B 实物图 - 12 -
附录C 程序 - 14 -
参考文献 - 19 -

第一章 绪论
1.1 引言
随着人们对生活的水平和质量要求的不断提高，科技的发展也不断的突破，以满足人类生活的需求。单片机控制技术的日益发展正是我们所追求的目标之一，而在整个过程中，人们越来越关注精密而实用的仪器，能够去方便我们的生活和工作。数字温度计就是一个典型的例子，人们对它的要求越来越高，所以从单片机入手，未来的生活可能会向着数字化控制、智能化控制方向发展。自单片机问世以来，它的性能不断提高和完善，其资源又很多应用场合的需要，另外单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、成本低等特点，因此，在工业控制、家电 、智能仪器仪表测量、数据的采集和处理、通信系统等领域的应用日益广泛，所以单片机的发展前景越来越被我们所重视。另外，单片机的技术在农业方面也有很大的应用。
我们都知道，温度是我们在日常生活、工作和学习中最容易涉及到的一个物理量。温度的测量一般都是用各式各样的温度计来直接测量。如水银和酒精温度计，但是这些温度计都是以刻度的形式来表示温度的高低，我们必须要用肉眼去看刻度，得出温度值，在这过程中就存在一个误差的问题,所以我们就要尽量去避免这种误差，因此，利用单片机及温度传感器测得的温度值，最终通过LED数码管显示出来，这样一来，准确性就大大提高了。
1.2研究背景及现状
传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。虽然热敏电阻的成本较低，但是需要后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测量温度准确度低，检测系统也会存在一定的误差。
温度传感器的发展现状：温度传感器使用范围广，数量多，位居各种传感器之首，其发展大致经历了以下3个阶段：
1、传统的分立式温度传感器（含敏感元件）——热电偶传感器,主要是能够进行非电量和电量之间转换。
2、模拟集成温度传感器/控制器，集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
3、智能温度传感器。它是集微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）为一体的。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D转换器、信号数据处理器、存储器（或寄存器）和外接电路。
1.3设计目的
1、掌握单片机的工作原理
2、能够进行单片机简单系统进行设计，包括电源模块、复位模块、键盘模块、及相应的控制模块的设计
3、掌握单片机的指令系统，能够对具体的设计要求编写相应的控制程序
4、能够根据相应的控制要求选择相应的外围器件实现控制任务
5、利用protel绘制原理，利用Proteus进行仿真

第2章 数字温度计具体设计内容
2.1数字温度计设计方案论证
2.1.1方案一
由于本文设计的是温度测量电路，所以可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将其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，温度感应电路 ，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，所以采用了方案二。
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2.1 所示，本系统采用单片机作为微控制器，控制器采用单片机STC89C51，温度传感器采用DS18B20，采用12MHZ晶振，电源电路采用+5V电路，用4位LED数码管以串口传送数据来实现温度的显示。最终该电路经过设计分析、绘图、仿真、调试、制板、焊接、等工作后该数字温度计成形，并且要进行实际的调试与应用。由于采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出的信号全为数字化，这样与传统的测温方法相比较，省去了很多外围电路，并且数字温度芯片的物理性质和化学性质都特别稳定，可用于工业作业中使用。温度传感器DS18B20采用了单总线的数据传输的特点，由数字温度计DS18B20和微控制器STC89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样一来,温度测量系统的结构就比较简单,体积也不会很大。软件编程的空间比较大，可以通过编程来实现各种算法和逻辑控制，硬件安装也很方
主控制单元

温度数字显示
稳压电源电路
时钟芯片电路

温度探测单元

温度控制输出

数据储存单元

图2.1 总体设计框图
2.2所用主要元件清单
万用板7*9，3pin圆孔母座，2.2K电阻*4，stc89C51单片机，40脚IC座，DS18B20温度传感器 ，10K电阻*2，10uF电容，小按键，12MHz晶振，30pF瓷片电容*2，9012三极管*4，四位一体共阳数码管0.56，DC电源插座，USB电源线，自锁开关，导线若干，焊锡，电烙铁。
2.3 主控制器STC89C51的特点及功能介绍
2.3.1 STC89C51的特点及特性：
89C51单片机是一款基于8位单片机处理芯片STC89C52RC，其功能非常强大，可以实现单片机开发的 多种要求。具有报警、跑马灯、串行通信、段码液晶和字符液晶显示、电机控制、A\D转换、D\A转换、温度采集、数字信号合成、实时时钟电路、PWM输出、红外检测等多种功能，以供学习者开发使用。
以下为STC89C51 系列单片机的具体特点和管脚功能说明：
(1) 增强型 1T 流水线/ 精简指令集结构 8051 CPU
(2) 工作电压：3.4V - 5.5V （5V 单片机） / 2.0V - 3.8V （3V 单片机）
(3) 工作频率范围：0 - 35 MHz，相当于普通 8051 的 0～420MHz.实际工作频率可达48MHz.
(4)用户应用程序空间 12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字节
(5) 片上集成 512 字节 RAM
(6) 通用 I/O 口（27/23 个），复位后为： 准双向口/ 弱上拉（普通 8051 传统 I/O 口）可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不得超过 55mA
(7) ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
(8) EEPROM 功能
(9) 看门狗
(10)内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路）
(11)时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部 R/C 振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟。常温下内部 R/C 振荡器频率为：5.2MHz ～6.8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选 4MHz ～ 8MHz
(12)有 2 个 16 位定时器/ 计数器
(13)外部中断 2 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
(14)PWM ( 4 路）/ P C A（可编程计数器阵列），也可用来再实现 4 个定时器或 4 个外部中断(上升沿中断/ 下降沿中断均可支持)
(15) STC89Cc516AD 具有 ADC 功能。 10 位精度 ADC，共 8 路
(16) 通用异步串行口(UART)
(17) SPI 同步通信口， 主模式/ 从模式
(18)工作温度范围： 0 - 75℃ / -40 - +85℃
(19)封装： PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20(超小封状，定货)
STC89C52RC 系列单片机为真正的看门狗，缺省为关闭（冷启动），启动后无法关闭，可省去外部看门狗 。 此 系 列 单 片 机 P4 口 地 址 为 E8H ， 并 有 2 个 附 加 外 部 中 断 ，
P4.2/INT3,P4.3/INT2。
晶振电路部分，使用 11.0592M 晶体，和 20PF 的电容。
在复位电路中，采用阻容复位时，电容为 10uF，电阻为 10k。
因为 STC89C52RC 系列单片机 RESET 脚内部没有下拉电阻，必须接 10k 电阻
2.3.2 电源电路：
电源电路采用外部供电的方式，通过变压器将 220V 交流电转变为 12V，再通过接口 J0向实验板供电，为保护系统的安全性，增加了开关 k0,防止因电源不当引起硬件的烧坏，电源经过 k0 后， 经过整流桥，再通过电源芯片 7805 和 7809 得到+5V 和+9V，为系统及周围芯片提供电源。电源供电原理图如图 2.2

图 2.2电源供电原理图

2.4温度采集部分的设计
温度采集部分采用的是DS18B20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9～12位的数字值读数方式。
温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节）在通过单片机发出命令送给显示器。它的输出脚I/O直接与单片机相连，并接一个上拉电阻，传感器采用外部电源供电。传感器控制程序是按照DS18B20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。
DS18B20特点：（1）采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）；
(2) 测温范围为-55℃～+125℃，测量分辨率为0.0625℃；
(3) 内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；
(4) 适配各种单片机或系统机；
(5) 用户可分别设定各路温度的上、下限；
(6) 内含寄生电源。
其管脚图如图2.4.1-1

图2.4.1-1

图2.4.1-2 DS18B20实物图

图2.4.1-3 DS18B20底视图
表2-1　DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
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；
●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
●无须外部器件；
●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；
●零待机功耗；
●温度以9或12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，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；

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
DS18B20采用3脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图2-3所示。

图2-3 DS18B20结构框图
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。支持 3V~5.5V的电压范围， 电源输入端。
2.5显示部分电路设计
2.5.1 LED 显示电路
通过排阻与LED显示器相连组成，电路图如图2.5.1

图2.5.1
2.5.2整机电路
当接通电源以后，温度传感器正常工作，温度传感器将根据被测温度的不同来采集不同的数据，然后将所采集到的数据传送到比较器到中，然后由比较器将采集到的数据转变成高低电平，在送入单片机，单片机通过控制各个引脚电平的高低来来控制温度的显示输出。整机电路图如图2.5.2

图2.5.2 整机电路

总结
在本次设计中，我查阅了大量的设计资料，因为有实际的产品设计，需要我们自己亲手做出一个实物出来，所以为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的实际资料是十分必要的，也是必不可少的。并且将本次设计的完整内容整理写出设计报告，但是这段时间经过自身的不懈努力，不但加深了对单片机与传感器的进一步的认识和理解，在这次课程设计中，全面实践一个基于单片机的应用系统的开发过程，我们运用了以前学过的专业课知识，如：C语言、单片机知识等是一个综合性很高的实践。并将以前所学理论知识充分应用到了实践中。
通过毕业设计，受益匪浅，使我深刻认识到理论联系实际的重要性，并且在实践中扩展了知识面，这主要得益于认真负责的工作态度、严谨活泼的治学精神和深厚专业的理论水平，不但掌握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，从各方面提高了自身的综合素质。经过这次一个较完整的产品设计和制作过程，对于将来学习和工作也是有所裨益的。
在本系统的设计过程和论文编写过程中，得到了老师的悉心指导与帮助，在我做毕业设计的过程中给我提出了很多指导性的意见，使我很是受用。同时很多同学和朋友给予了我许多无私的帮助，给我的设计和论文提出了很多宝贵的修改意见，在这里，我向这些无私帮助我的人表示衷心的感谢和良好的祝愿。
至此，衷心感谢各位老师及同学多年来的辛勤培育和教导！
附录A 主电路原理图

附录B 实物图

附录C 程序
#include<reg52.h>
#define ui unsigned int
#define uc unsigned char //宏定义

sbit DQ =P3^7; //定义DS18B20总线I/O

bit bdata fuhao;
uc qian,bai,shi,ge;
uc code led[] = {0x5F,0x44,0x9D,0xD5,0xC6,0xD3,0xDB,0x47,0xDF,0xD7};
uc code led_dian[] = {0x7f,0x64,0xbd,0xf5,0xe6,0xf3,0xfb,0x67,0xff,0xf7};

//============================================================================================
//====================================DS18B20=================================================
//============================================================================================
/*****延时子程序*****/
void Delay(int num)
{
while(num--) ;
}
/*****初始化DS18B20*****/
void Init_DS18B20()
{
DQ = 1; //DQ复位
Delay(8); //稍做延时
DQ = 0; //单片机将DQ拉低
Delay(80); //精确延时，大于480us
DQ = 1; //拉高总线
Delay(40);
}
/*****读一个字节*****/
uc ReadOneChar()
{
uc i=0;
uc dat = 0;
for (i=8;i>0;i--)
{
DQ = 0; // 给脉冲信号
dat>>=1;
DQ = 1; // 给脉冲信号
if(DQ)
dat|=0x80;
Delay(4);
}
return(dat);
}
/*****写一个字节*****/
void WriteOneChar(uc dat)
{
uc i=0;
for (i=8; i>0; i--)
{
DQ = 0;
DQ = dat&0x01;
Delay(5);
DQ = 1;
dat>>=1;
}
}
/*****读取温度*****/
ui ReadTemperature()
{
ui a=0,b=0,t=0;
float tt=0;
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0x44); //启动温度转换
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器
a=ReadOneChar(); //读低8位
b=ReadOneChar(); //读高8位
t=b;
t<<=8;
t=t|a;
if(t&0xf800)
{
t=~t+1;
fuhao=1;
}
else
fuhao=0;
tt=t*0.0625;
t=tt*10+0.5; //放大10倍输出并四舍五入
return(t);
}

/*****读取温度*****/
void check_wendu()
{
ui f;
f=ReadTemperature(); //获取温度值并减去DS18B20的温漂误差
qian=f/1000;
bai=(f%1000)/100; //计算得到十位数字
shi=((f%1000)%100)/10; //计算得到个位数字
ge=((f%1000)%100)%10; //计算得到小数位
}
/*****显示开机初始化等待画面*****/
void Disp_init()
{
P0 = 0x7f; //显示----
P2 = 0x7f;
Delay(100);
P2 = 0xdf;
Delay(100);
P2 = 0xf7;
Delay(100);
P2 = 0xfd;
Delay(100);
P2 = 0xff; //关闭显示
}
/*****显示温度子程序*****/
void Disp_Temperature() //显示温度
{
if(qian==0)
{
if(fuhao==1)
P0=0x7f; //1011 1111
else
P0=0xff;
P2=0xfd;
Delay(100);
P2 = 0xff;
}
else if(qian!=0)
{
P0 =~led[qian];
P2 = 0xfd;
Delay(100);
P2 = 0xff;
}
if((bai==0)&&(qian==0))
{
P0=0xff; //
P2=0xf7;
Delay(100);
P2=0xff;
}
else if((bai==0)&&(qian!=0))
{
P0=~led[bai];
P2=0xf7;
Delay(100);
P2=0xff;
}
else if(bai!=0)
{
P0=~led[bai]; //
P2=0xf7;
Delay(100);
P2=0xff;
}
P0=~led_dian[shi]; //
P2=0xdf;
Delay(100);
P2=0xff;
P0=~led[ge]; //显示符号
P2=0x7f;
Delay(100);
P2=0xff; //关闭显示
}
/*****主函数*****/
void main()
{
uc z;
for(z=0;z<100;z++)
{
Disp_init();
check_wendu();
}
while(1)
{
check_wendu();
for(z=0;z<10;z++)
Disp_Temperature();
}
}

参考文献
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2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究
3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究
4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制
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6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器
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15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发
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40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪
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51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究
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53. 提升高职学生单片机应用能力的探究
54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究
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56. 基于单片机的多通道数据采集系统
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80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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