基于89C51的简易数字温度计的设计与制作.doc

简易数字温度计的设计与制作简易数字温度计的设计与制作摘要：单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个量。本文作者采用AT89C51单片机和温度传感器AD590从硬件和软件两方面介绍了一款简易数字温度计的设计过程， 并对硬件原理图和程序流程图作了简洁的描述。关键词：单片机AT89C51；温度传感器AD590；数字温度计；模数转换；数码显示与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。选用AT89C51型单片机作为主控制器件，DSl8820作为测温传感器通过4位共阳极LED数码管串口传送数据，实现温度显示。 1 引言随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。选用AT89C51型单片机作为主控制器件，DSl8820作为测温传感器通过4位共阳极LED数码管串口传送数据，实现温度显示。通过DSl8820直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，在O100最大线性偏差小于01。该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。2 系统硬件设计方案根据系统功能要求，构造图1所示的系统原理结构框图。21 单片机的选择AT89C51作为温度测试系统设计的核心器件。该器件是INTEL公司生产的MCS一5l系列单片机中的基础产品，采用了可靠的CMOS工艺制造技术，具有高性能的8位单片机，属于标准的MCS一51的CMOS产品。不仅结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，而且继承和扩展了MCS一48单片机的体系结构和指令系统。22 温度传感器与单片机的连接温度传感器的单总线(1-Wire)与单片机的P20连接，P20是单片机的高位地址线A8。P2端口是一个带内部上拉电阻的8位双向IO，其输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对该端口写“1”，可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平，此时可作为输入口使用，这是因为内部存在上拉电阻，某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时。如执行MOVX DPTR指令，则表示P2端口送出高8位的地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，可执行MOVX RI指令，P2端口内容即为特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器内容，整个访问期间不改变。在Flash编程和程序校验时，P2端口也接收高位地址和其他控制信号。图2为DSl8820内部结构。图3为DSl8820与单片机的接口电路23 复位信号及外部复位电路单片机的P16端口是MAX813看门狗电路中喂狗信号的输入端，即单片机每执行一次程序就设置一次喂狗信号，清零看门狗器件。若程序出现异常，单片机引脚RST将出现两个机器周期以上的高电平，使其复位。该复位信号高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期即两个机器周期以上。若使用频率为12 MHz的晶体振荡器，则复位信号持续时间应超过2s才完成复位操作。24 单片机与报警电路系统中的报警电路是由发光二极管和限流电阻组成，并与单片机的P1.2端口连接。P1端口的作用和接法与P2端口相同，不同的是在Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址数据。25 电源电路由于该系统需要稳定的5 V电源，因此设计时必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。该电源采用三端集成稳压器LM7805。它仅有输入端、输出端及公共端3个引脚，其内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作为稳压电源。图4为电源电路连接图。26 显示电路采用技术成熟的74HCl64实现串并转换。LED显示分为静态显示和动态显示。这里采用静态显示，系统通过单片机的串行口来实现静态显示。串行口为方式零状态，即工作在移位寄存器方式，波特率为振荡频率的112。当器件执行任何一条将SBUF作为目的寄存器的命令时，数据便开始从RXD端发送。在写信号有效时，相隔一个机器周期后发送控制端SEND有效，即允许RXD发送数据，同时允许从TXD端输出移位脉冲。图5为显示电路的连接图27 看门狗电路系统中把P16作为看门狗的“喂狗”信号；将MAX813的RESET与单片机的复位信号RST连接。由于单片机每执行一次程序，就会给看门狗器件一个复位信号，这样也可以用手工方式实现复位。当按键按下时，SWSPST就会在MAX813引脚产生一个超过200 ms的低电平，其实看门狗器件在16 s时间内没有复位，使7引脚输出一个复位信号的作用是相同的，其连接图如图6所示。3 软件设计DSl8820的主要数据元件有：64位激光Lasered ROM，温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器TH和TL。DSBl820可以从单总线获取电源，当信号线为高电平时，将能量贮存在内部电容器中；当单信号线为低电平时，将该电源断开，直到信号线变为高电平重新接上寄生(电容)电源为止。此外，还可外接5 V电源，给DSl8820供电。DSl8820的供电方式灵活，利用外接电源还可增加系统的稳定性和可靠性。图7为读取数据流程图。读取DS18B20数据的部分程序代码为：4 数据测试将温度传感器与冰水混合物接触，经过充分搅拌达到热平衡后调节系统，使显示读数为000(标定0)；利用气压计读出当时当地的大气压强，并根据大气压强和当地重力加速度计算出当时的实际压强；根据沸点与压强的关系查出沸点温度。把温度传感器放入沸水中，待显示读数稳定后重新调节，使显示器显示读数等于当地当时沸点温度后工作结束。该温度计的量程为一50150，读数精度为01，实际使用一般在0100。采用050和50100的精密水银温度计作检验标准，对设计的温度计进行测试，其结果表明能达到该精度要求。5 结语该温度测试系统不仅具有结构简单、体积小、价格低廉、精确度较高、反应速度较快、数字化显示和不易损坏等特点，而且性能稳定，适用范围广，因此特别适用于对测温要求比较准确的场所。1.前言随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度传感器AD590具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便等优点，广泛应用于冰箱、空调器、粮仓等日常生活中温度的测量和控制。传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点，本文作者利用集成温度传感器AD590设计并制作了一款基于AT89C51的4位数码管显示的数字温度计，其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现。2.系统功能原理及硬件组成该数字温度计利用AD590集成温度传感器及其接口电路完成温度的测量并转换成模拟电压信号，经由模数转换器ADC0804转换成单片机能够处理的数字信号，然后送到单片机AT89C51中进行处理变换，最后将温度值显示在D4、D3、D2、D1共位七段码LED显示器上。系统以AT89C51单片机为控制核心，加上AD590测温电路、ADC模数转换电路、4位温度数据显示电路以及外围电源、时钟电路等组成。系统组成框图如图1所示。 图1 系统组成框图2.1AT89C51单片机Atmel公司的生产的AT89C51单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，内部除CPU外，还包括128字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，片内集成4K字节可改变程序Flash存储器，具有低功耗，速度快，程序擦写方便等优点，完全满足本系统设计需要。单片机P0口作为ADC0804转换数据的输入端，P2.0接ADC0804的INTR端检测数据转换是否结束。P1.0P1.3的输出信号接到译码器7447上作为数码管的显示，P1.4P1.7则作为个数码管的位选信号控制。P3口有特殊的功能，P3.6用于控制ADC0804的启动，P3.7用于控制读取ADC0804的转换结果。2.2AD590温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。AD590测温范围为55150，满足人们日常生产和生活中的温度范围。AD590电源电压可在4V6V范围变化，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。AD590产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1A。AD590温度与电流的关系如下表所示：摄氏温度AD590电流经10K电压0273.2 A2.732 V10283.2 A2.832 V20293.2 A2.932 V30303.2 A3.032 V40313.2 A3.132 V50323.2 A3.232 V60333.2 A3.332 V100373.2 A3.732 V 为了提高精度，扩大测量范围，在A/D转换前还要将信号加以放大并进行零点迁移，因而一个高稳定性的、高精度的放大电路是必须的。当温度变化时，AD590会产生电流变化，当AD590的电流通过一个10k的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mVK，为了使此10k电阻精确，可用一个9k的电阻与一个2k的电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10k。运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗，由运放A2减去2.732做零位调整（即把绝对温度转成摄氏温度），最后由运放A3反相并放大倍输送给A/D转换器。具体硬件连接图如图2所示。 图2 AD590温度采集及模数转换电路2.3 ADC0804模数转换器AD590测温电路输出的电压信号为模拟信号，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。为此我们通过A/D转换器ADC0804将输入的模拟值转换成数字值，经AT89C51单片机处理后输出到P1以控制温度显示电路。ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片，分辨率8位，转换时间100s，输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。具体硬件连接图如图2所示。2.4 七段码LED温度显示电路由发光二极管组成的七段码LED显示器是单片机应用产品中最常用的廉价输出设备，用于显示各种数字和字符。该数字温度计的温度显示由4位七段码LED显示器组成，单片机以并行通信方式从P1.0P1.7口输出段码和控制信号，通过7447 TTL BCD译码器译码，用4个共阳极LED动态显示温度的各个数位。具体硬件连接图如图3所示。 图3 温度显示及单片机时钟、复位电路3.系统软件设计与编程该数字温度计软件部分用MCS-51汇编语言编程实现，采用模块化程序设计思想，将软件划分成若干单元，主要包括主程序、十进制数据转换及调整子程序、LED数码显示子程序和延时子程序等。本系统具体汇编源程序见后附。3.1 系统主程序 在主程序中，系统上电自动复位以后首先设置堆栈，然后启动ADC0804，开始转换AD590测温电路输入的电信号，待数据转换结束后读入到累加器A，然后进行十进制数据转换调整，输出给显示电路。主程序流程图如图4所示。 图4 主程序流程图3.2 十进制数据转换调整子程序由于ADC0804转换后的数据是二进制数据，而七段码LED显示器所要显示的数据是十进制数据，因此需要进行二、十进制数据转换。ADC0804输出的最大转换值为FFH(255)，由于运放放大倍，因此本数字温度计的最大测量温度为5.1V/51.02，即102。由255*=102，得知0.4，即先乘再除10。255*4=1020，其中高位10送高位显示缓冲区R4，低位20送低位显示缓冲区R5，将小数点设在D2位上，并将其分别显示为1(D4) 0(D3) 2(D2) . 0(D1) 。所以，十进制转换调整流程为A/D（二进制）十进制乘显示。程序流程图如图所示。 图5 十进制数据转换调整子程序流程图3.3 LED数码显示子程序十进制转换调整后的数据送到寄存器R5、R4中，然后通过P1口把数据输出给D4、D3、D2、D1四个数码显示器中，从而最终把测得的温度显示出来。显示子程序流程图如图所示。 图 显示子程序流程图.结束语本文采用AT89C51单片机做主控