数字温度计设计报告
单片机原理与应用技术
课程设计报告（论文）
基于单片机控制的数字温度计
专业班级： 应教121
姓 名： 董镇玉
时 间： 2014.1.9
指导教师 : 宋长源 李晓娟
20##年 01 月 0 9 日
单片机课程设计项目系列：
基于单片机控制的数字温度计
一． 设计要求
（一）基本功能
1. 测温范围-50℃—110℃
2. 精度误差不大于0.1℃
3. LED数码直读显示
（二）扩展功能
1．实现语音报数
2．可以任意设定温度的上下限报警功能
二．计划完成时间 三周
1．第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。
2．第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。
3．第三周完成软件和硬件的联合调试。
基于单片机控制的数字温度计
应教121 董镇玉
摘要：数字温度计在我们的日常生活中非常常见,广泛应用于我们的日常生活和工业生产。随着科技的发展，电子技术也日新月异，18b20芯片就是其中杰作之一。本设计是基于单片机控制的数字温度计，用18b20温度传感器来检测温度，用AT89s52单片机来控制，最终通过数码管来显示温度。
关键词：18b20 数码管 单总线
1引言
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，其中数字温度计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。本设计所介绍的数字温度计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，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用4位一体共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。
2 总体设计方案
2.1 设计思路
按照设计要求，要用ＬＥＤ数码管直读显示温度。可以通过单片机的IO口然后通过编码来实现。至于获取温度可以有两种办法，传统的用热敏电阻通过A/D转换，还可以用最新的温度传感器芯片来实现。
2.1.1方案一
由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦，误差也较大。
2.1.2 方案二
进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，而且精度较高，就可以满足设计要求。
从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，精度也较高，故采用了方案二。
2.2方案二的总体设计框图
温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。
图1 总体设计方框图
3设计原理分析
3.1温度传感器
3.1.1 温度传感器介绍
DS18B20温度传感器是DALLAS公司推出的数字化温度传感器，采用单总线协议，与处理器接口仅需一个IO端口，无需任何外部元件，直接将环境温度转化为数字信号，以数字码方式串行输出，比较方便。
实物如图2所示：
DS18B20温度传感器特性
1、适应电压范围宽，电压范围在3.0~5.5，可由数据线供电；
2、独特的单线接口方式，可节约处理器的IO口资源；
图2 18B20实物图
3、使用中不需要外围元件，全部传感元件和转换电路集成在一个形如三极管的集成电路里，非常方便；
4、测温范围：-55°C~+125°C；
5、可编程分辨率为9~12位，对应的精度为0.5°C、0.25°C、0.125°C和
0.0625°C，精度比较高；
6、负压特性，电源极性接反时，芯片不会因发热而烧坏，但无法正常工作。
应用范围
1、冷冻库、粮仓、电信电力机房
2、缸体、空调等设备等等
64位ROM的结构开始８位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后８位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如图3所示。头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第５个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图2所示。低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
图3 DS18B20字节定义
高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。第９字节读出前面所有８字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第１、２字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。
当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。
3.1.2 工作原理
涉及DS18B20内部的指令
CCH—跳过ROM。直接向18B20发温度交换命令，适用于一个从机工作。
44H—温度转换。启动ds18b20进行温度转换。
BEH—读暂存器。读内部RAM中的温度数据。
3.1.3 工作时序
初始化
1、先将数据线置高电平1
2、延时
3、数据线拉低
4、延时750us(范围是480~960us)
5、数据线拉高
6、延时等待(15~60us)，如果初始化成功，则在15~60us后DS18B20产生一 个低电平0，此时初始化成功。
DS18B20写数据
1、数据线先置低
2、延时为15us
3、采集期间延时45us，此时按照从低位到高位的顺序发送数据
4、然后将数据线拉高
5、重复上述几步，直到发送完整个字节
6、最后将数据线拉高
从DS18B20读数据
1、首先将数据线拉低
2、延时15us
3、采集期间延时45us
4、上述过程重复，直到读取完一个字节
5、最后将数据线拉高
3.2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
DS18B20可以采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源.如图4所示单片机端口接单线总线，。
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。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。这里我用18B20的数据端接单片机的P3^2口，因为89s52单片机的P3口有内部上拉，所以这里我没有再加上拉电阻。
图4度传感器与单片机的接口电路
3.3 显示电路
显示电路使用的一个四位一体的共阳极数码管，采用动态扫描。这种显示最大的优点就是使用口资源比较少。因为是共阳的数码管，这里段选端我用单片机的P0口连接，位选端用P1口。这样可以节省掉P0口上拉电阻，P1口处于电路更稳定的考虑，我用了上拉电阻。连接方式如图5所示。
图5单片机与数码管连接方式
3.4设置温度上下限和报警电路
设置温度上下限我过四个独立按键来实现，报警电路通过三个发光二极管和蜂鸣器来实现。具体连接方式如图6所示。当温度正常不超过上下限时，绿色发光二级管亮。当超过上限温度时，红色发光二极管亮，并且蜂鸣器报警。当温度低于下限时，黄色发光二极管亮，并且蜂鸣器报警。用一个PNP型三极管来驱动蜂鸣器。三极管基极接单片机的P3^7口，平时输出高电平，当超过上下限时输出低电平，三极管导通，驱动蜂鸣器工作。四个按键可以用来调整温度的上下限，切换上下限调整和正常显示。
图6报警电路
3.5系统软件算法分析
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等，显示子程序，设置高低温子程序，报警子程序，显示程序。
3.5.1主程序
主程序的主要功能是负责调用各个子函数可以分块一次执行，保证电路正常工作。主程序里面先给单片机各个端口赋初值，然后执行芯片初始化程序，再读取温度并计算，最后送给数码管显示并和上下限温度比较来决定是否报警。显示函数里面最后加入一个延时函数，每一秒钟更新一次温度，以确保显示的是最新的温度。主程序流程图如图7所示。
3.5.2 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。其程序流程图如图8示
3.5.3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位分辨率时转换时间约为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。温度转换命令子程序流程图如上图，图9所示
图7主程序流程图 图8读温度流程图
图9 温度转换流程图
3.5.4 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，其程序流程图如图10所示。
图10 计算温度流程图
3.5.5报警电路子程序
通过18b20得到温度以后，因为需要保留一位小数，所以返回的温度值是其实际值得十倍。所以需要先除以十，得到的数再和设置的高低温度比较，相应的输出不同的电平。程序流程图如图11所示
图11报警电路流程图
4结束语
经过将近三周的单片机课程设计，终于完成了我的数字温度计的设计，虽然没有完全达到设计要求，但是还是很高兴的。
在本次设计的过程中，我遇到了很多问题。板子刚做好的时候，通上电后什么都不显示，自己也很着急，弄了半天效果依旧。后来通过请教别的同学和测试，发现原来最小系统就没接好，又接好后只有两个数码管会工作。通过检修，原来是数码管装反了。经过这次实习，我发现了自己的许多不足，对单片机根本不够了解，不熟悉。通过这次动手调试，掌握了一定的调试电路的方法。在电路设计中，任何一个微小的问题都会带来大麻烦。以后做事一定要小心认真，可以为后期节省很多时间。从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，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，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获
参考文献
[1] 李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，1998
[2] 李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1994
[3] 阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，1989
[5] 叶挺秀.应用电子学［Ｍ］.杭州：浙江大学出版社，1994
附录1原理图
附录2仿真图
附录3 C源程序
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define dula P0 //段选
#define wela P1 //位选
sbit DQ = P3^2; sbit k1 = P2^4; sbit k2 = P2^5; sbit k3 = P2^6;
sbit k4 = P2^7; sbit led3 = P2^0; sbit led2 = P2^1;
sbit led1 = P2^2; sbit buzzer = P3^7;
void display(uint first,uint second,uint third,uint forth);
void delay_ms(unsigned int timer);
void ShowTem();
void SetLowTem();void SetHighTem();void initalarm();void alarm();void delay_us(uchar a);void init1820();void write1820(uchar a);unsigned char read1820(void);uchar gettemp();unsigned char idata flag;uchar show[4] = {1,2,3,4};void delay_us(uchar a) {
while(--a);
}
void init1820()
{
DQ = 1; _nop_();
DQ = 0; //拉低数据线，准备Reset OneWire Bus；
delay_us(125); //延时510us，Reset One-Wire Bus.
delay_us(125);
DQ = 1; //提升数据线；
delay_us(15); //延时35us；
while(DQ) //等待Slave 器件Ack 信号；
{ _nop_(); }
delay_us(60); //延时125us；
DQ = 1; //提升数据线，准备数据传输；
}
//******write********
void write1820(uchar a)
{
uchar i;
for(i=0;i<8;i++)
{if(a & 0x01) //低位在前；
{DQ = 0; //结束Recovery time；
_nop_();_nop_();_nop_();
DQ = 1; } //发送数据;
else
DQ = 0; //结束Rec time；
_nop_();_nop_();_nop_();
//DQ = 0; } //发送数据；
delay_us(30); //等待Slave Device采样；
DQ = 1; //Recovery;
_nop_(); //Recovery Time Start;
a >>= 1;
}
}
//*******read************
unsigned char read1820(void)
{
unsigned char i;
unsigned char tmp=0;
DQ = 1; _nop_(); //准备读；
for(i=0;i<8;i++)
{
tmp >>= 1; //低位先发；
DQ = 0; //Read init；
_nop_(); //2ms；
DQ = 1; //必须写1，否则读出来的将是不预期的数据；
delay_us(2); //延时9us；
_nop_();
if(DQ) //在12us处读取数据；
tmp |= 0x80;
delay_us(30); //延时55us；
DQ = 1; _nop_(); //恢复One Wire Bus；
}
return tmp; }
//**********************************************************
uchar gettemp()
{ unsigned int tp;
float temp;
init1820();
write1820(0xcc);
// delay_ms(2);
write1820(0x44);
init1820();
write1820(0xcc);
write1820(0xbe);
show[0]=read1820();
show[1]=read1820();
init1820();
tp=show[1]*256+show[0];
flag = show[1] >> 7; //判断温度正负，正时flag = 0；负时flag = 1；
if(flag == 0)
{temp=tp;
tp =temp*0.0625*10+0.5;
}
if(flag == 1)
{tp=tp-1;
tp=~tp;
temp=tp;
tp = temp*0.0625*10+0.5;
}
return tp;
}
extern unsigned char idata flag; //定义外部变量，温度正负标志
uint HNum = 50,LNum = 10; //报警温度的高低值
uint Tem;
/***************
* 函 数：显示温度函数
* 参 数：无
* 返 回: 无
****************/
void ShowTem()
{
Tem = gettemp(); /* 读取18b20温度*/
if(flag == 1) //显示负温度
display(Tem%10,Tem%100/10,(Tem%1000)/100,16);
if(flag == 0) //显示正温度
display(Tem%10,Tem%100/10,(Tem%1000)/100,Tem/1000);
}
/***************
* 函 数：设置低温温度报警值函数
* 参 数：无
* 返 回: 无
****************/
void SetLowTem()
{
while(1)
{
display((LNum*10)%10,LNum%10,(LNum%100)/10,18);
if(k2 == 0)
delay_ms(50); //按键消抖
if(k2 == 0)
{ while(!k2); //等待按键释放
LNum++;
}
if(k3 == 0)
delay_ms(50); //按键消抖
if(k3 == 0)
{ while(!k3); //等待按键释放
LNum--;
}
if(k4 == 0)
delay_ms(50); //按键消抖
if(k4 == 0)
{ while(!k4); //等待按键释放
break;
}
}
}
/***************
* 函 数：设置高温温度报警值函数
* 参 数：无
* 返 回: 无
****************/
void SetHighTem()
{
if(k1 == 0) //按键消抖
delay_ms(10);
if(k1 == 0)
{
while(!k1); //等待按键释放
while(1)
{
display((HNum*10)%10,HNum%10,(HNum%100)/10,17);
if(k1 == 0)
delay_ms(50); //按键消抖
if(k1 == 0)
{ while(!k1); //等待按键释放
SetLowTem(); //设置低温报警温度
break;
}
if(k2 == 0)
delay_ms(50); //按键消抖
if(k2 == 0)
{ while(!k2); //等待按键释放
HNum++;
}
if(k3 == 0)
delay_ms(50); //按键消抖
if(k3 == 0)
{ while(!k3); //等待按键释放
HNum--;
}
if(k4 == 0)
delay_ms(50); //按键消抖
if(k4 == 0)
{ while(!k4); //等待按键释放
break;
}
}
}
ShowTem();
}
/***************
* 函 数：led和蜂鸣器初始化
* 参 数：无
* 返 回: 无
****************/
void initalarm()
{
led1 = 0;led2 = 0;led3 = 0;buzzer = 1;
}
void alarm()
{
Tem = gettemp();
Tem=Tem/10;
if(Tem > HNum)
{
led2 = 1;led1 = 0;led3 = 0;buzzer = 0; //蜂鸣器工作
}
else if(Tem < LNum)
{
led3 = 1;led1 = 0;led2 = 0; buzzer = 0;
}
else
{
led1 = 1;led2 = 0;led3 = 0;buzzer = 1;
}
}
/********************
*函数名：display.c
*说明：数码管显示18b20温度
*********************/
uchar code table[]={ //共阳极数码管显示
0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,
0x99,0x92,0x82,0xf8,
0x80,0x90,0x88,0x83,
0xc6,0xa1,0x86,0x8e,
0xbf,0x89,0xc7}; //16是“-” ,17是“H”，18是“L”
uchar code table1[]={ //第三个数码管有小数点，所以不一样
0x40,0x79,0x24,0x30,
0x19,0x12,0x02,0x78,
0x00,0x10,0x08,0x03,
0x46,0x21,0x06,0x0e};
void display(uint first,uint second,uint third,uint forth) {
wela = 0x01;
dula = table[first];delay_ms(5);
dula = 0xff; wela = 0x02;
dula = table1[second];delay_ms(5);
dula = 0xff;wela = 0x04;
dula = table[third];delay_ms(5);
dula = 0xff;wela = 0x08;
dula = table[forth];
delay_ms(5);dula = 0xff;
}
void delay_ms(uint timer)
{
uint i,j;
for(i=0; i<timer; i++)
for(j=0; j<110; j++);
}
void main()
{
initalarm();
while(1)
{
SetHighTem();
alarm();
}
}
附录4 实物图
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