数字温度计设计-毕业设计Word文档格式.doc

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2.3.174LS164引脚功能及特性 12

2.3.2显示电路 13

2.4报警电路的实现 14

2.5报警上、下限调整电路实现 14

2.6复位电路的实现 14

3系统软件设计 15

3.1主程序 15

3.2读出温度子程序 16

3.3温度转换命令子程序 17

3.4计算温度子程序 18

3.5显示数据刷新子程序 19

3.6系统的调试过程 19

4结束语 20

附录１：

程序清单 21

附录2：

整体设计原理图 29

参考文献：

30

31

前言

随着人们生活水平的不断提高，单片机在我们的日常生活中越来越广泛，它带给人们的方便是不可否定的，不如说，数字温度计，现在人们对它的要求是越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术着手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

本设计将介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确的特点，其输出温度采用数字显示，该设计的控制器使用单片机AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据，实现温度显示，能准确达到以上列出的要求。

随着时代的进步与发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种较为成熟的技术。

本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，但温度不在设置范围内时，可以报警。

1数字温度计设计方案的论证

1.1方案一

由于本次设计是测温电路，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，感温电路相对比较麻烦。

1.2方案二

★因为要考虑到温度传感器，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，这类传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，可以满足设计要求。

★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1.2.1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用5位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

单片机复位

报警点按键调整

时钟振荡

主控制器

LED显示

温度传感器

图1.2.1总体设计框图

从以上两种方案，很容易得出一个观点：

采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单。

2数字温度计详细设计

2.1主控制器AT89S51

AT89S51引脚图如图2.1.1-1所示，共有40个引脚，4kbytesflash片内程序存储器，128bytes的随机存取存储器（ram）,32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（wd）电路，片内时钟振荡器。

图2.1.1-1AT89S51引脚图

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0hz，并且可以通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

主要功能特性：

兼容mcs-51指令系统4k可反复擦写（>

100次）ipflashrom

32个双向i/o口4.5-5.5工作电压

2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33mhz

全双工uart串行中断口线128x8bit内部ram

2个外部中断源低功耗空闲和省电模式

中断唤醒省电模式3级加密位

看门狗（wdt）电路软件设置空闲和省电功能

灵活的isp字节和分页编程双数据寄存器指针

2.1.2管脚功能说明

VCC：

供电电压。

GND:

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏极开路双向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FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH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，由于外部上拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如以下所诉：

P3口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INTO（外部中断0）

P3.3/INTO（外部中断1）

P3.4T0（计时器0外部输入）

P3.5T1（计时器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。

通常情况下，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。

然而需要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如果想禁止ALE的输出，可以在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，该引脚将被略微拉高。

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，则在此期间为外部程序存储器（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，此间为内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

来自反向振荡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。

2.1.3振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.1.4芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89S51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM,定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

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。

2.2温度采集部分的设计

2.2.1温度传感器DS18B20

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封转的DS18B20的引脚排列见下图（底视图），其管脚功能描述见表2.2.1-1。

图2.2.1-1引脚排列图

表2.2.1-1DS18B20详细引脚功能描述

序号

名称

引脚功能说明

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。

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可以并联在唯一的三线上，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，其内部结构图如图2.2.1-2所示。

64

位

ROM

和

单

线

接

口

存储器与控制逻辑

高速缓存

低温触发器TL

8位CRC发生器

I/O

温度传感器

高温触发器

配置寄存器

C

图2.2.1-2DS18B20内部结构

64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一序号，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2.2.1-3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，是易失性的，每次上电复位时被刷新。

第5个字节，为配置寄存器，它的作用是来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2.2.1-3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

保留

CRC

TM

R1

R0

图2.2.1-3DS18B20字节定义

由表2.2.1-2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准确性。

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，要先将补码变为原码，再计算十进制。

表2.2.1-3是一部分温度值对应的二进制温度数据。

表2.2.1-2DS18B20温度转换时间表

分辨率/位

温度最大转向时间/ms

9

93.75

10

187.5

11

375

12

750

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晶振频率明显改变，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预置值减到0，温度寄存器的值将加1减法计数器1预置将重新被装入，减法计数器1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，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。

表2.2.1-3一部分温度对应值表

温度/℃

二进制表示

十六进制表示

+125

0000011111010000

07D0H

+85

0000010101010000

0550H

+25.0625

0000000110010000

0191H

+10.125

0000000010100001

00A2H

+0.5

0000000000000010

0008H

0000000000001000

0000H

-0.5

1111111111110000

FFF8H

-10.125

1111111101011110

FF5EH

-25.0625

1111111001101111

FE6FH

-55

1111110010010000

FC90H

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：

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

2.2.2DS18B20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，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2.2.2-1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。

单片机

VCC

DS18B20029

DS18B29

4.7K

图2.2.2-1DS18B20与单片机的接口电路

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。

由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。

DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。

该协议定义了几种信号的时序：

初始化时序、读时序、写时序。

所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。

而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。

数据和命令的传输都是低位在先，其复位时序如图2.2.2-2所示。

图2.2.2-2DS18B20的复位时序

对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。

对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。

DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。

其时序图如图2.2.2-3所示。

图2.2.2-3DS18B20的读时序图

对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。

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I/O总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。

其时序图如图2.2.2-4所示。

图2.2.2-4DS18B20的写时序图

2.3显示部分电路设计

2.3.174LS164引脚功能及特性

74LS164是一个串入并出的8位移位寄存器，其引脚图如图2.3.1-1所示。

它常用于单片机