基于单片机数字温度计毕业设计.docx
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基于单片机数字温度计毕业设计
摘要
本论文介绍了一种以单片机为主的控制器件，一种以DS18B20为温度传感器的新型数字温度计。
主要包括硬件电路的设计和系统程序的编写。
硬件电路主要包括主控制器，测温控制电路和显示电路等，主控制器采用AT89S51单片机，温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20，显示电路采用8位共阴极LED数码管，74HC573为驱动的动态扫描显示。
测温控制电路由传感器和预制温度比较电路组成。
系统程序主要包括主程序，测温子程序和显示子程序等。
DS18B20新型单总线数字温度传感器是DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，集温度测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，具有接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等特点。
由于采用了改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，与传统的温度计相比，本数字温度计减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的点特点。
DS18B20温度计还可以在高温报警、远距离多点测温控制等方面进行应用。
关键词：
STC89C52，DS18B20，数码管，动态显示
ABSTRACT
Thispaperintroducesamicrocontrollerbasedcontroldevice,atemperaturesensortoDS18B20forthenewdigitalthermometer.Includinghardwaredesignandsystemproceduresforthepreparation.Hardwarecircuitincludesamaincontroller,temperaturecontrolcircuitanddisplaycircuit,themaincontrollerusesSTC89C52,DALLASSemiconductortemperaturesensorusedbytheU.S.company'sDS18B20,displaycircuitwitheightcommoncathodeLEDdigitaltube,74HC573-drivendynamicscandisplay.Temperaturecontrolcircuitfromthesensorandthepre-comparisoncircuittemperature.Systemprogramincludingthemainprogram,subroutine,anddisplayroutinessuchastemperature.DS18B20newsingle-busdigitaltemperaturesensorisproducedbyDALLAS-wiredigitaltemperaturesensor,setthetemperaturemeasurementandA/Dconversioninone,thedirectoutputofdigitalcontent,withasimpleinterface,highprecision,stronganti-interferenceability,stableandreliable,.
AsaresultofimprovedtemperaturesensorDS18B20asthedetectionofintelligentcomponents,comparedwiththetraditionalthermometer,digitalthermometertoreducetheexternalhardwarecircuitry,lowcostandeasytousepointfeatures.DS18B20thermometercanalsobeatahightemperaturealarm,remotecontrolmulti-pointtemperaturemeasurementapplicationsinareassuchas.
Keywords:
STC89C52,DS18B20,digitalcontrol,dynamicdisplay
第1章前言
随着科学技术日益迅速的发展，数字监控系统已经深入到生活的各个方面。
数字温度计作为数字监控系统的重要组成部分发挥着极其重要的作用。
它克服了接触式温度计对传感器的耐热性能要求比较苛刻的缺点，使温度计无论在使用范围还是测量精度上都有了长足的进步。
本设计就是在这种广阔的应用背景下应运而生的。
下面就本设计的设计目标和思路进行简单介绍。
1.1设计目标
系统上电复位并初始化后，主控制器将发出略读电可擦除只读存储器及温度转换命令，然后执行读出温度和温度处理函数，最后用4位LED数码管显示温度值的百位、十位、个位及小数部分，以十进制方式显示。
1.1.1前景
温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业，现代科学研究和各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。
温度测量的原理主要是：
将随温度变化而变化的物理参数，如膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性、频率、光学特性等通过温度传感器转变成电的或其他信号，传给处理电路。
最后转换成温度数值显示出来。
传统的温度测量方法基本上是接触式的，主要有：
热膨胀式温度计，电阻式温度计，热电偶式温度计等。
这些接触式温度计的主要缺点是对传感器的耐热性能要求比较苛刻，所以对应的使用温度范围比较有限。
它们的精度也大大限制了他们的应用领域。
此外，由于这些测量方法大都是接触式的，会污染一些高纯度，高腐蚀性的测量对象。
目前应用的比较广泛的非接触温度测量技术有红外非接触温度测量技术，单总线数字式温度测量技术等等。
此外，激光测量温度技术，基于彩色三基色的温度测量技术也开始成为温度测量的手段。
随着科学技术的进一步发展，相信更多更先进的温度测量手段会出现并影响我们的生产、生活和社会生活的方方面面。
1.1.2实现的可行性
在嵌入式系统设计中，LED显示器是常用的显示设备之一，它具有使用方便、价格便宜、电路接口简单等优点，因此，在嵌入式系统中被广泛使用。
为了实现LED显示器的数字显示，可以采用静态显示法和动态显示法。
由于静态显示法需要数据锁存器等硬件，接口复杂一些，考虑到温度计显示只有4位，且系统没有其它复杂的处理任务，所以计划采用动态扫描法实现LED显示。
主控制器计划采用飞思卡尔公司的MC9S12DG128单片机，这种单片机具有足够的空余硬件资源，以便可以实现其它的扩
充功能。
数字温度计要求用4位共阴极LED数码管显示温度值的百位、十位、个位及小数部分，以十进制方式显示。
1.2设计思路
主控制器采用飞思卡尔公司的MC9S12DG128单片机，这种单片机具有足够的空余硬件资源，以便可以实现其它的扩充功能。
利用温度传感器DS18S20来实现测温，它可以实现-55至+125℃的显示，本设计使用4位共阴极LED显示，可满足该范围内温度的显示。
1.2.1硬件设计思路
硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现此设计基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：
①系统稳定度；②器件的通用性或易选购性；③软件编程的易实现性；④系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。
主要设计包括以下三部分：
单片机主控模块：
采用MC9S12DG128，单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。
关于主控芯片的体系结构在第二章会有详细的介绍。
数字温度计模块：
采用DS18S20，DS18S20是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、实现单总线协议的温度传感器，它可以显示-55至+125℃范围内的温度,采用单总线接口与CPU进行同步通信，在这个总线系统中，微处理器（主设备）识别并寻址在总线上的设备要使用每个设备的独一无二的64位码。
DS18S20能够不依靠额外的电能供应就能独立运行。
它的主要特性在第三章有详细介绍。
LED显示模块：
在微控制器应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，则使用LED数码管是一种较好的选择。
LED数码管显示清晰，成本低廉，配置灵活，与微控制器的接口简单易行。
LED显示器有动态扫描和静态显示两种方式，动态扫描需要耗费大量的MCU时间，且亮度不够；而静态显示亮度高，MCU负担小，但由于温度测量精度的要求较高，所以本设计采用LED动态扫描。
1.2.2软件设计思路
程序比较简单，初始化完成后，调用读出温度子程序，将温度寄存器中的温度读出，然后调用温度处理子程序，将温度数据转换成十进制值并送LED显示。
主要模块有读出温度模块、温度处理模块和LED显示模块。
读出温度模块：
首先复位后发送略读ROM命令,由于本设计总线上只有一个DS18S20，因而总线控制器不用提供64位ROM编码就使用存储器操作命令。
其次发送读取超高速中间结果存储器命令，用于将超高速中间结果存储器中的内容读出。
读出后存放在一个16位数组temp_data[]中，其中将低8位放在temp_data[0]中，高8位放在temp_data[1]中。
再次复位并再发略读ROM命令，以便读出下一个温度值。
最后发送温度转换命令。
温度处理模块：
首先判断读出的温度数据是正还是负，若为负则取补码；其次取出temp_data[0]中的bit0位并放入display[0],该部分为温度值的小数部分；temp_data[0]中的剩余部分为温度值的整数部分，并分别取出百位、十位、个位数分别放在display[3]、display[2]和display[1]中；最后对符号位是否显示做出处理。
LED显示模块：
由于LED数码管有共阳极和共阴极之分，而本设计采用的是共阴极数码管，因此需定义共阴极的十六进制数据到段码的转换表。
本模块使用全局变量
DispDigMsk指向下一个要显示的数码；使用DispSegTbl[DISP_N_DIG]表示与每个要显示的数码相对应的段码；使用DispSegTblIx表示指向下一个要显示数码在段码表中的位置。
具体处理步骤如下：
1、进行与显示驱动相关的I/O引脚初始化
2、中断显示处理：
（1）清模计数器中断标志
（2）选择下一个要显示的数码
（3）输出该数码的段码
（4）调整指针。
如果在指向下一个段码时发现已经到了最后一个则返回第一个，
否则指针后移并且DispDigMsk指向下一个要显示的数码。
LED的动态扫描功能通过以上步骤的循环实现。
第2章方案论证
该系统主要由温度测量和数据采集两部分电路组成，实现的方法有很多种，下面将列出两种在日常生活中和工农业生产中经常用到的实现方案。
2.1方案一：
使用热敏电阻
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。
2.2方案二：
采用数字温度芯片DS18B20
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。
在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S51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,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。
采用51单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。
控制工作，还可以与PC机通信上传数据，另外AT89S51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。
该系统利用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。
该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。
系统框图如图1.1所示
图2.1DS18B20温度测温系统框
从以上两种方案，容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。
方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单，故本次设计采用了方案二。
第3章各电路设计及论证
温度计电路设计原理图如图3.1所示,控制器使用单片机AT89C2051,温度计传感器使用DS18B20,用数码管实现温度显示。
本温度计大体分三个工作过程。
首先，由DS18820温度传感器芯片测量当前的温度，并将结果送入单片机。
然后，通过89C205I单片机芯片对送来的测量温度读数进行计算和转换，井将此结果送入显示模块。
由图2.1可看到，本电路主要由DSl8820温度传感器芯片、数码管显示模块和89C2051单片机芯片组成。
其中，DSI8B20温度传感器芯片采用“一线制”与单片机相连，它独立地完成温度测量以及将温度测量结果送到单片机的工作。
图3.1温度计电路设计原理图
3.1主控制器
3.1.1方案一：
采用PC机实现
此方案采用PC机实现。
它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。
且人机交互友好。
但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。
需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。
而且在一些环境比较恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦！
3.1.2方案二：
使用单片机
使用单片机，对于单片机的选择，可以考虑使用8031与8051系列，由于8031没有内部RAM，系统又需要大量内存存储数据，因而不适用。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可编程的Flash只读程序存储器,兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP），也可用传统方法进行编程，所以低价位AT89S51单片机可为提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。
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。
主要特性如下
●与MCS-51兼容
●4K字节可编程闪烁存储器
●寿命：
1000写/擦循环
●数据保留时间：
10年
●全静态工作：
0Hz-24Hz
●三级程序存储器锁定
●128*8位内部RAM
●32可编程I/O线
●两个16位定时器/计数器
●5个中断源
●可编程串行通道
●低功耗的闲置和掉电模式
●片内振荡器和时钟电路
89S51引脚功能介绍
图3.2AT89S51单片机引脚图
AT89S51单片机为40引脚双列直插式封装。
其引脚排列和逻辑符号如图3.2所示:
各引脚功能简单介绍如下：
●VCC：
供电电压
●GND：
接地
●P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高。
●P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
●P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
●P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），也是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：
P3.0RXD（串行输入口）
●P3.1TXD（串行输出口）
●P3.2INT0（外部中断0）
●P3.3INT1（外部中断1）
●P3.4T0（记时器0外部输入）
●P3.5T1（记时器1外部输入）
●P3.6WR（外部数据存储器写选通）
●P3.7RD（外部数据存储器读选通）
同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
●RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
●ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
●PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
●EA/VPP：
当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，访问内部ROM。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
●XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
●XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
单片机AT89C2051具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好满足电路系统的设计需要，很合适携手特式产品的使用。
主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。
必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。
3.2显示电路
3.2.1方案一：
采用七段LED数码显示
采用七段LED数码显示，LED显示器内部由7段发光二极管组成，因此亦称之为七段LED显示器，由于主要用于显示各种数字符号，故又称之为LED数码管。
每个显示器还有一个圆点型发光二极管，用于显示小数点。
但其编程相对复杂，可显示字符比较少。
但是本设计采用此种方案。
3.2.2方案二：
采用SMCI602A液晶显示模块芯片
采用SMCI602A液晶显示模块芯片，该芯片可显示16×2个字符，比以前的七段数码管LED显示器在显示字符的数量上要多得多。
另外，由于SMCl602芯片编程比较简单，界面直观，因此更加易于使用者操作和观测。
SMCl602A芯片的接口信号说明如表2.1所列。
表3.1SMCl602A芯片的接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据I/O
2
VDD
电源正极
10
D3
数据I/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
数据I/O
4
RS
数据/命令选择端
12
D5
数据I/O
5
R/W
读/写选择端
13
D6
数据I/O
6
E
使能信号
14
D7
数据I/O
7
D0
数据I/O
15
BLA
背光正极
8
D1
数据I/O
16
BLK
背光负极
3.3温度传感器的选择
3.3.1方案一：
采用热敏电阻
采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。
而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。
3.3.2方案二：
数字温度传感器DS18B20
由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。
这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。
3.3.2.1DS18B20简单介绍
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
温度测量范围为-55～+125摄氏度，可编程为9位～12位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20的性能特点如下：
●独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯
●DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温
●DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内
●适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电
●温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
●零待机功耗
●可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.
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