數(shù)字溫度計設計

1、安陽師范學院本科學生畢業(yè)論文基于單片機的數(shù)字溫度計設計作 者 馬克思 院 （系） 物理與電氣工程學院專 業(yè) 電氣工程及其自動化年 級 2011級 學 號 111102027 指導老師 恩格斯 日 期 2015.5.1 I誠信承諾書鄭重承諾：所呈交的論文是作者個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，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院或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。與作者一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名： 日期：導師簽名： 日期：院長簽名： 日期：論文使用授

2、權說明本人完全了解安陽師范學院有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨热?，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。保密論文在解密后遵守此規(guī)定。作者簽名：導師簽名：日期：II基于單片機的數(shù)字溫度計設計馬克思（安陽師范學院 物理與電氣工程學院 河南 安陽 455000）摘 要：在這里基于AT89C51單片機的溫度測量及控制系統(tǒng)的硬件結構以及C語言程序設計，選用單片機作為核心部件進行邏輯控制及信號的產生。用單片機本生的優(yōu)勢節(jié)約成本，使電路更簡單。該系統(tǒng)設計和布線簡單，結構緊湊，體積小，重量輕，抗干擾能力強，性價比高，擴展方

3、便，在大型倉庫，工廠，智能化建筑等領域的多點溫度檢測中有廣闊的應用前景。 關鍵詞：DS18B20；AT89C51；proteus軟件；溫度測量1引言溫度的測量對人類日常生活、工業(yè)生產、氣象預報、物資倉儲等都起著極其重要的作用，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。近年來，溫度檢測領域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術的發(fā)展，溫度的測控芯片也相應的登上歷史 的舞臺，能夠在工業(yè)、農業(yè)等各個領域中廣泛使用。1.1本課題的研究意義溫度的測量的關鍵之處是溫度傳感器，其往往決定著一個溫度檢測系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻和AD590為溫度敏感元件。熱敏電阻雖成本低， 但需信號處理電路，電路復雜，可靠性

4、較低，測溫準確度及抗干擾能力也有一定的不足。近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉型的發(fā)展階段。新型的溫度傳感器的特點是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化，它提高了抗干擾能力和可靠性，而且使系統(tǒng)結構更簡潔，維護方便，縮小了空間。單片機具有集成度高、功能強、體積小、價格低、抗干擾能力等優(yōu)于一般CPU的優(yōu)點，因此往往采用單片機作為數(shù)字控制器取代模擬控制器。1.2 本課題的基本內容，提出解決問題的方法和措施數(shù)字溫度計采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，熱電偶，半導體，熱敏電阻等），將溫度的變化轉換成電信號的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號的變化有一定的關系，如線性關

5、系，一定的曲線關系等，將電信號轉換成數(shù)字信號。如單片機或者PC機等，處理單元經(jīng)過內部的軟件計算將這個數(shù)字信號和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數(shù)值。該系統(tǒng)利用AT89C52芯片控制溫度傳感器DS18B20進行時溫度檢測并顯示，能夠實現(xiàn)快速檢測環(huán)境溫度。可能遇到的問題及注意事項：(1)較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。 (2)在DS18B20的有關資料中均未提及單總線上所掛DS18B20數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS18B20，在實際應用

6、中并非如此。 (3)連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。(4)在DS18B20測溫程序設計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某一個DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。1.3本課題擬采用的研究手段（途徑）和可行性分析DS18B20采用單總線的接口方式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的雙向通訊。經(jīng)濟性好，抗干擾能力強，適用于惡劣的環(huán)境現(xiàn)場溫度測量，使用方便。同事測量溫度范圍寬，在使用中不需要任何外圍元件體積更小，可以選用更小的封裝方式完成。2 方案設計2.1總體

7、初步方案采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。便于單片機處理和控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學性質穩(wěn)定，它溫用作工業(yè)測溫元件，此元件線性較好。在0-100攝氏度時，最大線性偏差小于1攝氏度。DS18B20的最大特點之一是采用了單總數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計DS18B20和微控制器AT89C51構成溫度測量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號，可直接和計算機連接。這樣溫度系統(tǒng)的結構就比較簡單，體積也不大。采用51單片機控制軟件編程的自由度大，而且體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便。該系統(tǒng)利用AT89C51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行溫度的實時檢測并顯示

8、，能夠實現(xiàn)快速測量環(huán)境溫度。硬件以微控制器為核心，外接時鐘電路、復位電路、溫度測量電路、LED顯示電路組成。硬件設計方案如圖1所示。微控制器模塊LED顯示電路時鐘電路 時鐘電路 溫度傳感器復位電路 圖2.1 系統(tǒng)硬件框圖2.2 方案設計與分析2.2.1 微處理器單片機AT89C2051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，很適合便攜手持式產品的設計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATME

9、L公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 圖2.2 AT89C51單片機的管腳圖 AT89C51單片機的管腳功能兼容MCS-51指令系統(tǒng)

10、4k可反復擦寫（>1000次）Flash ROM32個雙向I/O口可編程UARL通道兩個16位可編程定時/計數(shù)器全靜態(tài)操作0-24MHz1個串行中斷128x8bit內部RAM兩個外部中斷源共6個中斷源可直接驅動LED3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設置睡眠和喚醒功能表2-1 AT89C51單片機的管腳功能XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.2.2 復位電路為確保兩點間溫度控制系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復位電路是必不可少的一 部分，復位電路的第一功能是上電復位。一般電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.755.25

11、V。單片機的初始操作是復位，為了使各專用寄存器和CPU保持一個確定的初始狀態(tài)。比如：PC的內容初始化為0000H，那么單片機開始從000H開始進行工作。還有當單片機系統(tǒng)在運行操作出錯導致使系統(tǒng)成為死鎖狀態(tài)，那么也需要復位還原其恢復正常工作狀態(tài)。RST端兩種外部復位電路方法：1.按鍵手動復位和上電自動復位。2.按鍵手動復位有脈沖方式和電平方式，本系統(tǒng)設計采用上電復位，如圖2.0所示。上電復位是可以把RST端通過電阻接高電平進行復位。圖2.0復位電路2.2.3 時鐘電路單片機的時鐘信號用來提供單片機內各種微操作的時間基準，時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信號。單片機的時鐘信號用來提供單片機片

12、內各種微操作的時間基準，時鐘信號通常用兩種電路形式得到:內部振蕩和外部振蕩。本系統(tǒng)設計采用內部振蕩方式，如圖2.2.3所示。MCS-51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式。圖2.4時鐘電路2.2.4 溫度傳感器溫度傳感器DS18B20將被測環(huán)境溫度轉化成帶符號的數(shù)字信號（以十六位補碼形式，占兩個字節(jié)）在通過單片機發(fā)出命令送給顯示器。它的輸出腳I/O直接與單片機相連，并接一個上拉電阻，傳感器采用外部電源供電。傳感器控制程序是按照DS18B20的

13、通信協(xié)議編制。系統(tǒng)的工作是在程序控制下，完成對傳感器的讀寫和對溫度的顯示。DS18B20特點 采用單總線專用技術，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進制數(shù)，含符號位）；(2) 測溫范圍為-55+125，測量分辨率為0.0625；(3) 內含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM；(4) 適配各種單片機或系統(tǒng)機；(5) 用戶可分別設定各路溫度的上、下限；(6) 內含寄生電源。DS18B20程序流程圖如圖.2.2.6否是發(fā)出溫度轉換命令寫入18B20讀溫度前復位顯示測溫點位置18B20復位開始18B20存在？延時發(fā)出讀溫度命令寫入18

14、B20讀入溫度值數(shù)據(jù)返回延時表2.6 DS18B20程序流程圖2.2.5 LED顯示電路通過排阻與LED顯示器相連組成，電路圖如圖2.2.7圖2.7 LED顯示電路圖3 整機電路當接通電源以后，溫度傳感器正常工作，溫度傳感器將根據(jù)被測溫度的不同來采集不同的數(shù)據(jù)，然后將所采集到的數(shù)據(jù)傳送到比較器到中，然后由比較器將采集到的數(shù)據(jù)轉變成高低電平，在送入單片機，單片機通過控制各個引腳電平的高低來來控制溫度的顯示輸出。整機電路圖如圖3.1圖3.1 整機電路圖4 仿真與調試4.1仿真與調試此設計的電路在Proteus軟件中進行仿真，運行 Proteus 的 ISIS 程序后，進入該仿真軟件的主界面。主界面

15、由菜單欄、工具欄、預覽窗口、元件選擇按鈕、元件列表窗口、原理圖繪制窗口和仿真進程控制按鈕組成（如圖7-2所示）。通過元件選擇按鈕 P (從庫中選擇元件命令) 命令，在彈出的 Pick Devices 窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調整其相對位置，對元件參數(shù)設置及元器件間連線，完成單片機系統(tǒng)的硬件原理圖繪制。主程序流程圖如圖4.1所示4.2調試與運行（1）首先啟動KEIL C51軟件的集成開發(fā)環(huán)境，從桌面上雙擊uVision圖標以啟動軟件。（2）建立工程文件。通常單片機應用系統(tǒng)軟件包含多個源程序文件，KEIL C51使用工程這一概念，將這些參數(shù)設置和所需的所有文件都加在一個工程中。因此，需

16、要建立一個工程文件，并為這個工程選擇CPU，確定編譯，匯編，連接的參數(shù)，指定調試的方式。（3）建立并添加源文件。使用菜單或者單擊工具欄的新建文件按鈕，出現(xiàn)文本便捷窗口，在該窗口中輸入新編制的源程序并保存該文件。然后，我打開已經(jīng)畫好的仿真圖，再將生成的HEX文件導入單片機里，點擊開始按鈕，電路正常工作，并且能夠實現(xiàn)預先設想的所有功能，而且效果很好，從而驗證了我的程序的正確性。仿真成果圖見附錄1。5 成品制作5.1 電路板設計由于在 布線過程中需用單層布線，在我的原理圖中元件多，所以我將原理圖劃分為了兩塊，一塊以第一個板塊主要以單片機AT89C51和溫度傳感器為主，用三極管替之，另一塊主要以鎖存器

17、和LED顯示器為主。兩塊原理圖及封裝見附錄2。5.2 電路板制作 5.2.1 PCB制作流程 PCB板制作流程如表5.2.1所示：鉆孔 印PCB板圖腐蝕20-30分鐘洗滌 烘干焊接圖2.1 PCB板制作流程圖5.2.2 制作工藝注意事項 鉆孔時，不宜將眼睛距離鉆機太近，以防碎屑濺入眼內。腐蝕用筷子夾起板子時動作要緩慢，以防硫酸濺到身上。在烤箱烘烤2分鐘左右即可，取出時應用夾子等工具夾出，以防燙傷手。焊接時，要正確使用焊筆和焊錫，以防燙傷。在焊接時，還應注意不能讓錫將兩銅導線短路。5.3器件檢測 5.3.1 PCB板檢測每一條線路逐個檢測，如有些隱形導線腐蝕過度，造成斷路的情況，要用錫將其連通。

18、在檢查時，我的板子上的線都是完好的。6實驗對比分析圖6.1溫度傳感器正常情況下顯示的溫度27.8°圖6.2用手握著溫度傳感器的情況下顯示的溫度：30.6°由此可知實驗設計受外界溫度影響，將溫度信號的變化轉化為電信號的變化顯示出來7 結論設計中主要是以AT89C51單片機為核心的，對溫度的檢測與顯示進行了簡單的設計與闡述。設計可以說是軟硬結合，又以硬件為主。當今科技發(fā)展迅速，單片機嵌入式開發(fā)有著光明的前景。由于單片機經(jīng)濟實用、開發(fā)簡便等特點依然在工業(yè)控制、家電等領域占據(jù)了廣泛的市場。在實際的編程以及調試程序過程中，我發(fā)現(xiàn)自己應該學的太多太多。光靠自己在書本上所學過的這點知識是

19、遠遠不夠的，真正地認識到了工作就是學習的道理。由于我以前C語言沒有認真鉆研過，所以感覺設計的任務十分緊迫。通過對本系統(tǒng)的設計，我學習到了硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的基本流程并有了一定的駕御此開發(fā)過程的能力。編程的過程中，雖然不乏辛苦，但更多的是程序調試成功后的喜悅?？傊?，這次綜合實驗對我來說是一次比較全面的、富有創(chuàng)造性和探索性的鍛煉，完成了我選題時的心愿。令我深有感觸，對于我今后的學習、工作和生活都將是受益非淺的! 加深了對單片機的認識，并且熟悉了單片機系統(tǒng)的設計流程，收獲豐碩。技術在不斷進步，機械式時鐘已經(jīng)被淘汰，電子時代已經(jīng)到來。做為新時代的我們，更應該提高自身能力，適應新時代的發(fā)展。知識來自實踐

20、，多從生活中探尋所需要的。從這次的論文設計中，我真正的體會到，知識的重要性，特別是要理論聯(lián)系實際，把我們所學的理論知識運用到實際生活當中，要用知識改變一切。8致謝本設計是在指導老師鄒玉煒的悉心指導下完成的。從設計的選題，相關資料的查尋，到論文的撰寫這一整個過程中，鄒老師以其廣博的知識、豐富的經(jīng)驗 、清晰的思路，自始至終給我以指導，讓我對我的論文設計思路逐漸清晰明朗，每當在我論文設計中遇到困難時充滿希望，總能迎刃而解，總之非常感謝他這段時間對我們的鼓勵和指導。使我能夠順利完成設計，他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風和孜孜不倦的求學精神令我受益匪淺。在此設計完成之際，向鄒老師表示衷心的感謝！參考

21、文獻1劉國鈞,王連成.圖書館史研究M.高等教育出版社，1979.2孫品一.高校學報編輯工作現(xiàn)代化特征C.北京師范大學出版社，1998.3張和生.地質力學系統(tǒng)理論D.太原理工大學出版社，1998.4江力.單片機原理與應用技術M.清華大學出版社 ，2006.5 靳達. 單片機典型模塊設計實例導航M.北京:人民郵電出版社,2003.6 劉迎春, 葉湘濱. 傳感器原理設計與應用(第三版) M.長沙:國防科技大學出版社,19977潘新民，王燕芳.微型計算機實用系統(tǒng)設計M.北京:人民郵電出版社,1992.Microcontroller Based Digital ThermometerKang Zhenx

22、ing(College of Physics & Electrical Engineering ,Anyang Normal University, Anyang, Henan 455000)Abstract: The hardware structure of the temperature measurement and control system of AT89C51 microcontroller and C programming language based on here, which ad

23、opts a single chip as the core components of logic control and signal. With the advantage of SCM cost savings, make the circuit simple. The system design and layout is simple, compact structure, small volume, light weight, strong anti-interferen

24、ce ability, high cost, easy to expand, in large warehouses, factories, has wide application prospect in intelligent multi-point temperature measurement in the field of construction etc.Key words:DS18B20;AT89C51; Proteus software; temperature measurement附錄

25、附錄1：數(shù)字溫度計PCB圖第 11 頁附錄2：數(shù)字溫度計原理圖附錄3：元件列表元器件名稱型號數(shù)量電阻2.2K4個單片機最小系統(tǒng)板AT89C511個溫度傳感器DS18B201個按鍵2個晶振12MHz1個瓷片電容30pF2個三極管90124個四位一體共陽數(shù)碼管ZS5641BS1個電阻10K2個附錄4：數(shù)字溫度計源程序#include<reg52.h> #define ui unsigned int#define uc unsigned char /宏定義sbit DQ =P37; /定義DS18B20總線I/Obit bdata fuhao;uc qian,bai,shi,ge;uc

26、code led=0x5F,0x44,0x9D,0xD5,0xC6,0xD3,0xDB,0x47,0xDF,0xD7;uc code led_dian=0x7f,0x64,0xbd,0xf5,0xe6,0xf3,0xfb,0x67,0xff,0xf7;/=DS18B20=/*延時子程序*/void Delay(int num)while(num-) ;/*初始化DS18B20*/void Init_DS18B20()DQ = 1; /DQ復位Delay(8); /稍做延時DQ = 0; /單片機將DQ拉低Delay(80); /精確延時，大于480usDQ = 1; /拉高總線Delay(40

27、);/*讀一個字節(jié)*/uc ReadOneChar()uc i=0;uc dat = 0;for (i=8;i>0;i-)DQ = 0; / 給脈沖信號dat>>=1;DQ = 1; / 給脈沖信號if(DQ)dat|=0x80;Delay(4);return(dat);/*寫一個字節(jié)*/void WriteOneChar(uc dat)uc i=0;for (i=8; i>0; i-)DQ = 0;DQ = dat&0x01;Delay(5);DQ = 1;dat>>=1;/*讀取溫度*/ui ReadTemperature() ui a=0,b=0,t=0; float tt=0; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0x44); /啟動溫度轉換 Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器 a=ReadOn