数字温度计论文数字温度计毕业设计.docx
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数字温度计论文数字温度计毕业设计
第一章概述
1．1数字温度计总体设计方案
1．1．1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，感温电路比较麻烦。
1．1．2方案二
这里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，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。
1．2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3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
图数显温度计设计电路原理图
元器件列表
代号
名称
规格
R
电阻
510Ω×8、1kΩ×46.8Ω×1、4.7kΩ×1
V
三极管
VT9012×4
DPY
数码管
4个
CYS
晶振
12MHZ1个
温度传感器
DS18201个
单片机芯片
AT89S511个
缓冲器
74LS2441个
1．3主控制器
单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电
1．4显示电路
显示电路采用3位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。
第二章电路器件的描述
2．1单片机AT89S51芯片的结构和性能
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位微处理器，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,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8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
2．1．1主要性能参数
•8031CPU与MCS-51兼容
•4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）
•全静态工作：
0Hz-24KHz
•三级程序存储器保密锁定
•128*8位内部RAM
•32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
•低功耗的闲置和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
2．1．2功能特性概述
AT89S51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
2．1．3引脚功能说明
·VCC：
供电电压。
·GND：
接地。
·P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
·P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
·P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
·P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
·RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
·ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
·/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
·/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
·XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
·XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2．1．4 看门狗定时器（WDT）说明
WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看门狗复位SFR（WDTRST）构成。
外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，用户必须按顺序将01EH和0E1H写到WDTRST寄存器（SFR地址为0A6H），当启动了WDT，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT，当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。
掉电时期，晶体振荡停止，WDT也停止。
掉电模式下，用户不能再复位WDT。
有两种方法可退出掉电模式：
硬件复位或通过激活外部中断。
当硬件复位退出掉电模式时，处理WDT可象通常的上电复位一样。
当由中断退出掉电模式则有所不同，中断低电平状态持续到晶体振荡稳定，当中断电平变为高即响应中断服务。
为防止中断误复位，当器件复位，中断引脚持续为低时，WDT并未开始计数，直到中断引脚被拉高为止。
这为在掉电模式下的中断执行中断服务程序而设置。
为保证WDT在退出掉电模式时极端情况下不溢出，最好在进入掉电模式前复位WDT。
2．1．5程序存储器的加密
AT89S51可使用对芯片上的3个加密位LB1、LB2、LB3进行编程（P）或不编程（U）来得到如下表所示的功能。
当加密位LB1被编程时，在复位期间，EA端的逻辑电平被采样并锁存，如果单片机上电后一直没有复位，则锁存起的初始值是一个随机数，且这个随机数会一直保存到真正复位为止。
为使单片机能正常工作，被锁存的EA电平值必须与该引脚当前的逻辑电平一致。
此外加密位只能通过整片擦除的方法清除。
程序加密
保护类型
LB1
LB2
1
U
U
无程序加密功能
2
P
U
禁止进一步进行Flash闪速编程
3
P
P
同方式2,同时禁止校验
注:
加密位只能用片擦除操作进行擦除
2．1．6空闲模式
在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。
此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。
空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口。
为了避免在复位结束时可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。
2．1．7掉电模式
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
退出掉电模式的方法是硬件复位或由处于使能状态的外中断INT0和INT1激活。
复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
模式
程序存储区
ALE
PSEN
PORT0
PORT1
PORT2
PORT3
空闲模式
内部
1
1
数据
数据
数据
数据
空闲模式
外部
1
1
浮空
数据
地址
数据
掉电模式
内部
0
0
数据
数据
数据
数据
掉电模式
外部
0
0
浮空
数据
数据
数据
表13-1空闲和掉电期间外部引脚状态
2．2温度传感器工作原理
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。
2．2．1DS18B20的性能特点
·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位数字量读出；
·用户可定义的非易失性温度报警设置；
·报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件；
·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,其内部结构框图如下图所示：
DS18B20内部结构图
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3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3 DS18B20字节定义
由表1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。
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。
R1
R2
分辨率/位
温度最大转换时间/ms
0
0
9
93.5
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
表1DS18B20温度转换时间表
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。
2．2．2DS18B20的测温原理
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。
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。
表2 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
0000000110010001
0191H
+10.125
0000000010100010
00A2H
+0.5
0000000000001000
0008H
0
0000000000000000
000H
-0.5
1111111111111000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
2．2．3DS18B20与单片机的接口电路
图4DS18B20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。
2.3时钟信号电路与复位电路的分析
单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种微机提供时间基准。
复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。
单片机的工作就是从复位开始的。
其电路特点及作用如下：
2．3．1AT89S51的时钟电路
AT89S51单片机内部有一个高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，如果在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接上晶体振荡器（晶振）或陶瓷振荡器就构成了稳定的自激振荡电路，该振荡器电路的输出可直接送入内部时序电路。
AT89S51单片机的时钟可由两种方式产生，即内部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用的是内部时钟方式，其电路图如下：
外接晶振（陶瓷振荡器）时，C1、C2的值通常选择为30pF（40pF）左右；C1、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz～12MHz之间选择。
为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。
由于内部时钟方式外部电路接线简单，单片机应用系统中大多采用这种方式。
内部时钟方式产生的时钟信号的频率就是晶振的固有频率，常用fsoc来表示。
如选择12MHz晶振，则fsoc=12×106Hz。
2．3．2AT89S51的复位电路
AT89S51单片机的第9脚（RST）为复位引脚，系统上电后，时钟电路开始工作，只要RST引脚上出现大于两个机器周期时间的高电平即可引起单片机执行复位操作。
在实际应用中，复位操作有两种基本形式：
一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。
（1）上电复位电路。
最简单的上电复位电路由电容和电阻串联构成，如图2.11所示。
上电瞬间，由于电容两端电压不能突变，RST引脚电压端为VR为VCC，随着对电容的充电，RST引脚的电压呈指数规律下降，到t1时刻，VR降为3.6V，随着对电容充电的进行，VR最后将接近0V。
RST引脚的电压变化如图2.12所示。
为了确保单片机复位，t1必须大于两个机器周期的时间，机器周期取决于单片机系统采用的晶振频率，图2.11中，R不能取得太小，典型值8.2kΩ；t1与RC电路的时间常数有关，由晶振频率和R可以算出C的取值。
（2）上电复位和按键复位组合电路
图2.13上电复位和按键复位组合电路，R2的阻值一般很小，只有几十欧姆，当按下复位按键后，电容迅速通过R2放电，放电结束时的VR为（R1*Vcc）/（R1+R2），由于R1远大于R2，VR非常接近VCC，使RST引脚为高电平，松开复位按键后，过程与上电复位相同。
本设计采用上电复位和按键复位组合电路
2.4系统整体硬件电路
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，单片机主板电路等，
2．4．1主板电路
图5单片机主板电路
图5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，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，同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。
图5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。
2．4．2显示电路
显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。
图6温度显示电路
第三章系统程序的设计
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，其程序流程图如上图所示。
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8示
图8读温度流程图
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下图，图9所示
图9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10所示。
3．5显示数据刷新子程序
显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。
程序流程图如图11。
图10 计算温度流程图 图11 显示数据刷新流程图
3．6系统的调试过程
当操作者按下或松开按键时，按键会产生机械抖动。
这种抖动发生在按下或松开的瞬间，一般持续几到几十毫秒，抖动时间随按键的结构不同而不同。
在扫描键盘过程中，必须想办法消除按键抖动，否则会引起错误。
在键盘扫描中，应当防止一次键而有多个对应键输入的情况。
这种情况的发生是由于键扫描速度与键处理速度较快，当按下的键还未松开时，键扫描程序和键处理程序已执行了多遍。
这样，由于程序执行和按键动作不同步而造成按一次键有多个值输入的错误状态。
为避免发生这种情况，必须保证按一次键。
Cpu只对改键作一次处理。
为此，在扫描程序中不仅要检测是否有按键按下，在有键按下的情况下，作一次键处理，而且在键处理完毕之后，还应检测按下的键是否松开，只有当按下的键松开以后，程序才往下执行。
这样每按一个键，之作一个键处理，使两者达到同步，消除按一次按键有多次键值输入的错误情况。
第四章控制源程序清单
DS18B20温度计采用3位LED共阳数码管显示测温值，显示精度0.1℃,测温范围-55~+125℃。
用单片机AT89S51，12HZ晶振。
数字温度计程序清单
S1OK EQU5FH
TEMPUTER EQU39H
TEMPHEQU5EH
TEMPL EQU5DH
MS50 EQU5
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