1、长 春 大 学 课程设计纸装订线I数字式温度计的设计摘要 随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标一，但人们对它的要求越来越高，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数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计所介绍的数字温度测量系统测温范围从-10到85，测量精度为0.5度，并且采用 LED 显示。该设计控制器使用单片 AT89C2051，测温传感器使用 DS18B20，用4位共阳极 LED 数码管实现温度显示，能准确达到以上要求。 关键词 数字式温度计 DS18B20 AT89C2051 数码管长 春 大 学 课程设计纸装订线IIT
2、he design of the digital thermometerAbstract With peoples living standard rises ceaselessly, undoubtedly SCM control is one of the goals of the peoples to pursue, but people demand more and more of it for modern job, scientific research, life, providing more convenient facilities that needs microcon
3、troller tech- nology developing from several of all towards digital control system, intelligent control direction. The design of the digital temperature measuring system measuring ranges from minus 10 degrees Celsius to 85 degrees Celsius, the measurement accuracy is 0.5 degrees Celsius, and useing
4、of LED direct reading . This design uses AT89C2051 as single-chip microcomputer controller,as temperature sensor DS18B20, and a total of 4 cathode tube to realize LED digital temperature display.So it can exactly reach the requirements.KeyWords Digital thermometer DS18B20 AT89C2051 Digital tube长 春 大
5、 学 课程设计纸装订线I目录引言 .1第 1 章 总体方案设计 .21.1 温度测量系统设计方案 .21.2 显示部分设计方案 .21.3 总体设计框图 .2第 2 章 系统硬件电路设计 .32.1 单片机模块 .32.1.1 AT89C2051 功能及特性 .42.1.2 单片机模块功能 .42.2 温度采集部分硬件 .62.2.1 温度传感器 DS18B20 .62.2.2 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路 .82.3 显示部分电路设计 .102.4 设计实物图 .11第 3 章 系统软件部分设计 .123.1 主程序 .123.2 读出温度子程序 .123.3 温度转换命令子
6、程序 .133.4 计算温度子程序 .143.5 显示数据刷新子程序 .143.6 程序代码 .15总结 .19致 谢 .20参考文献 .21附录 电路图 .22长 春 大 学 课程设计纸第 1 页 共 22 页装订线引言十七世纪是温度计诞生和发展的最初阶段，这个物理仪器几乎比任何其他仪器都得到更广泛的应用，现代的历史研究认为最早发明温度计的科学家是伽利略，他于 1592 年发明了最早的气体温度计，最早的液体温度计是荷兰科学家华伦海特制造出来。温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、
7、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生，因此研
8、究温度的测量方法和装置具有重要意义。温度测量在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用，而且随着科学技术的发展对温度测量的应用范围愈来愈广。利用单片机技术的温度测控系统以其体积小，可靠性高而被广泛采用。本设计所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，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机 AT89C2051，测温传感器使用DS18B20，用 4 位共阳极 LED 数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。长 春 大 学 课程设计纸第 2 页 共 22 页装订线第 1 章 总体方案设计通过本次课题设
9、计，应用单片机原理及应用等所学相关知识及查阅资料，完成数字温度计的设计，以达到理论与实践更好的结合、进一步提高综合运用所学知识和设计的能力的目的。通过本次设计的训练，可以使我 们在基本思路和基本方法上对基于 MCS-51 单片机的嵌入式系统设计有一个比较感性的认识，并具备一定程度的设计能力。1.1 温度测量系统设计方案在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，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。1.2 显示部分设计方案显示部分采用数码管直读显示，此方案的最大优点就是成本较低，缺点是电路相对复杂，需要驱动电路，在软件上也
10、需要做出处理。但是此方案完全可以满足本报警系统的功能和要求，软件处理上也不是特别的复杂，驱动电路也相对简单。1.3 总体设计框图整个系统由测温电路、主控制器、驱动电路和数码管四个模块组成。图 1-1 总体设计框图DS18B2018B20AT89C2051主控制器HC244三极管段选位选LED 数码管显示长 春 大 学 课程设计纸第 3 页 共 22 页装订线第 2 章 系统硬件电路设计系统整体硬件电路包括单片机控制器、温度采集部分硬件和显示部分。本设计采用 AT89C2051 为控制器、DS18B20 为温度传感器与单片机的接口电路以及 LED 数码显示管。2.1 单片机模块AT89C2051
11、 主要特点是采用 Flash 存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与 DS18B20 完全兼容。AT89C2051 片内含有 2K 字节的 Flash 程序存储器，128 字节的片内 RAM。允许工作的时钟为 024MHz。AT89C2051 不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它不需要 ALE、PSEN、RA、WR 一类的引脚。AT89C2051 共有 20 个引脚，体积小巧易于操作。引脚图及内部结构图如下：图 2-1 2051 单片机引脚图及内部结构框图CPU时 钟 电 路 并 行 接 口 定 时 /计 数 器RAMROM 串 行 接 口 中 断 系 统P0P3P21 TxD
12、RxDINT0INT1T0T1长 春 大 学 课程设计纸第 4 页 共 22 页装订线2.1.1 AT89C2051 功能及特性1.串口P1 口共 8 脚，准双向端口。P3.0P3.6 共 7 脚，准双向端口，并且保留了全部的 P3 的第二功能，如 P3.0、P3.1 的串行通讯功能，P3.2、P3.3 的中断输入功能,P3.4、P3.5 的定时器输入功能。在引脚的驱动能力上面，89C2051具有很强的下拉能力，P1,P3 口的下拉能力均可达到 20mA。89C2051 驱动能力的增强，使得它可以直接驱动 LED 数码管。为了增加对模拟量的输入功能，AT89C2051 在内部构造了一个模拟信号
13、比较器，其输入端连到 P1.0 和 P1.1 口，比较结果存入 P3.6 对应寄存器，对于一些不大复杂的控制电路我们就可以增加少量元件来实现。2.电源AT89C2051 有很宽的工作电源电压，可为 2.76V,当工作在 3V 时，电流相当于 6V 工作时的 1/4。工作于 12Hz 时，动态电流为 5.5mA，空闲态为 1mA,掉电态仅为 20nA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。3.存储器AT89C2051 片内含有 2k 字节的 Flash 程序存储器，128 字节的片内 RAM。由于 2051 内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为 020MHz,也就是说，允许在低速工作时
14、，不破坏 RAM 内容。相比之下，一般 8031 对最低工作时钟限制为 3.5MHz，因为其内部的 RAM 是动态刷新的。4.内部 I/O 控制89C2051 在内部 I/O 口为 5 路 2 级优待中断，2 路定时器/计数器。2.1.2 单片机模块功能该模块由以下几个部分组成：1.复位电路：为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V5%，即 4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当 VCC 超过 4.75V 低于 5.25V 以及晶体振荡器 稳定工作
15、时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。长 春 大 学 课程设计纸第 5 页 共 22 页装订线图 2-1 复位电路目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：(1) 微分型复位电路；(2) 积分型复位电路；(3) 比较器型复位电路；(4) 看门狗型复位电路。2.振荡电路：晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联
16、谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄， 所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化,震荡电路的电路图如图 2-2 所示.长 春 大 学 课程设计纸第 6 页 共 22 页装订线图2-2 晶振电路晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般 IC 的引脚都有等效
17、输入电容，这个不能忽略。2.2 温度采集部分硬件2.2.1 温度传感器 DS18B20DS18B20 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。 DS18B20 的性能特点如下：1.独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2.多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；3.无须外部器件；4.可通过数据线供电，电压范围为 3.05.5；5.零待机功耗；6.温度以 9 或 12 位数字；7.用户可定义报警设置；8.报警搜
18、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；长 春 大 学 课程设计纸第 7 页 共 22 页装订线9.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 PR35 封装或 8 脚 SOIC 封装，其内部结构框图如图 2-3 所示：C64位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器 TL配置寄存器8 位 CRC 发生器Vdd图 2-3 DS18B20 内部结构64 位 ROM 的结构开始 8 位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有 48 位，最后 8 位是前面 56 位的 CRC 检验码，
19、这也是多个 DS18B20 可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，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。头 2 个字节包含测得的温度信息，第 3 和第 4 字节和的拷贝，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。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。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。I/O
