毕业论文数字温度传感器在温度测量中的应用Word文件下载.docx
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本课题主要介绍了温度传感器的硬件电路的设计和系统软件设计。
硬件电路主要包括主控制器，测温电路和显示电路等，控制器采用单片机AT89S52，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LCD12864液晶显示。
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。
此外，还介绍了系统的调试和性能分析。
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温度计还可以在过限报警、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。
DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。
介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机下的硬件连接及软件编程，并给出了软件流程图。
在该论文中，我们通过对单片机和温度传感器的设计，从中学到了许多有用的东西，其中我们明白了如何去设计一个产品，首先要有性价比、良好的适应性，其次要知道设计的关键，最后也懂得了设计与实际的联系。
关键词：
AT89S52温度检测LCD12864DS18B20温度传感器
第1章前言1
1.1课题研究的背景1
第3章硬件系统设计3
3.1系统电路设计框图3
3.2系统硬件概述3
3.3单片机主控模块的设计3
3.3.1单片机的简介3
3.3.2单片机的功能特性描述4
3.3.3AT89S52的主要特性6
3.3.4主控电路6
3.4温度采集系统设计7
3.4.1数字温度传感器简介7
3.4.2DS18B20的外形和内部结构7
3.4.3温度传感器DS18B20工作原理9
3.4.4DS18B20的工作时序9
3.4.5硬件连接图10
3.5显示模块的设计10
3.5.1LCD-12864的简介10
3.5.2LCD-12864引脚说明11
3.5.3主要技术参数12
显示模块主要硬件构成说明13
3.5.5LCD-12864的读写时序14
3.5.6显示模块硬件连接图16
第4章软件系统设计17
4.1主程序软件设计17
4.2DS18B20软件系统设计17
4.2.1初始化子程序17
读子程序18
4.2.3写子程序18
4.3LCD-12864软件系统设计19
4.4计算显示的主要程序20
4.5延时子程序20
第5章系统调试21
5.1液晶模块调试21
显示内容为：
21
5.2传感器部分调试21
5.3本系统存在的不足与拓展21
5.3.1存在不足21
5.3.2系统拓展21
第6章总结22
致谢23
参考文献24
译文25
附录:
系统电路图27
第1章前言
1.1课题研究的背景
从17世纪初人们开始利用温度进行测量。
在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。
与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。
由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。
也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。
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要后续信号处理电路，需要很好的解决引线补偿问题、多点切换误差问题和放大电路零点漂移问题。
在接口上需要A/D转换，因此结构复杂，调试烦琐。
而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。
数字化技术推动了信息化的革命，数字温度传感器构成的温度测量系统具有结构简单，抗干扰能力强，稳定可靠，适用于恶劣环境下进行现场温度测量等优点。
本系统由数字温度传感器DS18B20进行温度采集送给单片机AT89S52进行处理，通过软件编程远程控制并显示出所测量的温度值。
可应用于仓库测温、楼宇空调和生产过程控制等领域。
1.2课题研究的目的和意义
课题研究的目的
通过本次毕业设计,主要想达到以下目的：
1.增进对单片机的认识，加深对单片机理论方面的理解；
2.掌握单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O口等；
3.了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片机应用系统打下基础；
4.熟悉数字温度传感器在实际测量中的应用，并能熟练的对其进行编程；
5.掌握LCD-12864显示屏的应用，并能在上面显示出所要显示的东西。
课题研究的意义
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，作为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
在温度测量系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
在工业生产如：
仓库测温、生产过程监控等，在日常生活中如：
温度计、楼宇空调等等，都用到了电阻加热的原理。
随着生产的发展，在工业中，上述设备对温度的精确度要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对生活中外界温度和人的体温的具体值也提出了更高的要求，温度传感器的不断更新换代，满足了上述的要求，达到温度测量精确值的目的。
本温度测量系统的对象是外界温度，针对空气温度或人体温度，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可靠性高（即不易出错）等特点。
本系统的设计则以上述特点为宗旨设计。
第2章系统设计的总体思路
2.1系统设计要求
设计指标
1．基本功能
检测温度
显示温度
2．主要技术参数
温度检测范围：
-55℃～+125℃
测量精度：
±
1℃
设计要求
本次需要设计一个温度测量系统，这里选用单片机为执行器（核心器件），通过温度检测电路，控制系统，显示电路等做成这样一个系统。
具体方案选择在下节中介绍。
2.2系统硬件的总体设计
单片机的选择方案和论证
方案一：
采用MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片作为核心器件，有4K字节的内部flashPERAM,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案二：
采用AT89S52芯片作为核心器件,片内ROM全都采用flashROM；
能以3V的超低压工作；
同时也与MCS-51系列单片机完全兼容。
该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，由此不会对芯片造成损坏。
所以选择采用AT89S52作为本次设计的主控制系统。
显示模块的选择方案和论证
采用八段数码管显示器，每一个独立的数码管只能显示一个数字，这样要想得到精确度高的温度显示就必须多并几个数码管，并且数码管本身不带锁存功能，因此要加锁存器在它与单片机的连接处，这样就加大了硬件电路的复杂度，所以在本次设计中不采用八段数码管显示器。
采用LCD-1602液晶显示器，显示容量为16*2个字符，它不能显示汉字，这样看起来不够美观，所以在本次设计中不采用LCD-1602液晶显示器。
方案三：
采用LCD-12864液晶显示器,可以显示四行汉字，每行为16个字符，八个汉字，这样可进行比较观察，清晰明了，易于操作，占用的单片机口线少，可以满足本系统的设计要求，因此在本次设计中的显示部分我们选用LCD-12864液晶显示器。
系统设计方案的最终确定
综合上面各方案所述，对此次系统的方案选定:
采用AT89S52作为主控制系统；
液晶显示模块LCD12864作为本次系统的显示；
DS18B20数字温度传感器作为本次系统温度的信息采集。
通过论证拟采用的设计方案内容包括以下几点：
1、选择AT89S52单片机作为整个系统的核心器件，发送并时时处理系统信息。
2、传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。
在这个系统的设计中我们选用集成数字温度传感器。
3、信号采集通道的选择：
本设计中用到的数字温度传感器，输出的是数字量，不需要进行模数转化在本设计系统中，温度输入信号为多路的模拟信号，这就需要多通道结构。
4、显示电路的设计：
这里采用液晶LCD-12864进行显示，本设计是利用单片机的串行口实现显示器接口。
第3章硬件系统设计
3.1系统电路设计框图
AT89S52
主控模块
LCD-12864显示模块
DS18B20温度采集
振荡电路
复位电路
图3-1系统电路设计框图
3.2系统硬件概述
采用单片机对外界的温度进行实时检测和显示不仅具有观察方便、简单和灵活性大等特点，而且可以大大提高被测量温度的技术指标。
本设计利用单片机的这些特点利用数字温度传感器DS18B20对外界或人体的温度进行测量，并用LCD-12864显示屏显示出所测量的温度值。
3.3单片机主控模块的设计
单片机的简介
AT89S528位单片机是MCS–51系列产品的升级版，有世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51设计结构后，利用自身优势——（掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体产生工艺，最终得到成型产品。
与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的51内核，结合公司自身技术进行改进生产，51和52都是8051的内核，只不过52的内部资源比51稍多，比如增加了一个16位的计数器T2，当然相应的特殊寄存器（SFR）也有了一点变化，另外52的内存也从51的128字节提高到了256字节，ROM也从2K提高到4K，可以装下更大的程序。
考虑到内存的增加对较复杂的程序带来的好处，52的总体性能是要比51好很多。
另外S52比C51还增加了ISP功能，就是在线可编程功能，这可是很有用的功能，S51也具备这一功能，C51和C52都不具备，现在电子市场能买到的大都是S系列的。
AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。
根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0—33M之间。
片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。
可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。
不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。
同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。
图3-2AT89S52的外形图
3.3.2单片机的功能特性描述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
图3-3AT89S52的管脚图
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发）。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能：
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出；
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）；
P1.5MOSI（在系统编程用）；
P1.6MISO（在系统编程用）；
P1.7SCK（在系统编程用）。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
P3口亦可作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能：
P3.0RXD（串行输入口）；
P3.1TXD（串行输出口）；
P3.2INTO（外中断0）；
P3.3INT1（外中断1）；
P3.4TO（定时/计数器0）；
P3.5T1（定时/计数器1）；
P3.6WR（外部数据存储器写选通）；
P3.7RD（外部数据存储器读选通）。
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
AT89C51与AT89S52的引脚图一样，下图为AT89C51的引脚图。
图3-4AT89C51引脚图
3.3.3AT89S52的主要特性
•与MCS-51单片机产品兼容
•8K字节在系统可编程Flash存储器
•1000次擦写周期
•全静态操作：
0Hz～33Hz
•三级加密程序存储器
•32个可编程I/O口线
•三个16位定时器/计数器八个中断源
•全双工UART串行通道
•低功耗空闲和掉电模式
•掉电后中断可唤醒
•看门狗定时器
•双数据指针
•掉电标识符
主控电路
单片机的最小系统如图3.5所示,18引脚和19引脚接时钟电路,XTAL1接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出。
第9引脚为复位输入端,接上电容,电阻及开关后够上电复位电路,20引脚为接地端,40引脚为电源端。
图3-5主控电路
3.4温度采集系统设计
数字温度传感器简介
（1）独特的单线接口方式：
DS18B20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。
（2）在使用中不需要任何外围元件。
～+5.5V。
（4）测温范围：
-55～+125℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
（5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
（8）负压特性，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。
3.4.2DS18B20的外形和内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如下:
图3-6DS18B20外形图
引脚定义：
（1）DQ为数字信号输入/输出端；
（2）GND为电源地；
（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
内部结构为：
温度灵敏元件
低温触发器TL
高温触发器TH
配置寄存器
高速
锁存
存储器
存储器和控制器
8位CRC生成器
64位ROM和
单线接口
电源检测
图3-7DS18B20的内部结构
DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
例如＋125℃的数字输出为07D0H，＋℃的数字输出为0191H，－℃的数字输出为FF6FH，－55℃的数字输出为FC90H。
温度值低字节
23
22
21
20
2－1
2－2
2－3
2－4
温度值高字节
S
25
24
高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。
其中配置寄存器的格式如下：
0
R1
R0
1
R1、R0决定温度转换的精度位数：
R1R0=“00”，9位精度，最大转换时间为93.75ms；
R1R0=“01”，10位精度，最大转换时间为187.5ms；
R1R0=“10”，11位精度，最大转换时间为375ms；
R1R0=“11”，12位精度，最大转换时间为750ms；
未编程时默认为12位精度。
高速暂存器是一个9字节的存储器。
开始两个字节包含被测温度的数字量信息；
第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新；
第6、7、8字节未用，表现为全逻辑1；
第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。
3.4.3温度传感器DS18B20工作原理
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测温原理如图所示。
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3.8中的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。
计数器1
=0
计数器2
比较
预置
温度寄存器
低温度系数晶振
高温度系数晶振
斜率累加器
图3-8DS18B20测温原理框图
DS18B20的工作时序
DS18B20的一线工作协议流程是：
初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。
其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图（a）（b）（c）所示。
（a）初始化时序
（b）写时序
（
升级会员 