基于51單片機(jī)的數(shù)字溫度計設(shè)計

1、安陽師范學(xué)院本科學(xué)生畢業(yè)論文基于51單片機(jī)的數(shù)字溫度計設(shè)計作者 系（院） 物理與電氣工程學(xué)院 專業(yè) 電子信息工程 年級 學(xué)號 指導(dǎo)教師 日期 2012.05.12成 績 學(xué)生誠信承諾書本人鄭重承諾：所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得安陽師范學(xué)院或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。所有合作者對本研究所作的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明和表示了。簽名： 日期： 2012-05-12 論文使用授權(quán)說明本人完全了解安陽師范學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：

2、學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 基于51單片機(jī)的數(shù)字溫度計設(shè)計張兆元（安陽師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院， 河南 安陽 455000）摘 要：用單片機(jī)控制實現(xiàn)的測溫系統(tǒng)，其精度高，穩(wěn)定性好，并選用了美國DALLAS公司最新推出的DSl8B20一線式數(shù)字溫度傳感器，并給出了數(shù)字溫度傳感器的硬件接口電路及軟件設(shè)計方法，通過發(fā)光數(shù)碼管顯示溫度。關(guān)鍵詞：STC89C52；DSl8B20；測溫；1 引言隨著現(xiàn)代信息科技的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn),能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系

3、統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件,熱敏電阻成本低,但需要接信號處理電路,而且熱敏電阻的可靠性較差,測量溫度的準(zhǔn)確度低,檢測系統(tǒng)的精度差。而今電子技術(shù)和微型計算機(jī)的迅速發(fā)展，采用單片機(jī)進(jìn)行溫度檢測、數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)的傳送，具有效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，還可以實現(xiàn)實時實地控制等技術(shù)要求，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛。2 技術(shù)要求在三位數(shù)碼管上顯示當(dāng)前采集到的環(huán)境溫度，并精確到0.1度。3 方案論證3.1 恰當(dāng)?shù)剡x擇溫度傳感器方案1：用熱敏電阻做為溫度傳感器。通過采集各個時間內(nèi)的電壓，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過電壓與溫度的轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)，測量出溫度。方案2：用DS18B20數(shù)字式溫度傳感

4、器。DS18B20是DS1820的換代產(chǎn)品,它與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同,它能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其內(nèi)部集成了溫度的傳感器及A/D轉(zhuǎn)換模塊，通過讀取片內(nèi)數(shù)據(jù)，測量出溫度。 由于用熱敏電阻作為溫度傳感器誤差較大，可靠性相對較差，且不方便調(diào)試校準(zhǔn)；而DS18B20測量精度高，集成度高，方便調(diào)試，線路簡單。所以本設(shè)計采用方案2。 3.2 顯示器件的選擇方案1：采用液晶顯示，此種顯示方式，液晶耗電量少，能顯示復(fù)雜的符號圖形。方案2：采用發(fā)光數(shù)碼管顯示，此種顯示亮度高，且編程簡單?？紤]到本系統(tǒng)顯示簡單，液晶價格貴且亮度低，所以選用方案2。4

5、 硬件設(shè)計4.1 關(guān)于單片機(jī)單片機(jī)是一種集成電路，即采用大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的CPU（中央處理器）、隨機(jī)存儲器RAM（random access memory ）、只讀存儲器ROM（Read-Only Memory ）、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能，還可以包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路，集成到一塊硅板上構(gòu)成的一個小而精密的計算機(jī)系統(tǒng)。 我選用的單片機(jī)是stc89c52，它是深圳宏晶科技生產(chǎn)的，具有低功耗高性能的優(yōu)點。并且有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器， 512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間。4.2

6、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2.1 了解51單片機(jī)的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.1.1單片機(jī)的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 其中，較為重要的是串行端口。串行通信是數(shù)據(jù)的各位在同一根數(shù)據(jù)線上依次逐位發(fā)送或接收。P3.0口的第二功能是串行數(shù)據(jù)的輸入口（RXD），p3.1口的第二功能是串行數(shù)據(jù)的輸出口(TXD)。4.2.2 根據(jù)設(shè)計要求，畫出外部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電路總圖見附錄一圖4.2.2 外部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.3 溫度傳感器模塊4.3.1 DS18B20溫度傳感器介紹DS18B20是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易兼容微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度傳感器轉(zhuǎn)化成串

7、行數(shù)字信號供處理器處理。4.3.2 DS18B20溫度傳感器特性（1） 適應(yīng)電壓范圍寬，電壓范圍在3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。（2） 獨特的單線接口方式，他與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。（3） 支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。（4） 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路形如多只三極管的組成電路。（5） 測溫范圍-55°C +125°C，在-10°C +85°C時精度為正負(fù)0.5°C。（6） 可編程分辨率為912位，對應(yīng)的可

8、分辨溫度分別為0.5°C，0.25°C，0.125°C，0.0625°C，可實現(xiàn)高精度測溫。（7） 在9位分辨率時，最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換數(shù)字；12位分辨率時，最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，顯然速度很快。（8） 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。CRC即循環(huán)冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check）：是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定。（9） 負(fù)壓特性。電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能

9、正常工作。4.3.3 引腳介紹DS18B20實物圖如圖所示。圖4.3.3 DS18B20實物圖 4.3.4 DS18B20與單片機(jī)的連接主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，他們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號線。當(dāng)只有一個從機(jī)設(shè)備時，系統(tǒng)可按單節(jié)點系統(tǒng)操作；當(dāng)有多個從機(jī)設(shè)備時，系統(tǒng)則按多節(jié)點系統(tǒng)操作。設(shè)備（主機(jī)或從機(jī)）通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能釋放總線，而讓其他設(shè)備使用總線。單總線通常要求外接一個約為5k的上拉電阻，如圖所示。 圖4.3.4 DS18B20和單片機(jī)的連接從圖可以看出，DS18B20和單片機(jī)的連接非常簡單，單片機(jī)只需要一個I/O口就可以控

10、制DS18B20。這個圖的接發(fā)是單片機(jī)與一個DS18B20通信，如果要控制多個DS18B20進(jìn)行溫度采集，只要將所有DS18B20的I/O口全部連接到一起就可以了。在具體操作時，通過讀取各個DS18B20內(nèi)部芯片的序列號來識別。4.3.5 DS18B20的工作原理硬件電路連接好以后，對于單片機(jī)需要怎樣工作才能將DS18B20中的溫度數(shù)據(jù)讀取出來，下面將給出詳細(xì)分析。其控制DS18B20的指令：33H讀ROM。讀DS18B20溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址）。44H操作RAM。發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，結(jié)果存入9字節(jié)RAM。55H匹配ROM。發(fā)出此命令后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單總線上與

11、該編碼對應(yīng)的DS18B20并使之作出響應(yīng)，為下一步對該DS18B20的讀/寫做準(zhǔn)備。F0H搜索ROM。用于確定掛接在同一總線上DS18B20的個數(shù)，識別64位ROM地址，為操作各器件做好準(zhǔn)備。CCH跳過ROM。忽略64位ROM地址，直接向18B20發(fā)溫度變換命令，適用于一個從機(jī)工作。ECH告警搜索命令。執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的芯片才作出響應(yīng)。以上這些指令涉及的存儲器是64位光刻ROM，表1列出了它的各個定義。表1 64位光刻ROM各位定義8位48位8位CRC碼序列號產(chǎn)品類型編號64位光刻ROM中的序列號是出廠前被光刻好的，他可以看做該DS18B20的地址序列碼。其各位排列順序是：開

12、始8位為產(chǎn)品類型標(biāo)號，接下來48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前56位的CRC循環(huán)校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一條總線上接掛多個DS18B20的目的。4.3.6 DS18B20的工作時序圖下圖為時序圖中各個總線狀態(tài)。圖4.2.6 時序圖中各個總線態(tài) （1）初始化時序圖如下圖5所示。先將數(shù)據(jù)線至高電平1.圖（1） DS18B20初始化時序圖 數(shù)據(jù)線拉到低電平0。 延時（該時間要求不是很嚴(yán)格，但是要盡可能短一點 延時750s（該時間范圍可在480960s）。 數(shù)據(jù)線拉到高電平1。 延時等待。如果初始化成功則

13、在1560s內(nèi)產(chǎn)生一個由DS18B20返回的低電平0，據(jù)該狀態(tài)可以確定溫度傳感器ds18b20的存在。但是應(yīng)注意，不能無限地等待，不然會使程序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時判斷。若CPU讀到數(shù)據(jù)上的低電平0后，還要進(jìn)行延時，延時的時間從發(fā)出高電平算起（第步的時間算起）最少要480s。將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平1后結(jié)束。（2）DS18B20寫數(shù)據(jù)時序圖如下圖6所示。寫數(shù)據(jù)步驟：數(shù)據(jù)線先置低電平0。掩飾確定的時間為15s。按從低位到高位的順序發(fā)送數(shù)據(jù)（一次只發(fā)送一位）。延時時間為45s。將數(shù)據(jù)線拉到高電平1。重復(fù)循環(huán)步驟，直到發(fā)送完整個字節(jié)，注意最后將數(shù)據(jù)線拉到高位1。圖（2） DS18B20寫數(shù)據(jù)（1）

14、 DS18B20讀數(shù)據(jù)時序圖如下圖7所示。圖（3） DS18B20讀數(shù)據(jù) （3）DS18B20寫數(shù)據(jù)時序圖如上圖所示。寫數(shù)據(jù)步驟： 將數(shù)據(jù)線拉高到1. 延時2s。 將數(shù)據(jù)線拉低到0. 延時6s。 將數(shù)據(jù)線拉高到1。 延時4s。 讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到一個狀態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。重復(fù)步驟，直到讀取完一個字節(jié)后延時30us。時序圖見上圖。4.4 顯示模塊采用三位一體共陰數(shù)碼管顯示溫度，數(shù)碼管驅(qū)動使用鎖存器74hc573。采用動態(tài)顯示的原理，故段選和位選都用p0口，通過p2.6口和p2.7口確定位或者段的選通，接法見附錄電路原理圖。5 軟件設(shè)計5.1 總程序流程圖 總程序流程圖如下圖所示。圖5.1 總程

15、序流程圖5.2 程序設(shè)計其源程序見附錄三。6 安裝調(diào)試安裝調(diào)試時，數(shù)碼管會出現(xiàn)亮度不均勻或是數(shù)碼管中有個別不顯示的現(xiàn)象，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種原因的可能是因為焊接的時候有虛焊、選用的上拉電阻阻值過大，或是接元器件的時候無意間把鎖存器控制位導(dǎo)線弄斷所導(dǎo)致。6.1 數(shù)碼管引腳的判斷用5v的直流電源串電阻接在數(shù)碼管十二個引腳上，可以判斷出各個引腳代表哪一段和哪一位，其中6號引腳不起作用。哪個是6號引腳呢？讓三位數(shù)碼管正對自己右下角的引腳為1號引腳，逆時針依次為2、3、4、5、6、7、8、9、12號引腳。判斷出它的內(nèi)部電路圖如下圖所示。圖6.1 數(shù)碼管內(nèi)部電路圖6.2 排除故障 6.2.1 排除邏輯故障

16、這類故障往往由于設(shè)計和連線過程中工藝性錯誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先將加工的電路板認(rèn)真對照原理圖，看兩者是否一致。應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)檢查，以防止電源短路和極性錯誤，必要時利用數(shù)字萬用表的短路測試功能，可以縮短排錯時間。6.2.1 排除元器件失效 造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了；另一個是由于安裝錯誤，造成器件燒壞。可以采取檢查元器件與設(shè)計要求的型號、規(guī)格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯誤。6.2.3 排除電源故障 在通電前，一定要檢查電源電壓的幅值和極性，否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位，一般先檢查VCC與G

17、ND之間電位，若在5V4.8V之間屬正常。若有高壓，聯(lián)機(jī)仿真器調(diào)試時，將會損壞仿真器等，有時會使應(yīng)用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。7 結(jié)論本文較詳細(xì)的闡述了溫度測量裝置設(shè)計的整體方案與軟件實現(xiàn)。DS18B20的優(yōu)勢在于集溫度測量、A/D轉(zhuǎn)換為一體，具有單總線結(jié)構(gòu)，數(shù)字量輸出，直接與單片機(jī)接口等優(yōu)點，溫度讀取簡單、直觀，硬件和軟件的開發(fā)過程簡單，因此可用它組成單路或多路溫度測量裝置，有一定的使用和推廣價值。當(dāng)然，在這個過程中我遇到了很多問題，有的是我看書、上網(wǎng)查資料解決的，有的是同過李研達(dá)老師、同學(xué)的幫助解決的，在這里還得感謝他們的支持與厚望。參考文獻(xiàn)1劉華東等編.單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出

18、版社，20082 吳金戌等編.8051單片機(jī)實踐與應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社,20013張毅剛等編.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.北京:高等教育出版社，2003Based on the digital thermometer 51 MCU designZhang Zhao Yuan(School of Physics and Electrical Engineering , Anyang Normal University, Anyang, Henan 455000）Abstract: with the realization of single-chip microcomputer control

19、temperature measuring system, its high accuracy, good stability, and select the DALLAS company latest DSl8B20 a line in the digital temperature sensor is presented, and digital temperature sensor hardware interface circuit and the software design method, through the digital luminescence tubes to dis

20、play temperature. Keywords: STC89C52；DSl8B20；Temperature measurement；附錄一 電路原理圖 附錄二 面包板圖附錄三 源程序#include <reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DS=P22; /define interface，確定接口uint temp; / variable of temperature，溫度變量為無符號整形uchar flag1; / sign of the result positive or ne

21、gative，結(jié)果是否生效標(biāo)志sbit dula=P26; /數(shù)碼管段選sbit wela=P27; /數(shù)碼管位選unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d, 0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/顯示的依次是0funsigned char code table1=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd, 0x87,0xff,0xef;/顯示的依次是0.9.void delay(uint count) /延時子程序 uint i; wh

22、ile(count) i=200; while(i>0) /延時約1ms i-; count-; /功能:串口初始化,波特率9600，方式1/void Init_Com(void) TMOD = 0x20; /GATE CT M1 M0 GATE CT M1 M0 /定時T1 工作方式2 PCON = 0x00; /SMOD 波特率倍增位，PCON=0X01時倍增 /電源控制寄存器 SCON = 0x50; /SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI /串行控制寄存器 TH1 = 0xFd; TL1 = 0xFd; TR1 = 1;void dsreset(void)

23、/send reset and initialization command/發(fā)送初始化及復(fù)位信號 /*為了識別已連接到單總線上的數(shù)字溫度傳感器*/ uint i; DS=0; i=103; while(i>0)i-;/480us960us /*處理器先向DS18B20發(fā)送一個持續(xù)480960us的低電平信號*/ DS=1; /*然后進(jìn)入輸入模式釋放總線*/ i=4; while(i>0)i-; /1560us /*在檢測到I/O引腳上升沿之后，等待1560us*/ /*如果由DS18B20所返回的低電平持續(xù)時間少于60us，則表示就緒信號無效。主機(jī)要重新發(fā)送初始化時間序列*/*

24、讀取數(shù)據(jù)的一位，滿足讀時隙要求 */bit tmpreadbit(void) /read a bit/read a bit 讀一位 / DS18B20的讀時序:分為讀0時序和讀1時序兩個過程 uint i; / 對于DS18B20的讀時隙是從主機(jī)把單總線拉低之后， bit dat; /dat的取值為0、1。/ 在15微秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。 DS=0;i+; /i+ for delay小延時一下 / DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。 DS=1;i+;i+;/ 延時15us以上，讀時隙下降沿后15us，DS18B20輸出數(shù)據(jù)才

25、有效 dat=DS; i=8;while(i>0)i-; return (dat);/* 讀取數(shù)據(jù)的一個字節(jié) */uchar tmpread(void) /read a byte date，讀數(shù)據(jù)的一個字節(jié) uchar i,j,dat; dat=0; for(i=1;i<=8;i+) j=tmpreadbit(); dat=(j<<7)|(dat>>1); /讀出的數(shù)據(jù)最低位在最前面，這樣剛好一個字節(jié)在DAT里 return(dat);/ 將一個字節(jié)數(shù)據(jù)返回/* 寫數(shù)據(jù)的一個字節(jié)，滿足寫1和寫0的時隙要求 */void tmpwritebyte(uchar

26、dat) /write a byte to ds18b20，向傳感器寫入一個字節(jié)/DS18B20的寫時序:寫0時序和寫1時序兩個過程 /寫一個字節(jié)到 DS18B20 里 / uint i; uchar j; bit testb; for(j=1;j<=8;j+) testb=dat&0x01; dat=dat>>1; 取下一位（由低位向高位） if(testb) /write 1/ 對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當(dāng)要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當(dāng)要寫1時序

27、時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得使單總線變高，整個寫1時隙不低于60us。 DS=0; /產(chǎn)生寫0時隙的過程：MCU拉低總線后，只要在整個時隙期間保持低電平即可（至少60US） i+;i+; DS=1; i=8;while(i>0)i-; else DS=0; /write 0 i=8;while(i>0)i-; DS=1; i+;i+; void tmpchange(void) /DS18B20 begin change dsreset(); delay(1); tmpwritebyte(0xcc); / address all drivers on bus, /允許MC

28、U不提供64位ROM編碼就使用存儲器操作命令，在單點總線情況下節(jié)省時間 tmpwritebyte(0x44); / initiates a single temperature conversion/（操作RAM）發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，結(jié)果存入9字節(jié)RAM。 /uint tmp() /get the temperature float tt; uchar a,b; dsreset(); delay(1); tmpwritebyte(0xcc); tmpwritebyte(0xbe); /發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令 ，讀內(nèi)部RAM9字節(jié)的內(nèi)容 a=tmpread(); b=tmpread(); temp=b; temp<<=8; /two byte compose a int variable temp=temp|a;/ 得到