畢業(yè)設計（論文）51單片機數字溫度計

1、 - 1 - 目錄目錄 摘要摘要 -2 2 1 1 引言引言 -3 3 2 2 總體設計方案總體設計方案 -4 4 2.12.1 數字溫度計設計方案論證數字溫度計設計方案論證-4 2.1.1 方案一一 -4 2.22.2 方案二的總體設計框圖方案二的總體設計框圖-4 4 2.2.1 主控制器-5 2.2.2 顯示電路-6 2.2.3 溫度傳感器 -6 2.32.3 ds18b20ds18b20 溫度傳感器與單片機的接口電路溫度傳感器與單片機的接口電路-1111 2.42.4 系路統(tǒng)整體硬件電系路統(tǒng)整體硬件電 -1111 2.4.1 主板電路-11 3 3 系統(tǒng)軟件算法分析系統(tǒng)軟件算法分析-13

2、13 3.13.1 主程序主程序-1313 3.23.2 讀出溫度子程序讀出溫度子程序-1414 3.33.3 溫度轉換命令子程序溫度轉換命令子程序-1515 3.43.4 計算溫度子程序計算溫度子程序 -1515 3.53.5 顯示數據刷新子程序顯示數據刷新子程序 -1616 4 4 總結與體會總結與體會-1616 2 參考文獻參考文獻 -1717 附錄附錄 -1818 3 摘要 隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術已經普及到我們生活，工作，科 研，各個領域，已經成為一種比較成熟的技術,本文將介紹一種基于單片機 控制的數字溫度計，本溫度計屬于多功能溫度計，可以設置上下報警溫度， 當溫度不在設置范

3、圍內時，可以報警。 4 1 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，要為現代人工作、科研、生活、提供更 好的更方便的設施就需要從數單片機技術入手，一切向著數字化控制，智 能化控制方向發(fā)展。 本設計所介紹的數字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數方便，測溫 范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數字顯示，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 數碼管以串口傳送數據,實現

4、溫度顯示, 能準確達到以上要求。 5 2 總體設計方案 2.1 數字溫度計設計方案論證 2.1.12.1.1 方案一方案一 由于本設計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應， 在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行 a/d 轉換后，就可以用 單片機進行數據的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這 種設計需要用到 a/d 轉換電路，感溫電路比較麻煩。 2.1.2 方案二 進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設計中，大多都是使用傳感器， 所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器 ds18b20，此傳感 器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉換，就可以滿足設

5、計要求。 從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設計 也比較簡單，故采用了方案二。 2.22.2 方案二的總體設計框圖方案二的總體設計框圖 溫度計電路設計總體設計方框圖如圖 1 所示，控制器采用單片機 at89s51，溫度傳感器采用 ds18b20，用 3 位 led 數碼管以串口傳送數據實 現溫度顯示。 主 控 制 器 led 顯 示溫 度 傳 感 器 單片機復位 時鐘振蕩 報警點按鍵調整 6 圖 1總體設計方框圖 2.2.12.2.1 主控制器主控制器 單片機 at89s51 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

6、式產品的設計使用系 統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。 2.2.22.2.2 顯示電路顯示電路 顯示電路采用 3 位共陽 led 數碼管，從 p3 口 rxd,txd 串口輸出段碼。 2.2.32.2.3 溫度傳感器溫度傳感器 ds18b20 溫度傳感器是美國 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，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現位的數字值讀數 方式。ds18b20 的性能特點如下： 1 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； 2 多個 ds18b20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現多點組網功能； 3 無須外部器件； 4

7、可通過數據線供電，電壓范圍為 3.05.5； 7 5 零待機功耗； 6 溫度以或位數字； 7 用戶可定義報警設置； 8 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； 9 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能 正常工作； ds18b20 采用腳 pr35 封裝或腳 soic 封裝，其內部結構框圖如圖 2 所示。 圖 2 ds18b20 內部結構 64 位 rom 的結構開始位是產品類型的編號，接著是每個器件的惟一 的序號，共有 48 位，最后位是前面 56 位的 crc 檢驗碼，這也是多個 ds18b20 可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器和，可

8、通 過軟件寫入戶報警上下限。 ds18b20 溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存和一個非 i/o c 64 位 rom 和 單 線 接 口 高 速 緩 存 存儲器與控制邏輯 溫度傳感器 高溫觸發(fā)器 th 低溫觸發(fā)器 tl 配置寄存器 8 位 crc 發(fā)生器 vdd 8 易失性的可電擦除的 eeram。高速暫存 ram 的結構為字節(jié)的存儲器，結構 如圖 3 所示。頭個字節(jié)包含測得的溫度信息，第和第字節(jié)和 的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第個字節(jié)，為配置寄 存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率。ds18b20 工作時寄存器 中的分辨率轉換為相應精度的溫度數值。該字節(jié)各位的定義

9、如圖 3 所示。 低位一直為，是工作模式位，用于設置 ds18b20 在工作模式還是 在測試模式，ds18b20 出廠時該位被設置為，用戶要去改動，r1 和0 決 定溫度轉換的精度位數，來設置分辨率。 tm r1 1r01111 . . . 圖 3 ds18b20 字節(jié)定義 由表 1 可見，ds18b20 溫度轉換的時間比較長，而且分辨率越高，所需 要的溫度數據轉換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間 權衡考慮。 高速暫存的第、字節(jié)保留未用，表現為全邏輯。第 字節(jié)讀出前面所有字節(jié)的 crc 碼，可用來檢驗數據，從而保證通信數 據的正確性。 當 ds18b20 接收到溫度轉換命令后，

10、開始啟動轉換。轉換完成后的溫 度值就以 16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 溫度 lsb 溫度 msb th 用戶字節(jié) 1 tl 用戶字節(jié) 2 配置寄存器 保留 保留 保留 crc 9 、字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數據，讀數據時低位在先， 高位在后，數據格式以 0.0625lsb 形式表示。 當符號位時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位 轉換為十進制；當符號位時，表示測得的溫度值為負值，要先將補 碼變成原碼，再計算十進制數值。表 2 是一部分溫度值對應的二進制溫度 數據。 表 1 ds18b20 溫度轉換時間表 r0r1 0 0 0 1 0 1 1 1

11、 9 10 11 12 分辨率/位 溫度最大轉向時間/ms 93.75 187.5 375 750 . . . ds18b20 完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與 ram 中的 th、t字節(jié) 內容作比較。若th 或 ttl，則將該器件內的報警標志位置位，并對 主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應。因此，可用多只 ds18b20 同時測量溫 度并進行報警搜索。 在 64 位 rom 的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（crc） 。主機 rom 的前 56 位來計算 crc 值，并和存入 ds18b20 的 crc 值作比較，以判斷 主機收到的 rom 數據是否正確。 ds18b20 的測溫原理是這這

12、樣的,器件中低溫度系數晶振的振蕩頻率受 溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器；高溫 度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數 器的脈沖輸入。器件中還有一個計數門，當計數門打開時，ds18b20 就對 低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數進而完成溫度測量。計數門的 開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應 的一個基數分別置入減法計數器、溫度寄存器中，計數器和溫度寄存 10 器被預置在55所對應的一個基數值。 減法計數器對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減 法計數器的預置值減到時，溫度寄存器的值將加，減法計數器的 預置

13、將重新被裝入，減法計數器重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖 信號進行計數，如此循環(huán)直到減法計數器計數到時，停止溫度寄存器的 累加，此時溫度寄存器中的數值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計 數器的預置值，只要計數器門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器 值大致被測溫度值。 表 2一部分溫度對應值表 溫度/二進制表示十六進制表示 +1250000 0111 1101 000007d0h +850000 0101 0101 00000550h +25.06250000 0001 1001 00000191h +10.1250000 0000 1010 000100a2h +0.50000 000

14、0 0000 00100008h 00000 0000 0000 10000000h -0.51111 1111 1111 0000fff8h -10.1251111 1111 0101 1110ff5eh -25.06251111 1110 0110 1111fe6fh -551111 1100 1001 0000fc90h 另外，由于 ds18b20 單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概 念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對 ds18b20 的各種操作按協(xié)議進行。操作 協(xié)議為：初使化 ds18b20（發(fā)復位脈沖）發(fā) rom 功能命令發(fā)存儲器操作 命令處理數據。 11 ds 18b 20ds

15、 18b 20ds 18b 20 4.7 k gndgndgnd vcc vcc單 片 機 . . . . 圖 4 ds18b20 與單片機的接口電路 2.3 ds18b20 溫度傳感器與單片機的接口電路 ds18b20 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時 ds18b20 的 1 腳接地，2 腳作為信號線，3 腳接電源。另一種是寄生電源供 電方式，如圖 4 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的 ds18b20 時 鐘周期內提供足夠的電流，可用一個 mosfet 管來完成對總線的上拉。 當 ds18b20 處于寫存儲器操作和溫度 a/d 轉換操作時，總線上必須有 強的上拉，上

16、拉開啟時間最大為 10us。采用寄生電源供電方式時 vdd 端接 地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。 2.4 系路統(tǒng)整體硬件電 2.4.12.4.1 主板電路主板電路 系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數據采集電路，溫度顯示電路，上下 限報警調整電路，單片機主板電路等，如圖 5 所示。 圖 5 中有三個獨立式按鍵可以分別調整溫度計的上下限報警設置，圖 中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內時，發(fā)出報警鳴叫聲音，同時 led 數碼管將沒有被測溫度值顯示，這時可以調整報警上下限，從而測出被 測的溫度值。 12 圖 5 中的按健復位電路是上電復位加手動復位，使用比較方便，在程序 跑飛時，

17、可以手動復位，這樣就不用在重起單片機電源，就可以實現復位。 2.4.2 顯示電路 顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優(yōu)點就是使用口資源比較 少，只用 p3 口的 rxd,和 txd,串口的發(fā)送和接收，四只數碼管采用 74ls164 右移寄存器驅動，顯示比較清晰。 圖 5 單片機主板電路 13 圖 6 溫度顯示電路 14 3 系統(tǒng)軟件算法分析 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，顯示數據刷新子程序等。 3.1 主程序 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

18、內測量一次被 測溫度，其程序流程見圖 7 所示。 初始化 調用顯示子程序 1s 到？ 初次上電 讀出溫度值溫度計算處理顯 示數據刷新 發(fā)溫度轉換開始命令 n y n y y 發(fā) ds18b20 復位命令 發(fā)跳過 rom 命令 發(fā)讀取溫度命令 讀取操作，crc 校驗 9 字節(jié)完？ crc 校驗正？確？ 移入溫度暫存器 結束 n n y 15 發(fā) ds18b20 復位命令 發(fā)跳過 rom 命令 發(fā)溫度轉換開始命令 結束 圖 7 主程序流程 圖 8 讀溫度流程圖 3.2 讀出溫度子程序 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，校驗有錯時不進行溫度數據的改

19、寫。其程序流程圖如圖 8 示 圖 9 溫度轉換流程圖 3.3 溫度轉換命令子程序 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上圖，圖 9 所示 3.4 計算溫度子程序 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 10 所示。 16 圖 10計算溫度流程圖 圖 11顯示數據刷新流程圖 3.53.5 顯示數據刷新子程序顯示數據刷新子程序 顯示數據刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數據進行刷新操作，

20、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 11。 開始 溫度零下? 溫度值取補碼置“”標志 計算小數位溫度 bcd 值 計算整數位溫度 bcd 值 結束 置“+”標志 n y 溫度數據移入顯示寄存器 十位數 0？ 百位數 0？ 十位數顯示符號百 位數不顯示 百位數顯示數據 （不顯示符號） 結束 n n y y 17 4 4 總結與體會總結與體會 經過將近三周的單片機課程設計，終于完成了我的數字溫度計的設計， 雖然沒有完全達到設計要求，但從心底里說，還是高興的，畢竟這次設計 把實物都做了出來，高興之余不得不深思呀！ 在本次設計的過程中，我發(fā)現很多的問題，雖然以前還做過這樣的設 計但這次設計真的讓我長進了很多，單片機課程設計重點就在于軟件算法 的設計，需要有很巧妙的程序算法，雖然以前寫過幾次程序，但我覺的寫 好一個程序并不是一件簡單的事，舉個例子，以前寫的那幾次，數據加減 時，我用的都是 bcd 碼，這一次，