1、单片机的数字温度计控制机电工程系毕业设计论文题 目单片机的数字温度计控制 专业名称机电一体化学生姓名指导教师毕业时间2014年6月基于单片机的数字温度计设计摘 要本文设计了一款以单片机AT89S52作为控制器，用温度传感器DS18B20作为温度采集器，由LED数码管作为显示器件的数字温度计，该数字温度计能够测出-55+125之间的温度，文中详细介绍了AT89S52单片机和DS18B20数字温度传感器芯片的选取、单片机与温度传感器接口电路及单片机与LED数码管接口电路的设计，采集和数据传以及实现温度信息输的软件编程实现的方法，通过调试运行，所设计的数字温度计能达到相关设计要求。该系统结构简单，抗
2、干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。关键词 AT89S52单片机,数字温度计,DS18B20传感器芯片DESIGN OF DIGITAL THERMOMETERBASED ON AT89S52ABSTRACTIn this paper, A microcontroller AT89S52 is designed as a controller .as the temperature with a temperature sensor DS18B20 collector ,as the LED digital display digital thermometer ,
3、 digital thermometer that can measure between -55125 temperature .The paper details the AT89S52 microcontroller and DS18B20 digital temperature sensor chip select, the microcontroller and the temperature sensor interface circuit and microcontroller and LED digital tube interface circuit design, and
4、implement the temperature information collection and data transfer software programming approach by commissioning , digital thermometer designed to meet the relevant design requirements. The system is simple and strong interference capability, suitable for harsh environments spot temperature measure
5、ment, a wide range of applications.KEYWORDS AT89S52Microcontroller, Temperature measurement system, DS18B20 sensor第1章 绪 论1.1 选题的背景和意义 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。温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（
6、如：物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。现在所使用的温度计通常都是精度为1和0.1的水银、煤油或酒精温度计。这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。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，测温准确等优点，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。 目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等，温度计中传感器是它的重要组成部分，
7、它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。1.2 数字温度计的概述 随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比，这里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。
8、选用AT89C2051型单片机作为主控制器件，DSl8B20作为测温传感器通过4位共阳极LED数码管串口传送数据，实现温度显示。通过DSl8B20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，在-55+125最大线性偏差小于05。该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。1.3 设计思路大多单片机接口输入的信号是数字信号，或有带AD转换的高端单片机也可以输入模拟信号。由单片机获取非电信号的温度信息，必须通过温度传感器。传统的温度测量多以热敏电阻作为温度传感器。但是，热敏电阻的可靠性较
9、差、测量温度精度低，而且还需经AD转换成数字信号后才能由单片机进行处理。因此，使用数字温度传感器可简化硬件设计、方便单片机读取数据、节约成本。设计单片机数字温度计需要考虑以下3个方面： 1)温度传感器芯片的选择； 2)单片机和温度传感器的接口电路设计； 3)控制温度传感器实现温度信息采集以及数据传输的软件。1.4 设计要求本次设计的数字显示温度计，需满足以下设计要求：1）用LED数码管或LED显示温度值；2）温度测量范围：-55-+125；3）温度精度：0.5； 4）温度显示分辨：0.1。1.5 系统说明及使用说明本装置的功能是对温度进行实时监测与控制，有温度传感器DS18B20对温度进行采样
10、和转换成数字信号送入单片机，并与设定的报警温度上、下限值进行比较，信息通过LED显示出来。如果实时温度超过上下限值，一方面由LED显示信息，并发出报警声；另一方面自动控制继电器接通或者断开，从而控制加热源的开与断，达到对温度进行实时控制的目的。在这次的设计中用的开发工具是PROTUES，由于该开发工具稳定，而且操作方便，故选择了此开发工具。打开keil，输入所编写的源程序并对程序进行编译，在软件的帮助下检查其中的错误并进行反复修改，直到编译正确后运行，确保没有错误以后对正确的源程序进行保存，保存时给其命名，以便将来载入程序时容易找到。本系统具有较强的实用价值，使用时，只要将其放在需要测量的地方
11、接通电源就可以了，并且可以根据季节来设定不同的报警温度，设置时可以通过按键来实现：K1为设定值加减方式选择键；K2为TH值设定键；K3为TL值设定键；K4为确定键。当超过报警最高的温度时，会自动报警并接通散热系统，相反，当低于最低温度时，会接通加热系统并报警。实时温度可以在LED上显示，使用时，可以将LED接在随时都可以看见的地方，便于随时掌握实时温度。第2章 设计方案论证和系统的整体设计2.1 设计方案论证2.1.1 设计方案一利用LM35温度感应器在温度变化时转化成电压的等比例变换，然后通过数码显示管以数字的显示显示出来。此电路图的核心元件是利用ICL7107来完成功能的转换，ICL710
12、7是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。制作时，数字显示用的数码管为共阳型，2K可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其它器件选用正品即可。该电路稍加改造，还可演变出很多电路，如数显电流表、数显温度计等. 静默电流温度关系。硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高，精度不高，不适合在高精度场合使用。2.1.2 设计方案二利用集成温度传感器AD590设计并制作了一款基于AT89C51的4位数码管显示的数字温度计，其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现。该数字
13、温度计利用AD590集成温度传感器及其接口电路完成温度的测量并转换成模拟电压信号，经由模数转换器ADC0804转换成单片机能够处理的数字信号，然后送到单片机AT89C51中进行处理变换，最后将温度值显示在D4、D3、D2、D1共位七段码LED显示器上。系统以AT89C51单片机为控制核心，加上AD590测温电路、ADC模数转换电路、4位温度数据显示电路以及外围电源、时钟电路等组成。本设计和方案一一样采用模数转换。硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。故温度计不稳定精度不高，不适合在高精度场合使用。2.1.3 设计方案三在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，传统的测温元件有热电偶
14、和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。本数字温度计设计采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感DS18B20作为检测元件，温度范围为-55125，最大分辨率在0.0625。DS18B20可以直接读出温度被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：主控制器、测温电路、显示电路。数字温度计总体电路结控制器使用单片机AT89S52，温度传感器使用DS18B20，用4位共阳LED数码
15、管以动态扫描实现温度显示。此电路温度分辨率高、电路简单、可靠，可以再较高环境要求下准确测温，故采用此方案。2.2 系统整体设计方框图温度计电路设计总体设计方框图如图1-1所示控制器采用单片机AT89S52温度传感器采用DSl8B20用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。图2-1.整体设计方框图第3章 系统主要器件选择3.1 AT89S52单片机内部结构AT89S52是MCS-52系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。 AT89S52单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址
16、总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：其结构如图3-1 中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数据存储器(RAM)AT89S52内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 图3-1 AT89S52单片机的结构框图程序存储器(ROM)：
17、 AT89S52共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时/计数器(ROM)： AT89S52有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 并行输入输出(I/O)口： AT89S52共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。 全双工串行口： AT89S52内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 中断系统： AT89S52具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先
18、级别选择。 时钟电路： AT89S52内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但AT89S52单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。AT89S52引脚说明：MCS-52系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引
19、脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如图3-2所示 图3-2 AT89S52单片机引脚图 Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当AT89S52通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状
20、态，AT89S52的初始态。AT89S52的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图3-3。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。 图3-3 时钟电路 Pin30:ALE/PROG当访问外部存储器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而当访问内部存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，PROG将用于输入编程脉冲。 Pin29:PES
21、N当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。 Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。3.2 温度传感器DSl8B20简介DSl8820是美国达拉斯(Dallas)公司的单线数字温度传感器芯片，与传统的热敏电阻不
22、同。DSl8B20可直接将被测温度转换为串行数字信号，供单片机处理。通过编程，DSl8B20可以实现912位的温度读数，并可分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量。其测温范围一55一十125，最大分辨率为0062 5，在一10+85范围内其测温准确度为0.5。DSl8B20具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与微处理器连结等特点而且它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，与单片机交换信息仅需要一根IO口线，其读写及温度转换的功率也可来源于数据总线，而无需额外电源。另外，每片DSl8B20都设有唯一的产品序列号，存放在它的内部ROM中，单片机通过简单的协议就能识别这个序列号
23、。因此，多个DSl8B20可以挂接于同一条单线总线上，特别适合构成多点温度测控系统。3.2.1 DSl8B20性能特点 1)独特的单线接口，仅需1个IO口引脚即可通信，无需变换其它电路，直接输出被测温度值的数字信号； 2)多点(multidrop)能力使分布式温度检测应用得以简化： 3)不需要外部元件； 4)既可用数据线供电，也可采用外部电源供电； 5)零待机功耗，不需备份电源； 6)测量范围为一55+125，固有测温分辨率为05； 7)通过编程可实现912位的数字读数方式； 8)温度数字量转换时间200ms(典型值)； 9)用户可定义非易失性的温度告警设置； 10)警告搜索命令能识别和寻址温
24、度在编定的极限之外的器件(温度警告情况)； 11)应用范围包括恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统.3.2.2 引脚排列与功能DSl8B20采用3脚TO一92封装或8脚SOIC封装，其外部形状及管脚图如图34所示。图中GND为地，DQ为数据输入输出端，该脚为漏极开路输出。常态下呈高电平，可选用的VDD引脚，不用时应接地。SOIC封装的NC为空引脚。 图34引脚排列与功能3.2.3 DSl8B20温度测量原理图 DSl8B20测量温度使用了DALLAS特有的温度测量技术。DSl8B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号fo，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号fo当
25、计数门打开时，DSl8B20对毛计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果暂存于温度寄存器中，用单片机可以方便地将其读出来。如图35所示图35 测温原理图3.2.4 运用告警信号 在DSl8B20完成温度变换之后，温度值与储存在TH和TL内的告警触发值进行比较。由于是8位寄存器，所以912位在比较时忽略。TH或TL的最高位直接对应于16位温度寄存器的符号位。如果温度测量的结果高于TH或低于TL，那么器件内告警标志将置位，每次温度测量都会更新此标志。只要告警标志置位，DSl8B20就将响应告警搜索命令，这也就允许单线上多个DSl8B20
26、同时进行温度测量，即使某处温度越限，也可以识别出正在告警的器件。3.2.5 单总线(single一bus)技术目前，微机和外设之间数据传输的串行总线常用的有C总线、SPI总线等。其中，C总线采用同步串行两线(一根时钟线、一根数据线)方式，而SPI总线采用同步串行三线(一根时钟线、一根输入线、一根数据输出线)方式。美国达拉斯半导体公司推出了一项特有的单线(singlebus)技术。该技术与上述总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的。这种单线技术具有线路简单、便于扩展的优点。单线技术适用于单主机系统，单主机能够控制一个或多个从机设备，它们之间的数据交换、控制都
27、由这根线来完成。主机和从机之间的通信主要分为3个步骤：初始化单线器件、识别单线器件和单线数据传输。由于只有一根线通信，所以它们必须是严格的主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，主机访问每个单线器件必须严格遵循单线命令序列，如果命令序列混乱，单线器件将不会响应主机。3.2.6 DS18B20的特性 DS18B20 是一种数字式的温度传感器, 在其内部使用了在(On-Borad)专利技术。使其具有以下特性:单线接口, 只需一根口线与CPU 连接;不需要外部元件, 不需要备份电源, 可用数据线供电;支持多点组网功能, 多个DS18B20 可以并联在唯一的三线上;温度测量范围从- 50 125;
28、通过编程可实现1 2 116 的四级精度转换;在93. 75m s 和750m s 内将温度值转化9 位和12 位的数字量;用户可自设定非易失性的报警上下限值;报警搜索命令可以识别哪片DS18B20 温度超限;芯片本身带有命令集和存储器3.3 显示器件LED数码管LED数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极(负极)短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平、?端接低电平时，才能发光。LED的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。常见管芯材料有磷化镓(GaP)、
29、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、氮化镓(GaN)等，其中氮化镓可发蓝光。发光颜色不仅与管芯材料有关，还与所掺杂质有关，因此用同一种管芯材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码管。其它颜色LED数码管的光谱曲线形状与之相似，仅入，值不同。LED数码管的产品中，以发红光、绿光的居多、这两种颜色也比较醒目。LED数码管等效于多只具有发光性能的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相似。在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升，笔段发光。因此，LED数码管属于电流控制型器件，其发光亮度L(单
30、位是cd/m2)与正向电流IF有关，用公式表示：L=KIF即亮度与正向电流成正比。LED的正向电压U，则与正向电流以及管芯材料有关。使用LED数码管时，工作电流一般选10mA左右段，既保证亮度适中，又不会损坏器件。LED数码管的引脚配置与两种接法如图3-6 图3-6 LED数码管的引脚与接法 第4章 硬件设计4.1 系统硬件设计由AT89S52构成的温度计主要由三部分组成：DSl8820温度传感器、单片机AT89S52、由LED数码管构成的显示模块。其系统原理框图如图41所示。DSl8820作为单片机AT89S52的外部信号源，把所采集到的温度转换为数字信号，通过IO接口传给C52,C52启动
31、ROM内的控制程序驱动LED数码管，通过I0接口和数据传送给数码管，将采集到的温度显示出来。温度及原理框图：图4-1 温度计原理框图4.2 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4-2所示。 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。可以根据所属程序设置温度及上下限报警设置。蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时。发出报警呜叫声音，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。图中复位电路为上电复位，设计简单。图4-2 单片机主板电路4.3 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门的RXD.和TXD串口的发送和接收，四只数码管采用8个电阻代替74LS64右移寄存器驱动.图4-3 温度显示电路4.4 DS18B20与单片机接口电路 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44 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
