2022年简易数字温度计的方案设计书.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录引言.3 1 功能要求 . . 4 2 系统方案论证与比较 . . . 4 2.1 数字温度计设计方案论证 . .4 2.1.1 方案一 . . . .4 2.1.2 方案二 . . . . . .6 2.2 方案二的总体设计框图 . . .73 系统主要元器件的挑选及介绍.8 3.1 单片机的选用及功能介绍 . . . . . .8 3.1.1 单片机简介 .8 3.1.2 单片机的产生与进展 . . . . 9 3.1.3 单片机的应用 . . . .10 3.1.4MCS-51单片机引脚及功能介绍 .11 3.2 温度传感器的挑选 . . . . .13 3.2.1DS18B20 简洁介绍 . . . . .14 3.2.2DS18B20 的性能特点和使用中的留意事项 . . . . .14 3.2.3DS18B20的引脚及内部结构 . . .16 3.2.4 DS18B20 的工作原理 . . .25 3.2.5DS18B20的单线协议和命令 . . . .26 3.2.6 温度数据的运算处理方法 4 系统硬件电路的设计 . . .29 . .32 4.1 主板电路 .32 名师归纳总结 - - - - - - -4.2 显示电路 . . .32 4.3DS18B20温度传感器与单片机的接口电路 . . .33 5 系统软件算法分析 . .34 5.1 主程序 .34 5.2 读出温度子程序 . .35 5.3 温度转换命令子程序 . . .36 5.4 运算温度子程序 . .37 5.5 显示数据刷新子程序 . .38 6 调试及性能分析 . . 39 结论 . .40 致谢 . .41 参考文献 . .42 附录 . .43 附录一原理图 . . . . 44 附录二 掌握源程序清单 . . 48 第 1 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 基于单片机的数字温度计的设计指导老师：宗文军2006 级机电专业学号 20060279 姓名 胡雄飞摘要随着时代的进步和进展,人类不断的需求,科技不断的进步；温度计所给人类带 来的便利也是不行否定的,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；由于老式温度计的精确度低,测量范畴小,无法满意现代化生活 : 工业、教 案、科研、旅行等等各个领域的需求；随着集成电路技术的进展,单片微型运算机的 功能也不断增强,由于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, 本文将介绍一种基于单片机掌握的数字温度计,它属于多功能温度计；本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比,具有读数便利,测温范畴广,测温精确等优点；该温度计以 AT89S51 为主控器,通过 DS18B20来检测温度,并通过四位共阳极 LED 数码管以串口传送数据 , 实现温度显示；同时可以设置上下线报警温度,当温度不在设置范畴内时,可以报警；数字温度计是单总线器件,具有线路简洁,体积小的特点；因此用它来组成一个测温系统,具有线路简洁,在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计,特别便利；关键词 ：单片机；数字掌握；温度计； DS18B20；AT89S51 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - Based on the design of microcontroller digital thermometerTutor : Qin Zhi Guang Author : Jia Zhen Abstract As the times progress and development, human constant demand, technological progress. Thermometer, given the convenience of mankind is undeniable, in which the digital thermometer is a typical example, but it have become increasingly demanding. Due to the low accuracy of old-fashioned thermometer, measuring range is small, does not meet modern life: industry, teaching, research, and tourism demand in various fields. With the integrated circuits technology, single-chip micro-computer features are also growing, due to microcontroller technology has spread to our lives, work, research in various fields has become a relatively mature technology, this article describes a control based on single chip digital thermometer, it belongs to multi-function thermometer. The design presented in digital thermometer with a traditional thermometer, compared with a reading convenience, a wide range of temperature measurement, temperature measurement accurate. The thermometer in order to AT89S51-based controller, through the DS18B20 to detect the temperature, and through four common anode LED digital tubes, serial transmission of data to achieve temperature display. You can set the alarm off the assembly line at the same time the temperature is set when the temperature is not within the scope when it could be reported. Digital thermometer is a single bus device, with a simple circuit, small size and characteristics. Therefore, use it to form a temperature measurement system with a simple circuit, in a communication line can carry many of these digital thermometer is very convenient. Key words:SCM； digital control ； thermometer； DS18B20； AT89S51 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 引言在日常生活及工农业生产中常常要用到温度的检测与掌握,而在传统的温度测量系统中,一般采纳热电偶或铂电阻进行温度测量；在这些电路中,有这样一些问题必须解决 : 为了进行精确的温度测量,必需给铂电阻供应一个良好的恒流源；由于热电偶出来的信号是模拟信号,所以此信号在送给CPU之前必需先进行A/D 转换,然后再送给 CPU进行处理；并且热电偶的信号很柔弱,只有十几个mA,因此在 A/D 转换之前通常仍需要进行增益放大,因此,采纳热电偶和铂电阻进行温度测量,需要考虑很多问 题,构成的系统也比较复杂；况且它们测出一般为电压,再转换成相应的温度,需要 比较多的外部硬件来支持,这样以来造成系统硬件电路复杂,软件调试复杂,并且制 作成本高；DALLAS公司推出的数字式温度传感器 DS18B20采纳一线接口,只需占用单片机的一个DS18B20很好地解决了这样一些问题,I/O 口位,其外围电路也特别简洁；并且 DS18B20将测得的温度信号转换为数字量输出,可以与单片机直接相连,而不需进 行信号放大和 A/D 转换,大大简化了电路的设计,因此本数字温度计的设计采纳了 DS18B20作为温度传感器进行温度采集；单片机 AT89S51 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,很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电；显示电路采纳 3 位共阳 LED数码管,从 P3 口 RXD,TXD串口输出段码；本数字温度计采纳DS18B20作为检测原件,掌握器使用单片机AT89S51,用 3 位共阳极 LED 数码管实现温度显示 , 削减了外部硬件电路,具有读数便利,测温范畴广,测温精确,低成本 , 易使用等特点；1 功能要求1）以 AT89S51单片机为核心器件,组成一个数字式温度计；2）采纳数字式温度计传感器DS18B20为检测器件,精度误差小于0.5 ；3）温度显示采纳 3 位 LED数码管显示,三位整数,一位小数；4）具有键盘输入上、下限功能,超过上、下限温度时,进行声音报警；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2 系统方案论证与比较2.1 数字温度计设计方案论证 一个典型的单片机自动测温系统由三大部分组成：测量放大电路、A/D 转换电路 和显示电路；它广泛应用于发电厂、化工厂的测温顺温度掌握系统中；2.1.1 方案一 传统的测温元件有热电偶和热电阻；热电偶和热电阻测出相应的电压值,再将电 压转化成对应的温度；A/D 转换电路、本方案硬件电路设计主要由热电偶温度传感器、测量放大电路、ICL 与单片机的接口电路和显示电路构成；软件设计主要由 ICL 模块、 WAVE 数字滤波模块、 MODIFY 模块、 YA 查表模块、查表法和 支持,硬件电路复杂,软件调试复杂,制作成本高；2.1.2 方案二DIR 组成；需要比较多的外部硬件本数字温度计设计采纳温度传感器 DS18B20 作为检测元件,测温基本范畴为-50-110,最大辨论率可达 0.0625； DS18B20 可以读出被测温度值,而且采纳 3线制与单片机相连,削减了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点；从以上两种方案,很简洁看出,采纳方案二,电路比较简洁,软件设计也比较简单,故采纳了方案二；2.2 方案二的总体设计框图依据系统设计功能的要求,确定系统由3 个模块组成：主掌握器、测温电路及显示电路；数字温度计总体电路结构框图如图 2-1 所示；主掌握器单片机 AT89S51 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,很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 显示电路显示电路采纳 3 位共阳 LED数码管,从 P3 口 RXD,TXD串口输出段码；图 2-1 数字温度计电路结构框图3 系统主要元器件的挑选及介绍3.1 单片机的选用及功能介绍3.1.1 单片机简介一、单片机的概念所谓的单片机就是在一块半导体芯片上集成了CPU（中心处理器）、 ROM（只读存储器）、 RAM（静态可读 / 写储备器）、 I/O 接口、定时器 / 计数器、中断系统等功能部 件的的微型运算机；单片机全称叫单片微型运算机,又称微处理器或微掌握器等；二、单片机的特点 1、性价比高；2、集成度高、体积小、牢靠性高；3、掌握功能强；4、低电压、低功耗；3.1.2 单片机的产生与进展名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 从 1974 年 12 月,仙童（ Fairchild）公司第一推出8 位单片机 F8,采纳：双片形式 F8（8 位 CPU64RAM2 个并行 I/O 口） 3851（1K ROM定时器 / 计数器 2 个并行 I/O ）；至今经受四代：第一代： 197478,典型代表如 Intel 公司的 MCS-48型 8 位单片机,采纳 8 位CPU、2 个 I/O 口、8 位定时器 / 计数器、 64 RAM/ 1K ROM、简洁中断,寻址小于 4K,且无串行口；其次代： 197883,高档 8 位单片机,如 MCS-51, MC6801,Zilog 公司的 Z8 等；增加功能：串行I/O 、多级中断、 16 定时 / 计数器、片内RAM/ROM增大,寻址 64K,片内带 A/D 转换器接口；第三代： 198390 岁月初, 16 位单片机显现,如MCS-96系列的 8096、8098 芯片；增加性能： 16 位 CPU,RAM/ROM增大,中断才能增强、 A/D、HSIO等第四代： 90 岁月至今,高档16 位产品和32 位产品的显现,如80196,MC8300等,性能、速度大大提高；3.1.3 单片机的应用1、测控系统；2、智能外表；3、机电一体化产品；4、智能接口；5、智能民用产品；3.1.4MCS-51 单片机引脚及功能介绍单片机引脚如图 3-1 所示 1. 电源引脚 VCC：电源端,单片机的工作电源,接5V直流电；VSS：接地端；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3-1 MCS51 单片机引脚介绍2. 掌握信号引脚 /EA：程序储备器挑选掌握端,/EA =0 ,挑选片外程序储备器；/EA =1 ,挑选片内程序储备器RST：复位信号输入,当干引脚保持2 个机器周期的高电平,就能使单片机复位；名师归纳总结 ALEAddress Latch Enable：地址锁存答应信号输出端第 8 页,共 38 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - /PSENProgram Select Enable 常用复位电路 : ：外部程序储备器输出答应掌握信号单 片 机单 片 机图 3-2 （ a）上电复位电路3. 并行 I/O 接口引脚图 3-2 （b）上电复位和按键复位电路P0.0P0.7：P0 口,双向输入 / 输出口；如系统接有外部储备器,P0 口可作为数据总线和低 8 位地址总线；当作为一般I/O 口使用时,应接上拉电阻；P1.0P1.7：P1 口,仅作为一般 I/O 口使用；P2.0P2.7：P2 口,准双向输入 / 输出口；如系统接有外部储备器,P0 口作为高 8 位地址总线；P3.0P3.7：P3 口,准双向输入 / 输出口； P3 口具有其次功能； P3 口的其次功能 如表 3-1 所示；4. 时钟电路引脚名师归纳总结 XTAL1：内部振荡电路输入端,外接晶体振荡器的一个引脚；XTAL2：内部振荡电第 9 页,共 38 页路输出端,外接晶体振荡器的另一个引脚,如图3-3 所示；表 3-1 P3口的其次功能I/O 口其次功能I/O 口其次功能P3.0串行数据接收端P3.4T/C0 外部脉冲输入端P3.1串行数据发送端P3.5T/C1 外部脉冲输入端P3.2外部中断 0 输入P3.6写片外数据储备器P3.3外部中断 1 输入P3.7读片外数据储备器- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 晶振可挑选 4M-40MHZ 电容可选 20-30PF 图 3-3 内部振荡方式3.2 温度传感器的挑选3.2.1DS18B20 简洁介绍DSl8B20 数字温度计供应9 位 二进制 温度读数,指示器件的温度；信息经过单线接口送入 DSl8B20 或从 DSl8B20送出,因此从主机 CPU到 DSl8B20仅需一条线 和地线 ；DSl8B20 的电源可以由数据线本身供应而不需要外部电源；由于每一个 DSl8B20在出厂时已经给定了唯独的序号,因此任意多个DSl8B20 可以存放在同一条单线总线上；这答应在很多不同的地方放置温度敏锐器件；DSl8B20 的测量范畴从-55°C 到+125°C,增量值为 0.5 °C,可在 ls 典型值 内把温度变换成数字；每一个 DSl8B20包括一个唯独的 64 位长的序号,该序号值存放在 DSl8B20内部的ROM只读存贮器 中；开头 8 位是产品类型编码 DSl8B20 编码均为 10H；接着的 48 位是每个器件唯独的序号；最终8 位是前面 56 位的 CRC循环冗余校验 码； DSl8B20 中仍有用于贮存测得的温度值的两个 8 位存贮器 RAM,编号为 0 号和 1 号； 1 号存贮器存放温度值的符号,假如温度为负°C,就 1 号存贮器 8 位全为 1,否就全为 0；0 号存贮器用于存放温度值的补码,LSB最低位 的 1 表示 0.5 °C；将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以 2 就得到被测温度值；3.2.2DS18B20 的性能特点和使用中的留意事项1DS18B20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,并且可依据实名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 际要求通过简洁的编程实现912位的数字值读数方式； DS18B20的性能特点如下：1 特殊的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2 多个 DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能；3 无须外部器件；4 可通过数据线供电,电压范畴为 3.05.5V；5 零待机功耗；6 温度以 9 或 12 位数字；7 用户可定义报警设置；8 报警搜寻命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；9 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；2DS18B20温度计仍可以在高底温报警、远距离多点测温等方面进行应用开发,但 在实际设计中应留意一下问题：1 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿,由于 DS1820 与微处理器间采用串行数据传送,因此,在对DS1820进行读写编程时,必需严格的保证读写时序,否就将无法读取测温结果；在使用PL/M、C 等高级语言进行系统程序设计时,对DS1820操作部分最好采纳汇编语言实现；2DS18B20 工作时电流高达1.5mA,总线上挂接点数较多且同时进行转换时,要考虑增加总线驱动,可用单片机端口在测温转换时导通一个 MOSFET 供电；3 连接 DS18B20 的总线电缆是有长度限制的,因此在用 DS18B20 进行长距离测温系统设计时,要充分考虑总线分别电容和抗阻匹配等问题；4 在 DS18B20 测温程序设计中,向DS18B20 发出温度转换命令后,程序总要等待 DS18B20 的返回信号,一旦某个DS18B20 接触不好或断线,当程序读该DS18B20时,将没有返回信号,程序进入死循环,这一点在进行 时要给与肯定的重视；DS18B20 硬件连接和软件设计名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.2.3DS18B20 的引脚及内部结构1 DS18B20 的引脚及功能图 3-4 TO 92 封装的 DS18B20的引脚排列序号名称表 3-2 DS18B20具体引脚功能描述引脚功能描述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,也可以向器件供应电源；3 VDD 可挑选的 VDD引脚；当工作于寄生电源时,此引脚必需接地；2 DS18B20 的内部结构及各部分功能DS18B20采纳 3 脚 PR35 封装或 8 脚 SOIC 封装,其内部结构框图如图 3-5 所示；主要由 4 部分组成： 64 位 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和TL、配置寄存器；名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3-5 DS18B20 内部结构4.2.4 DS18B20 的工作原理64 位 ROM的结构如图 3-6 所示,开头 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,最终 8 位是前面 56 位的 CRC检验码,这也是多个DS18B20可以采纳一线进行通信的缘由；非易失性温度报警触发器 报警上下限；图 3-6 64 位 ROM结构图TH和 TL,可通过软件写入户DS18B20温度传感器的内部储备器仍包括一个高速暂存 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 字节的储备器,结构如图 3-7 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辨论率；DS18B20工作时寄存器中的辨论率转换为相应精度的温度数值；该字节各位的定义如图 3-8 所示；低 5 位始终为 1,TM是工作模式位,用于设置 DS18B20在工作模式仍是在测试模式, DS18B20出厂时该位被设置为0,用户要去改动, R1 和 R0 打算温度转名师归纳总结 换的精度位数,来设置辨论率,定义方法见表3-3 ；第 13 页,共 38 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3-7 高速暂存 RAM结构图TM R1 R0 1 1 1 1 1 图 3-8 配置寄存器表 3-3 DS18B20 辨论率的定义规定R1 R0 辨论率 / 位温度最大转换时间/MS 0 0 9 93.75 0 1 10 187.5 1 0 11 375 1 1 12 750 由表 4-3 可见, DS18B20温度转换的时间比较长,而且辨论率越高,所需要的温度数据转换时间越长；因此,在实际应用中要将辨论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,表现为全规律 1；第 9 字节读出前面全部 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,开头启动转换；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储备在高速暂存储备器的第 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 式表示,温度值格式如图 3-9 所示；当符号位 S0 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 S1 时,表示测得的温度值为负值,要先将补码变成原码,再运算十进制数值；表 3-4 是一部分温度值对应的二进制温度数据；名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 38 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3-9 温度数据值格式温度 / 表 3-4 DS18B20温度与测得值对应表十六进制表示二进制表示+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 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；如 TTH或 TTL,就将该器件内的报警标志位置位,并对主机发出的报警搜寻命令作出响应；因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜寻；在 64 位 ROM的最高有效字节中储备有循环冗余检验码（CRC）；主机 ROM的前 56位来运算 CRC值,并和存入 DS18B20的 CRC值作比较,以判定主机收到的 ROM数据是否正确；DS18B20的测温原理如图3-10 所示 , 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转变,所产生的信号作为减法计数器2 的脉冲输入；器件中仍有一个计数门,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打算,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；名师归纳总结 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第 15 页,共 38 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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 重新开头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 2 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；图 4-10 中的累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形性,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,直到温度寄存器值达 到被测温度值；图 3-10 DS18B20 测温原理图3.2.5DS18B20 的单线协议和命令由于 DS18B20单线通信功能是分时完成的,它有严格的时