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手持温度测量仪设计方案

第1章绪论

1.1温度测量的背景和现代技术

温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学实验（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，而且它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。

DS18B20与传统的温度传感器相比，能够直接读出被测温度。

而在传统的远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。

另外现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，影响测量精度。

因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，数字温度传感器DS18B20是一款性能优异的数字式传感器，具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网、能较好地解决传统测温装置普遍存在的携带不便、易损坏、易受干扰等不足，可广泛的应用于工业控制中的各种温度监控。

1.2研究方法

本论文是用单片机的相关知识设计一个实用的手持式温度控制系统。

首先，我们查阅了大量的关于温度测量的资料，从而确定了用哪个单片机芯片和用哪类温度传感器，以及用何种液晶显示器。

通过研究比较，我们选择89C51芯片，DS18B20温度传感器，以及1602液晶显示器和PQ05RF11的+5V稳压集成电路。

为了达到预期的成果，我们首先熟悉和了解了DS18B20的工作原理和于单片机的接口编程，其次我们也熟悉和了解了89C51单片机和1602液晶显示器的工作原理和它的显示编程，并进行硬件连线，并进行调试。

1.3预期结果

经过一段时间的研究和试验，我们在硬件和软件方面，我们取得成功卓越的成果。

硬件方面：

把DS18B20的测温输入端口和单片机实现了连接，并实现了液晶显示器与单片机的连接并用Protel99SE作出硬件连线图。

在软件方面：

我们成果的实现接口之间的匹配了并用单片机进行精确的温度测量然后把测量结果通过液晶显示器显示出来。

从而较好的达到了毕业设计的预期目的。

第2章设计方案及主要技术

2.1设计方案

在设计中，我们采取总分总的结构。

首先我们介绍了总体的构架即我们是如何做这个设计，用何种方法，如何做的问题。

其次，我们分开介绍设计中要用到的各个器件的技术性能描述、应用范围以及它的注意事项，同时我们也进行了硬件的设计和连接，运用Protel99SE软件，把硬件的连线图直观的画出来。

最后，我们在硬件的基础上进行软件的编程和调试。

2.289C51单片机中文简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2.2.1单片机的主要特性

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。

2.2.2单片机的管脚说明[1]

图2-1AT89C51的示意图

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，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写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FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

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，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，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，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，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（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）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

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。

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。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN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，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

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，此间内部程序存储器。

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。

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.2.3芯片擦除[2]

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

2.3温度传感器DS18B20[3]

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板专利技术。

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。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

它体积更小、更经济、更灵活。

使你可以充分发挥“一线总线”的优点。

同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。

DS1822的精度较差为±2°C。

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。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。

省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。

继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。

DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择。

2.3.1DS18B20技术性能和应用范围[4]

（1）DS18B20的引脚介绍

图2-2DS18B20的图示

序号名称引脚功能描述

1GND地引号

2DQ数据输入/输出引脚

3VDD可选择的VDD引脚

（2）DS18B20的主要特性

①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。

②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。

③DS18B20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。

④DS18B20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。

⑤测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

⑥可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

⑦在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

⑧测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

⑨负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

（3）DS18B20的使用方法

由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。

DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。

该协议定义了几种信号的时序：

初始化时序、读时序、写时序。

所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。

而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。

数据和命令的传输都是低位在先。

DS18B20的读时序：

对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。

对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。

DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。

DS18B20的写时序：

对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。

对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。

2.3.2DS18B20工作原理[5]

图2-3DS18B20的工作原理图

DS18B2的读写时序和测温原理与DS18B20相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。

DS18B20测温原理如图3所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图2-3斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

（1）DS18B20有4个主要的数据部件：

①光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

②DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

表2-1DS18B20温度值格式表

BYTE

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

0.5

0.25

0.125

0.0625

BYTE

Bit15

Bit14

Bit13

Bit12

Bit11

Bit10

Bit9

Bit8

例如：

+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

表2-2DS18B20温度数据表

TEMPERATURE

DIGITALOUTPUT

+125℃

1111111111111111

07D0H

+85℃

1111111111111111

0550H

+25.0625℃

1111111111111111

0191H

+10.125℃

1111111111111111

00A2H

+0.5℃

1111111111111111

0008H

0℃

-0.5℃

1111111111111111

0000H

FFF8H

-10.125℃

1111111111111111

FF5EH

-25.0625℃

1111111111111111

FE6FH

-55℃

1111111111111111

FC90H

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

（2）DS18B20温度传感器的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

（3）配置寄存器

该字节各位的意义如下：

表2-3配置寄存器结构

低五位一直都是“1”，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。

在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。

R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：

（DS18B20出厂时被设置为12位）。

表2-4温度分辨率设置表

分辨率

温度最大转换时间

9位

93.75ms

10位

187.5ms

11位

375ms

12位

750ms

（4）高速暂存存储器[3]

高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。

当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。

对应的温度计算：

当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。

表2-5是对应的一部分温度值。

第九个字节冗。

表2-5DS18B20暂存寄存器分布

寄存器内容

字节地址

温度值低位（LSByte）

温度值高位（MSByte）

高温限值（TH）

低温限值（TL）

配置寄存器

保留

CRC校验值

根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

DS18B20的所有通讯都是由一个单片机的复位脉冲和一个DS18B20的应答脉冲开始的。

单片机先发一个复位脉冲，保持低电平时间最少480μs，最多不能超过960μs。

然后，单片机释放总线，等待DS18B20的应答脉冲。

DS18B20在接受到复位脉冲后等待15～60μs才发出应答脉冲。

应答脉冲能保持60～240μs。

单片机从发送完复位脉冲到再次控制总线至少要等待480μs。

表2-6ROM指令表

指令

约定代码

功能

读ROM

符合ROM

搜索ROM

33H

55H

0FOH

读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址）

发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应，为下一步对该DS1820的读写作准备。

用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别

跳过ROM

0CCH

忽略64位ROM地址，直接向DS1820发温度变换命令。

适用于单片工作。

告警搜索命令

0ECH

执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。

温度变换

读暂存器

44H

0BEH

启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。

结果存入内部9字节RAM中。

读内部RAM中9字节的内容

写暂存器

4EH

发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。

复制暂存器

48H

将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中。

重调EEPROM

0B8H

将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节。

读供电方式

0B4H

读DS1820的供电模式。

寄生供电时DS1820发送“0”，外接电源供电DS1820发送“1”。

2.41602液晶显示器[6]

在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。

液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。

在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：

发光管、LED数码管、液晶显示器。

相对而言，液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

2.4.1液晶显示的简介[7]

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：

①显示质量高

由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。

因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

②数字式接口

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

③体积小、重量轻

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

④功耗低

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

（2）液晶显示器的分类

液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。

除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。

如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。

（3）液晶显示器各种图形的显示原理[6]：

线段的显示：

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。

例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。

这就是LCD显示的基本原理。

字符的显示：

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。

这样一来就组成某个字符。

但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。

汉字的显示：

汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的

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