基于51单片机的温度计设计

单片机原理与接口技术课程课程名称：

设计题目：

专 业：

设 计 者：

指导老师：设计 单片机原理与接口技术 基于51单片机的数字温度计设计 信 息 工 程

摘要

随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现．能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。选用AT89C51型单片机作为主控制器件，DSl8B20作为测温传感器通过2位共阴极LED 数码管串口传送数据，实现温度显示。通过DSl8B20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，在0℃~100℃最大线性偏差小于0.1℃。该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。

关键字：AT89S52 51单片机 DS18B20 温度计

目 录

1 系统硬件设计方案 . ........................................ - 4 -

1.1 温度传感器介绍 ..................................... - 4 -

1.2 温度传感器与单片机的连接 ........................... - 7 -

1.3 复位信号及外部复位电路 ............................. - 8 -

1.4 电源电路 . .......................................... - 8 -

1.5 显示电路 . ........................................... - 8 - 2 软件设计 . ................................................ - 9 - 3 数据测试 . ............................................... - 11 - 4 总结与体会 . ............................................. - 11 - 参考文献 . ................................................. - 13 - 附录1 仿真图 ............................................. - 13 - 附录2 程序源代码 ......................................... - 15 -

DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C 。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EPROM 中，掉电后依然保存。

温度传感器DS18B20引脚如图3所示。

8引脚封装 TO －92封装

图2 温度传感器

引脚功能说明：

NC ：空引脚，悬空不使用；

VDD ：可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

DQ ：数据输入/输出脚。漏极开路，常态下高电平。

GND ：为电源地

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和TL 、配置寄存器。

光刻ROM 中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM 的排列是：开始8位（28H ）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码

（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM 的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩

展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S 为符号位。

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM 中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 例如+125℃的数字输出为07D0H ，+25.0625℃的数字输出为0191H ，-25.0625℃的数字输出为FF6FH ，-55℃的数字输出为FC90H 。

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM 和一个非易失性的可电擦除的E2RAM, 后者存放高温度和低温度触发器TH 、TL 和结构寄存器。

暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH 、TL 的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。

该字节各位的意义如下：

TM R1 R0 1 1 1 1 1

低五位一直都是1 ，TM 是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如表1所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）

表1 DS18B20温度转换时间表

根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM 指令，最后发送RAM 指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU 将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU 收到此信号表示复位成功。

1.2 温度传感器与单片机的连接

温度传感器的单总线(1-Wire)与单片机的P2．0连接，P2．0是单片机的高位地址线A8。P2端口是一个带内部上拉电阻的8位双向I ／O ，其输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对该端口写“1”，可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平，此时可作为输入口使用，这是因为内部存在上拉电阻，某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时。如执行MOVX DPTR指令，则表示P2端口送出高8位的地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，可执行MOVX RI指令，P2端口内容即为特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器内容，整个访问期间不改变。在Flash 编程和程序校验时，P2端口也接收高位地址和其他控制信号。图3为DSl8820内部结构。图4为DSl8820与单片机的接口电路。

图3 DS18B20内部结构图

图4 DS18B20和单片机的接口连接

1.3 复位信号及外部复位电路

单片机的P1.6端口是MAX813看门狗电路中喂狗信号的输入端，即单片机每执行一次程序就设置一次喂狗信号，清零看门狗器件。若程序出现异常，单片机引脚RST 将出现两个机器周期以上的高电平，使其复位。该复位信号高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期即两个机器周期以上。若使用频率为12 MHz的晶体振荡器，则复位信号持续时间应超过2μs才完成复位操作。

1.4 电源电路

由于该系统需要稳定的5 V 电源，因此设计时必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。该电源采用三端集成稳压器LM7805。它仅有输入端、输出端及公共端3个引脚，其内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路．由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作为稳压电源。图5为电源电路连接图。

图5 电源电路连接图

1.5 显示电路

采用技术成熟的74HCl64实现串并转换。LED 显示分为静态显示和动态显示。这里采用静态显示，系统通过单片机的串行口来实现静态显示。串行口为方式零状态，即工作在移位寄存器方式，波特率为振荡频率的1/12。当器件执行任何一条将SBUF 作为目的寄存器的命令时，数据便开始从RXD 端发送。在写信号有效时，相隔一个机器周期后发送控制端SEND 有效，即允许RXD 发送数据，同时允许从TXD 端输出移位脉冲。图6为显示电路的连接图。

图6 显示电路的连接图

2 软件设计

DSl8820的主要数据元件有：64位激光Lasered ROM，温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器TH 和TL 。DSBl820可以从单总线获取电源，当信号线为高电平时，将能量贮存在内部电容器中；当单信号线为低电平时，将该电源断开，直到信号线变为高电平重新接上寄生(电容) 电源为止。此外，还可外接5 V电源，给DSl8820供电。DSl8820

的供电方式灵活，利用外接电源还可增加系统的稳定性和可靠性。图7为读取数据流程图。

图7 读取数据的流程图

读出温度数据后，LOW 的低四位为温度的小数部分，可以精确到0.0625℃，LOW 的高四位和HIGH 的低四位为温度的整数部分，HIGH 的高四位全部为1表示负数，全为0表示正数。所以先将数据提取出来，分为三个部分：小数部分、整数部分和符号部分。小数部分进行四舍五入处理：大于0.5℃的话，向个位进1；小于0.5℃的时候，舍去不要。当数据是个负数的时候，显示之前要进行数据转换，将其整数部分取反加一。还因为DS18B20最低温度只能为-55℃，所以可以将整数部分的最高位换成一个“-”，表示为负数。图8为温度数据处理程序的流程图。

图8 温度数据处理流程图

3 数据测试

将温度传感器与冰水混合物接触，经过充分搅拌达到热平衡后调节系统，使显示读数为0.00(标定0℃) ；利用气压计读出当时当地的大气压强，并根据大气压强和当地重力加速度计算出当时的实际压强；根据沸点与压强的关系查出沸点温度。把温度传感器放入沸水中，待显示读数稳定后重新调节，使显示器显示读数等于当地当时沸点温度后工作结束。该温度计的量程为-50℃～150℃，读数精度为0.1℃，实际使用一般在0℃～100℃。采用0℃～50℃和50℃～100℃的精密水银温度计作检验标准，对设计的温度计进行测试，其结果表明能达到该精度要求。

4 总结与体会

作为一名电子信息工程的大三学生，我觉得做单片机课程设计是很有意义的，而且也是必要的。在做这次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。

为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的实际资料是十分必要的，也是必不可少的。

其次，在这次课程设计中，我们运用了以前学过的专业课知识，如：proteus 仿真、汇编语言、模拟和数字电路知识等。虽然过去我从未独立应用过他们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。

最后，要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，这样为资料的保留和交流提供了方便；在设计中遇到的问题要记录，以免下次遇到同样的问题。

在这次的课程设计中，我真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单片机更是如此，程序只有在经常写与读的过程中才能提高，这就是这次课程设计的最大收获。

参考文献

1 李群芳, 肖看. 单片机原理、接口及应用. 清华大学出版社 3张丽娜. 单片机原理及应用. 华中科技大学出版社 5 黄庆华. 单片机开发技术与实训. 电子工业出版社

6于京.51系列单片机C 程序设计与应用方案. 中国电力出版社 7 沙占友. 单片机外围电路设计. 电子工业出版社 8 戴佳.51单片机C 语言设计实例精讲. 电子工业出版社 9 周坚. 单片机C 语言轻松入门. 北京航空航天大学出版社

附录1 仿真图

附录2 程序源代码

DATA_BUS BIT P3.3 FLAG BIT 00H

TEMP_L EQU 30H TEMP_H

EQU 31H TEMP_DP

EQU

32H TEMP_INT EQU 33H TEMP_BW EQU 34H TEMP_SW EQU 35H TEMP_GW EQU 36H DIS_BW EQU 37H DIS_SW EQU 38H DIS_GW

EQU

39H DIS_DP

EQU

3AH DIS_ADD EQU

3BH

ORG 0000H AJMP

START

ORG 0050H

START:

MOV SP,

#40H

MAIN: LCALL READ_TEMP LCALL

PROCESS

AJMP MAIN

; 读温度程序 READ_TEMP: LCALL RESET_PULSE

MOV A, #0CCH

; 标志位 ; 温度值低字节 ; 温度值高字节 ; 温度小数 ; 温度值整数 ; 温度百位数 ; 温度十位数 ; 温度个位数 ; 显示百位数 ; 显示十位数 ; 显示个位数 ; 显示小数位 ; 显示地址

; 初始化

; 调读温度程序 ; 调数据处理程序

; 调用复位脉冲程序; 跳过ROM 命令

LCALL WRITE MOV A, #44H

; 读温度

LCALL

WRITE

LCALL DISPLAY

; 显示温度 LCALL RESET_PULSE ; 调用复位脉冲程序

MOV A,

#0CCH

; 跳过ROM 命令

LCALL WRITE MOV A,

#0BEH

; 读缓存命令

LCALL WRITE LCALL READ

RET

; 复位脉冲程序 RESET_PULSE: RESET:

SETB DATA_BUS NOP NOP CLR

DATA_BUS

MOV R7, #255 DJNZ R7, $ SETB DATA_BUS MOV R7, #30 DJNZ R7,$ JNB DATA_BUS, SETB_FLAG

CLR

FLAG

AJMP NEXT

SETB_FLAG:

SETB FLAG

NEXT:

MOV R7, #120 DJNZ R7, $ SETB DATA_BUS

JNB

FLAG , RESET

RET ; 写命令 WRITE:

SETB DATA_BUS MOV

R6, #8

CLR C

WRITING: CLR

DATA_BUS

MOV R7, #5 DJNZ R7, $ RRC

A

MOV DATA_BUS, C MOV R7, #30H DJNZ R7, $ SETB DATA_BUS NOP

DJNZ R6, WRITING

RET

; 循环显示段位 DISPLAY:

MOV R4, #200

DIS_LOOP:

MOV A, DIS_DP

MOV P2, #0FFH

MOV P0, A

CLR

P2.7

LCALL DELAY2MS MOV A, DIS_GW MOV P2, #0FFH MOV P0, A

SETB P0.7

CLR

P2.6

LCALL DELAY2MS MOV A, DIS_SW MOV P2, #0FFH MOV P0, A

CLR

P2.5

LCALL DELAY2MS

MOV A, DIS_B

MOV P2, #0FFH MOV P0, A

MOV A, TEMP_BW CJNE A, #0,SKIP

AJMP NEXTT

SKIP: CLR P2.4

LCALL DELAY2MS

NEXTT: NOP

DJNZ R4, DIS_LOOP

RET

; 读命令

READ:

SETB DATA_BUS MOV R0, #TEMP_L MOV R6, #8 MOV R5, #2

CLR

C

READING: CLR DATA_BUS

NOP NOP

SETB DATA_BUS NOP NOP NOP NOP

MOV C, DATA_BUS RRC

A

MOV R7, #30H DJNZ R7, $ SETB DATA_BUS DJNZ R6, READING MOV @R0, A INC

R0

MOV R6, #8 SETB DATA_BUS DJNZ R5, READING

RET

; 数据处理

PROCESS: MOV R7, TEMP_L MOV A, #0FH ANL

A, R7

MOV TEMP_DP,A MOV R7, TEMP_L MOV A, #0F0H ANL

A, R7

SWAP A

MOV TEMP_L, A MOV R7, TEMP_H MOV A, #0FH ANL

A, R7

SWAP A ORL

A, TEMP_L

MOV B, #64H DIV

AB

MOV TEMP_BW,A MOV A, #0AH XCH A, B DIV

AB

MOV TEMP_SW,A MOV TEMP_GW,B MOV A, TEMP_DP MOV DPTR, #TABLE_DP MOVC A, @A+DPTR

MOV DPTR, #TABLE_INTER

MOVC A, @A+DPTR

MOV DIS_DP, A

MOV A, TEMP_GW

MOV DPTR, #TABLE_INTER

MOVC A, @A+DPTR

MOV DIS_GW, A

MOV A, TEMP_SW

MOV DPTR, #TABLE_INTER

MOVC A, @A+DPTR

MOV DIS_SW, A

MOV A, TEMP_BW

MOV DPTR, #TABLE_INTER

MOVC A, @A+DPTR

MOV DIS_BW ,A

RET

DELAY2MS:

MOV R6, #3

LOOP3:

MOV R5, #250

DJNZ R5, $

DJNZ R6, LOOP3

RET

TABLE_DP:

DB 00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06H DB 06H,07H,08H,08H,09H,09H

TABLE_INTER:

DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H

DB 6DH,7DH,7H,7FH,6FH

END