基于单片机的数字温度计设计通信工程本科毕业设计论文.docx

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基于单片机的数字温度计设计通信工程本科毕业设计论文

本科毕业（设计）论文

题目基于单片机的数字温度计设计

学院电子信息工程

专业通信工程

学生姓名xx

学号xx年级2010级

指导教师xx职称高级工程师

二〇一三年十二月二十日

基于单片机的数字温度计设计

专业：

通信工程学号：

xx

学生：

xx指导教师：

xx

摘要：

在我们的日常生活和生产过程中，常需要检测及控制温度，温度是生产过程和科学实验中经常遇到的重要参数之一。

温度控制在生产过程起到相当重要的作用。

温度测量是温度控制的基础，技术已经趋向简单和成熟。

在设计中选用AT89S51型单片机作为主控制器件，选用DS18B20温度传感器作为测温电子元件，通过LCD1602液晶显示屏传送数据，实现温度显示。

设计的内容主要分为两部分，一是对系统硬件部分的设计，包括温度采集电路、显示电路和报警电路；二是对系统软件部分的设计，应用C语言实现温度的采集与显示。

通过DS18B20直接读取被测温度值，送入单片机进行数据处理，之后进行输出显示。

该设计可实现多点温度采集、声音报警、报警上下限设置、温度显示、串口下载等功能。

关键词：

温度；AT89S51；DS18B20

Designofdigitalthermometerbasedonsinglechip

Specialty：

CommunicationEngineeringStudentNumber：

xx

Student：

xxSupervisor：

Abstract：

Inourdailylifeandproductionprocess,weoftenneedtomeasureandcontroltemperature.Temperatureisoneofthemostfrequentlyencounteredparametersinproductionprocessandscientificexperiments.Thus,thetemperaturedetectionandcontrolaredefinitelyvitalintheforementionedoranyothersimilarprocessions.Asthebasisofthetemperaturecontrol,thetemperaturemeasurementtechnologyhasnowbecomesimpleandmature.Inthisdesign,AT89S51single-chipischosenasthecentercontrolandDS18B20temperaturesensorperformsthetemperaturemeasurementwithLCD1602liquidcrystaldisplaytorealizedatatransferandvaluesdisplay.Themainpartofthisdesignconsistsoftwoaspects.Oneofthemisthedesignofthehardwareofthesystem,includingthetemperaturegatheringelectriccircuit,thedisplaycircuitandthealarmcircuit.Theotheraspectisthedesignofthesoftwareofthesystem,whichincludestherealizationofthedatacollectionandtemperaturedisplaybytheuseofClanguage.MeasuredtemperaturevaluecanbedirectlyreadthroughtheDS18B20andthedatawillbetransferredintothesingle-chip.Afterwards,thesingle-chipwilloutputanddisplaythedata.Thedesignisabletoachievemulti-pointtemperatureacquisition,soundalarm,alarmlimitsetting,temperaturedisplay,andserialdownloading,etc.

Keywords：

Temperature；AT89S51；DS18B20

1绪论

1.1课题的背景及目的

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仪器和显示系统应用于诸多领域。

环境温度一直是生物能否适宜生存的一个重要因素，而人们对环境温度的感知也从单纯的凭身体感官的感受发展到用各种温度计来对环境温度进行准确的测量。

在工业生产中温度是常用的被控参数，而采用单片机来对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。

传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据的处理问题能够得到很好的解决。

传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。

热敏电阻成本低，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。

近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用已取得了重大的进展。

新一代温度检测元件正在不断出现和完善。

与传统的温度计相比，这个设计完成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。

单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有三十多年了。

单片机具有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点。

单片机又称单片微控器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。

单片机数字温度计的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程可报警的单片机多路数字温度计，具有体积小，可靠性高，功能强等特点,不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。

20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如PHILIPS、ATMEL、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。

这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。

MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。

它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。

目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：

基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型和片内闪烁存储器型。

其中ATMEL公司的标准型AT89单片机因为其与MCS-51的完全兼容性、优良的工作性能、使用的灵活性以及较高的性能价格比，成为AT89系列单片机的主流机型，在嵌入式控制系统中获得广泛应用。

DS18B20是DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器芯片，内部集成模/数转换器件，可以把模拟温度信号直接转换成串行的数字信号提供给单片机进行处理。

DS18B20的封装形式为3引脚TO-92的小体积封装，可以测量的温度范围为－55℃～＋125℃，它的测温分辨率可以达到0.0625℃，A/D转换精度为可编程的9～12位精度，被测温度用16位补码方式串行输出。

DS18B20支持3～5.5V的电压范围，其工作电源既可由寄生电源方式产生，也可在远端引入。

多个DS18B20可以并联到三根或两根线上，诸多DS18B20与单片机通信只需一根端口线就能够进行通信，较少占用微处理器的端口，可广泛运用于民用、工业、军事等诸多领域的温度测量及大型设备、测控系统、控制仪器当中。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，利用DSl8B20作为测温传感器通过LCD1602并行传送数据，实现温度显示。

大大提高了系统的抗干扰性。

使用十分灵活和方便。

课题的设计目的：

（1）巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决实际设计问题的能力。

（2）学习DS18B20数字温度传感器的测温原理，提高运用所学专业知识进行独立思考和综合分析、解决实际问题的能力。

（3）通过对课题设计方案的分析、选择、比较，熟悉单片机的系统开发、研制的过程、软硬件设计的方法、内容及步骤。

（4）学会用Autiumdesigner进行电路原理图和PCB图的绘制。

（5）学习用Proteus仿真软件进行电路设计和仿真。

1.2国内外现状

温度计在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度计来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

温度计测温技术的关键在于温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，由集成化向智能化、网络化的方向发展，同时具有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。

随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，发展以温度传感器为载体的温度测量技术具有重大意义。

传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器，它被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。

温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：

传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；模拟集成温度传感器/控制器；数字温度传感器。

温度传感器使用范围广，数量多，居各种传感器之首，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：

智能温度传感器是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路[1]。

从国内外来看，工业生产控制中用数字温度计可清晰显示温度来防止元器件失效或损坏等不必要的非人为损失，对做好车间机器维修与保养起到很重要的作用。

温度是一般工业领域最容易碰到的检测参数，如环境温度的检测、工业工艺温度参数的检测、设备的温度保护检测等，而市场上通用的、专用的各类温控仪器产品也相当丰富。

国内外的温度检测仪器的发展水平主要体现在仪器的测量的温度范围、测量的精度、智能化水平以及仪器的功耗等技术指标上，目前在国内的温度测量中，测量精度很少能够高于0.1℃。

近年来，温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着多功能、高精度、高可靠性及安全性、总线标准化、开发网络传感器和虚拟传感器、研制单片机测温系统等高科技的方向迅速发展。

新型温度计的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化，他不仅促进了传统产业的改造，而且可促进建立新型工业，是21世纪新的经济增长的方式。

2系统方案设计

2.1设计的研究方法及内容

课题的研究方法是利用单片机和数字温度传感器DS18B20设计一个数字温度计。

单片机作为主控制器，数字温度传感器DS18B20作为测温元件，传感器DS18B20可以将被测量温度值进行转换，从而用LCD1602来显示转换后的温度值。

课题的主要研究内容如下：

（1）温度测试基本范围0℃～30℃。

（2）测量精度为0.5℃。

（3）显示电路采用LCD1602液晶显示器，能准确显示温度。

（4）可以设定温度的上下限并实现报警功能。

（5）利用多个温度传感器DS18B20实现多点测温。

2.2测温电路方案

方案一：

热敏电阻的阻值随环境温度变化而变化，变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压信号。

使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应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。

此方案数据处理比较麻烦，且容易产生信号失真。

方案二：

使用温度传感器，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。

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。

而且此方案的电路比较简单，软件设计也比较容易实现。

方案一的优点就是它能检测的温度范围很大，热敏电阻的性能决定了整个设计所能检测的温度范围。

但从以上两种方案容易看出方案二电路比较简单，软件设计容易实现，方案二可以只用一根线实现信号的双向传输，具有接口简单容易扩展等优点，DS18B20可以直接将温度转换为串行数字信号，供单片机进行处理，且多个温度传感器DS18B20可以直接挂在一根主线上。

DS18B20具有低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。

综上所述，故在设计中采用方案二。

2.2显示电路方案

方案一：

采用数码管动态显示。

使用七段LED数码管的动态显示的方法来显示各项指标，此方法虽然价格成本低，但是显示单一，且功耗较大。

方案二：

采用LCD1602显示。

此方案显示内容相对丰富，且LCD1602具有显示质量高、数字化接口、体积小、重量轻、功耗低且价格不高等特点。

综合上述原因，采用方案二，使用LCD1602液晶作为显示电路。

2.3系统的总体设计方案

设计采用AT89S51单片机作为主机。

单片机具有体积很小，硬件实现简单，安装方便且编程自由度大的特点，可以通过编程来实现各种各样的算术算法和逻辑控制，还可以完成单独对多个DS18B20的控制工作。

另外AT89S51单片机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。

设计需完成的单总线多路数字温度计采用具有基板专利技术的DS1820温度传感器来测量温度,DS18B20中集成了温度传感器及各种数字转换电路,测量值（9位二进制编码）由总线串行输出。

可以测量的温度范围为-55℃～+125℃,还可以读内部计数器,获得较高的分辨率。

同时还可以进行上、下限温度的设定和报警等。

这个课题主要研究如何利用DS18B20智能温度传感器实时检测温度，并将其与LCD1602和报警电路联合使用，制成一个能实时显示温度以及报警的数字温度计。

设计利用DS18B20智能温度传感器和单片最小系统完成一个数字温度计。

按照系统设计功能的要求，系统主要由单片机、温度传感器DS18B20、LCD1602组成。

系统的硬件电路主要由复位电路、测温电路、显示电路、晶振电路和报警电路组成，系统总体结构方框图如图2-1所示。

图2-1系统的总体结构框图

3硬件设计

3.1硬件电路开发工具

AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的针对电子产品开发的系统。

这套软件主要在WindowsXP操作系统中运行。

这个开发软件完美的融合了原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术，能够给设计电路的人提供不一样的设计方案，辅助设计者轻松完成设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。

AltiumDesigner除了全面继承包括ProtelDXP、Protel99SE在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端的功能。

该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。

由于AltiumDesigner在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，所以AltiumDesigner对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。

AltiumDesigner具有原理图设计、印刷电路板设计、FPGA开发、嵌入式开发等功能。

3.2单片机AT89S51

3.2.1AT89S51芯片简介

AT89S51是一种8位的CMOS单片机，它具有高性能、低功耗等特点。

单片机里面含4kBytesISP的Flash只读程序存储器，这个存储器可以反复擦写1000次。

单片机的内部总的数据存储容量为256个单元，其中每个存储单元对应一个地址，256个单元共有256个地址，用2位十六进制数表示，即存储器的地址（00H～FFH）。

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，能够与80C51引脚结构及标准MCS-51指令系统兼容，芯片里面集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。

功能强大的微型计算机AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

3.2.2AT89S51的特性及引脚功能

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端口就能满足电路系统的设计需求，很适合便携手持式产品的设计，系统仅用两节电池供电即可工作。

AT89S51单片机的引脚图如图3-1所示。

图3-1单片机引脚图

单片机引脚功能介绍：

（1）VCC：

接+5V电源正端。

（2）VSS：

接+5V电源地端。

（3）XTAL1：

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

（4）XTAL2：

单芯片系统时钟的反相放大器输出端，在设计中只要在XTAL1和XTAL2这两个引脚与地之间接上两个30PF的小型电容器和一只石英振荡晶体系统就可以开始运作。

（5）RST：

RST即为RESET，该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。

当单片机振荡器处于工作状态的时候，在该引脚上会出现连续两个机器周期的高电平，这样就可以完成单片机的复位。

上电的时候，考虑到振荡器有一定的起振时间，要想保证复位，高电平在这个引脚上必须持续10ms以上才能完成。

（6）EA/Vpp：

EA为片外程序存储器选用端。

当这个引脚为低电平时，就选用片外程序存储器；高电平或悬空时选用片内程序存储器[2]。

（7）ALE/PROG：

地址锁存信号输出端。

ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。

在访问片外程序存储器期间，下降沿的功能为控制锁存P0输出的低8位地址。

在不访问片外程序存储器的时候，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。

但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了。

（8）PSEN：

片外程序存储器读选通信号输出端。

在外部存储器读取常数或指令的时候，每一个机器周期，该信号有效两次，通过数据总线P0口读回常数或指令。

在访问片外数据存储器期间，PSEN信号不出现[2]。

（9）PORT0（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当作I/O口用时可以推动8个LS的TTL负载。

如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。

设计者必须外加锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。

（10）PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P2除了当作一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当作I/O来使用了。

（11）PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样的，若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。

如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

（12）PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还具有其他的额外特殊功能，包括外部中断控制、串行通信、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：

RXD，串行口输入端。

P3.1：

TXD，串行口输出端。

P3.2：

INT0，外部中断0请求输入端。

P3.3：

INT1，外部中断1请求输入端。

P3.4：

T0，计时计数器0输入。

P3.5：

T1，计时计数器1输入。

P3.6：

WR，外部数据存储器的写入信号。

P3.7：

RD，外部数据存储器的读取信号。

3.2.3复位电路的设计

单片机的复位就是对单片机进行初始化操作，使单片机内部各寄存器处于一个确定的初始状态，以便进行下一步操作。

当振荡运行时，在此引脚上将出现2个以上的机器周期的高电平使单片机复位，单片机复位后，从程序存储器的0000H单元开始执行程序，并将一些专用寄存器初始化为复位状态值[3]。

单片机复位电路的设计如图3-2所示。

该复位电路采用手动复位与上电复位相结合的方式。

当按下按键S1时，VCC给复位输入端口一个高电平，实现复位功能，即手动复位。

上电复位就是VCC对电容C4充电和放电的过程，所以复位端口会得到一个周期性变化的电压值，并且有一段时间的电压值高于CPU复位电压，实现上电复位功能。

图3-2复位电路

3.2.4晶振电路的设计

时钟电路对于单片机系统来说是必备的。

因为单片机的内部是由各种各样的数字逻辑器件（如存储器、寄存器、触发器等）构成，这些数字器件在工作的时候必须按照时间顺序完成，这种时间顺序就叫做时序。

时钟电路就是提供单片机内部各种操作的时间基准电路，没有时钟电路单片机就无法工作。

单片机晶振电路的设计如图3-3所示。

XTAL1（X1）为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2（X2）是来自反向振荡的输出。

按照理论上AT89S51使用的是12MHz的晶振。

3.2.5单片机最小系统的设计

所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机的最小配置系统。

对于单片机内部资源已经能够满足系统需要的，可直接采用最小系统。

由于MCS—51系列单片机片内不能集成时钟电路所需的晶体振荡器，也没有复位电路，因此在构成最小系统时必须外接这些部件，8051/8071片内有4K的ROM/ERPROM，因此只需要外接晶体振荡器和复位电路就可以构成最小系统，综合上述晶振电路和复位电路以及AT89S51单片机构成了单片机最小系统如图3-4所示：

图3-3晶振电路

图3-4单片机最小系统

3.3温度传感器DS18B20

3.3.1芯片简介

DS18B20是DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器芯片，DS18B20的封装形式为3引脚TO-92的小体积封装，可以测量的温度范围为－55℃～＋125℃。

它的测温分辨率可以达到0.0625℃，A/D转换精度为可编程的9～12位精度，被测温度用16位补码方式串行输