随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中温度传感器就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

本设计所介绍的温度传感器与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，该设计控制器使用单片机STC89S52，测温传感器使用DS18B20，用LCD实现温度显示,能准确达到以上要求。

   随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的温度传感器。

关键词：单片机，数字控制，温度传感器

1. 温度传感器设计内容

1.1传感器三个发展阶段

一是模拟集成温度传感器。该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。此种传感器具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等特点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，且外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。

二是模拟集成温度控制器。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。

三是智能温度传感器。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，当然，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

1.2设计目的

通过基于MCS-51系列单片机AT89C51和DS18B20温度传感器检测温度，熟悉芯片的使用，温度传感器的功能，数码显示管的使用，汇编语言的设计；并且把我们这两年所学的数字和模拟电子技术、检测技术、单片机应用等知识，通过理论联系实际，从题目分析、电路设计调试、程序编制调试到传感器的选定等这一完整的实验过程，培养了学生正确的设计思想，使学生充分发挥主观能动性，去独立解决实际问题，以达到提升学生的综合能力、动手能力、文献资料查阅能力的作用，为毕业设计和以后工作打下一个良好的基础。

1.3设计任务和要求

以MCS-52系列单片机为核心器件，组成一个温度传感器，采用数字温度传感器DS18B20为检测器件，进行单点温度检测，检测精度为±0.5摄氏度。温度显示采用LCD1602显示，两位整数，一位小数。

2.设计思路与总体框图.

采用AT89S52单片机作为控制核心对温度传感器DS18B20控制，读取温度信号并进行计算处理，并送到液晶显示器LCD1602显示。 按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：主控制器、测温电路和显示电路。

                      温度传感器原理图

▲图1  仿真电路图

PCB版图

3.温度传感器详细设计

3.1管脚电路图

▲图2   AT89S52管脚封装

3.2主要特性

·与MCS-51 兼容  

·4K字节可编程闪烁存储器  寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 

·全静态工作：0Hz-24Hz ·三级程序存储器锁定 

·128*8位内部RAM ·32可编程I/O线 

·两个16位定时器/计数器 

·5个中断源  

·可编程串行通道 

·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路

3.3管脚说明

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） 

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号.

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，

ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。  

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。     XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。     XTAL2：来自反向振荡器的输出。

4.温度传感器模块

▲图3   DS18B20相关资料

4.1DS18B20原理与分析

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 以下是DS18B20的特点： （1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 （2）在使用中不需要任何外围元件。 （3）可用数据线供电，电压范围：+3.0~ +5.5 V。 （4）测温范围：-55 - +125 ℃。固有测温分辨率为0.5 ℃。 （5）通过编程可实现9-12位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 （7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。 （8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器１；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，计数器１和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

减法计数器１对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器１的预置值减到０时，温度寄存器的值将加１，减法计数器１的预置将重新被装入，减法计数器１重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。

▲图4　一部分温度对应值表

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

4.2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。

5．软件设计

系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换子程序、计算温度子程序、显示等等。

5.1主程序

主要功能是完成DS18B20的初始化工作，并进行读温度，将温度转化成为压缩BCD码 并在显示器上显示传感器所测得的实际温度。

5.2读出温度子程序

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需要进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图1如下图所示。

▲图5　程序流程图1

5.3温度转换命令子程序

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辩率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。流程图图2如下

▲图6　程序流程图2

5.4计算温度子程序

计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定。流程图3如下：

▲图7　程序流程图3

6.完整程序如下：

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>

typedef unsigned char uint8;

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit DQ = P3^3;                // 定义DQ引脚为P3.3

uchar code  Bw[10]= {0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};//百位编码

uchar code  Xsw[16]={0x30,0x31,0x31,0x32,0x33,0x33,0x34,0x34,0x35,0x36,0x36,0x37,0x38,0x38,0x39,0x39};//小数位编码

sbit RS = P2^0 ;

sbit RW = P2^1 ;

sbit EN = P2^2 ;

sbit BUSY = P0^7;

uchar wendu;

uchar temp_g,temp_d;

unsigned char code word1[]={"Temperature:"};

void delay(uint xms)

{  uint i,j;

   for(i=xms;i>0;--i)

   for(j=110;j>0;--j); 

}

void Delayus(int t) //在11.059MHz的晶振条件下调用本函数需要24μs ，然后每次计数需16μs

｛ int s;

 for (s=0; s<t;s++);

}//等待繁忙标志

void wait(void)

{P0 = 0xFF;

          do

   {     RS = 0;

          RW = 1;

          EN = 0;

          EN = 1;

   }while (BUSY == 1);

   EN = 0;

}//写数据

void w_dat(uint8 dat)

{

   wait();

   EN = 0;

   P0 = dat;

   RS = 1;

   RW = 0;

   EN = 1;

   EN = 0;

}//写命令

void w_cmd(uint8 cmd)

{

   wait();

   EN = 0;

   P0 = cmd;

   RS = 0;

   RW = 0;

   EN = 1;

   EN = 0;

}//发送字符串到LCD

void w_string(uint8 addr_start, uint8 *p)

{

   w_cmd(addr_start);

   while (*p != '\0')

   {

          w_dat(*p++);

   }

}//初始化1602

void Init_LCD1602(void)

{

   w_cmd(0x38);  // 16*2显示，5*7点阵，8位数据接口

   w_cmd(0x0c);  // 显示器开、光标开、光标允许闪烁

   w_cmd(0x06);  // 文字不动，光标自动右移

   w_cmd(0x01);  // 清屏

}

uchar Reset()//完成单总线的复位操作。

{

 uchar d;

 DQ = 0;                // 将 DQ 线拉低

 Delayus(29);    // 保持 480μs .复位时间为480μs，因此延时时间为(480-24)/16 = 28.5，取29μs。

 DQ = 1;        // DQ返回高电平

 Delayus(3);     // 等待存在脉冲.经过70μs之后检测存在脉冲，因此延时时间为(70-24)/16 = 2.875，取3μs。

 d = DQ;        // 获得存在信号

 Delayus(25);    // 等待时间隙结束

 return(d);      // 返回存在信号，0 = 器件存在, 1 = 无器件

}

void write_bit(uchar bitval)//向单总线写入1位值：bitval

{

 DQ = 0; // 将DQ 拉低开始写时间隙

 if(bitval==1)

  DQ =1; // 如果写1，DQ 返回高电平

 Delayus(5);// 在时间隙内保持电平值，

 DQ = 1; // Delayus函数每次循环延时16μs，因此Delayus(5)=5*16+24=104μs

} 

void ds18write_byte(char val)//向单总线写入一个字节值：val

{

 uchar i;

 uchar temp;

 for (i=0; i<8; i++)// 写入字节, 每次写入一位

 {

  temp = val>>i;              

  temp &= 0x01;       

  write_bit(temp);

 }

 Delayus(5);

}uchar read_bit()//从单总线上读取一位信号，所需延时时间为15μs，因此无法调用前面定义 的Delayus()函数，而采用一个for()循环来实现延时。

 uchar i;

 DQ = 0;                 //将DQ 拉低开始读时间隙

 DQ = 1;               // 然后返回高电平

 for (i=0; i<3; i++);   // 延时15μs

 return(DQ);                   // 返回 DQ 线上的电平值

}

uchar ds18read_byte()//从单总线读取一个字节的值

{

 uchar i;

 uchar value = 0;

 for (i=0;i<8;i++)

 {                             // 读取字节，每次读取一个字节

  if(read_bit())

   value|=0x01<<i;      // 然后将其左移

  Delayus(6);                               

 }

 return(value);

}

int Readtemperature()//如果单总线节点上只有一个器件则可以直接掉用本函数。如果节点上有多个器件，为了避免数据冲突，应使用Match ROM函数来选中特定器件。

uchar temp_d,temp_g,k,get[2],temp;

 Reset();

 ds18write_byte(0xcc);                             // 跳过 ROM

 ds18write_byte(0x44);                             // 启动温度转换

 Delayus(5);

 Reset();

 ds18write_byte(0xcc);                             // 跳过 ROM

 ds18write_byte(0xbe);                             // 读暂存器

 for (k=0;k<2;k++)

 {

  get[k]=ds18read_byte();

 }

 temp_d = get[0];//低位

 temp_g = get[1];//高位

 if((temp_g&0xf0)==0xf0) //正负号判断

  {

    temp_d=~temp_d;

if(temp_d==0xff) //保证-48（1111110100000000）、-32和-16显示正常

     {

temp_d=temp_d+0x01;//00000000

     temp_g=~temp_g;//00000010

      temp_g=temp_g+0x01;//00000011

     }

   else

     { temp_d=temp_d+0x01;

     temp_g=~temp_g;        }       

   w_cmd(0xc5);

   w_dat(Xsw[temp_d&0x0f]);   //查表得小数位的值

    temp=((temp_d&0xf0)>>4)|((temp_g&0x0f)<<4);

    w_cmd(0xc1);

   w_dat(0x2d);//负号                

  }

 else  //正数

  {

   w_cmd(0xc5);

   w_dat(Xsw[temp_d&0x0f]);   //查表得小数位的值

   temp=((temp_d&0xf0)>>4)|((temp_g&0x0f)<<4);

   w_cmd(0xc1);

   w_dat(Bw[temp/100]);       

  }

 return temp;

}    

main()

{

   Init_LCD1602();

   w_string(0x80,word1);     

   while (1)

   {

    wendu=Readtemperature();

     temp_g=wendu%100/10+'0';//这里要特别注意啊少了%100就差很多

     temp_d=wendu%10+'0';

     w_cmd(0xc2);

     delay(2);

     w_dat(temp_g);

     delay(2);

     w_dat(temp_d);

     delay(2);

     w_cmd(0xc4);

     delay(2);

     w_dat(0x2e);//小数点

     delay(2);

     w_cmd(0xc6);

     delay(2);

     w_dat(0xdf);//温度符号

     delay(2);

     w_dat(0x43);

   }

}

7.总结与体会

课程设计给我们带来的不只是一个项目的一系列学习，更重要的是我在这个设计过程中所锻炼的能力和培养的一种精神。在本次课程设计中，比起上学期，更多是靠自己，去查阅资料，去寻找解决办法，还有就是和同学们互相帮助学习。我们这次课题虽然不难，但要去做好它，让它实现正确的功能，也少不了不断的研究和探索，可能废寝忘食，可能绞尽脑汁。不仅是现在的学习，在以后的生活中工作也，以这样一种态度和精神去完成自己的梦想，实现自己的价值。

8.参考文献

[1]《单片机原理及应用》（第二版）张毅刚 彭喜元 彭宇 编著

[2] 《Protel Dxp 2004简明教程和考证指南》 电子工业出版社

[3] 《《C 单片机原理及应用》》

[4]《数字电路基础技术》康华光 第五版

[5]数字温度传感器DS18B20的原理与应用[EB/OL]