温度数字显示系统设计课程设计.docx
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温度数字显示系统设计课程设计
潍坊科技学院
毕业设计（论文）
论文题目：
温度数字显示系统设计
系部：
汽车工程学院
专业班级：
11级电气升本班
汽车工程学院毕业论文评分表
题目：
温度数字显示系统设计
学生姓名：
学号：
专业：
电气自动化技术班级：
11级电气升本班
序
号
项目
内容
权
重
分
值
观测点
参照标准
评分
（权重×分值）
优秀
90-100
良好
80-89
中等
70-79
及格
60-69
不及格
＜60
1
平时
工作
态度
情况
0.20
100
工作态度
师生互动
独立工作能力
按进度完成任务情况
2
课题
完成
质量
0.20
100
应用理论情况
要点表达合理性
动手能力
3
创新
0.10
100
综合前人研究成果
创新见解和做法
4
设计
论文
撰写
质量
0.50
100
格式规范程度
摘要、正文写作
逻辑性和条理性
评分合计
指导教师意见：
指导教师姓名：
院系意见：
（系部盖章）
注：
①第1、2、3、4项由指导教师评分
②总评分等级：
优秀（90-100）、良好（80-89）、中等（70-79）、及格（60-69）、不及格（60以下）。
目录
摘要…………………………………………………………………………………………3
第一章.数字温计总体设案
1.数字温度计设计方案论述…………………………………………………………………4
1.1方案一……………………………………………………………………………………4
1.2方案二……………………………………………………………………………………4
1.3方案三……………………………………………………………………………………5
第二章数字温度计总体详细设计
2.1主控器……………………………………………………………………………………5
2.1.1.AT89S51特点及特性…………………………………………………………………5
2.2温度采集部分设计………………………………………………………………………6
2.2.1温度传感器DS18B20…………………………………………………………………6
2.2.2DS18B20温度传感器与单片机的接口电路…………………………………………9
2.2.3DS18B20的控制方法…………………………………………………………………9
第三章系统硬件电路设计
3.1电路原理…………………………………………………………………………………12
3.2电路原材料清单…………………………………………………………………………13
3.3使用工具及仪表清单……………………………………………………………………13
第四章系统软件设计
4.1流程图……………………………………………………………………………………14
4.2读出温度子程序…………………………………………………………………………14
4.3温度转换命令子程序……………………………………………………………………15
4.4计算温度子程序…………………………………………………………………………15
总结…………………………………………………………………………………………16
致谢…………………………………………………………………………………………17
参考文献……………………………………………………………………………………18
温度数字显示系统设计
摘要
摘要：
本文介绍了设计制作一个完整的数字温度计需要做的准备与制作过程，通过一段时间的努力制作，从刚开始透彻理解题目要求及所要设计的产品的各项性能功能，然后觉得利用单片机作为控制内核，其次主要的就是温度传感器DS18B20，及其他重要部分电路的配合下设计出一套完整的硬件系统，及它的灵魂软件系统。
得到了一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。
关键词：
单片机；数字控制；温度计；DS18B20；AT89S51
温度数字显示系统设计
第一章数字温计总体设案
1数字温度计设计方案论证
1.1方案一：
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。
1.2方案二：
温度传感器DS18B20
（1）进而考虑到用温度传感器，在设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以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。
从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。
（2）方案二的总体设计框图
温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。
图1 总体设计方框图
1.3方案三：
控制内核不用单片机用DSP
选定了温度传感器之后，再来考虑它的控制内核，因为数字温度计的设计并不复杂，单片机完全可以处理的了，DSP是比较高端的控制内核应用成本相对较高，所以选用单片机是即经济又实惠的选择。
第2章数字温度计详细设
2.1主控制器AT89S51
2.1.1AT89s51的特点及特性：
40个引脚，4kbytesflash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。
此外，at89s51设计和配置了振荡频率可为0hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，cpu暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
主要功能特性：
·兼容mcs-51指令系统·4k可反复擦写（>1000次）ispflashrom
·32个双向i/o口·4.5-5.5v工作电压
·2个16位可编程定时/计数器·时钟频率0-33mhz
·全双工uart串行中断口线·128x8bit内部ram
·2个外部中断源·低功耗空闲和省电模式
·中断唤醒省电模式·3级加密位
·看门狗（wdt）电路·软件设置空闲和省电功能
·灵活的isp字节和分页编程·双数据寄存器指针
2.2温度采集部分的设计
2.2.1温度传感器DS18B20
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现９～１２位的数字值读数方式。
TO－92封装的DS18B20的引脚排列见下图，其引脚功能描述见表1
（底
视图）DS18B20
表1 DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
DS18B20的性能特点如下：
●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
●无须外部器件；
●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；
●零待机功耗；
●温度以９或１２位数字；
●用户可定义报警设置；
●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
●负电压特性，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；
DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装。
64位ROM的结构开始８位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后８位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为８字节的存储器。
头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第５个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图3所示。
低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
保留
保留
CRC
图2 DS18B20字节定义
由图2可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数
据转换时间越长。
因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。
第９字节读出前面所有８字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第１、２字节。
单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。
当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。
表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表3DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨率/位
温度最大转换时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。
若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。
因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。
主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器１；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。
器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，计数器１和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
减法计数器１对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器１的预置值减到０时，温度寄存器的值将加１，减法计数器１的预置将重新被装入，减法计数器１重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。
表4 一部分温度对应值表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.0625
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作按协议进行。
操作协议为：
初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
图5DS18B20与单片机的接口电路
2.2.2DS18B20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4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。
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。
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。
2.2.3DS18B20控制方法
DS18B20有六条控制命令，指令约定代码操作说明
CCH：
跳过扫描温度传感芯片序列号
44H：
启动DS18B20进行温度转换
BEH：
读度温度值
DS18B20的复位时序：
（1）先将数据线置高电平“1”。
（2）延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）
（3）数据线拉到低电平“0”。
（4）延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。
（5）数据线拉到高电平“1”。
（6）延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。
据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。
（7）若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。
（8）将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。
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。
（1）将数据线拉高“1”。
（2）延时2微秒。
（3）将数据线拉低“0”。
（4）延时15微秒。
（5）将数据线拉高“1”。
（6）延时15微秒。
（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。
（8）延时30微秒。
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。
（1）数据线先置低电平“0”。
（2）延时确定的时间为15微秒。
（3）按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。
（4）延时时间为45微秒。
（5）将数据线拉到高电平。
（6）重复上
（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。
（7）最后将数据线拉高。
第3章系统硬件电路设计
3.1电路原理
一、jp1与c3、与c4三个元器件组成数字温度计的电源部分，jp1的两个插孔连接电源的零线与火线，c3与c4起到滤波作用，vcc端连接在单片机40脚上，可以说这一部分是数字温度计的血脉。
二、Y1与c1、c2给单片机提供晶振信号，这一部分可以说是单片机的心脏。
三、最重要的一部分是DS18B20，它此它的连接方式是外接电源方式。
四、p0口是数据口，连接数码管。
五、四支三极管为数码管提供驱动。
六、复位电路，s3为复位开关。
七、蜂鸣器电路，三极管起到开关的作用。
八、显示电路，p0口是数据口连接数码管的段码，数码管采用共阳连接，p2口是控制线。
3.2电路原材料清单
序号
名称
型号
单位
数量
备注
1
电阻
1KΩ
支
5
2
电阻
200Ω
支
8
3
传感器
ＤＳ１８Ｂ２０
支
１
4
电阻
4.7KΩ
支
2
5
电阻
5.1KΩ
支
1
6
电阻
10KΩ
支
1
7
晶振
12MHz
支
1
8
普通电容
30pF
支
2
9
电解电容
100uF/16V
支
1
10
电解电容
470uF/25V
支
1
11
普通电容
0.1uF
支
1
12
三极管
8550
支
4
１３
三极管
9013
支
1
１４
蜂鸣器
支
１
１５
数码管
SM410564
支
１
１６
单片机
ＡＴ８９Ｃ５１
支
１
3.3使用工具及仪表清单
序号
名称
型号
单位
数量
备注
１
万用表
块
１
２
內热式电烙铁
１
３
焊锡丝
若干
４
直流稳压电源
台
１
５
编程烧写器
台
１
６
导线
若干
第4章系统软件设计
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。
4.1流程图
图5主程序流程图图7读温度流程图
4.2读出温度子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
其程序流程图如图8示
4.3温度转换命令子程序
温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。
温度转换命令子程序流程图如上图，图9所示
4.4计算温度子程序
计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图10所示。
图8计算温度流程图 图9显示数据刷新流程图
总结
经过三年的学习，终于完成了我的温度数字显示系统的设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是比较高兴的。
过程当中用到的单片机作为控制内核，四段数码管作为显示部分，及其他电路，共同组成了我的成果数字温度计。
首先设计的是它的硬件电路，最重要的部分是89s51控制内核，所有的数据处理都是采用的单片机，其次是DS18B20温度采集电路，其他还有晶振电路，复位电路，报警点及上下限温度调整电路。
其次我们设计了它的灵魂软件电路，通过用C语言编程实现对器件的控制。
从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，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，不仅使我真正的学会了数字温度计的设计，而且我相信通过这次的学习我能够达到举一反三的效果，同时这次的不足之处是在有些细节方面刚开始做的很不详细，我想原因在于自己平时对自己的学习要求的不够严格，才造成遇到一些问题显得惊慌失措，在日后我会克服这些缺点的。
致谢
经过几个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周的地方，如果没有导师的督促指导。
以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
在这里要感谢王子平老师，他循导善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；他严谨细致，一丝不苟的作风一直是我们工作.学习中的榜样；并将积极影响我今后的学习和工作。
然后要感谢大学3年来的所有老师，为我们打下了电气专业知识的基础；同时还要感谢11电气所有的同学们，正是因为有你们的支持和鼓励。
我才能在温暖的环境中茁壮成长并顺利完成毕业设计。
参考文献
[1] 李朝青.单片机原理及接口技术.杭州：
北京航空航天大学出版社，1998
[2] 李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：
北京航空航天大学出版社，1994
[3] 阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京：
高等教育出版社，1989
[4] 廖常初.现场总线概述［J］.电工技术，1999.
[5]新颖电子模块应用手册.北京：
机械工业出版社，2005.
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