毕业设计-数字温度计.doc

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。

关键词：单片机，数字控制，数码管显示，温度计，DS18B20，AT89S52。

目录

1概述 5
1.1设计目的 5
1.2设计原理 5
1.3设计难点 5
2 系统总体方案及硬件设计 5
2.1数字温度计设计方案论证 5
2.2.1 主控制器 6
2.4 系统整体硬件电路设计 10
3系统软件设计 12
3.1初始化程序 12
3.2读出温度子程序 13
3.3读、写时序子程序 14
3.4 温度处理子程序 16
3.5 显示程序 17
3.6延时程序 18
4 Proteus软件仿真 19
5课程设计体会 21
附录1： 22
附录2： 27

1概述
1.1设计目的
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，可广泛用于食品库、冷库、粮库、温室大棚等需要控制温度的地方。目前,该产品已在温控系统中得到广泛的应用。
1.2设计原理
本系统是一个基于单片机AT89S52的数字温度计的设计，用来测量环境温度，测量范围为-50℃—110℃度。整个设计系统分为4部分：单片机控制、温度传感器、数码显示以及键盘控制电路。整个设计是以AT89S52为核心，通过数字温度传感器DS18B20来实现环境温度的采集和A/D转换，同时因其输出为数字形式，且为串行输出，这就方便了单片机进行数据处理，但同时也对编程提出了更高的要求。单片机把采集到的温度进行相应的转换后，使之能够方便地在数码管上输出。LED采用四位一体共阴的数码管。
1.3设计难点
此设计的重点在于编程，程序要实现温度的采集、转换、显示和上下限温度报警，其外围电路所用器件较少，相对简单，实现容易。

2 系统总体方案及硬件设计
2.1数字温度计设计方案论证
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。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位共阳LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

图1 总体设计框图
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0~33MHZ；
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，P2.0—P2.3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P2.0—P2.3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
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3.0~5.5Ｖ；
●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；●测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃①采用单总线专用技术，
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所示。

图2 DS18B20内部结构
64位ROM的结构开始８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８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ＴＨ和ＴＬ，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８字节的存储器，结构如图3所示。头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第５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５位一直为１，ＴＭ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０，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 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

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，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。第９字节读出前面所有８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１、２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0.0625℃／LSB形式表示。
当符号位Ｓ＝０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Ｓ＝１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
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。若Ｔ＞TH或T＜TL，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数器２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１、温度寄存器中，计数器１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１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１的预置值减到０时，温度寄存器的值将加1，减法计数器１的预置将重新被装入，减法计数器１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０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。

温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000 0111 1101 0000
07D0H
+85
0000 0101 0101 0000
0550H
+25.0625
0000 0001 1001 0000
0191H
+10.125
0000 0000 1010 0001
00A2H
+0.5
0000 0000 0000 0010
0008H
0
0000 0000 0000 1000
0000H
-0.5
1111 1111 1111 0000
FFF8H
-10.125
1111 1111 0101 1110
FF5EH
-25.0625
1111 1110 0110 1111
FE6FH
-55
1111 1100 1001 0000
FC90H
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，P2.0—P2.3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P2.0—P2.3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

3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复位初始化程序
WDDATA置1
短延时
WDDATA置0
延时540us
延时15-60us
延时至少60us
结束
WDDATA置1
DS18B20回应
FLAG1=1

FLAG1=0

否

、

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，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750um
初始化复位
写入跳过ROM、读取暂存器
读取温度数据
结束
FLAG1为1
否

图8 读温度程序流程图

3.3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。

WDDATA=0
延时15us
RRC A
MOV WDDATA,C
延时45us
WDDATA=1
结束

图9 写时序子程序流程图

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，最后存储到定义好的存储单元DIS_1，DIS_2，DIS_3，DIS_4中。

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，这样我们可以直接方便而又简单直观的对数码管进行操作。

送位选
位选值左移N位
送段码
N=2?
SUBB A,#80H
延时2ms
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
为保证DS18B20的严格I/O时序，需要做较精确的延时。在DS18B20操作中，用到的延时有15 μs，90 μs，270 μs，540 μs。因这些延时均为15 μs的整数倍，因此可编写一个DELAY15（n）函数。
DELAY:
LOOP: MOV R1,#06H
LOOP1: DJNZ R1,LOOP1
DJNZ R0,LOOP
RET
显示延时
DEL:
MOV R6,#25H
DEL1: MOV R7,#20H
DJNZ R7,$
DJNZ R6,DEL1
RET

4 Proteus软件仿真

5课程设计体会
经过将两周的单片机课程设计，终于完成了我们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，显示处理时在用对不同的位，求商或求余，感觉效果比较好。还有时序的问题，通过这次的设计我明白了时序才真正是数字芯片的灵魂，所有的程序我们都可以通过对其时序的理解来实现对其操作，同时体会到了单总线结构的魅力。
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，这就是我在这次课程设计中的最大收获。
最重要的是本次设计是两个人一组，让我们有种组队做单片机开发项目的感觉，毕竟一个项目只靠一个人是很难完成的，今后我们做的项目肯定要多人协作。在这次设计过程中培养了我们的团队协作精神，便于我们走到工作岗位后能很快适应工作环境。

参考文献
[1]DS18b20数据手册。
[2] 求是科技编著8051系列单片机C程序设计完全手册北京: 人民邮电出版社, 2006
[3] 余发山，王福忠.单片机原理及应用技术.徐州：中国矿业大学出版社，2003

附录1：
源程序代码：
#include <reg52.h>
#include<intrins.h>
#include<math.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define dua P2
#define max 36
//#define min 0
sbit DQ=P1^7;
sbit din=P0^7;
sbit beep=P3^0;
/*uchar tab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xB0,0x99,
// "0" "1" "2" "3""4";
0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff,0xbf,0xc6}; //共阳；
// "5" "6" "7" "8" "9" "灭" "-" 'c' */
uchar tab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x00,0x40};
uchar tab2[16]={0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,
0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09};
uchar d1,d2,ht,bai,b,shi,ge;
uint tem;
//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_();_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;x>0;x--)
for(y=50;y>0;y--);
}
//初始化函数
void init()
{
uchar x=1;
while(x)
{
DQ=1;
_nop_();
DQ=0;
delay15(23); //最小480us；
DQ=1;
delay15(2);//存在检测高电平最小15us ；
x=DQ;
delay15(22);// 存在检测低电平最小240us；
x=~DQ;
}
DQ=1;
}
void write(uchar dat)
{
uchar i;
for(i=8;i>0;i--)
{
DQ=1;
_nop_();_nop_();
DQ=0;
DQ=dat&0x01;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
delay15(3);
dat>>=1;
}
DQ=1;
_nop_();
}
//读一个字节；
read()
{
uchar i;
uchar dat=0;
for(i=8;i>0;i--)
{
DQ=1;
dat>>=1;
_nop_();
DQ=0;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//十五微秒不变；
DQ=1;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
if(DQ)
dat|=0x80;
delay15(3);
}
DQ=1;
return(dat);
}
//读温度函数
readT()
{
init();
delay15(20);
write(0xcc);
write(0x44);
delay15(900);//yanshi20ms
init();
write(0xcc);
write(0xbe);
d1=read();
d2=read();
ht=d2<<4;
ht+=(d1&0xf0)>>4;
}
//显示函数，n，m可以实现对任意的管子赋值；
//n为第几位数码管，m为送的数值；
void display(uchar n,uchar m)
{
uchar temp=0x01;//根据板子 的硬件 连接图赋值；
temp=_crol_(temp,n);
dua=temp; //////////////
P0=tab[m];
delay(1);
if(n==2)
{
din=1;//根据数码管的阴阳显示选值；
}
delay15(50);
dua=0x00; /////////////////
}
//温度处理函数，此函数先判断正负，对于读取的两个字节，高字节的前五位是//符号位，高位的剩余三位和低字节的前四位为整数位，低字节的最后四位是
//小数位
work_temp()
{
uchar flag=0;
if(ht>128) // 温度值正负判断 ;
{
ht=255-ht;
d1=16-(d1&0x0f);
flag=1;
} // 负温度求补码,标志位置1
else
d1&=0x0f;
/*if(ht>50)
{beep=1;} */
bai=ht/100; //百位；
b=ht%100;
shi=b/10; //十位；
ge=b%10; //个位;
/******************显示判断**************************/
if(!bai)
{
if(!shi)
{
display(0,10);
display(1,10); //次高位为0时不显示 ;
}
else
{display(1,shi);}
}
else
{
display(0,bai);
display(1,shi);
}
if(flag)
{
display(0,11);
} //负温度时最高位显示"-"

display(2,ge);
display(3,tab2[d1]);
}
void main()
{
while(1)
{
//beep=0;
readT();
work_temp();
if((ht>max)|(ht<min))
{ beep=0;}
}
}

附录2：
整体原理图：

23