基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)

1、數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求11 設(shè)計(jì)容：數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)要能實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)采集與顯示，以AT89S51單片機(jī)為核心芯片，使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器或使用熱敏電阻之類的器件，利用其感溫效應(yīng)采集環(huán)境溫度，并通過一組4位共陰極數(shù)碼管將溫度顯示出來，也可用LM1602液晶顯示屏。12 設(shè)計(jì)基本要求：（1）溫度設(shè)定圍：溫度為0099（2）溫度精度為0.1；（3）可以設(shè)置報(bào)警溫度，發(fā)出報(bào)警信息，可以用聲或光表示。二、方案設(shè)計(jì)與論證本設(shè)計(jì)以檢測溫度并顯示溫度，以與提供上下限報(bào)警和設(shè)定某一個(gè)報(bào)警溫度為目的。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，對于溫度的采集可以使用溫度傳感器、熱敏電阻或熱電偶等等；將采集到的溫

2、度傳到單片機(jī)，利用軟件編程對溫度進(jìn)行處理；溫度圍和精度由軟硬件決定；報(bào)警采用聲音和燈光相結(jié)合，由蜂鳴器和LED燈組成；報(bào)警溫度的設(shè)置由鍵盤的up和down來設(shè)定。方案一由于本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是測溫電路，首先我們可以使用熱敏電阻之類的器件，利用其感溫效應(yīng)，將其隨被測溫度變化的電壓或電流值采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，通過顯示電路就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計(jì)需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。因此，我們引出第二種方案。方案二我們可以采用技術(shù)成熟、操作簡單、精確度高的溫度傳感器，在此，可以選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，根據(jù)它的特點(diǎn)和測溫原理，很容易就能直接讀取被

3、測溫度值并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣就可以滿足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)也比較簡單，故在本設(shè)計(jì)中采用了方案二。以下為利用DS18B20溫度傳感器的硬件構(gòu)成圖：單片機(jī)AT89C52RC主控部分四位數(shù)碼管顯示溫度DS18B20溫度采集按鍵輸入復(fù)位電路聲光報(bào)警電路外部晶振電路圖2.1 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)總體硬件構(gòu)成圖三、硬件電路設(shè)計(jì)3. 1、硬件設(shè)計(jì)總圖見圖3.1圖3.1 硬件設(shè)計(jì)仿真總圖3.2最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)單片機(jī)晶振電路、外部按鍵電路和復(fù)位電路的設(shè)計(jì)如圖3.2所示。XTAL1（X1）為反向振蕩放大器的輸入與部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2(X2)是來自反向振蕩器的

4、輸出。在此使用的是12MHz的晶振；復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位與上電復(fù)位相結(jié)合的方式。當(dāng)按下按鍵S1時(shí)，VCC通過R1電阻給復(fù)位輸入端口一個(gè)高電平，實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，即手動(dòng)復(fù)位。上電復(fù)位就是VCC通過電阻R2和電容C3構(gòu)成回路，該回路是一個(gè)對電容C充電和放電的電路，所以復(fù)位端口得到一個(gè)周期性變化的電壓值，并且有一定時(shí)間的電壓值高于CPU復(fù)位電壓，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能；以與外部按鍵電路通過UP和DOWN按鍵將I/O口直接與地相連，當(dāng)按鍵按下時(shí)I/O口將檢測到低電平。圖3.2 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電路3.3溫度采集電路的設(shè)計(jì)(1)、數(shù)字溫度傳感器DS18B20它是一種新型的”一線器件”，其體積更小、更適用于多種場合、

5、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持”一線總線”接口的溫度傳感器。溫度測量圍為-55+125 攝氏度，可編程為9位12 位轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.0625攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以與用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM 中，掉電后依然保存。被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可以在遠(yuǎn)端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3 根或2 根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。因此用它來組成一個(gè)測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，

6、在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。DS18B20 的性能特點(diǎn)如下：獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條總線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊； DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫； DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件與轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路；適應(yīng)電壓圍更寬，電壓圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；測溫圍-55125，在-10+85時(shí)精度為±0.5；零待機(jī)功耗；可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0

7、.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫；在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度較慢；用戶可定義報(bào)警設(shè)置；測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力；負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 (2)、工作原理如下器件中低溫度系數(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(jì)數(shù)器；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計(jì)數(shù)器的脈沖輸入。器件中還有一個(gè)計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打

8、開時(shí)，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)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(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器、溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值減到時(shí)，溫度寄存器的值將加，減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到時(shí)，停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到

9、溫度寄存器值大致被測溫度值。它有嚴(yán)格的時(shí)序概念，初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲(chǔ)器操作命令處理數(shù)據(jù)。(3)、部構(gòu)造和硬件仿真圖如下C64 位ROM和單線接口高速緩存存儲(chǔ)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VddI/O圖3.3 DS18B20溫度采集仿真圖3.4 數(shù)碼管溫度顯示電路設(shè)計(jì) LED數(shù)碼管，也叫LED數(shù)碼顯示器，由于它具有很高的性能價(jià)格比、顯示清晰、亮度高、使用方便、電路簡單、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，長期以來一直在各類電子產(chǎn)品和工程控制中得到非常廣泛的應(yīng)用。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的硬件簡單、靈活等特點(diǎn)，非常適合使用LED

10、數(shù)碼管作為其輸出設(shè)備，這樣既滿足了控制系統(tǒng)硬件簡單，又能如實(shí)地顯示被控系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、高度等一些單片機(jī)的處理結(jié)果。本設(shè)計(jì)的顯示電路采用4個(gè)共陰極LED數(shù)碼管，從P0口并行輸出溫度段碼，用P2.0P2.3四個(gè)端口輸出位選，控制數(shù)碼管的點(diǎn)亮。其工作過程如下：1、并行數(shù)據(jù)由P1口送至4個(gè)數(shù)碼管。2、這時(shí)P3.0、P3.1、P3.2、P3.3輪流輸出低電平，LED數(shù)碼管依次被點(diǎn)亮，顯示P1傳送來的數(shù)據(jù)。由于數(shù)碼管余輝效應(yīng)和人眼的視覺延遲，當(dāng)數(shù)碼管每秒點(diǎn)亮50次時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)靜止顯示的溫度值。硬件圖如圖3.4所示：圖3.4 數(shù)碼管溫度顯示電路3.5聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路采用蜂鳴器和LED燈相結(jié)合

11、的辦法，通過兩個(gè)NPN三極管來驅(qū)動(dòng)，如圖3.5所示。當(dāng)三極管基極為低電平時(shí)，蜂鳴器和LED燈都關(guān)閉；當(dāng)基極由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，三極管導(dǎo)通，這時(shí)蜂鳴器響，LED燈亮，達(dá)到聲光報(bào)警的目的。圖3.5 聲光報(bào)警電路四、溫度傳感器程序設(shè)計(jì) 開始設(shè)定溫度報(bào)警初值溫度轉(zhuǎn)化子程序溫度報(bào)警判斷鍵盤掃描初始化DS18B20應(yīng)答脈沖？發(fā)起跳讀Rom命令CCH發(fā)起轉(zhuǎn)化溫度命令44H延時(shí)1s，等待溫度轉(zhuǎn)換完成初始化DS18B20應(yīng)答脈沖？發(fā)起讀暫存器命令BEH讀取內(nèi)部RAM中第1，2字節(jié)即為溫度數(shù)值NoNo將數(shù)字溫度變成真實(shí)溫度并輸出顯示4.1程序設(shè)計(jì)流程框圖4.2主要程序代碼與說明/*延時(shí)函數(shù)*/* DS18B20

12、初始化以與對它讀寫的程序*/void dsreset(void) uint i;ds=0;i=100;while(i>0)i-;ds=1;i=4;while(i>0)i-;bit tempreadbit(void) /讀1位數(shù)據(jù)函數(shù) uint i=0;bit dat;ds=0;i+; /i+起延時(shí)作用ds=1;i+;i+;dat=ds;i=8;while(i>0)i-;return(dat); uchar tempread(void) /讀1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù) uchar i,j,dat;dat=0;for(i=1;i<=8;i+) j=tempreadbit();dat=(

13、j<<7)|(dat>>1);return(dat);void tempwritebyte(uchar dat) /向DS18B20寫一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) uint i,j; bit testb; for(j=1;j<=8;j+) testb=dat&0x01; dat=dat>>1; if(testb) /寫1 ds=0; i+;i+; ds=1; i=8;while(i>0)i-; else /寫0 ds=0;i=8;while(i>0)i-;ds=1;i+;i+; /*向DS18B20發(fā)送轉(zhuǎn)換指令*/*將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換為模擬溫度

14、*/*將模擬溫度通過數(shù)碼管顯示*/*按鍵輸入部分用來改變報(bào)警溫度初值*/*對報(bào)警溫度進(jìn)行判斷并聲光提示*/*主函數(shù)體*/五、仿真過程與仿真結(jié)果將硬件設(shè)計(jì)原理圖和程序相結(jié)合進(jìn)行軟件仿真，首先，將設(shè)計(jì)好的數(shù)字溫度傳感器程序輸入到Proteus中保存、編譯生成HEX文件，將該HEX文件下載到仿真原理圖，其仿真結(jié)果如下圖5.1。程序默認(rèn)報(bào)警溫度為25，DS18B20的模擬溫度可以任意設(shè)置如圖中設(shè)置為26.31度，通過DOWN鍵可以減小報(bào)警溫度初值，UP鍵可以增大報(bào)警溫度初值，并且當(dāng)有按鍵按下時(shí)，有聲光提示，數(shù)碼管回顯報(bào)警值?，F(xiàn)在通過按UP鍵使報(bào)警初值加1變?yōu)?6，由于26約等于DS18B20的當(dāng)前溫度

15、26.31（報(bào)警誤差最大為0.5），所以蜂鳴器響起，LED燈閃爍。再次按下UP后報(bào)警初值變?yōu)?7，聲光報(bào)警也都關(guān)閉。圖5.1 仿真結(jié)果六、安裝與調(diào)試 6.1、電路的安裝在制作好電路板以后，就進(jìn)入了電路的安裝過程。安裝中要嚴(yán)格按照原理圖和PCB圖中元件的位置與參數(shù)來焊接，焊接時(shí)要注意不能讓焊錫短路電路，注意元件的正負(fù)極，同時(shí)還要把握好對溫度敏感元件的焊接時(shí)間。防止元器件和線路因?yàn)楦邷囟鵁龤?。依?jù)仿真圖畫出原理圖和PCB圖如下圖6.1所示6.2、電路的調(diào)試焊接好電路以后，對電路的調(diào)試是一步很重要的過程，關(guān)系到各功能的實(shí)現(xiàn)問題與最終的成敗問題。系統(tǒng)板上硬件連線（1）把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0P

16、0.7用8芯排線連接到“動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的ABCDEFGH端子上。（2）把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P2.0P2.3用8芯排線連接到“動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的Y0Y1Y2Y3端子上。（3）把DS18B20芯片插入“三路單總線”區(qū)域中的一個(gè)插座中，注意電源與地信號不要接反。（4）把“三路單總線”區(qū)域中的對應(yīng)的DQ端子連接到“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.7/RD端子上。（5）.蜂鳴器接“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.5端子上。嚴(yán)格按照仿真原理圖正確連接各線路，檢查無誤后上電，然后看看各功能模塊是否正常。七、結(jié)論與心得溫度的檢測和控制是一個(gè)經(jīng)典的課題，生活中的各個(gè)領(lǐng)域里經(jīng)常需要檢測和控制某一特定環(huán)境的溫度，使之能夠穩(wěn)定在一定的溫度圍之。這就要求系統(tǒng)對溫度的檢測具有足夠的精度和實(shí)時(shí)性，控制要有足夠的精度，并且盡可能具有較低的成本，這樣的產(chǎn)品才具有實(shí)用價(jià)值。DS18B20恰好具有這樣的優(yōu)勢，由于其可直接輸出數(shù)字量，不需要AD轉(zhuǎn)換，測溫圍大，與單片機(jī)容易接口，成為原來廣為使用的熱電阻、熱電偶的理想替代品。因此本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于多種溫度控制場合。本設(shè)計(jì)敘述了