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基于单片机的数字温度计论文
基于单片机的数字温度计
学院名称：
电气信息工程学院
专业：
测控技术与仪器
班级：
08测控2班
姓名：
王志祥
学号：
08314224
指导教师：
王久龙
2011年12月
基于单片机的数字温度计
摘要：
温度是一种最基本的环境参数，人们生活与环境温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在工业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和控制具有重要的意义。
本论文介绍了一种以单片机为主要控制器件，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设计。
硬件电路主要包括主控制器，测温控制电路和显示电路等，主控制器采用单片机AT89C51，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LCD直读显示。
测温控制电路由温度传感器和预置温度值比较报警电路组成，当实际测量温度值大于预置温度值时，发出报警信号，即发光二极管亮。
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开发，具有很好的发展前景。
关键词：
显示电路；单片机；AT89C51；温度传感器；DS18B20
Temperaturmeasurement；DS18B20;LED不要删除行尾的分节符，此行不会被打印
第1章绪论1
1.1课题背景及研究意义1
1.2国内外现状1
1.3课题的设计目的2
1.4课题的主要工作2
1.5本文研究内容2
第2章系统概述3
2.1方案选择3
2.2系统设计原理3
2.3系统组成4
2.4DS18B20温度传感器与单片机的接口电路4
第3章系统硬件设计5
3.180C51单片机的管脚图介绍5
3.2LCD液晶显示器简介5
3.2.1液晶模块简介5
3.2.2液晶显示部分与89C51的接口6
3.3DS18B20工作原理介绍7
第4章系统软件设计9
4.1主程序设计9
4.2仿真结果10
结束语13
参考文献14
附录A15
附录B16
附录C17
附录D18
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第1章绪论
1.1课题背景及研究意义
随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，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。
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处理问题能够得到很好的解决。
温度是工业对象中的一个重要的被控参数。
然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。
因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。
传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。
近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：
PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。
这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。
本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在400～1000℃。
静态控制精度为2.43℃。
本设计使用单片机作为核心进行控制。
单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。
1.2国内外现状
温度控制系统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控制器来讲，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。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了C51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
1.3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工业控制的能力。
2.培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。
3.通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。
1.4课题的主要工作
本课题的研究重点是设计一种基于单片机的数字温度计控制系统。
利用数字温度传感器DS18B20，此传感器课读取被测量温度值，进行转换。
主要工作如下：
1.温度测试基本范围0℃—100℃。
2.精度误差小于1℃。
3.LCD液晶显示。
4.实现报警提示。
1.5本文研究内容
数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC机等，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。
这样就完成了数字温度计的基本测温功能。
本文是基于AT89C51单片机，采用数字温度传感器DS18B20，利用DS18B20不需要A/D转换，课直接进行温度采集显示，报警的数字温度计设计。
包括传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等组成。
第2章系统概述
2.1方案
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AT89C51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。
既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信上传数据。
【1】
该系统利用AT89C51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。
此方案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，故本次设计采用此方案
2.2系统设计原理
利用温度传感器DS18B20可以直接读取被测温度值，进行转换的特性，模拟温度值经过DS18B20处理后转换为数字值，然后送到单片机中进行数据处理，并与设置的温度报警限比较，超过限度后通过蜂鸣器报警。
同时处理后的数据送到LCD中显示。
【2】
2.3系统组成
本课题以是80C51单片机为核心设计的一种数字温度控制系统，系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等组成。
系统框图主要由主控制器、单片机复位、时钟振荡、LCD显示、温度传感器组成。
系统框图如图2-2所示。
图2-2系统基本方框图
1主控制器
单片机AT89C51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。
2显示电路
显示电路采用LCD液晶显示数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。
3.温度传感器
温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20温度传感器。
DS18B20输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制，在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度，采用单总线的数据传输，可直接与计算机连接。
用AT89C51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。
4.时钟振荡电路
时钟振荡电路由12MHz的晶振和2个电容器组成，连接单片机的两时钟引脚。
【3】
2.4DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式，如图2-3所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
【2】
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。
采用寄生电源供电方式时VDD端接地。
由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。
图2-3DS18B20与单片机的接口电路
第3章系统硬件设计
3.180C51单片机的管脚图介绍
如图3-1所示80C51单片机的管脚图。
图3-180C51单片机管脚图
3.2液晶模块简介
LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM（AC）。
IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系，可以查看参考文献（30）中的表4.CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM但愿，LM016L液晶模块的引脚图如图3-2所示。
【4】
图3-2LM016L引脚图
LM016L引脚介绍：
Vss（1脚）：
一般接地。
Vdd（2脚）：
接电源。
Vee（3脚）：
液晶显示器对比度调整端，接电源时对比度最弱，接地时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
RS（4脚）：
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
R/W（5脚）：
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
E（6脚）：
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
DB0（7脚）：
底4位三态、双向数据总线0位（最低位）。
DB1（8脚）：
底4位三态、双向数据总线1位。
DB2（9脚）：
底4位三态、双向数据总线2位。
DB3（10脚）：
底4位三态、双向数据总线3位。
DB4（11脚）：
高4位三态、双向数据总线4位。
DB5（12脚）：
高4位三态、双向数据总线5位。
DB6（13脚）：
高4位三态、双向数据总线6位。
DB7（14脚）：
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflang）。
寄存器选择控制如表4-1。
表4-1寄存器选择控制
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器（清除屏等）
0
1
读busyflag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
3.2.1液晶显示部分与89C51的接口
如图3-3所示。
用89C51的P2口作为数据线，用P3.2、P3.1、P3.0分别作为LCD的E、R/W、RS。
其中E是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：
显示模块初始化：
首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为1行，字型为5×7点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。
向LCD的显示缓冲区中送字符，程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区，程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。
【5】
图3-3液晶与89C51的接口
3.3DS18B20工作原理介绍
DS18B20引脚如图4-6所示。
图3-4DS18B20引脚图
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。
【6】
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820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：
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。
【7】
第4章系统软件设计
4.1主程序设计
整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。
从软件的功能不同可分为两大类：
一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。
二是执行软件（子程序），它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。
每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。
这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。
各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。
首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。
主程序流程见图4-1。
【8】
图4-1主程序流程图
4.2仿真结果
设置温度上限为37度，温度下限为10度
1.如图4-2所示。
此时温度时38度，超出上限温度，红灯亮，实现报警。
图4-2高温报警
2.如图4-3所示。
此时温度为9度，低于下限温度，绿灯亮，实现报警。
图4-3低温报警
2.如图4-4所示。
此时温度为22度，在所设范围内，两灯都没亮，说明温度正常。
图4-4温度正常
结束语
作为一名电子信息工程的大四学生，我觉得做测控综合训练课程设计是很有意义的，而且也是必要的。
在做这次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。
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。
其次，在这次课程设计中，我们运用了所学的专业课知识，如：
C语言、模拟和数字电路知识等，自学了proteus仿真。
学了虽然过去我从未独立应用过他们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。
最后，要做好一个课程设计，就必须做到：
在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，这样为资料的保留和交流提供了方便；在设计中遇到的问题要记录，以免下次遇到同样的问题。
在这次的课程设计中，我真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单片机更是如此，程序只有在经常写与读的过程中才能提高，这就是这次课程设计的最大收获。
参考文献
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附录A元器件清单
元器件
数量
蜂鸣器
1个
9012三极管
1个
4.7vf电解电容
1个
发光二极管（黄，红）
2个
单片机AT89C52
1个
电阻10k
2个
电阻1k
1个
杜邦线
若干
瓷片电容22pf
2个
Lcd液晶显示
1个
附录B实物展示
附录C系统整体电路
附录D全部程序清单
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uchari;
sbitlcdrs=P3^0;
sbitlcdrw=P3^1;
sbitlcden=P3^2;
sbitd1=P1^0;
sbitd2=P1^1;
ucharcodet0[]="thetemperature";
ucharcodet1[]="is";
ucharcodewendu[]="0123456789";//利用一个温度表解决温度显示乱码
sbitDQ=P3^7;//定义ds18B20总线IO
//液晶显示模块
voiddelay（uintz）
{
uintx,y;
for（x=100;x>1;x--）
for（
升级会员 