基于單片機的數字溫度計設計

引言

隨著現代信息技術的飛速發展和傳統工業改造的逐步實現．能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統應用于諸多領域。傳統的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻的成本低，但需后續信號處理電路，而且可靠性相對較差，測溫準確度低，檢測系統也有一定的誤差。與傳統的溫度計相比，這里設計的數字溫度計具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫精確，數字顯示，適用范圍寬等特點。選用AT89C51型單片機作為主控制器件，DSl8B20作為測溫傳感器通過4位共陽極LED數碼管串口傳送數據，實現溫度顯示。通過DSl8B20直接讀取被測溫度值，進行數據轉換，該器件的物理化學性能穩定，線性度較好，在0℃~100℃最大線性偏差小于0.1℃。該器件可直接向單片機傳輸數字信號，便于單片機處理及控制。另外，該溫度計還能直接采用測溫器件測量溫度，從而簡化數據傳輸與處理過程。

系統硬件設計方案

根據系統功能要求，構造圖1所示的系統原理結構框圖。

圖1

系統原理結構框圖

2.1

單片機的選擇

AT89C51作為溫度測試系統設計的核心器件。該器件是INTEL公司生產的MCS一5l系列單片機中的基礎產品，采用了可靠的CMOS工藝制造技術，具有高性能的8位單片機，屬于標準的MCS—51的CMOS產品。不僅結合了HMOS的高速和高密度技術及CHMOS的低功耗特征，而且繼承和擴展了MCS—48單片機的體系結構和指令系統。單片機小系統的電路圖如圖2所示。

圖2

單片機小系統電路

AT89C51單片機的主要特性：

(1)與MCS-51

兼容，4K字節可編程閃爍存儲器；

(2)靈活的在線系統編程，掉電標識和快速編程特性；

(3)壽命為1000次寫/擦周期，數據保留時間可10年以上；

(4)全靜態工作模式：0Hz-33Hz；

(5)三級程序存儲器鎖定；

(6)128*8位內部RAM，32可編程I/O線；

(7)兩個16位定時器/計數器，6個中斷源；

(8)全雙工串行UART通道，低功耗的閑置和掉電模式；

(9)看門狗（WDT）及雙數據指針；

(9)片內振蕩器和時鐘電路；

2.2

溫度傳感器介紹

DS18B20可以程序設定9~12位的分辨率，精度為±0.5°C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EPROM中，掉電后依然保存。

溫度傳感器DS18B20引腳如圖3所示。

8引腳封裝

TO－92封裝

圖3

溫度傳感器

引腳功能說明：

NC

：空引腳，懸空不使用；

VDD

：可選電源腳，電源電壓范圍3~5.5V。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。

DQ

：數據輸入/輸出腳。漏極開路，常態下高電平。

GND

：為電源地

DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。

光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。

這是12位轉化后得到的12位數據，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。

例如+125℃的數字輸出為07D0H，+25.0625℃的數字輸出為0191H，-25.0625℃的數字輸出為FF6FH，-55℃的數字輸出為FC90H。

DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發器TH、TL和結構寄存器。

暫存存儲器包含了8個連續字節，前兩個字節是測得的溫度信息，第一個字節的內容是溫度的低八位，第二個字節是溫度的高八位。第三個和第四個字節是TH、TL的易失性拷貝，第五個字節是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節的內容在每一次上電復位時被刷新。第六、七、八個字節用于內部計算。第九個字節是冗余檢驗字節。

該字節各位的意義如下：

TM

R1

R0

低五位一直都是1，TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設置分辨率，如表1所示：（DS18B20出廠時被設置為12位）

表1

DS18B20溫度轉換時間表

R1

R0

分辨率/位

溫度最大轉向時間

0

0

93.75

0

187.5

0

375

750

根據DS18B20的通訊協議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右，后發出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。

2.3

溫度傳感器與單片機的連接

溫度傳感器的單總線(1-Wire)與單片機的P2．0連接，P2．0是單片機的高位地址線A8。P2端口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I／O，其輸出緩沖級可驅動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對該端口寫“1”，可通過內部上拉電阻將其端口拉至高電平，此時可作為輸入口使用，這是因為內部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器時。如執行MOVX

DPTR指令，則表示P2端口送出高8位的地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器時，可執行MOVX

RI指令，P2端口內容即為特殊功能寄存器(SFR)區中R2寄存器內容，整個訪問期間不改變。在Flash編程和程序校驗時，P2端口也接收高位地址和其他控制信號。圖4為DSl8820內部結構。圖5為DSl8820與單片機的接口電路。

圖4

DS18B20內部結構圖

圖5

DS18B20和單片機的接口連接

2.4

復位信號及外部復位電路

單片機的P1.6端口是MAX813看門狗電路中喂狗信號的輸入端，即單片機每執行一次程序就設置一次喂狗信號，清零看門狗器件。若程序出現異常，單片機引腳RST將出現兩個機器周期以上的高電平，使其復位。該復位信號高電平有效，其有效時間應持續24個振蕩脈沖周期即兩個機器周期以上。若使用頻率為12

MHz的晶體振蕩器，則復位信號持續時間應超過2μs才完成復位操作。

2.5

單片機與報警電路

系統中的報警電路是由發光二極管和限流電阻組成，并與單片機的P1.2端口連接。P1端口的作用和接法與P2端口相同，不同的是在Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址數據。

2.6

電源電路

由于該系統需要穩定的5

V電源，因此設計時必須采用能滿足電壓、電流和穩定性要求的電源。該電源采用三端集成穩壓器LM7805。它僅有輸入端、輸出端及公共端3個引腳，其內部設有過流保護、過熱保護及調整管安全保護電路．由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作為穩壓電源。圖6為電源電路連接圖。

圖6

電源電路連接圖

2.7

顯示電路

采用技術成熟的74HCl64實現串并轉換。LED顯示分為靜態顯示和動態顯示。這里采用靜態顯示，系統通過單片機的串行口來實現靜態顯示。串行口為方式零狀態，即工作在移位寄存器方式，波特率為振蕩頻率的1/12。當器件執行任何一條將SBUF作為目的寄存器的命令時，數據便開始從RXD端發送。在寫信號有效時，相隔一個機器周期后發送控制端SEND有效，即允許RXD發送數據，同時允許從TXD端輸出移位脈沖。圖7為顯示電路的連接圖。

圖7

顯示電路的連接圖

2.8

看門狗電路

系統中把P1.6作為看門狗的“喂狗”信號；將MAX813的RESET與單片機的復位信號RST連接。由于單片機每執行一次程序，就會給看門狗器件一個復位信號，這樣也可以用手工方式實現復位。當按鍵按下時，SW—SPST就會在MAX813引腳產生一個超過200

ms的低電平，其實看門狗器件在1.6

s時間內沒有復位，使7引腳輸出一個復位信號的作用是相同的，其連接圖如圖8所示。

圖8

看門狗器件的MAX813的連接圖

軟件設計

DSl8820的主要數據元件有：64位激光Lasered

ROM，溫度靈敏元件和非易失性溫度告警觸發器TH和TL。DSBl820可以從單總線獲取電源，當信號線為高電平時，將能量貯存在內部電容器中；當單信號線為低電平時，將該電源斷開，直到信號線變為高電平重新接上寄生(電容)電源為止。此外，還可外接5

V電源，給DSl8820供電。DSl8820的供電方式靈活，利用外接電源還可增加系統的穩定性和可靠性。圖9為讀取數據流程圖。

開始

DS18B20的初始化

啟動溫度轉換

讀取溫度寄存器

跳過讀序列號的操作

跳過讀序列號的操作

DS18B20的初始化

RET

LOW-低八位

HIGH-高八位

圖9

讀取數據的流程圖

讀出溫度數據后，LOW的低四位為溫度的小數部分，可以精確到0.0625℃，LOW的高四位和HIGH的低四位為溫度的整數部分，HIGH的高四位全部為1表示負數，全為0表示正數。所以先將數據提取出來，分為三個部分：小數部分、整數部分和符號部分。小數部分進行四舍五入處理：大于0.5℃的話，向個位進1；小于0.5℃的時候，舍去不要。當數據是個負數的時候，顯示之前要進行數據轉換，將其整數部分取反加一。還因為DS18B20最低溫度只能為-55℃，所以可以將整數部分的最高位換成一個“-”，表示為負數。圖10為溫度數據處理程序的流程圖。

開始

提取整數部分存入HT

提取小數部分存入LT

LT右移三位,將精度降低到0.5攝氏度

HT++

將小數部分整數化

提取符號部分存入sign

LT是否大于5

Sign=?0XF0

RET

負數表示flag=1

HT=~HT+1

Y

N

N

Y

圖10

溫度數據處理流程圖

數據測試

將溫度傳感器與冰水混合物接觸，經過充分攪拌達到熱平衡后調節系統，使顯示讀數為0.00(標定0℃)；利用氣壓計讀出當時當地的大氣壓強，并根據大氣壓強和當地重力加速度計算出當時的實際壓強；根據沸點與壓強的關系查出沸點溫度。把溫度傳感器放入沸水中，待顯示讀數穩定后重新調節，使顯示器顯示讀數等于當地當時沸點溫度后工作結束。該溫度計的量程為-50℃～150℃，讀數精度為0.1℃，實際使用一般在0℃～100℃。采用0℃～50℃和50℃～100℃的精密水銀溫度計作檢驗標準，對設計的溫度計進行測試，其結果表明能達到該精度要求。

總結與體會

作為一名電子信息工程的大四學生，我覺得做單片機課程設計是很有意義的，而且也是必要的。在做這次課程設計的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的設計資料了。為了讓自己的設計更加完善，查閱這方面的實際資料是十分必要的，也是必不可少的。

其次，在這次課程設計中，我們運用了以前學過的專業課知識，如：proteus仿真、匯編語言、模擬和數字電路知識等。雖然過去我從未獨立應用過他們，但在學習的過程中帶著問題去學我發現效率很高，這是我做這次課程設計的又一收獲。

最后，要做好一個課程設計，就必須做到：在設計程序之前，對所用單片機的內部結構有一個系統的了解，知道該單片機有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的軟件流程圖；在設計程序時，不能妄想一次將整個程序設計好，反復修改、不斷改進是程序設計的必經之路；要養成注釋程序的好習慣，這樣為資料的保留和交流提供了方便；在設計中遇到的問題要記錄，以免下次遇到同樣的問題。

在這次的課程設計中，我真正的意識到，在以后的學習中，要理論聯系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，學習單片機更是如此，程序只有在經常寫與讀的過程中才能提高，這就是這次課程設計的最大收獲。

附錄1

仿真圖

附錄2

程序源代碼

DATA_BUS

BIT

P3.3

FLAG

BIT

00H

;標志位

TEMP_L

EQU

30H

;溫度值低字節

TEMP_H

EQU

31H

;溫度值高字節

TEMP_DP

EQU

32H

;溫度小數

TEMP_INT

EQU

33H

;溫度值整數

TEMP_BAI

EQU

34H

;溫度百位數

TEMP_SHI

EQU

35H

;溫度十位數

TEMP_GE

EQU

36H

;溫度個位數

DIS_BAI

EQU

37H

;顯示百位數

DIS_SHI

EQU

38H

;顯示十位數

DIS_GE

EQU

39H

;顯示個位數

DIS_DP

EQU

3AH

;顯示小數位

DIS_ADD

EQU

3BH

;顯示地址

ORG

0000H

AJMP

START

ORG

0050H

;初始化

START:

MOV

SP,#40H

MAIN:

LCALL

READ_TEMP

;調讀溫度程序

LCALL

PROCESS

;調數據處理程序

AJMP

MAIN

;讀溫度程序

READ_TEMP:

LCALL

RESET_PULSE

;調用復位脈沖程序

MOV

A,#0CCH

;跳過ROM命令

LCALL

WRITE

MOV

A,#44H

;讀溫度

LCALL

WRITE

LCALL

DISPLAY

;顯示溫度

LCALL

RESET_PULSE

;調用復位脈沖程序

MOV

A,#0CCH

;跳過ROM命令

LCALL

WRITE

MOV

A,#0BEH

;讀緩存命令

LCALL

WRITE

LCALL

READ

RET

;復位脈沖程序

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

;寫命令

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

;循環顯示段位

DISPLAY:

MOV

R4,#200

DIS_LOOP:

MOV

A,DIS_DP

MOV

P2,#0FFH

MOV

P0,A

CLR

P2.7

LCALL

DELAY2MS

MOV

A,DIS_GE

MOV

P2,#0FFH

MOV

P0,A

SETB

P0.7

CLR

P2.6

LCALL

DELAY2MS

MOV

A,DIS_SHI

MOV

P2,#0FFH

MOV

P0,A

CLR

P2.5

LCALL

DELAY2MS

MOV

A,DIS_BAI

MOV

P2,#0FFH

MOV

P0,A

MOV

A,TEMP_BAI

CJNE

A,#0,SKIP

AJMP

NEXTT

SKIP:

CLR

P2.4

LCALL

DELAY2MS

NEXTT:

NOP

DJNZ

R4,DIS_LOOP

RET

;讀命令

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

;數據處理

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_BAI,A

MOV

A,#0AH

XCH

A,B

DIV

AB

MOV

TEMP_SHI,A

MOV

TEMP_GE,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_GE

MOV

DPTR,#TABLE_INTER

MOVC

A,@A+DPTR

MOV

DIS_GE,A

MOV

A,TEMP_SHI

MOV

DPTR,#TABLE_INTER

MOVC

A,@A+DPTR

MOV

DIS_SHI,A

MOV

A,TEMP_BAI

MOV

DPTR,#TABLE_INTER

MOVC

A,@A+DPTR

MOV

DIS_BAI,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

03FH,006H,05BH,04FH,066H

DB

06DH,07DH,07H,07FH,06FH

END