基于51单片机数字温度计显示设计.pdf

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1、 职业学院 毕业设计封面 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

2、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 AD、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

3、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.-19-1-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

4、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

5、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 -2-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

6、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

7、、利用 protel 绘制原理，利用 Proteus 进行仿真 -3-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

8、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

9、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，-4-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 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，

10、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 主控制单元 稳压电源电路 时钟芯片电路 数据储存单元 温度探测单元 温度数字显示 温度控制输出 -5-晶和字符液晶显示、电机控制、AD 转换、

11、DA 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 0420MHz.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

12、 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

13、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/-4

14、0-+85(19)封装：PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20(超 -6-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

15、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 -7-等测温元件相比，它能直接读出被

16、测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 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

17、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 -8-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

18、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 3.05.5；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；DS18B20采用 3 脚 PR35 封装或脚SOIC 封装，其内部结构框图如图 2-3所示。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 V

19、dd -9-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 3V5.5V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 -

20、10-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

21、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！-11-附录 A 主电路原理图 -12-附录 B 实物图 -13

22、-14-附录 C 程序#include#define ui unsigned int#define uc unsigned char /宏定义 sbit DQ=P37;/定义 DS18B20 总线 I/O bit bdata fuhao;uc qian,bai,shi,ge;uc code led =0 x5F,0 x44,0 x9D,0 xD5,0 xC6,0 xD3,0 xDB,0 x47,0 xDF,0 xD7;uc code led_dian=0 x7f,0 x64,0 xbd,0 xf5,0 xe6,0 xf3,0 xfb,0 x67,0 xff,0 xf7;/=/=DS18B20=

23、/=/*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()-15-uc i=0;uc dat=0;for(i=8;i0;i-)DQ=0;/给脉冲信号 dat=1;DQ=1;/给脉冲信号 if(DQ)dat|=0 x80;Delay(4);return(dat);/*写一个字节

24、*/void WriteOneChar(uc dat)uc i=0;for(i=8;i0;i-)DQ=0;DQ=dat&0 x01;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(0 xCC);/跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0 x44);/启动温度转换 Init_DS18B20();WriteOneChar(0 xCC);/跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0 xBE);/读取温度寄存器 a=ReadOne

25、Char();/读低 8 位 -16-b=ReadOneChar();/读高 8 位 t=b;t=8;t=t|a;if(t&0 xf800)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%10

26、00)%100)%10;/计算得到小数位 /*显示开机初始化等待画面*/void Disp_init()P0=0 x7f;/显示-P2=0 x7f;Delay(100);P2=0 xdf;Delay(100);-17-P2=0 xf7;Delay(100);P2=0 xfd;Delay(100);P2=0 xff;/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=0 x7f;/1011 1111 else P0=0 xff;P2=0 xfd;Delay(100);P2=0 xff;else if(qian

27、!=0)P0=ledqian;P2=0 xfd;Delay(100);P2=0 xff;if(bai=0)&(qian=0)P0=0 xff;/P2=0 xf7;Delay(100);P2=0 xff;else if(bai=0)&(qian!=0)P0=ledbai;P2=0 xf7;Delay(100);-18-P2=0 xff;else if(bai!=0)P0=ledbai;/P2=0 xf7;Delay(100);P2=0 xff;P0=led_dianshi;/P2=0 xdf;Delay(100);P2=0 xff;P0=ledge;/显示符号 P2=0 x7f;Delay(10

28、0);P2=0 xff;/关闭显示 /*主函数*/void main()uc z;for(z=0;z100;z+)Disp_init();check_wendu();while(1)check_wendu();for(z=0;z10;z+)Disp_Temperature();-19-参考文献 1 李朝青.单片机原理及接口技术M.杭州：北京航空航天大学出版社，1998，42-48.2 李广弟.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社，1994.12-18.3 阎石.数字电子技术基础（第三版）M.北京：高等教育出版社，1989，5-9.4 刘高潮.一种实用的多功能数字温度计设计J.电子测量技术,2007，8-10.5 白泽生.用 MCS-51 单片机实现温度的检测J.现代电子技术,2005，12-15.6 何立民.单片机应用技术选编M.北京：北京航空航天大学出版社,2004，56-60.7 杨刚,周群.电子系统设计与实践M.北京：电子工业出版社,2004，24-26.8 张洪润.电子线路与电子技术M，北京：清华大学出版社，2005，20-24.9 王松武.电子创新设计与实践M北京：国防工业出版社，2005，14-19.10 李建忠.单片机原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2002，30-34.