基于单片机的温度传感器.docx
《基于单片机的温度传感器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的温度传感器.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的温度传感器
摘要
随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。
采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。
我们采用美国DALLAS半导体公司继DS18B20之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，温度范围为-55~125ºC,最高分辨率可达0.0625ºC。
DS18B20可以直接读出北侧温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
本文介绍了基于AT89C51单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用DS18B20作为温度监测元件，测量范围0℃-～+100℃，使用LED模块显示，能设置温度报警上下限。
正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了集成温度传感器DS18B20的原理，AT89C51单片机功能和应用。
该电路设计新颖、功能强大、结构简单。
现在温度测量报警领域正在蓬勃快速的发展，各国都在进行着各项测试研究，以更好的检测温度，进行控制，让人类能更好的生活、工作和学习。
另外，温度测量控制领域也在不断的扩大，很多国家也共同合作，在共同研制仪器，去进行温度测量控制，温度测量控制这项研究也正在想全球化发展。
关键字：
温度测量；温度传感器；单片机AT89C51；数字显示；数码管
设计目的和要求
基于单片机的数字温度计的设计通过此设计深入了解单片机的原理及应用巩固所学知识提高对知识的综合应用能力。
数字式温度计要求测温范围为－55～125°C，精度误差在0.1°C以内，LED数码管直读显示。
选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。
设计内容
1温度测量系统硬件部分
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AT89C51，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。
设计总框图见图2-1：
图2-1 总体设计方框图
2.主控制器的介绍
本课题主控制器采用单片机AT89C51单片机。
2.189C51的信号引脚
89C51的引脚排列请参见图2-2。
图2-289C51引脚
①信号引脚介绍
P0.0～P0.7：
P0口8位双向口线。
P1.0～P1.7：
P1口8位双向口线。
P2.0～P2.7：
P2口8位双向口线。
P3.0～P3.7：
P3口8位双向口线。
：
访问程序存储控制信号。
当
信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当
信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。
RST：
复位信号。
当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。
XTAL1和XTAL2：
外接晶体引线端。
当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
②P3口的第二功能
P3口的8条口线都定义有第二功能，详见表2.1。
引脚
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
外部中断0申请
P3.3
外部中断1申请
P3.4
T0
定时器/计数器0的外部输入
P3.5
T1
定时器/计数器1的外部输入
P3.6
外部RAM写选通
P3.7
外部RAM读选通
表2.1P3口的第二功能
2.2时钟电路与复位电路
①时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各地信号之间的相互关系。
单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
单片机的时钟电路，如图2-7所示。
图2-7时钟振荡电路
一般电容C1,C2取30pF左右，晶体的振荡频率范围是1.2MHz～12MHz。
晶体振荡频率高,则系统的时钟频率也高,单片机运行速度也就快。
MCS-51在通常应用情况下，使用振荡频率为的6MHz或12MHz。
②单片机的复位电路
单片机复位的条件是：
必须使RST/VPD或RST引脚（9）加上持续二个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。
单片机常见的复位电路如图2-8（a）（b）所示。
（a）上电复位电路（b）按键复位电路
图2-8常见的复位电路
图2-8（a）为上电复位电路，它是得用电容充电来实现的。
在接电瞬间，RST端的电位与VCC的相同，随着充电电流的减小，RST的电位逐渐下降。
图2-8（b）为按键复位电路。
该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图2-8（b）中的RESET键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平。
2.3温度传感器部分硬件
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2-2。
（底视图）
图2-9DS18B20引脚图
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。
表2.2 DS18B20详细引脚功能描述
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，其内部结构框图如图2-10所示。
图2-10DS18B20内部结构
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，结构如图2-11所示。
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3-5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。
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。
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2-11DS18B20字节定义
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2-3是一部分温度值对应的二进制温度数据。
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
表2-3DS18B20温度转换时间表
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。
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
表2-4 一部分温度对应值表
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。
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2-12DS18B20与单片机的接口电路
2.4显示部分电路设计
74HC573和74LS373原理一样，8数据锁存器。
主要用于数码管、按键等等的控制。
Dn
LE
OE
On
H
H
L
H
L
H
L
L
X
L
L
Qo
X
X
H
Z
表2-574HC573真值表
这个就是真值表,表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。
每个芯片的数据手册（datasheet）中都有真值表。
1.布尔逻辑比较简单,在此不赘述;
2.高阻态
就是输出既不是高电平,也不是低电平,而是高阻抗的状态;在这种状态下,可以多个芯片并联输出;但是,这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态,否则会将芯片烧毁;高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。
3.数据锁存
当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持;这个概念在并行数据扩展中经常使用到。
4.数据缓冲
加强驱动能力。
74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。
OE：
output_enable,输出使能;
LE：
latch_enable,数据锁存使能,latch是锁存的意思;
Dn：
第n路输入数据;
On：
第n路输出数据;
2.4.2LED显示单元部分
报警灯闪烁部分主要由发光二极管LED组成，绿灯表示正常状态，红灯表示报警状态。
LED特性如下：
导体发光二极管（LED）作为第三代半导体照明光源。
这种产品具有很多梦幻般优点：
（1）光效率高：
光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到80%-90%。
而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。
（2）光线质量高：
由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色照明光源。
（3）能耗小：
单体功率一般在0.05-1w，通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要，浪费很少。
以其作为光源，在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/8-1/10。
（4）寿命长：
光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时。
一个半导体灯正常情况下可以使用50年，即使长命百岁的人，一生最多也就用2只灯。
（5）可靠耐用：
没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小，维护费用极为低廉。
（6）应用灵活：
体积小，可以平面封装，易开发成轻薄短小的产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。
（7）安全：
单位工作电压大致在1.5-5v之间，工作电流在20-70mA之间。
（8）绿色环保：
废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯一样含有汞成分。
（9）响应时间短：
适应频繁开关以及高频运作的场合。
2.5报警上,下限调整电路实现
本报警系统中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置,电路中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时红色LED闪烁，实现报警功能。
复位的实现是通过单片机的复位电路实现上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。
2.6各部分电路说明
传感器数据采集电路主要指DS18B20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，如图2-16所示，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2.15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。
考虑到实际应用中寄生电源供电方式适应能力差且易损坏，此处采用电源供电方式，I/O口接单片机的P2.0口。
图2-16电源供电方式
2.6.2显示电路
显示电路是采用P0口输出段码至LED，P2口控制位选通的动态扫描显示方式，三只数码管用NPN型三极管驱动，这种显示方式的最大优点是显示清晰，软件设计简单。
如图2-17所示:
图2.17显示电路
2.6.3主板电路
图2-18主板电路
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，电源电路等。
如图2.17所示
图2-18中有四个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，可以任意调整报警上下限。
图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音。
LED数码管将当前被测温度值显示，从而测出被测的温度值。
图2-18中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。
3系统程序的设计
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。
3.1主程序
主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。
这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图3.1所示。
开始
温度比较子程序
是否超出上下限
返回
图3.1主程序流程
3.2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3.2所示
图3.2读出温度子程序流程
3.3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，如图3.3所示
图3.3温度转换流程图
3.4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3.4所示。
图3.4 计算温度流程图
3.5温度数据显示子程序
显示数据子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，查表送段码至LED，开位码显示，采用动态扫描方式。
结论及致谢
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，举个例子，以前写的那几次，数据加减时，我用的都是BCD码，这一次，我全部用的都是16进制的数直接加减，显示处理时在用除法去删分,感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。
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，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。
并在此感谢我的老师们对我的指导。
参考文献
[1]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007.
[2]杨欣，王玉凤，刘湘黔.51单片机应用从零开始[M].北京:
清华大学出版社,2008.
[3]陈在平.现场总线及工业控制网络技术[M].北京:
电子工业出版社,2008.
[4]沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北北京航空航天大学出版社,2008.
[5]张成伟.基于嵌入式Linix的GSM/GPRS无线通信模块的设计与实现[D].华中科技大学
[6]赵亮GPRS无线网络在远程数据采集中的应用计算机工程与设计.2005.26（9）.
[7]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2003.
[8]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:
清华大学出版社,2004.
[9]雷霖.现场总线及工业控制网络技术[M].北京:
电子工业出版社,2004.
[10]许洪华.现场总线与工业以太网技术[M].北京:
电子工业出版社,2007.
附录
附录2源程序
基于51单片机的温度测量系统
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
ucharcodetab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x58};
/*0123456789C无*/
sbitBUZ=P1^3;
sbitLED_GREEN=P3^6;
sbitLED_RED=P3^7;
sbitset=P1^0;
sbitdown=P1^1;
sbitup=P1^2;
uchardisbuf[4];
uintmode,top=90,bottom=10;
inttemp1;
bitflag,kset_flag,kup_flag,kdown_flag;
sbitdq=P1^4;
voiddelay（uintx）;//延迟函数，x=1大约延迟1ms
voiddelay（uintx）
{
uinti,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<20;j++）;
}//延迟函数，x=1大约延迟8us
voiddelay_us（uintx）
{
while（x--）;
}//初始化函数
voidinit1820（）
{
dq=1;
delay_us
（1）;//拉高一段时间
dq=0;
delay_us（60）;//延时480us以上
dq=1;
while（dq）;//等待存在脉冲
delay_us（10）;//存在脉冲存活时间
dq=1;//拉高总线
}//写指令函数，每次写入一个字节dat
voidwrite（uchardat）
{
uchari;
for（i=0;i<8;i++）
{
dq=0;
dq=dat&0x01;
delay_us
（2）;
dq=1;
dat>>=1;
}
}//读函数，每次返回16位的温度值
uintread（）
{
uchari;
uintdat;
for（i=0;i<16;i++）
{
dq=0;
dq=1;
if（dq）
{
dat=（dat>>1）|0x8000;
}
else
dat>>=1;
dq=1;
delay_us
（1）;
}
return（dat）;
}//读取温度函数，返回温度的绝对值，并标注flag，flag=1表示负，flag=0表示正
uintreadtemperature（）
{
uinttemp;
floatm;
init1820（）;
write（0xcc）;//跳过读ROM
write（0x44）;//启动温度转换
init1820（）;
write（0xcc）;
write（0xbe）;//读取温度寄存器
temp=read（）;
if（temp>0xfff）
{
flag=1;
temp=（~temp）+1;
}
else
{
flag=0;
}
m=temp*0.0625;
temp=m*100+0.5;//放大10倍四舍五入
升级会员 