單片機數(shù)字溫度計的設計課程設計

1、<p><b>　　單片機原理及應用</b></p><p><b>　　課程設計論文</b></p><p>　　2009 屆 自動化 專業(yè) 0906*** 班級</p><p>　　題 目 數(shù)字溫度計的設計 </p><p>　

2、　姓 名 *** 學號 *** </p><p>　　指導教師 </p><p>　　二О一二 年 六 月 二 日</p><p>　　數(shù)字溫度計的基本原理</p><p>　　數(shù)字溫度計工作的基本原理是： 采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，

3、熱電偶，半導體，熱敏電阻等），將溫度的變化轉換成電信號的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號的變化有一定的關系，如線性關系，一定的曲線關系等，這個電信號可以使用模數(shù)轉換的電路即AD轉換電路將模擬信號轉換為數(shù)字信號，數(shù)字信號再送給處理單元，如單片機或者PC機等，處理單元經過內部的軟件計算將這個數(shù)字信號和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數(shù)值</p><p>　　數(shù)字溫度計根據使用的傳感器的不同，AD轉換電路

4、，及處理單元的不同，它的精度，穩(wěn)定性，測溫范圍等都有區(qū)別，這就要根據實際情況選擇符合規(guī)格的數(shù)字溫度計。</p><p><b>　　二、設計方案</b></p><p>　　本設計以檢測溫度并顯示溫度提供上下限報警為目的，按照系統(tǒng)設計功能的要求，確定系統(tǒng)由4個模塊組成：主控器、測溫電路，報警電路，顯示電路。</p><p>　　系統(tǒng)以為傳感器用

5、以將溫度模擬量轉化為電壓數(shù)字量以總線傳入單片機，以AT89C51為主芯片，在主芯片對DS18B20傳入的溫度值進行處理，由單片機程序控制，將經處理后的溫度由LED顯示器顯示出來。</p><p>　　測溫電路的總體系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　三、硬件設計</b></p><p><b>　　溫度檢測</b><

6、;/p><p>　　每次測溫由單片機向測溫傳感器發(fā)出特定脈沖，測溫傳感器能夠檢測到脈沖并做相應的工作。傳感器將模擬溫度信號經過采集，數(shù)字處理，放大后輸出。DS18B20使用一個單線接口發(fā)送或接受信息，因此在單片機和DS18B20之間只需要有一個模數(shù)轉換電路，把傳感器采集到的模擬信號轉化為數(shù)字信號傳遞給單片機，用于讀寫和溫度轉換的電源可以從數(shù)據線獲得，無需外接電源。</p><p>　　數(shù)字信號

7、的處理及溫度顯示</p><p>　　送入單片機內部的數(shù)字信號經過單片機的處理，將數(shù)據用LED顯示屏顯示出來。其處理過程主要由單片機能存儲的程序進行控制。</p><p><b>　　報警功能</b></p><p>　　在單片機程序內設置了報警溫度的上下限值，當所測得的溫度超過了這一數(shù)值，將會由蜂鳴器發(fā)出報警。報警功能是本系統(tǒng)的重要功能之一，

8、在工業(yè)應用中常常需要在特定的溫度條件下進行報警，當溫度超出范圍時及時的報警是十分必要的。</p><p><b>　　AT89C51簡介</b></p><p>　　對于單片機的選擇，可以考慮使用8031與8051系列，由于8031沒有內部RAM，系統(tǒng)又需要大量內存存儲數(shù)據，因而不適用。所以，我們選用51系列單片機AT89C51。AT89C51是美國ATMEL公司生產

9、的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4KB的可編程的Flash只讀程序存儲器，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳，并集成了 Flash 程序存儲器，既可在線編程（ISP），也可用傳統(tǒng)方法進行編程，因此，低價位AT89C51單片機可應用于許多高性價比的場合，可靈活應用于各種控制領域，對于簡單的測溫系統(tǒng)已經足夠。單片機AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設計需要，很適合便攜手持式產品的設計使用

10、系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。</p><p>　　AT89C51的主要特性如下：</p><p>　　①與MCS-51 兼容； </p><p>　　②4K字節(jié)可編程閃爍存儲器；</p><p>　?、廴壋绦虼鎯ζ麈i定；</p><p>　?、?28×8位內部RAM；

11、 </p><p>　?、?2根可編程I/O線；</p><p>　　⑥兩個16位定時器/計數(shù)器； </p><p><b>　?、?個中斷源；</b></p><p>　?、嗫删幊檀型ǖ?； </p><p>　?、崞瑑日袷幤骱蜁r鐘電

12、路。</p><p><b>　　DS18B20簡介</b></p><p>　　DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。具有3引腳TO－92小體積封裝形式，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出。其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生。CPU只需一根端口線就能與諸

13、多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在93.75 ms和750 ms內完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。</p&

14、gt;<p>　　DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 -55°C~+125°C，在-10~+85°C范圍內，精度為±0.5°C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。</p><p>　　因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結構更

15、趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。根據本設計的要求，根據多次比較和選擇，決定采用DS18B20溫度傳感器。</p><p><b>　　顯示電路設計</b></p><p>　　發(fā)光二極管是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能，常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通

16、二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結附近數(shù)微米內分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合，產生自發(fā)輻射的熒光。</p><p>　　發(fā)光二極管的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。發(fā)光二極管的特點是：工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可

17、靠性高，壽命長；由于有這些特點，發(fā)光二極管在一些光電控制設備中用作光源，在許多電子設備中用作信號顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發(fā)光管組成7段式半導體數(shù)碼管，每個數(shù)碼管可顯示0～9十個數(shù)字。</p><p><b>　　時鐘電路的設計</b></p><p>　　本電路選石英晶振作為時鐘組件，接至AT89C51的XTAL1，XTAL2引腳組成時鐘電路。<

18、/p><p>　　石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應，從物理學中知道，若在晶片的兩個極板間加一電場，會使晶體產生機械變形；反之，若在極板間施加機械力，又會在相應的方向上產生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。如在極板間所加的是交變電壓，就會產生機械變形振動，同時機械變形振動又會產生交變電場。一般來說，這種機械振動的振幅是比較小的，其振動頻率則是很穩(wěn)定的。</p><p>　　石英晶體振

19、蕩器是利用石英晶體的壓電效應來起振，振蕩器直接應用于電路中。</p><p><b>　　蜂鳴器電路的設計</b></p><p>　　目前，在許多情況下需要對環(huán)境的溫度進行限定，隨著人民生活的改善和工業(yè)的發(fā)展，安全問題變的就更加的重要。環(huán)境溫度一旦超過限定值，勢必會對所處環(huán)境的人或設備造成影響，更甚者將會給個人和社會造成巨大的損失和社會影響。因此，在某些特定環(huán)境內安

20、裝溫度報警器進行監(jiān)控也成為一種必然的需要。</p><p>　　設計要求到上下限溫度限制時有聲音提醒信號產生，可選擇一只蜂鳴器來實現(xiàn)這一功能。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于電子產品中作發(fā)聲器件。電壓式蜂鳴器（HA）工作時約需10mA的驅動電流，并設計一個相應的驅動及控制電路。</p><p>　　數(shù)字溫度計設計的原理圖如下：</p><

21、p><b>　　四、軟件設計</b></p><p><b>　　編程語言選擇：</b></p><p>　　51的編程語言常用的有兩種，一種是匯編語言，一種是C語言。匯編語言的機器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強，復雜一點的程序就更是難讀懂，而C語言在大多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相當，C 語言很好的結構性和模塊化更容易閱讀和維

22、護，用C 編寫程序比匯編更符合人們的思考習慣，開發(fā)者可以更專心的考慮算法而不是考慮一些細節(jié)問題這樣就減少了開發(fā)和調試的時間，而且C語言還可以嵌入匯編來解決高時效性的代碼編寫問題。</p><p>　　系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據刷新子程序等。</p><p><b>　　主程序的設計</b></p>

23、<p>　　主程序的主要功能是負責多點溫度數(shù)據的實時采集、傳輸，處理和顯示。其程序流程圖1所示。</p><p><b>　　圖2 讀溫度流程圖</b></p><p><b>　　讀出溫度子程序</b></p><p>　　讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不

24、進行溫度數(shù)據的改寫。其程序流程圖如圖2所示</p><p><b>　　溫度轉換命令字程序</b></p><p>　　溫度轉換命令子程序主要是發(fā)溫度轉換開始命令，當采用12位分辨率時轉換時間約為750ms，在本程序設計中采用1s顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度轉換命令子程序流程圖如下圖，圖3所示：</p><p>　　圖3溫度轉換流程圖

25、 圖4 溫度計算流程圖</p><p><b>　　計算溫度子程序</b></p><p>　　計算溫度子程序將RAM中讀取值進行BCD碼的轉換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖4所示</p><p><b>　　溫度采集模塊設計</b></p><p>　　為

26、本溫度采集系統(tǒng)開發(fā)的軟件程序，可以對DS18B20內部的寄存器編程控制DS18B20的工作方式，以及從這些數(shù)據寄存器讀取溫度值，最后把經過單片機數(shù)據處理后的溫度送到LED上顯示。AT89C51扮演著上傳下達的角色，單片機端的程序采用了C語言。</p><p>　　整個軟件采用了模塊化的程序設計方法。為了實現(xiàn)AT89C51和DS18B20之間的串行通信，編寫了一些專用子程序。這些子程序段包括：符號定義、AT89C5

27、1的端口初始化、啟動信號時序產生、停止信號時序產生、發(fā)送字節(jié)、讀取字節(jié)、讀取溫度、顯示。</p><p>　　系統(tǒng)電路在上電后開始工作，最先程序單片機進行初始化設置，然后單片機利用模擬I2C總線對DS18B20進行尋址。單片機在接收到DS18B20應答后，緊接著單片機利用命令（AAh、ACh、EEh、22h）將設置/狀態(tài)寄存器的值通過I2C總線寫入DS18B20狀態(tài)寄存器，該系統(tǒng)中把DS18B20設置為連續(xù)溫度轉

28、換工作方式，之后DS18B20在單片控制下進行溫度測量，然后DS18B20把所采集的溫度傳輸給單片機。</p><p><b>　　主程序：</b></p><p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#include "DS18B20.H"</p><p>　　

29、sbit beep=P0^0;//蜂鳴器控制口</p><p>　　extern unsigned int wendu;</p><p>　　unsigned int H=33,L=30;</p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>

30、;　　unsigned int temp;</p><p>　　unsigned char temp_h,temp_l;</p><p>　　Delay(50000);</p><p>　　Lcd_Init(); //12864初始化</p><p>　　Lcd_DisplayString(0,2,"溫度檢測");<

31、/p><p>　　Lcd_DisplayString(1,1,"溫度：");</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=read_temp()*0.625;//讀取溫度</p><p

32、>　　if(temp>H*10)//溫度高于33攝氏度則報警 //上下限報警判斷</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　beep=0;</b></p><p><b>　　red_H=0;</b></p><p><b>　

33、　}</b></p><p>　　else if(temp<L*10)// 溫度低于30攝氏度則報警</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　beep=0;</b></p><p>　　green_L=0; </p><p>

34、<b>　　}</b></p><p>　　else //否則取消報警</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　beep=1;</b></p><p>　　green_L=1; </p><p><b>　　re

35、d_H=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　Lcd_WriteCmd(0x90+0x04); // 把收到的溫度信息顯示在12864上</p><p>　　Lcd_WriteData(temp/1000+0x30);</p><p>　　Lcd_WriteData(te

36、mp%1000/100+0x30);</p><p>　　Lcd_WriteData(temp%100/10+0x30);</p><p>　　Lcd_WriteData('.');</p><p>　　Lcd_WriteData(temp%10+0x30);</p><p>　　Lcd_WriteData('C

37、9;);</p><p>　　Delay(20000);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　DS18B20測溫子程序：</p><p>　　void dsreset(void) //發(fā)送DS18B20復位與初始化命令 </p><p><b>　　

38、{ </b></p><p><b>　　uint i; </b></p><p><b>　　DS=0; </b></p><p><b>　　i=103; </b></p><p>　　while(i>0)i--; </p><p>

39、;<b>　　DS=1; </b></p><p><b>　　i=4; </b></p><p>　　while(i>0)i--; </p><p><b>　　} </b></p><p>　　bit tmpreadbit(void) //讀一位數(shù)據 &l

40、t;/p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　uint i; </b></p><p><b>　　bit dat; </b></p><p>　　DS=0;i++; //i++用于延時 </p><p>　　DS

41、=1;i++;i++; </p><p><b>　　dat=DS; </b></p><p>　　i=8;while(i>0)i--; </p><p>　　return (dat); </p><p><b>　　} </b></p><p>　　uchar tm

42、pread(void) //讀一字節(jié)數(shù)據 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　uchar i,j,dat; </p><p><b>　　dat=0; </b></p><p>　　for(i=1;i<=8;i++) </p><p>&

43、lt;b>　　{ </b></p><p>　　j=tmpreadbit(); </p><p>　　dat=(j<<7)|(dat>>1); //讀出的數(shù)據最低位在最前面，這樣剛好一個字節(jié)在</p><p><b>　　DAT里 </b></p><p><b>

44、　　} </b></p><p>　　return(dat); </p><p><b>　　} </b></p><p>　　void tmpwritebyte(uchar dat) //寫一字節(jié)到DS18B20 </p><p><b>　　{ </b></p>

45、<p>　　uint i; uchar j; </p><p>　　bit testb; for(j=1;j<=8;j++) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　testb=dat&0x01; </p><p>　　dat=dat>>1; &

46、lt;/p><p>　　if(testb) //寫1 </p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　DS=0; </b></p><p><b>　　i++;i++; </b></p><p><b>　　DS=1

47、; </b></p><p>　　i=8;while(i>0)i--; </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　else </b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　DS=0;

48、 //寫0 </p><p>　　i=8;while(i>0)i--; DS=1; i++;i++; </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　} } </b></p><p>　　void tmpchange(void)

49、 //DS18B20 開始轉換 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　dsreset(); </p><p>　　delay(1); </p><p>　　tmpwritebyte(0xcc); // 尋址總線上所有的驅動器 </p><p>　　tmpwrite

50、byte(0x44); // 開始單個溫度轉化} </p><p>　　uint tmp() //獲取溫度子程序 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　float tt; </p><p>　　uchar a,b; </p><p>　　d

51、sreset(); </p><p>　　delay(1); </p><p>　　tmpwritebyte(0xcc); </p><p>　　tmpwritebyte(0xbe); </p><p>　　a=tmpread(); </p><p>　　b=tmpread(); </p><p&

52、gt;<b>　　temp=b; </b></p><p>　　temp<<=8; //兩字節(jié)組成一個整型變量 temp=temp|a; tt=temp*0.0625; </p><p>　　temp=tt*10+0.5; </p><p>　　return temp; </p>&

53、lt;p><b>　　} </b></p><p>　　void readrom() //讀序列 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　uchar sn1,sn2; </p><p>　　dsreset(); </p><p>

54、;　　delay(1); </p><p>　　tmpwritebyte(0x33); </p><p>　　sn1=tmpread(); </p><p>　　sn2=tmpread(); </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　五、結論：</b&

55、gt;</p><p>　　數(shù)字溫度計是一個用途非常廣泛的電路，在很多地方都可以看到他們的身影，如：工農業(yè)生產、科研、生活中。</p><p>　　本文采用AT89C51單片機做主控芯片，利用溫度傳感器DS18B20測量溫度，并配上相應的外部接口電路，介紹了一款簡易數(shù)字溫度計的設計制作過程。該溫度計與系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、功能穩(wěn)定、使用方便，適用于人們日常生活和工、農業(yè)生產中的各種溫度測量。<

56、;/p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　1、程琤，單片機與應用系統(tǒng)開發(fā)</p><p>　　2、譚浩強，C程序設計</p><p>　　3、康華光，電子技術基礎—模擬部分</p><p>　　4、康華光，電子技術基礎—數(shù)字部分</p><p>　　5