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数字温度计设计论文

安徽财贸职业学院

学号姓名

班级指导教师

论文题目基于单片机的数字温度计设计

基于单片机的数字温度计设计

摘要

在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。

在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。

温度控制在生产过程中占有相当大的比例。

温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。

传统的测温元件有热电偶和二电阻。

而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，这些方法相对比较复杂，需要比较多的外部硬件支持。

我们用一种相对比较简单的方式来测量。

本电路介绍的是由AT89C2051单片机进行数据处理，有18B20温度传感器作为温度传感器材，由0.56寸的三位共阳极数码管显示温度值，从而实现温度的测量、显示和报警的功能。

通过本此设计，我发现该数字温度计的设计精确度不是很高，只能精确到整数位，在以后的设计中，我会继续加以改进，以求达到更精确的测量值。

关键词：

温度测量DS18B20AT89C20510.56寸共阳极数码管

第一章绪论

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。

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国内外的现状

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。

1.3设计的目的

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设计实现的目标

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，此传感器可读取被测量温度值，进行转换。

主要工作如下：

●温度测试基本范围-55℃—125℃。

●精度误差等于1℃。

●0.56寸的三位共阳极数码管显示。

●可以设定温度的上下限报警功能。

●实现超温报警提示。

1.5数字温度计简介

数字温度计采用进口芯片组装精度高、高稳定性，误差≤0.5%，内电源、微功耗、不锈钢外壳，防护坚固，美观精致。

数字温度计采用进口高精度、低温漂、超低功耗集成电路和宽温型液晶显示器，内置高能量电池连续工作≥5年无需敷设供电电缆，是一种精度高、稳定性好、适用性极强的新型现场温度显示仪。

是传统现场指针双金属温度计的理想替代产品，广泛应用于各类工矿企业，大专院校，科研院所。

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AD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。

数字温度计根据使用的传感器的不同，AD转换电路，及处理单元的不同，它的精度，稳定性，测温范围等都有区别，这就要根据实际情况选择符合规格的数字温度计。

第二章开发工具Proteus与Keil介绍

2.1Proteus软件

2.1.1Proteus简介

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

该软件的特点是：

●实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、各种单片机（51系列、AVR、PIG等常用的MCU）及其外围电路（如LCD、RAM、ROM、键盘、LED、A/D、D/A……）组成的系统仿真。

●提供了多种虚拟仪器。

如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，调试非常方便。

●提供软件调试功能，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil等软件。

●具有强大的原理图绘制功能。

2.1.2大功能模块

1.智能原理图设计（ISIS）

●丰富的器件库：

超过27000种元器件，可方便地创建新元件。

●智能的器件搜索：

通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件。

●智能化的连线功能：

自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间。

●支持总线结构：

使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰。

●可输出高质量图纸：

通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。

2.完善的电路仿真功能（Prospice）

ProSPICE混合仿真：

基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真。

超过27000个仿真器件：

可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。

3.实用的PCB设计平台

原理图到PCB的快速通道：

原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计。

先进的自动布局/布线功能：

支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理。

完整的PCB设计功能：

最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D可视化预览。

多种输出格式的支持：

可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转（如protel）和PCB板的设计和加工。

2.2Keil软件

2.2.1Keil软件简介

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

2.2.2Keil软件调试功能

应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：

编写源程序并保存—建立工程并添加源文件—设置工程—编译/汇编、连接，产生目标文件—程序调试。

Keil使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。

工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。

首先选择菜单File-New…，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择File-Open…，直接打开已用其它编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单Project-NewProject…，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。

这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择SourceGroup1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“AddFiletoGroup‘SourceGroup1’”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其它文件）。

第三章设计方案的选择

3.1方案选择

该系统主要由温度测量和数据采集两部分电路组成，实现的方法有很多种，下面将列出两种在日常生活中和工农业生产中经常用到的实现方案。

3.1.1方案一

采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。

通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。

数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机，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。

热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

系统主要包括对A/D0809的数据采集，自动手动工作方式检测，温度的显示等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。

此外还有复位电路，晶振电路，启动电路等。

故现场输入硬件有手动复位键、A/D转换芯片，处理芯片为51芯片，执行机构有4位数码管、报警器等。

系统框图如图3-1所示。

图3-1热电偶温差电路

3.1.2方案二

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-55—125摄氏度时，最大线形偏差等于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AT89C2051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AT89C2051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，另外AT89C2051在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

该系统利用AT89C2051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。

该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。

图3-2为方案二的设计框图：

图3-2DS18B20测温系统框图

从以上两种方案，容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。

方案二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，故本次设计采用了方案二。

3.2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，超过限度后通过发光二极管报警。

同时处理后的数据送到数码管中显示。

3.3系统组成

本课题以是AT89C2051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、报警按键设置、时钟振荡、数码管显示、温度传感器组成。

系统框图如图3-3所示。

图3-3系统框图

◆主控制器

单片机AT89C2051

◆显示电路

显示电路由三位共阳极数码管显示

◆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AT89C2051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。

获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。

第四章系统硬件介绍

4.1AT89C2051单片机简介

AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。

如图4-1所示为AT89C2051单片机的实物图：

图4-1AT89C2051实物图

4.1.1内部结构

AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微处理器。

它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。

通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器，ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。

AT89C2051提供以下标准功能：

2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。

空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。

4.1.2软硬件的开发

　　AT89C2051可以采用下面两种方法开发应用系统。

　　1、由于AT89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程AT89C2051的编程器即可。

调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。

但是做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。

　　2、将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0～P1.7和P3.0～P3.6引出来仿真2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。

4.1.3引脚说明

图4-2AT89C2051芯片引脚图

AT89C2051的引脚图如图4-2所示。

●VCC：

电源电压。

●GND：

地。

●P1口：

P1口是一个8位双向I/O口。

口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。

P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（ANI0）和反相输入（AIN1）。

P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。

当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。

当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。

●P3口：

P3口的P3.0~P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O口引脚。

P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。

P3口缓冲器可吸收20mA电流。

当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。

用作输入时，被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。

　　P3口还用于实现AT89C2051的各种第二功能，如下表4-1所列：

表4-1引脚功能表

引脚口

功能

P3.0

RXD串行输入端口

P3.1

TXD串行输出端口

P3.2

INT0　外中断0

P3.3

INT1　外中断1

P3.4

T0定时器0外部输入

P3.5

T1定时器1外部输入

　P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

◆RST：

复位输入。

RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。

当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

◆XTAL1：

作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。

◆XTAL2：

作为振荡器反相放大器的输出。

4.1.4主要性能和MCS-51产品兼容

◆2KB可重编程FLASH存储器（10000次）；

◆2.7-6V电压范围；

◆全静态工作：

0Hz-24MHz；

◆2级程序存储器保密锁定；

◆128*8位内部RAM；

◆15条可编程I/O线；

◆两个16位定时器/计数器；

◆6个中断源；

◆可编程串行通道；

◆高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）；

◆直接驱动LED的输出端口。

4.2DS18B20温度传感器简介

DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EPROM中，掉电后依然保存。

温度传感器DS18B20引脚如图4-3所示。

图4-3DS18B20TO－92封装温度传感器

引脚功能说明：

◆VDD：

可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

◆DQ：

数据输入/输出脚。

漏极开路，常态下高电平。

◆GND：

为电源地

图4-4DS18B20内部结构图

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。

光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

4.3系统硬件图

图4-3-1硬件图

图4-3-2硬件PCB图

第五章系统软件介绍

5.1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5-1。

图5-1主程序流程图

5.2DS18B20初始化

18B20初始化流程图见图5-2。

图5-2DS18B20初始化流程图

5.3DS18b20的读操作

DSl8B20的主要数据元件有：

64位激光LaseredROM，温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器TH和TL。

DSl8B20可以从单总线获取电源，当信号线为高电平时，将能量贮存在内部电容器中；当单信号线为低电平时，将该电源断开，直到信号线变为高电平重新接上寄生（电容）电源为止。

此外，还可外接5V电源，给DSl8B20供电。

DSl8B20的供电方式灵活，利用外接电源还可增加系统的稳定性和可靠性。

DS18B20读写时序如图5-3-图5-5：

图5-3DS18B20的复位时序图

图5-4DS18B20的写数据时序图

图5-5DS18B20的读数据时序图

由时序图可知，DS18B20在复位时需要480us的低电平，等待15us后MCU将总线拉高，等待DS18B20的响应信号；DS18B20在写数据时分为写“0”和写“1”操作，写“0”操作时，DS18B20需要至少60us的总线被拉低，然后在60us内将“0”写入DS18B20中，持续时间至少1us，写“1”操作是只需将写入的“0”改为“1”即可；DS18B20读操作也分为读“0”和读“1”操作，读“0”操作时，总线需要15us被拉低，再拉高45us，然后再15us内将数据读走，读“1”操作同读“0”操作。

程序流程图如图5-6：

图5-6DS18B20读取温度