基于單片機的數(shù)字溫度計的設(shè)計

安徽新華學院2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）緒論日常生活中，人們可以通過數(shù)字溫度計直觀的了解到被測溫對象的溫度數(shù)值。數(shù)字溫度計所采用的都是進口芯片，具備組裝精度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，且誤差較小。數(shù)字溫度計采用的顯示器類型為高精度、低溫漂、超低功耗集成電路和寬溫型液晶顯示屏，內(nèi)置的高能量電池持續(xù)工作時間大于5年且不需鋪設(shè)電源線纜，它是一款高精度、高穩(wěn)定性、具有很強適用性的新型現(xiàn)場溫度控制顯示儀。數(shù)字溫度計已經(jīng)取代了傳統(tǒng)現(xiàn)場指針雙金屬溫度計，并應(yīng)用在了生活的各個方面。數(shù)字溫度計的不斷發(fā)展和使用在我們的生活中具有不可替代的重要意義。課題背景溫度是我們在日常生活中常用到的一個物理量，在工業(yè)、醫(yī)學等領(lǐng)域也會經(jīng)常用到，由此可見，一個簡便精準度高的溫度計對我們的影響有多大。用溫度計直接讀出溫度的數(shù)值是溫度測量的最基本方式。我們見到最多的測溫的工具是各式各樣溫度計，大多數(shù)的溫度計是通過一系列表征液體的物理現(xiàn)象來反映出溫度變化，并且需要對溫度刻度進行人工讀取才能獲得被測物體的溫度值，例如水銀溫度計。而數(shù)字溫度計可以直接測量溫度，讀取溫度的數(shù)值，簡單方便，穩(wěn)定性好，精準度高。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)達以及人們生活水平的日益提升，人們對于測溫工具的要求也愈來愈高，尤其是近幾年來疫情的發(fā)生，進一步提高了人們對溫度測定器的要求，同時對溫度計的簡便和精準度等方面也有了更高的要求，數(shù)字溫度計便符合且適用于我們的生活現(xiàn)狀，給人們帶來了極大的便利。此篇論文中設(shè)計的數(shù)字溫度計，由于測試方便、對溫度數(shù)據(jù)的讀取直觀方便，更適合于有人流量的公共場所，本設(shè)計的控制器使用的是AT89C51單片機，使用的測溫傳感器是DS18B20溫度傳感器,用LCD1602液晶屏顯示檢測到的溫度數(shù)值，可以滿足測溫方便準確等要求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外數(shù)字式溫度計的目標顧客主要為特殊行業(yè)或有商業(yè)前途的公司，并致力于為其提供所缺乏的技術(shù)資料，尤其是在公司發(fā)展初期階段。國內(nèi)和國外產(chǎn)業(yè)數(shù)字式溫度計是不同的，例如在探索方向上或者落地形式上。國外的數(shù)字式溫度計相對較國內(nèi)而言，則更加重視創(chuàng)客文化與高技術(shù)資本的回報,獲利方式更偏向于以獲取股份或拋售所在公司股份獲取溢價為主；國內(nèi)的數(shù)字式溫度計預(yù)期發(fā)展目標的制定緊密圍繞政策導向和產(chǎn)業(yè)價值定位。1.3選題的目的和意義數(shù)字溫度計比較于傳統(tǒng)溫度計來說，有著構(gòu)造簡單、較高可靠性、低功耗、較廣的測量范圍等優(yōu)勢，在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中也被普遍使用，許多電子設(shè)備或電子產(chǎn)品都需要在適宜的溫度環(huán)境下才可以正常工作，而一旦不是在適宜的溫度環(huán)境，很多電子設(shè)備或電子產(chǎn)品在正常工作時就會發(fā)生故障。就目前狀況而言，受疫情影響，數(shù)字溫度計在我們的日常生活中也會被頻繁使用，用于測量人體溫度，以保證出入任何場合的所有人員的健康安全。所以，我們對于溫度的測量和把控是十分有必要的。2數(shù)字溫度計設(shè)計方案及元器件確定2.1設(shè)計方案本設(shè)計是采用AT89C51芯片控制DS18B20體溫感應(yīng)器來檢測實際體溫并將其表現(xiàn)出來,從而能夠迅速衡量被測對象的實際溫度。所采用的溫度控制傳感器DS18B20,檢測的溫度控制覆蓋范圍較廣，能夠滿足本設(shè)計的要求，且該溫度傳感器的精度也比較高。DS18B20是一種內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換模塊即可以直接輸出數(shù)字信號的有12位分辨率的溫度傳感器，所以在連接單片機傳輸溫度信息時不需要再增加AD轉(zhuǎn)換模塊，它在感應(yīng)到溫度信息后會將電路信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過信號傳輸模塊傳送至單片機終端。本次溫度顯示模塊運用了LCD1602液晶顯示屏，可以直觀地看到溫度數(shù)值。本設(shè)計也增添了報警模塊，當溫度不在DS18B20可以測量溫度的范圍內(nèi)時，報警電路就會啟動，蜂鳴器報警。圖2.1DS18B20溫度測量系統(tǒng)方框圖2.2單片機的選擇2.2.1AT89C51單片機的簡介AT89C51在自動化控制領(lǐng)域也叫作單片式微型電腦，該單片機運用了八位的處理模式，處理器在設(shè)計上運用了ARMv7-M基本框架元素，是一個高配版的模擬處理器。該單片機的閃存容量為256B，數(shù)據(jù)存儲器的容量為4KB，擁有21個具有特殊信息處理功能的寄存模塊，兩個雙向十六進位計數(shù)模塊，一個串行I/O口以及中斷系統(tǒng)等部分，該單片機的一系列功能模塊通過單一總線的連接方式來使其在芯片上集成式分布，并支持兩條線同時串聯(lián)調(diào)試端口，而且通過總線矩陣和接口應(yīng)用來實現(xiàn)。AT89C51單片機的外形及引腳排列如圖2.2所示。圖2.2AT89C51單片機外形圖2.2.2AT89C51單片機的特性概述單片機AT89C51能夠?qū)崿F(xiàn)下列幾個功能：實現(xiàn)4k級別的閃存處理，終端存儲器的運行速率為128字節(jié)，擁有32個I/0端口，兩個雙向十六進位計數(shù)模塊，接口多樣化設(shè)計，中斷處理模式總體上延時時間很短并且處理速度相當快。此外，AT89C51能夠?qū)崿F(xiàn)在信號頻率歸零時進行靜態(tài)指令控制與信號傳輸，并能夠自動切換到省點模式。當功能化模塊不運行時，會自動切斷中央處理器的管理功能，但可以維持閃存模塊、計數(shù)器、中斷處理系統(tǒng)、RAM等關(guān)鍵部分的正常運行。斷電模式下預(yù)留了RAM的部分功能，不過振蕩器模塊全面停止運行使得別的一系列功能管理工作中斷，直到硬件后續(xù)能夠正常運行后才能恢復(fù)。2.2.3AT89C51管腳功能VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口共存在8個連接端口，主要由1個輸出鎖存器，2格三態(tài)緩沖器，輸出與輸入控制電路等部分構(gòu)成。P0口從結(jié)構(gòu)上來說是三態(tài)雙向I/O端口，當系統(tǒng)的指令與工作環(huán)境改變時，P0口的功能也會隨之進行切換。P1口：P1口有八條端口線，命名為P1.0-P1.7，P1口是一個準雙向口，只作普通的I/O口使用。當它作輸出口使用時，因其內(nèi)部有上拉電阻，所以不用再外接上拉電阻。P2口：P2口有八條端口線，命名為P2.0-P2.7，P2口也作為準雙向口。當整個系統(tǒng)無需進行存儲擴擴展時，它只是進行常規(guī)I/O端口連接；若需要擴展存儲器時，它將作為進行擴展的總線接口，能夠周期性的向外輸出高8位的地址。P3口：P3口口有八條端口線，命名為P3.0-P3.7，P3口從本質(zhì)角度來說是多功能的雙向端口。其一是進行常規(guī)I/O端口連接，其二是進行指定功能需要的端口連接，這種條件下，八條端口線對應(yīng)的處理功能之間存在顯著差異。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0RXD，串行數(shù)據(jù)輸入端P3.1TXD，串行數(shù)據(jù)輸出端P3.2/INT0，外部中斷0P3.3/INT1，外部中斷1P3.4T0，定時/計時器0外部輸入P3.5T1，定時/計時器1外部輸入P3.6/WR，片外RAM寫選通信號輸出端P3.7/RD，片外RAM讀選通信號輸出端RST：復(fù)位輸入。ALE/PROG:地址鎖存允許/編程脈沖，在對單片機下載程序的時候，用作PROG，此引腳用于輸入編程脈沖。/PSEN：外部ROM的選通信號，即在讀取ROM內(nèi)部的數(shù)據(jù)時和它有關(guān)。/EA/VPP：內(nèi)、外ROM選擇/編程電源。AT89C51單片機本身具有4K的片內(nèi)ROM，如若不夠用，還可外擴片外ROM，EA的值決定了訪問數(shù)據(jù)時選擇的是片內(nèi)還是片外。VPP是在下載程序時施加電壓。。XTAL1：外接振蕩元件。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.3溫度傳感器的選擇利用傳感器自身的材料性質(zhì)以及熱效應(yīng)作用機制的差異，溫度傳感器能夠大致劃分成三大類型，分別是DS18B20溫度傳感器，NTC熱敏電阻，熱電偶傳感器。DS18B20溫度傳感器器件體積小，操作方便，而NTC熱敏電阻這類溫度傳感器,感應(yīng)溫度的基本原理是其自身就是一種可變電阻器件,因此環(huán)境溫度的改變也會使NTC熱敏電阻的阻值改變。我們只要把NTC熱敏電阻與一個電阻形成分壓電路,再把分壓電流傳遞給單片機控制器實現(xiàn)電流識別,便可以知道當前NTC熱敏電阻的阻值大小,然后再利用查表的方法找出與電阻系數(shù)對應(yīng)的溫度數(shù)值,就完成了利用當前NTC熱敏電阻測量環(huán)境溫度的功能;而熱電偶傳感器則能夠直接檢測環(huán)境溫度,利用熱電偶在傳輸電路中形成的熱電動勢，然后利用單片機控制系統(tǒng)將熱電動勢轉(zhuǎn)換成溫度值從而實現(xiàn)溫度檢測。通過上述對不同溫度傳感器的分析，考慮到設(shè)計方案的方便可行，本設(shè)計采用的是DS18B20溫度傳感器。DS18B20溫度傳感器測溫范圍廣，它有3個引腳，分別為兩個電源引腳和一個數(shù)據(jù)引腳，溫度信息則是通過數(shù)據(jù)引腳傳送給單片機。2.3.1DS18B20測溫原理

將高溫度系數(shù)的振蕩器元件運行一定周期后得到門周期，傳感器的內(nèi)置計數(shù)元件在此周期內(nèi)對低溫度系數(shù)的振蕩器的一系列脈沖信息進行記錄，并對這些脈沖信息進行信號的放大與轉(zhuǎn)換，從而轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)字信號后傳輸至顯示屏。由于此溫度傳感器的測溫下限值為-55℃，因此計數(shù)器也要設(shè)置與之匹配的臨界信號值。當一個門周期完成前計數(shù)器就已經(jīng)歸零，那么溫度信號寄存器（已經(jīng)初始化為-55℃）對應(yīng)的信號值會提高，這反映出實測物體的溫度超過-55℃。

此外，當計數(shù)器自動復(fù)位到某個值后，而這個復(fù)位值主要通過系統(tǒng)內(nèi)的溫度補償模塊（斜坡式累加器）決定。接著計數(shù)器會繼續(xù)運行直至歸零，假使此時門周期還沒有完成，將繼續(xù)循環(huán)此步驟。斜坡式累加器主要運用非線性的溫度補償機制來提升溫度感應(yīng)信號的精準度。從本質(zhì)層面而言是對計數(shù)器各個溫度梯度所需要進行計數(shù)的跨度值進行調(diào)整來提升溫度感應(yīng)模塊的精準性與分辨性。所以，若要得到預(yù)期的分辨力，需要確定具體溫度條件下計數(shù)器的值以及增加一度的計數(shù)變化區(qū)間等一系列對應(yīng)值。2.3.2DS18B20技術(shù)性能描述1、DS18B20溫度傳感器實際運行過程中無需再接入外圍信號控制電路，所有的信號感應(yīng)元件與信號處理模塊都均勻的集成在集成電路中。2、DS18B20溫度傳感器測溫精度較高。3、DS18B20運用聯(lián)合測試工作組，而且支持兩條線同時串聯(lián)調(diào)試端口。并通過總線矩陣和接口應(yīng)用來實現(xiàn)對多點感應(yīng)區(qū)域的溫度測量。4、工作電源:3.0~5.5V/DC（可以數(shù)據(jù)線寄生電源）5、測量結(jié)果以數(shù)字的方式輸出，以“一線總線”串行傳送至CPU。6、不銹鋼保護管直徑Φ67、負壓特性：若電路反接，電流的熱效應(yīng)將顯著增強，芯片雖然本身添加了耐熱材料而不會被破壞，但依然不能維持正常的運行狀態(tài)。8、標準安裝螺紋M10X1,M12X1.5,G1/2”任選2.3.3DS18B20的工作時序DS18B20對工作時間有很嚴格的規(guī)定,而且要有精準的延時時間。DS18B20的工作時間包括了初始化時間、寫時序和讀時間三種時序。(1)初始化時序。在初始化順序階段,單總線控制器拉低總線并維持至少四百八十us以發(fā)送下一次復(fù)位脈沖,隨后返回并放出單總線,進入接收狀態(tài),當總線放出后,單總線將上拉低電阻拉至最高電平,在DS十八B二十檢測到I/O接口上的上升沿后,再待機15-60us,隨后將其以拉低總線至60-240us的方法重新發(fā)送存在脈沖電路。初始化時序就此結(jié)束。所以，能否讀到DS18B20這個先低后高的脈沖時序，并且拉低的時間要滿足60-240us是初始化是否成功的標志。(2)寫時序。當主機產(chǎn)生寫時序之后,DS18B20將會在其后的十五至六十微秒的一個時段內(nèi)采樣為單總線。假設(shè)在采樣時鐘窗口內(nèi)總線為高電平,那么主機就會向DS18B二20輸入1,反之,寫入0。每個的寫時序都需要至少有六十微秒的時間,而相鄰的2個寫時序也一定要有恢復(fù)時間,且最少一微秒。所有的寫時序問題均由拉低總線產(chǎn)生。(3)讀時序。當主機發(fā)起讀時序時，DS18B20的作用僅在于給控制器傳輸數(shù)據(jù)，所以，總線控制器在發(fā)出讀指令后必須立刻開始讀時序。所有讀時序最少60us，包含兩個讀周期間至少1us的恢復(fù)時間。DS18B20輸出信號有效的必要前提是在時序的下降沿指令產(chǎn)生后的15us內(nèi)，所以讀取I/O口狀態(tài)，總控制線需要在讀時序開始后把I/O口設(shè)置為輸入模式。2.3.4DS18B20的使用要點DS18B20通過單線總線協(xié)議的方法,即實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送都是在同一根數(shù)據(jù)線上,但由于單線總線協(xié)議并不能被單片機或微型計算機硬件支持,綜上，如果我們要實現(xiàn)對DS18B20芯片的訪問,那就必須用軟件方式來模擬單總線的協(xié)議。由于從DS18B20中讀取數(shù)據(jù)位是在同一條I/O線上完成的,所以對讀取的數(shù)據(jù)位都有很嚴格精確的時間規(guī)定,且有嚴格的通信協(xié)議來確保各位數(shù)據(jù)信息的正確性與完整性。該協(xié)議規(guī)定了如下信號的時序:初始化、讀、寫時序。初始化時序、讀時序、寫時序這三個時序時序都是將單片機作為主設(shè)備的,而DS18B20則視為從設(shè)備，每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都始于主機主動啟動寫時序，如果DS18B20被要求對數(shù)據(jù)進行回送，那么寫命令進行后，主機將會需要啟動讀時序，最后完成數(shù)據(jù)的接收。2.4顯示器的選擇LCD1602液晶顯示器是本設(shè)計顯示溫度數(shù)值的顯示器件。LCD1602液晶模塊的引腳功能如下所示：VSS：一般接地；VDD：接電源；RS：RS為寄存器選擇接口，當電路中高電平信號為1時，數(shù)據(jù)寄存模塊啟動，當電路中低電平信號為1時，指令寄存器運行。RW：RW是讀寫信號線，當輸入信號時高電平時進行的是讀操作，反之，進行寫操作；E：E端為使能端，下降沿使能；DB0-DB7：數(shù)據(jù)線。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1數(shù)字溫度計電路原理圖數(shù)字溫度計的電路原理圖如圖3.1所示，它包含了最小系統(tǒng)電路、顯示電路、數(shù)據(jù)采集電路和報警電路四個部分，DS18B20溫度傳感器將溫度值傳送給單片機然后通過液晶顯示屏將溫度值顯示出來，當溫度超過一定范圍時，報警電路啟動。圖3.1數(shù)字溫度計的電路原理圖3.2最小系統(tǒng)電路最小系統(tǒng)電路是由晶振電路、復(fù)位電路和AT89C51單片機構(gòu)成的。圖3.2主控制器電路3.3顯示電路顯示電路如圖3.3所示，它的功能是對單片機傳送過來的數(shù)據(jù)進行顯示，它采用的是集成的數(shù)碼管，結(jié)構(gòu)是共陰極。圖3.3顯示電路3.4數(shù)據(jù)采集電路DS18B20溫度傳感器檢測到溫度信息時，特有的溫度測量技術(shù)可以將被測溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號，測量結(jié)果會被存在溫度寄存器中。圖3.4數(shù)據(jù)采集電路3.5報警電路 圖3.5報警模塊電路報警電路如圖3.5所示，當溫度超過所設(shè)范圍時，報警電路啟動報警。3.6按鍵模塊設(shè)計圖3.6按鍵模塊電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1KeilC51軟件介紹單片機開發(fā)中不僅需要硬件，也需要用到軟件。如果要將我們自己所編寫的程序要變成可以被CPU執(zhí)行的機器碼，有兩種可以實現(xiàn)的方法，分別是手工匯編，和機器匯編。機器匯編就至是把源程序變成機器碼，但需要用到匯編軟件，從整體角度而言，單片機程序的開發(fā)正在朝著更加深層次的方向發(fā)展，從一開始的單項匯編語言逐漸發(fā)展到多元化的高級程序語言，此外，單片機開發(fā)軟件的發(fā)展速度也較為迅速。KeilC51軟件現(xiàn)階段應(yīng)用較為普遍的一款單片機軟件，各大自動化與軟件開發(fā)商這幾年來陸續(xù)宣布全面推廣并適配KeilC51。KeilC51主要能夠提供半電路定制掃描、相位轉(zhuǎn)換器、仿真測試器、存儲管理器、資源庫管理等一系列多元化功能模塊在內(nèi)的較為全面的開發(fā)方案，運用一種集成化的程序語言將這一系列功能化模塊進行有機組合。運行KeilC151軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。4.2程序介紹此程序是利用C語言編寫，keilC51生成的HEX文件。程序包括了主程序、初始化程序、讀寫溫度子程序、溫度顯示子程序、蜂鳴器報警程序等。DS18B20初始化程序:把DS18B20溫度傳感器進行初始化操作。讀取溫度子程序:控制溫度傳感器DS18B20獲取測量的溫度值。寫溫度子程序:將讀出的溫度寫入DS18B20內(nèi)部的寄存器中來獲取溫度值。顯示子程序:控制顯示電路在8位數(shù)碼管上顯示出所獲取的溫度值。程序功能:能夠以十進制的形式顯示溫度傳感器DS18B20測量的溫度值。同時外圍按鍵能夠設(shè)定一個溫度值以及報警開關(guān)狀態(tài)來進行報警設(shè)定，例如:報警開關(guān)關(guān)閉時，無論溫度為多少都不會引起報警反應(yīng)，反之，如若當前溫度不在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，蜂鳴器就會發(fā)出報警的