基于AT89S51單片機的數(shù)字溫度計的設(shè)計

1、基于at89s51單片機的數(shù)字溫度計的設(shè)計 摘 要：隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù),本文將介紹一種基于at89s51單片機控制的數(shù)字溫度計，本溫度計屬于多功能溫度計，可以設(shè)置上下報警溫度，當溫度不在設(shè)置范圍內(nèi)時，可以報警。該溫度計采用ds18b20作為溫度信號的采集和初步處理，設(shè)計方案簡單。 關(guān)鍵詞：單片機；溫度計； ds18b20；at89s51 abstract：with the progress of the times and development, scm technology has spread to our

2、 life, work, scientific research, each domain, has become a relatively mature technology, this paper introduces a kind of digital thermometer based on at89s51 scm control, the thermometer belongs to the multifunctional thermometer, you can set upper and lower temperature alarm, when the temperature

3、is not the set range, can alarm. the thermometer using ds18b20 as the collection and initial processing temperature signal, the plan of design is simple. key words: microprocessor；temperature；ds18b20；at89s511 引言 隨著人們生活水平的不斷提高,單片機控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計就是一個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科

4、研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)單片機技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。 本設(shè)計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，該設(shè)計控制器使用單片機at89s51，測溫傳感器使用ds18b20，用3位共陽極led數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù),實現(xiàn)溫度顯示,能準確達到以上要求。2 總體設(shè)計框圖溫度計電路設(shè)計總體設(shè)計方框圖如圖2-1所示，控制器采用單片機at89s51，溫度傳感器采用ds18b20，用3位led數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示。主 控 制 器led顯 示溫 度 傳

5、感 器單片機復位時鐘振蕩報警點按鍵調(diào)整 圖2-1 總體設(shè)計方框圖3 系統(tǒng)整體硬件電路 系統(tǒng)整體硬件電路包括，單片機at89s51主板電路，溫度顯示電路，溫度檢測電路，晶振控制電路，復位電路等。3.1 硬件原理圖圖3-1 硬件原理圖 以at89s51單片機為核心，選用12m的晶振，這是最常用的選擇，外接電容沒有特別的要求，但是外接電容的大小會影響振蕩器的頻率高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，因此我們選用30pf的電容作為起振電容。復位電路為按鍵低電平復位，當按鍵按下，rst端為高電平，當高電平持續(xù)4us的時間就可以使單片機復位。這里尤其要注意的是晶振和電容的位置，它們距離單片機引腳越短越好，因

6、為太長可能無法使單片機起振。另外是ea端一定要接上電源，使單片機能夠工作。3.2 at89s51單片機 at89s51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes isp(in-system programmable)的可反復擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，功能強大的微型計算機的at89s51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。at89s51具有如下特點：40個引腳，4k bytes fl

7、ash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。3.2.1 at89s51主要功能刪除1、為一般控制應用的 8 位單芯片2、晶片內(nèi)部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12mhz）3、內(nèi)部程式存儲器（rom）為 4kb4、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ram）為 128b5、外部程序存儲器可擴充至 64kb6、外部數(shù)據(jù)存儲器可擴充至 64kb7、32 條雙向輸入輸出線，且每條均可以單獨做 i/o 的控制8、5 個中斷向量源9、2

8、 組獨立的 16 位定時器10、1 個全多工串行通信端口11、8751 及 8752 單芯片具有數(shù)據(jù)保密的功能12、 單芯片提供位邏輯運算指令 3.2.2 at89s51各引腳功能介紹介紹太多了，只取用到的部分介紹vcc：at89s51 電源正端輸入，接+5v。vss：電源地端。xtal1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。xtal2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設(shè)計上只要在 xtal1 和 xtal2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加20pf 圖3-2 單片機電路引腳圖的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機。reset：at89s51的重置引腳

9、，高電平動作，當要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間，at89s51便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器之內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址0000h處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。ea/vpp：ea為英文external access的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當此引腳接低電平后，系統(tǒng)會取用外部的程序代碼（存于外部eprom中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，ea引腳必須接低電平，因為其內(nèi)部無程序存儲器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751內(nèi)部eprom時

10、，可以利用此引腳來輸入21v的燒錄高壓（vpp）。ale/prog：ale是英文address latch enable的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。at89s51可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74ls373），將端口0的地址總線（a0a7）鎖進鎖存器中，因為at89s51是以多工的方式送出地址及數(shù)據(jù)。平時在程序執(zhí)行時ale引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來驅(qū)動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。psen：此為program store enable的縮寫，其意為程序儲存啟用，當8051被設(shè)成為讀取外部程

11、序代碼工作模式時（ea=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到eprom的oe腳。at89s51可以利用psen及rd引腳分別啟用存在外部的ram與eprom，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64k的定址范圍。port0（p0.0p0.7）：端口0是一個8位寬的開路汲極（open drain）雙向輸出入端口，共有8個位，p0.0表示位0，p0.1表示位1，依此類推。其他三個i/o端口（p1、p2、p3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路，p0在當做i/o用時可以推動8個ls的ttl負載。如果當ea引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器），p0就以多工方

12、式提供地址總線（a0a7）及數(shù)據(jù)總線（d0d7）。設(shè)計者必須外加一鎖存器將端口0送出的地址栓鎖住成為a0a7，再配合端口2所送出的a8a15合成一完整的16位地址總線，而定址到64k的外部存儲器空間。port2（p2.0p2.7）：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向i/o端口，每一個引腳可以推動4個ls的ttl負載，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。p2除了當做一般i/o端口使用外，若是在at89s51擴充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)a8a15，這個時候p2便不能當做i/o來使用了。port1（p1.0p1.7）：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向i

13、/o端口，其輸出緩沖器可以推動4個ls ttl負載，同樣地若將端口1的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，p1.0又當做定時器2的外部脈沖輸入腳，而p1.1可以有t2ex功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。port3（p3.0p3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向i/o端口，其輸出緩沖器可以推動4個ttl負載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其引腳分配如下：p3.0：rxd，串行通信輸入。p3.1：txd，串行通信輸出。p3.2：int0，外部中斷0輸入。p3.3：

14、int1，外部中斷1輸入。p3.4：t0，計時計數(shù)器0輸入。p3.5：t1，計時計數(shù)器1輸入。p3.6：wr：外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。p3.7：rd，外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。3.3 顯示電路 圖3-3 溫度顯示電路 db18b20液晶屏為5v電壓驅(qū)動，帶背光，可顯示兩行，每行16個字符，不能顯示漢字。液晶1、2端為電源，15、16端為背光電源，為防止直接加5v而燒壞背光燈，在15腳串聯(lián)一個1k電阻，液晶3端為液晶對比度調(diào)節(jié)端，通過一個10k的電位器來調(diào)節(jié)液晶顯示對比度，用于限流。液晶4端為向液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令選擇端，接單片機p1.0端口。液晶5端為讀/寫選擇端，因為我們不需要從液晶中

15、讀取數(shù)據(jù)，只向其寫入命令和數(shù)據(jù)，因此此端始終選擇為寫狀態(tài)，即低電平接地。液晶6端為使能信號，是操作必須的信號，接單片機的p1.1口。3.4 溫度檢測電路設(shè)計溫度檢測電路如下圖3-4所示：圖3-4 溫度檢測電路 ds18b20是美國dallas半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)位的數(shù)字值讀數(shù)方式。ds18b20的性能特點如下： 獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊 簡單的多點分布應用 無需外部器件 可通過數(shù)據(jù)線供電 零待機功耗 測溫范圍-55+125，以0.5遞增。華氏器件-67+2570f，

16、以0.90f 遞增 溫度以9 位數(shù)字量讀出 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms（典型值） 用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件。 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻rom、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器th和tl、配置寄存器。ds18b20的管腳排列、各種封裝形式如圖 3-5所示，dq 為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。vdd為開漏單總線接口引腳，當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源；gnd為地信號，當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。其電路圖如圖3-5所示.。圖3-5 外部封裝形式 ds18b20的測溫原理如圖3-6所示，圖中

17、低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，ds18b20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而完成溫度測量.計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55 所對應的一個基數(shù)值。 減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器 1的預置將重新被裝入,

18、減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù),如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫圖3-7中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用，于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是ds18b20的測溫原理。 另外，由于ds18b20單線通信功能是分時完成的，有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對ds18b20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化ds18b20（發(fā)復位脈沖）發(fā)rom功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。 在正常測溫情況下，ds1820的測

19、溫分辨力為0.5。圖3-6 ds18b20的測溫原理3.5 晶振控制電路 單片機xial1和xial2分別接30pf的電容，中間在并個6mhz的晶振，形成單片機的晶振電路。圖3-7 晶振控制電路3.6 復位電路圖3-8 復位電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。4.1 實驗主程序流程圖 主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理ds18b20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見圖4-1所示。圖4-1 主程序流程圖 4.2 讀出溫度子程序 讀出溫度子程序

20、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，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖4-2所示。 圖4-2 讀溫度流程圖4.3 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當采用12位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設(shè)計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如圖4-3所示。 圖4-3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖4.4 計算溫度子程序計算溫度子程序?qū)am中讀取值進行bcd碼的轉(zhuǎn)換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4 計算溫度流程圖4.5 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)

21、據(jù)進行刷新操作，當最高顯示位為0時將符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖5-5所示。 圖4-5 顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖 5 調(diào)試 系統(tǒng)的調(diào)試以程序為主。硬件調(diào)試比較簡單，首先檢查電路的焊接是否正確，然后可用萬用表測試或通電檢測。軟件調(diào)試先編寫顯示程序并進行硬件的正確性檢驗，然后分別進行主程序、讀出溫度子程序、溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新子程序的編程及調(diào)試，由于db18b20與單片機采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，我對db18b20進行讀寫程序時嚴格地保證讀寫時序，以防無法讀取測量結(jié)果。本程序采用單片機匯編編寫，用kell編程調(diào)試。軟件調(diào)試到能顯示溫度值，而且在有溫度變化時（例如用手去接觸）現(xiàn)實溫度能改變就基本

22、完成。 性能測試時，我用制作的溫度計和已有的成品溫度計來同時測量比較，由于db18b20的精度很高，所以誤差指標可以限制在0.1以內(nèi)，另外-55 +125的測溫范圍使得該溫度計完全適合一般的應用場合，其低壓溫度供電特性可做成用電池供電的手持溫度計。 在db18b20測溫程序設(shè)計中，向db18b20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待db18b20的返回信號，一旦某個db18b20接觸不好或斷線，當程序讀該db18b20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)，所以我在進行db18b20硬件連接和軟件設(shè)計時給予了一定的重視。圖6-1 調(diào)試結(jié)果圖6 結(jié)束語 該溫度測試系統(tǒng)不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低廉、

23、精確度較高、反應速度較快、數(shù)字化顯示和不易損壞等特點，而且性能穩(wěn)定，適用范圍廣，因此特別適用于對測溫要求比較準確的場所。 本設(shè)計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，該設(shè)計控制器使用單片機at89s51，測溫傳感器使用ds18b20，用3位共陽極led數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù),實現(xiàn)溫度顯示,能準確達到以上要求。參考文獻：1 李廣第,王秀山. 單片機基礎(chǔ)m. 北京航空航天大學出版,2001.2 余發(fā)山. 單片機原理及應用技術(shù)m. 北京礦業(yè)大學出版社,2003.3 廖月琴. 基于at89s51單

24、片計數(shù)溫度計的設(shè)計j.2010.4 李朝青. 單片機原理及接口技術(shù)m. 北京航空航天大學出版社,2002.5 金偉正. 單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應用j. 電子技術(shù)應用. 2000.6 龍吉. 基于at89c2051單片機的數(shù)字溫度計的設(shè)計j. 科學之友. 2010.7 馬云峰. 單片機與數(shù)字溫度傳感器ds18b20的接口技術(shù)j. 計算機測量與控制. 2002.8 丁元杰. 單片機原理與應用m. 機械工業(yè)出版社,1994.9 付家才. 單片機控制工程實踐技術(shù)m. 化學工業(yè)出版社,2004.附錄 程序清單#include /頭文件#define uchar unsigned char #defi

25、ne uint unsigned intsbit rs=p20;sbit lcden=p21; /液晶使能端sbit data = p37; /ds18b20接入口uchar flag_dis=0;uchar bai_18b20,shi_18b20,ge_18b20,num; /定義變量bit flag_negative_number ;/負數(shù)標志uchar code table=tempreture: ; /提示語/*一毫秒定時*/void delay_ms(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);/*延時子函數(shù)*/void delay(

26、uint num)while(num-) ;/*液晶寫命令*/void write_lcd_com(uchar com)rs=0;lcden=0;p0=com;delay_ms(1);lcden=1;delay_ms(1);lcden=0;/*液晶寫數(shù)據(jù)*/void write_lcd_date(uchar date)rs=1;lcden=0;p0=date;delay_ms(1);lcden=1;delay_ms(1);lcden=0;/*液晶初始化程序*/void lcd_init()write_lcd_com(0x38);write_lcd_com(0x0c);write_lcd_com

27、(0x06);write_lcd_com(0x01);/*ds18b20溫度傳感器函數(shù)*/void init_ds18b20(void) /傳感器初始化 uchar x=0; data = 1; /dq復位 delay(10); /稍做延時 data = 0; /單片機將dq拉低 delay(80); /精確延時 大于 480us /450 data = 1; /拉高總線 delay(20); x=data; /稍做延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗 delay(30);/*溫度傳感器讀一個字節(jié)*/readonechar(void)uchar i=0;uchar dat = 0

28、;for (i=8;i0;i-) data = 0; / 給脈沖信號 dat=1; data = 1; / 給脈沖信號 if(data) dat|=0x80; delay(8); return(dat);/*溫度傳感器寫一個字節(jié)*/void writeonechar(uchar dat) uchar i=0; for (i=8; i0; i-) data = 0; data = dat&0x01; delay(10); data = 1; dat=1; delay(8);/*讀取溫度傳感器溫度*/int readtemperature(void)uchar a=0;uchar b=0;int

29、t=0;float tt=0;init_ds18b20();writeonechar(0xcc); /跳過讀序號列號的操作writeonechar(0x44); /啟動溫度轉(zhuǎn)換init_ds18b20();writeonechar(0xcc); /跳過讀序號列號的操作writeonechar(0xbe); /讀取溫度寄存器等（共可讀9個寄存器）前兩個就是溫度a=readonechar();/低位b=readonechar();/高位t=b;t=8;t=t|a;if(b&0x80) t=t+1;flag_negative_number = 1; else flag_negative_number

30、 = 0; tt=t*0.0625;t= tt*10+0.5; return(t);/*液晶顯示溫度*/void dis_d18b20(void)int temp;temp=readtemperature();/讀溫度bai_18b20=temp%1000/100;/顯示十位shi_18b20=temp%100/10;/顯示個位ge_18b20=temp%10;/顯示十分位if(flag_negative_number) /負數(shù)if(bai_18b20=0) /十位為0，則不顯示十位write_lcd_com(0x80+0x40);write_lcd_date(0x2d);write_lcd_d