基于温度传感器的数字温度计.docx
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基于温度传感器的数字温度计
ＤＳＰ综合设计报告
基于温度传感器的数字温度计
系别：
物理与电子工程学院
专业：
1011电科
姓名：
学号：
一、课题背景及必要性
随着电子技术的发展，现在的温度控制系统功能越来越强，可靠性和准确性的要求也越来越高。
以前温度控制系统大部分都是基于数字电路组成的，其功能较为单一，使用起来也不够方便，制作过程复杂，而且准确性与可靠性不高，成品面积大，安装、维护困难。
由于近年来单片机发展迅速，逐渐出现用单片机制作的温度显示及控制系统，制作过程简单，而且安装、维护简单。
目前，温度控制器产品从模拟、集成温度控制器发展到智能数码温度控制器。
智能温控器（数字温控器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结合，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段正朝着高精度高质量的方向发展。
在这样的背景下，设计出一种用普遍用于工业和生活中的新型高精度电子温度计，且数字温度计能快速准确的显示读数、携带方便和不会造成环境污染等特点。
它在稳定性方面比传统的温度计有着显著的优势，精度要求也能和传统的温度计相媲美。
二、方案设计与论证
总体方案设计
本次设计采用STC89C52单片机为核心，通过一片STC89C52单片机控制外围电路，使得系统实现实时温度测量与显示功能。
根据系统要求，本设计可分为三个模块，分别为温度采集模块、STC89C52单片机控制模块、数码管显示模块。
2.1温度检测模块的设计及论证
方案一
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，其中还涉及到电阻与温度的对应值的计算，感温电路比较麻烦。
而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差。
方案二
进而考虑到用温度传感器，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，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，电路简单，精度高，软硬件都以实现，而且使用单片机的接口便于系统的再扩展，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，费用较低，可靠性高，软件设计也比较简单，故采用了方案二。
2.2显示模块的设计及论证
方案一
用4位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示，这样的显示模块只能是显示数字，不能显示英文与汉字；而且硬件电路也比较复杂，会增加布线的难度。
优点是价格比较便宜，质量轻。
方案二
用1602液晶显示屏显示，可以显示英文与数字，可以给人比较直观的感觉，而且硬件电路比较简单，质量也比较轻，使用效果比数码管好，在显示要求不高的情况下，但也不能太差的情况下使用。
方案三
采用12864液晶显示屏来显示，12864液晶显示比较清新，视觉效果比较好，可以显示画面，英文，汉字以及数字，但是质量比较大，价格比较高。
综上所述，考虑到我们组显示要求不高以及其他因素，我们选用了方案一。
2.3控制器模块的设计及论证
单片机是指一个集成在一块电路芯片上的完整计算机系统。
尽管它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：
中央处理单元
、存储器
和各种
接口，目前大部分还会具有外部存储扩展。
它使用简洁方便，体积小，结构最为简单，成本低廉，很容易嵌入到各种应用系统中。
单片机的选择方案可以有以下两种：
方案一
采用STC89C52单片机。
它是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8的微处理器。
该器件采用
高密度非易失存储器技术制造，与工业标准
指令集和输出管脚相兼容。
属于51单片机系列，是C51单片机向下完全兼容51全部系列产品。
该款单片机片内含8kBytesISP（I-systemprogrammable）可反复擦写1000次的Flash只读存储器，可以通过串口进行程序的烧写，内带2kBytesEEPROM存储空间，4个8位的可编程并行I/O口（P0口，P1口，P2口，P3口），一个全双工串口，5个中断源，2级中断优先权，3个16位的定时器/计数器），具有四种工作方式以及特殊功能寄存器（SFR）等。
方案二
采用AT89S52单片机，AT89S52同样也是一个低功耗，高性能的8位单片机，也具有8kBytesISP（I-systemprogrammable）可反复擦写1000次的Flash只读存储器，但是它没有内带EEPROM存储空间，且AT89S52的ISP一般要使用专门的下载器才能跟烧写程序。
综合比较方案一与方案二，方案一更优与方案二，因为STC89C52的指令完全兼容AT89S52,程序的烧写方便，STC89C52的其它指令执行周期也比AT89S52的速度快，内部资源和I/O口的设置上比AT89S52更优越,而且STC89C52的价格相对AT89S52的低，故该设计的单片机选择STC89C52。
2.4数字温度计总体设计
温度计电路设计总体设计方框图如下图所示，控制器采用单片机STC89C52，温度传感器采用DS18B20，用数码管实现温度显示。
图2-1 总体设计方框图
三、硬件设计
3.1整体电路图
图3-1整体电路图
3.2主控制器模块电路
3.2.1STC89C52主要功能及引脚介绍
单片机STC89C52具有低电压供电高性能COMS8位单片机，片内含有8Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52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。
STC89C52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，STC89C52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。
8位微控制器8K字节在系统可编程Flash。
图3-1为STC89C52的引脚图：
图3-2STC89C52引脚图
其各引脚介绍如下：
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）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
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（在线系统编程用）
P1.6MISO（在线系统编程用）
P1.7SCK（在线系统编程用）
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。
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）。
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，p2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。
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）。
P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
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）
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，则单片机复位。
3.2.2DS18B20数字温度传感器
图3-3DS18B20内部结构图
DS18B20是美国DALLAS公司生产的全新单线（1-wire）数字式温度传感器，不需要另外再接A/D转换器。
它采用单线技术，与单片机通信只需一个引脚2（地址、命令、数据输入或输出引脚）。
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。
DS18B20功能特性：
1：
GND（地）
2：
DQ（地址、命令、数据输入或输出）
3：
VDD（可选的+5V电源）
DS18B20的温度检测范围是：
－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。
在-10～85℃范围内误差为±0.5℃。
工作电源:
3.0～5.5V/DC。
测量结果以9～12位数字量方式串行传送，适用于DN15～25,DN40～DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温，温度传感器可编程的分辨率为9～12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置。
应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。
DS18B20的数字温度计提供9至12位可编程设备温度读数。
信息从DS18B20通过1线接口，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。
为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。
因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线。
这使得温度传感器放置在许多不同的地方。
它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。
并且同一根信息线上可挂多个DS18B20而互不影响，因为每个DS18B20有惟一的63位序号，该序号存放在各自的ROM里面。
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的不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20温度传感器的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频率明显改变，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的温度值。
DS18B20温度传感器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。
3.2.3STC89C52最小系统的基本电路
（1）电源电路
芯片引脚VCC一般接上直流稳压电源+5V，引脚GND接电源+5V的负极，电源电压范围在4—5.5之间，可保证单片机系统能正常工作。
为提高电路的抗干扰性能，通常在引脚VCC和GND直接接上一个10μF的电解电容和一个0.1μF陶片电容，这样可以抑制杂波串扰，从而有效确保电路稳定性。
（2）时钟电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
在本设计中时钟采用内部方式产生，晶振振荡频率使用12MHZ。
晶振电路如下图所示：
图3-4晶振电路
（3）显示电路
系统采用4个八段数码管对温度进行显示。
4个数码管拼接成4位的LED数码管显示器，它们有公共的段选线（a,b,c,d,e,f,g,dp），每一位数码管有各一个位选线，控制该LED显示位的亮与暗。
具体的显示电路如图3-1所示。
由图可知，4位LED数码管的段选线是由STC89C52的P0口控制，又因为LED显示段码时至少需要20mA，所以在段选线与单片机引脚之间加上拉电阻驱动数码管的段。
同时，LED显示器的位选线是由PNP三极管来控制，其中三极管充当的是开关作用，它主要是工作在饱和区和截止区。
三极管的基极接到单片机的I/O口，集电极连接数码管的位选端，基极接Vcc。
（4）温度采集电路
温度传感器DS18B20芯片的数据端连接到单片机的P3_4端，向单片机传送温度信号，它的1引脚接地，3引脚和数据端之间接一个电阻后接电源VCC，这样实现对温度的检测。
四、软件设计
4.1主程序流程图
本系统的功能主要是完成温度的实时显示，在测量温度之前先对系统进行初始化，然后再经过DS18B20温度传感器检测温度，将检测到的温度值进行读取与处理后，最终进行显示温度。
其程序流程图如图4-1所示：
图4-1主程序流程图
4.2温度转换子程序
温度转换子程序主要是发出温度过转换开始命令，系统采用12分辨率时转换时间最大为750ms。
在本次程序设计中用地延时法等待温度转换的完成，其温转换子程序流程图如图4-2所示：
图4-2温度转换子程序
4.3读温度子程序流程图
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9个字节，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。
（高速暂存器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。
）其程序流程图如图4-3所示：
图4-3读温度子流程图
4.4程序
#include
#defineu8unsignedchar
#defineu16unsignedint
sbita=P1^0;sbitb=P1^1;sbitc=P1^2;sbitd=P1^3;sbitDQ=P3^3;
u16temp;
u8codetable[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
u8codetable1[10]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef};
voiddelay（u8x）
{
while（x--）;
}
/**************************************
长时间1ms延时函数
**************************************/
voidsdelay（u16x）
{
u16i,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<110;j++）;
}
voidinit_ds18b20（）
{
bitflag=1;
while（flag）
{
while（flag）
{
DQ=1;
delay
（1）;
DQ=0;
delay（50）;//550us
DQ=1;
delay（6）;//66us
flag=DQ;
}
delay（45）;//延时500us
flag=~DQ;
}
DQ=1;
}
voidwrite_ds18b20_byte（u8dat）//writeabytetods18b20
{
u16i;
u8j;
bittestb;
for（j=1;j<=8;j++）
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if（testb）//write1
{
DQ=0;
i++;
i++;
DQ=1;
i=8;
while（i>0）
i--;
}
else
{
DQ=0;//write0
i=8;
while（i>0）
i--;
DQ=1;
i++;
i++;
}
}
}
/********************************************************************
18B20读1个字节函数
从1-WIRE总线上读取一个字节
********************************************************************/
u8read_ds18b20_byte（）//readabytedate
{
u8i,j,dat;
dat=0;
for（i=1;i<=8;i++）
{
DQ=1;
j++;
j++;
dat>>=1;
DQ=0;
j++;
j++;
DQ=1;
j++;
j++;
if（DQ）
dat|=0x80;
j=8;
while（j>0）
j--;
}
DQ=1;
return（dat）;
}
/********************************************************************
从ds18b20读出温度
********************************************************************/
u16read_temp（）//getthetemperature
{
u8a,b;
init_ds18b20（）;
write_ds18b20_byte（0xcc）;//跳过ROM
write_ds18b20_byte（0x44）;
delay（100）;
init_ds18b20（）;//复位
write_ds18b20_byte（0xcc）;//发SkipROM命令
write_ds18b20_byte（0xbe）;//发读命令
a=read_ds18b20_byte（）;//温度低8位
b=read_ds18b20_byte（）;//温度高8位
b<<=4;
b+=（a&0xf0）>>4;
returnb;
}
voiddisplay（）
{
temp=read_temp（）;
a=1;b=0;c=0;d=0;
P0=table[temp/10];
sdelay（4）;
a=0;b=1;c=0;d=0;
P0=table1[temp%10];
sdelay（4）;
a=0;b=0;c=1;d=0;
P0=table[0];
sdelay（4）;
a=0;b=0;c=0;d=1;
P0=0x61;
}
voidmain（）//主程序
{
P1=0x00;
P0=0x00;
while
（1）
{
display（）;
}
}
四、调试
系统的调试以程序为主。
硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。
软件调试则可以先编写显示程序并进行硬件的正确行检验，然后分别进行主程序、温度转换子程序、读温度子程序等的编程及调试，由于DS18B20与单片机采用串行数据的传送，因此，对DS18B20进行读写编程时必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测量结果。
本程序采用单片机C语言编写，用KeilC51编译器编程调试，软件调试直到能够显示温度值，温度正常显示，此时软件调试基本完成。
五、总结
本次设计主要是实现温度的检测，采用的是数字温度感器DS18B20对温度进行采集，并对温度模拟信号进行处理（即A/D模数转换），然后将数据送入单片机STC89C52，再通过显示电路部分（四位八段数码管）来显示所测得的温度值。
对于本次设计工作，收获很多。
通过查阅大量的文献资料，较为详细的了解了关于温度传感器的分类、各类温度传感器的特点及原理，在原来的学习Protel99se硬件电路绘制的基础之上，进一步熟悉了电路原理图的绘制、元器件的制作与封装及PCB印制板的布线。
同时，又也掌握了Proteus电路仿真软件的应用。
充分认识到单片机的重要性及近年来的发展的迅速，它将会运用到生活、科技领域的各个角落，朝着集成化、智能化的方向发展。
这次设计也存在着一些不足之处，如功能设计方面，还可以加入一个继电器，当温度值超出了预设范围后，这时继电器就可以进行控制操作；同时用于报警的报警电路也可以利用一语音芯片来进行报警提示等。
希望在以后的学习工作中，不断的完善其功能，使得其功能更加强大。
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