基于51单片机的数字温度计设计.docx
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基于51单片机的数字温度计设计
摘要：
用单片机控制实现的测温系统，其精度高，稳定性好，并选用了美国DALLAS公司最新推出的DSl8B20一线式数字温度传感器，并给出了数字温度传感器的硬件接口电路及软件设计方法，通过发光数码管显示温度。
关键词：
STC89C52；DSl8B20；测温；
1引言
随着现代信息科技的飞速发展和传统工业改造的逐步实现,能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。
传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件,热敏电阻成本低,但需要接信号处理电路,而且热敏电阻的可靠性较差,测量温度的准确度低,检测系统的精度差。
而今电子技术和微型计算机的迅速发展，采用单片机进行温度检测、数值显示和数据的传送，具有效率高、性能稳定等优点，还可以实现实时实地控制等技术要求，在工业生产中应用越来越广泛。
2技术要求
在三位数码管上显示当前采集到的环境温度，并精确到0.1度。
3方案论证
3.1恰当地选择温度传感器
方案1：
用热敏电阻做为温度传感器。
通过采集各个时间内的电压，进行A/D转换，经过电压与温度的转换、校准，测量出温度。
方案2：
用DS18B20数字式温度传感器。
DS18B20是DS1820的换代产品,它与传统的热敏电阻温度传感器不同,它能够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。
其内部集成了温度的传感器及A/D转换模块，通过读取片内数据，测量出温度。
由于用热敏电阻作为温度传感器误差较大，可靠性相对较差，且不方便调试校准；而DS18B20测量精度高，集成度高，方便调试，线路简单。
所以本设计采用方案2。
3.2显示器件的选择
方案1：
采用液晶显示，此种显示方式，液晶耗电量少，能显示复杂的符号图形。
方案2：
采用发光数码管显示，此种显示亮度高，且编程简单。
考虑到本系统显示简单，液晶价格贵且亮度低，所以选用方案2。
4硬件设计
4.1关于单片机
单片机是一种集成电路，即采用大规模集成电路技术把具有数据处理能力的CPU（中央处理器）、随机存储器RAM（randomaccessmemory）、只读存储器ROM（Read-OnlyMemory）、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能，还可以包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路，集成到一块硅板上构成的一个小而精密的计算机系统。
我选用的单片机是stc89c52，它是深圳宏晶科技生产的，具有低功耗高性能的优点。
并且有8K在系统可编程Flash存储器，512字节数据存储空间，内带4K字节EEPROM存储空间。
4.2系统结构图
4.2.1了解51单片机的内部系统结构
图4.1.1单片机的内部系统结构
其中，较为重要的是串行端口。
串行通信是数据的各位在同一根数据线上依次逐位发送或接收。
P3.0口的第二功能是串行数据的输入口（RXD），p3.1口的第二功能是串行数据的输出口（TXD）。
4.2.2根据设计要求，画出外部系统结构图
电路总图见附录一
图4.2.2外部系统结构图
4.3温度传感器模块
4.3.1DS18B20温度传感器介绍
DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易兼容微处理器等优点，可直接将温度传感器转化成串行数字信号供处理器处理。
4.3.2DS18B20温度传感器特性
（1）适应电压范围宽，电压范围在3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
（2）独特的单线接口方式，他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的双向通信。
（3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
（4）在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路形如多只三极管的组成电路。
（5）测温范围-55°C～+125°C，在-10°C～+85°C时精度为正负0.5°C。
（6）可编程分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5°C，0.25°C，0.125°C，0.0625°C，可实现高精度测温。
（7）在9位分辨率时，最多在93.75ms内把温度转换数字；12位分辨率时，最多在750ms内把温度值转换为数字，显然速度很快。
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰能力。
CRC即循环冗余校验码（CyclicRedundancyCheck）：
是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。
（9）负压特性。
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
4.3.3引脚介绍
DS18B20实物图如图所示。
图4.3.3DS18B20实物图
4.3.4DS18B20与单片机的连接
主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，他们之间的数据交换只通过一条信号线。
当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操作。
设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能释放总线，而让其他设备使用总线。
单总线通常要求外接一个约为5kΩ的上拉电阻，如图所示。
图4.3.4DS18B20和单片机的连接
从图可以看出，DS18B20和单片机的连接非常简单，单片机只需要一个I/O口就可以控制DS18B20。
这个图的接发是单片机与一个DS18B20通信，如果要控制多个DS18B20进行温度采集，只要将所有DS18B20的I/O口全部连接到一起就可以了。
在具体操作时，通过读取各个DS18B20内部芯片的序列号来识别。
4.3.5DS18B20的工作原理
硬件电路连接好以后，对于单片机需要怎样工作才能将DS18B20中的温度数据读取出来，下面将给出详细分析。
其控制DS18B20的指令：
33H—读ROM。
读DS18B20温度传感器ROM中的编码（即64位地址）。
44H—操作RAM。
发送温度转换命令，结果存入9字节RAM。
55H—匹配ROM。
发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码对应的DS18B20并使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读/写做准备。
F0H—搜索ROM。
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数，识别64位ROM地址，为操作各器件做好准备。
CCH—跳过ROM。
忽略64位ROM地址，直接向18B20发温度变换命令，适用于一个从机工作。
ECH—告警搜索命令。
执行后只有温度超过设定值上限或下限的芯片才作出响应。
以上这些指令涉及的存储器是64位光刻ROM，表1列出了它的各个定义。
表164位光刻ROM各位定义
8位
48位
8位
CRC码
序列号
产品类型编号
64位光刻ROM中的序列号是出厂前被光刻好的，他可以看做该DS18B20的地址序列码。
其各位排列顺序是：
开始8位为产品类型标号，接下来48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前56位的CRC循环校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一条总线上接挂多个DS18B20的目的。
4.3.6DS18B20的工作时序图
下图为时序图中各个总线状态。
图4.2.6时序图中各个总线态
（1）初始化
时序图如下图5所示。
先将数据线至高电平1.
图
（1）DS18B20初始化时序图
①数据线拉到低电平0。
②延时（该时间要求不是很严格，但是要尽可能短一点
③延时750μs（该时间范围可在480~960μs）。
④数据线拉到高电平1。
⑤延时等待。
如果初始化成功则在15~60μs内产生一个由DS18B20返回的低电平0，据该状态可以确定温度传感器ds18b20的存在。
但是应注意，不能无限地等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时判断。
若CPU读到数据上的低电平0后，还要进行延时，延时的时间从发出高电平算起（第⑤步的时间算起）最少要480μs。
将数据线再次拉到高电平1后结束。
（2）DS18B20写数据
时序图如下图6所示。
写数据步骤：
①数据线先置低电平0。
②掩饰确定的时间为15μs。
③按从低位到高位的顺序发送数据（一次只发送一位）。
④延时时间为45μs。
⑤将数据线拉到高电平1。
重复循环①~⑤步骤，直到发送完整个字节，注意最后将数据线拉到高位1。
图
（2）DS18B20写数据
（1）DS18B20读数据
时序图如下图7所示。
图（3）DS18B20读数据
（3）DS18B20写数据
时序图如上图所示。
写数据步骤：
①将数据线拉高到1.
②延时2μs。
③将数据线拉低到0.
④延时6μs。
⑤将数据线拉高到1。
⑥延时4μs。
⑦读数据线的状态得到一个状态位，并进行数据处理。
重复①~⑦步骤，直到读取完一个字节后延时30us。
时序图见上图。
4.4显示模块
采用三位一体共阴数码管显示温度，数码管驱动使用锁存器74hc573。
采用动态显示的原理，故段选和位选都用p0口，通过p2.6口和p2.7口确定位或者段的选通，接法见附录电路原理图。
5软件设计
5.1总程序流程图
总程序流程图如下图所示。
图5.1总程序流程图
5.2程序设计
其源程序见附录三。
6安装调试
安装调试时，数码管会出现亮度不均匀或是数码管中有个别不显示的现象，经检查发现产生这种原因的可能是因为焊接的时候有虚焊、选用的上拉电阻阻值过大，或是接元器件的时候无意间把锁存器控制位导线弄断所导致。
6.1数码管引脚的判断
用5v的直流电源串电阻接在数码管十二个引脚上，可以判断出各个引脚代表哪一段和哪一位，其中6号引脚不起作用。
哪个是6号引脚呢？
让三位数码管正对自己右下角的引脚为1号引脚，逆时针依次为2、3、4、5、6、7、8、9、…、12号引脚。
判断出它的内部电路图如下图所示。
图6.1数码管内部电路图
6.2排除故障
6.2.1排除逻辑故障
这类故障往往由于设计和连线过程中工艺性错误所造成的。
主要包括错线、开路、短路。
排除的方法是首先将加工的电路板认真对照原理图，看两者是否一致。
应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。
6.2.1排除元器件失效
造成这类错误的原因有两个：
一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。
可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。
在保证安装无误后，用替换方法排除错误。
6.2.3排除电源故障
在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。
加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V～4.8V之间属正常。
若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。
7结论
本文较详细的阐述了温度测量装置设计的整体方案与软件实现。
DS18B20的优势在于集温度测量、A/D转换为一体，具有单总线结构，数字量输出，直接与单片机接口等优点，温度读取简单、直观，硬件和软件的开发过程简单，因此可用它组成单路或多路温度测量装置，有一定的使用和推广价值。
当然，在这个过程中我遇到了很多问题，有的是我看书、上网查资料解决的，有的是同过李研达老师、同学的帮助解决的，在这里还得感谢他们的支持与厚望。
参考文献
[1]刘华东等编.单片机原理与应用[M].北京：
电子工业出版社，2008
[2]吴金戌等编.8051单片机实践与应用[M].北京：
清华大学出版社,2001
[3]张毅刚等编.单片机原理及应用[M].北京:
高等教育出版社，2003
Basedonthedigitalthermometer51MCUdesign
ZhangZhaoYuan
（SchoolofPhysicsandElectricalEngineering,AnyangNormalUniversity,Anyang,Henan455000）
Abstract:
withtherealizationofsingle-chipmicrocomputercontroltemperaturemeasuringsystem,itshighaccuracy,goodstability,andselecttheDALLAScompanylatestDSl8B20alineinthedigitaltemperaturesensorispresented,anddigitaltemperaturesensorhardwareinterfacecircuitandthesoftwaredesignmethod,throughthedigitalluminescencetubestodisplaytemperature.
Keywords:
STC89C52；DSl8B20；Temperaturemeasurement；
附录一电路原理图
附录二面包板图
附录三源程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitDS=P2^2;//defineinterface，确定接口
uinttemp;//variableoftemperature，温度变量为无符号整形
ucharflag1;//signoftheresultpositiveornegative，结果是否生效标志
sbitdula=P2^6;//数码管段选
sbitwela=P2^7;//数码管位选
unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,
0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//显示的依次是0～f
unsignedcharcodetable1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,
0x87,0xff,0xef};//显示的依次是0.～9.
voiddelay（uintcount）//延时子程序
{
uinti;
while（count）
{
i=200;
while（i>0）//延时约1ms
i--;
count--;
}
}
///////功能:
串口初始化,波特率9600，方式1///////
voidInit_Com（void）
{
TMOD=0x20;//GATEC\TM1M0GATEC\TM1M0//定时T1工作方式2
PCON=0x00;//SMOD波特率倍增位，PCON=0X01时倍增//电源控制寄存器
SCON=0x50;//SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI//串行控制寄存器
TH1=0xFd;
TL1=0xFd;
TR1=1;
}
voiddsreset（void）//sendresetandinitializationcommand//发送初始化及复位信号/*为了识别已连接到单总线上的数字温度传感器*/
{
uinti;
DS=0;
i=103;
while（i>0）i--;//480us~960us/*处理器先向DS18B20发送一个持续480～960us的低电平信号*/
DS=1;/*然后进入输入模式释放总线*/
i=4;
while（i>0）i--;//15~60us/*在检测到I/O引脚上升沿之后，等待15～60us*/
}/*如果由DS18B20所返回的低电平持续时间少于60us，则表示就绪信号无效。
主机要重新发送初始化时间序列*/
/*读取数据的一位，满足读时隙要求*/
bittmpreadbit（void）//readabit//readabit读一位//DS18B20的读时序:
分为读0时序和读1时序两个过程
{
uinti;//对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，
bitdat;//dat的取值为0、1。
//在15微秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS=0;i++;//i++fordelay小延时一下//DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
DS=1;i++;i++;//延时15us以上，读时隙下降沿后15us，DS18B20输出数据才有效
dat=DS;
i=8;while（i>0）i--;
return（dat）;
}
/*读取数据的一个字节*/
uchartmpread（void）//readabytedate，读数据的一个字节
{
uchari,j,dat;
dat=0;
for（i=1;i<=8;i++）
{
j=tmpreadbit（）;
dat=（j<<7）|（dat>>1）;//读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在DAT里
}
return（dat）;//将一个字节数据返回
}
/*写数据的一个字节，满足写1和写0的时隙要求*/
voidtmpwritebyte（uchardat）//writeabytetods18b20，向传感器写入一个字节//DS18B20的写时序:
写0时序和写1时序两个过程
{//写一个字节到DS18B20里//
uinti;
ucharj;
bittestb;
for（j=1;j<=8;j++）
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;取下一位（由低位向高位）
if（testb）//write1//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之内就得使单总线变高，整个写1时隙不低于60us。
{
DS=0;//产生写0时隙的过程：
MCU拉低总线后，只要在整个时隙期间保持低电平即可（至少60US）
i++;i++;
DS=1;
i=8;while（i>0）i--;
}
else
{
DS=0;//write0
i=8;while（i>0）i--;
DS=1;
i++;i++;
}
}
}
voidtmpchange（void）//DS18B20beginchange
{
dsreset（）;
delay
（1）;
tmpwritebyte（0xcc）;//addressalldriversonbus,//允许MCU不提供64位ROM编码就使用存储器操作命令，在单点总线情况下节省时间
tmpwritebyte（0x44）;//initiatesasingletemperatureconversion//（操作RAM）发送温度转换命令，结果存入9字节RAM。
//
}
uinttmp（）//getthetemperature
{
floattt;
uchara,b;
dsreset（）;
delay
（1）;
tmpwritebyte（0xcc）;
tmpwritebyte（0xbe）;//发送读取数据命令，读内部RAM9字节的内容
a=tmpread（）;
b=tmpread（）;
temp=b;
temp<<=8;//twobytecomposeaintvariable
temp=temp|a;//得到真实十进制温度值，两字节合成一个整型变量
tt=temp*0.0625;//1/16=0.0625,每个数值代表1/16
temp=tt*10+0.5;//放大十倍，这样做的目的将小数点后第一位也转换为可显示数字，同时进行一个四舍五入操作。
returntemp;//返回温度值
}
voidreadrom（）//readtheserial
{
ucharsn1,sn2;
dsreset（）;
delay
（1）;
tmpwritebyte（0x33）;
sn1=tmpread（）;
sn2=tmpread（）;
}
voiddelay10ms（）//delay；延时
{
uchara,b;
for（a=10;a>0;a--）
for（b=60;b>0;b--）;
}
voiddisplay（uinttemp）//显示程序
{
ucharA1,A2,A2t,A3,ser;
ser=temp/10;//分离出三位要显示的数字
SBUF=ser;
A1=temp/100;//
A2t=temp%100;
A2=A2t/10;
A3=A2t%10;
dula=0;
P0=table[A1];//显示百位
dula=1;
dula=0;
wela=0;
P0=0x7e;
wela=1;
wela=0;
delay
（1）;
dula=0;
P0=table1[A2];//显示十位
dula=1;
dula=0;
wela=0;
P0=0x7d;
wela=1;
wela=0;
delay
（1）;
P0=table[A3];//显示个位
dula=1;
dula=0;
P0=0x7b;
wela=1;
wela=0;
delay
（1）;
}
voidmain（）
{
uchara;
Init_Com（）;
do
{
tmpchange（）;
//delay（200）;
for（a=10;a>0;a--）
{display（tmp（））;
}
}while
（1）;
}
附录四元件清单
名称
参数
个数
单片机stc89c52
直插封装DIP40
1
ds18b20
1
排阻
10k
1
瓷片电容
22p
2
74hc573
DIP20
2
无源晶振
11.0592HZ
1
极性电容
10u
1
色环电阻
2.7k/10k
1/1
三位共阴数码管
5361AH
1
.
升级会员 