基于单片机控制的数字温度计

任务书1设计目的与要求设计出一个数字温度计。准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：（1）测温范围-50110 （2）精度误差不大于 0.1 （3）LED 数码直读显示2设计内容 （1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4）SCH 文件生成与打印输出；3编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。4答辩在规定时间内，完成叙述并回答问题。基于单片机控制的数字温度计摘要：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数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。 关键词：单片机，数字控制，温度计， DS18B20，AT89S51目 录1 引言 12 总体设计方案 12.1 数字温度计涉及方案论证 12.1.1 方案一 12.1.2 方案二 12.2 总体设计框图22.2.1 主控制器 22.2.2 显示电路 22.2.3 温度传感器介绍 22.3 系统整体硬件电路 52.3.1 主板电路 52.3.2 显示电路 53 系统软件算法分析 63.1 主程序 63.2 读温度子程序 73.3 温度转换命令子程序 73.4 计算温度子程序 73.5 显示温度子程序 84 结束语 8参考文献 8附录一 9附录二 101 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 5 位共阴极 LED 数码管以并口传送数据,实现温度显示,能准确达到小数点后一位的要求。2 总体设计方案2.1 数字温度计设计方案论证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。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，按照时序容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求，显示电路用为了节省单片机端口，输出显示采用扫描的方式进行。利用人眼对光的停留效应，通过电子开关的控制，结合显示数据的配合，完成五位数码管的扫描显示。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，故采用了方案二。2.2 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 5 位 LED 数码管以并口送位码数据实现温度显示，可显示温度的正负及小数点后一位。图 1总体设计方框图2.2.1 主控制器单片机 AT89S51 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。单片机最小系统由AT89S51,复位电路，晶振电路组成。主 控 制 器LED显 示温 度 传 感 器单片机复位时钟振荡报警按键调节整2.2.2 显示电路显示电路采用 5 位共阴 LED 数码管，从 P2 口输出位码，从 P0 口输出段码。显示电路用为了节省单片机端口，输出显示采用循环扫描的方式进行。利用人眼对光的停留效应，通过电子开关的控制，结合显示数据的配合，完成五位数码管的扫描显示2.2.3 温度传感器DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现位的数字值读数方式。DS18B20 的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为 3.05.5；零待机功耗；温度以或位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，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 采用脚 PR35 封装或脚 SOIC 封装，其内部结构框图如图 2 所示。图 2 DS18B20 内部结构64 位 ROM 的结构开始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I/OC64 位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器 TH低温触发器 TL配置寄存器8 位 CRC 发生器VDD度报警触发器和，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和一个非易失性的可电擦除的 EERAM。高速暂存 RAM 的结构为字节的存储器，结构如图 3 所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，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 3 所示。低位一直为，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，用户要去改动，R1 和 0 决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。图 3 DS18B20 字节定义由表 1 可见，DS18B20 温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的 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、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 0.0625LSB 形式表示。当符号位时，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。表 2 是一部分温度值对应的二进制温度数据。表 1 DS18B20 温度转换时间表DS18B20 完成温度转换后，就把测得的温度值与 RAM 中的 TH、T字节内容作比较。若TH 或 T TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只 DS18B20 同时测量温度并进行报警搜索。在 64 位 ROM 的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC） 。主机 ROM 的前 56 位来计算 CRC 值，并和存入 DS18B20 的 CRC 值作比较，以判断主机收到的 ROM 数据是否正确。DS18B20 的测温原理是这样的,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；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、温度寄存器中，计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。R0R1000101119101112分 辨 率 /位 温 度 最 大 转 向 时 间 /ms93.75187.5375750.减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器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。表 2一部分温度对应值表温度/ 二进制表示 十六进制表示+125 0000 0111 1101 0000 07D0H+85 0000 0101 0101 0000 0550H+25.0625 0000 0001 1001 0000 0191H+10.125 0000 0000 1010 0001 00A2H+0.5 0000 0000 0000 0010 0008H0 0000 0000 0000 1000 0000H-0.5 1111 1111 1111 0000 FFF8H-10.125 1111 1111 0101 1110 FF5EH-25.0625 1111 1110 0110 1111 FE6FH-55 1111 1100 1001 0000 FC90H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。2.3 系统整体硬件电路图 5 单片机主板电路2.3.1 主板电路系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，如图 5 所示。图 5 中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时 LED 数码管将显示 888，即错误，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。图 5 中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。2.3.2 显示电路图 6 温度显示电路显示电路是使用的并口显示，这种显示最大的优点是显示程序简单，采用循环扫描的显示方法，P0 口输出段码，P2 输出位码，利用人眼的暂留现象来显示温度，随时采集温度显示出来，使温度的显示是连续的。3 系统软件算法分析图 7 主程序流程图 图 8 读温度流程图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。3.1 主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理 DS18B20 的测量的当前温度值，温度测量每 1s 进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度。主程序主要是调用其他的子程序，起到总体设计的要求，主要是先检查是否有温度传感器存在，如果不存在则重新扫描，启动报警电路，提示人们接上 DS18B20，检测到传感器后，向传感器写命令，使其采集温度，处理过后向单片机传送温度数值，单片机把温度数值进行转换后，转换成 BCD 码，调用数码管显示子程序显示出来温度，然后重新扫描，循环不止，把温度即时的显示出来。其程序流程见图 7 所示初始化调用显示子程序1S 到？初次上电读出温度值温度计算处理显示数据刷新发温度转换开始命令NYNYY发 DS18B20 复位命令发跳过 ROM 命令发读取温度命令读取操作，CRC 校验9 字节完？CRC 校验正？确？移入温度暂存器结束NNY发 DS18B20 复位命令发跳过 ROM 命令发温度转换开始命令结束3.2 读出温度子程序图 9 温度转换流程图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3.3 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3.4 计算温度子程序图 10计算温度流程图 图 11显示数据刷新流程图计算温度子程序将 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，在数码显示时有单独的符号位及其编码，其程序流程图如图 10 所示。开始温度零下?温度值取补码置“”标志计算小数位温度 BCD 值 计算整数位温度 BCD 值 结束置“+”标志NY温度数据移入寄存器十位数 0？百位数 0？十位数显示符号百位数不显示百位数显示数据（不显示符号）结束NNYY3.5 显示数据子程序显示数据子程序采用循环扫描并口显示，先判断是否是零下，如果是零下，则置符号位显示负号，如果不是负数，则跳过，符号位数码管不显示，再扫描百位，置百位位码，接着是十位和个位，循环扫描，由于人眼的暂留想象，无闪烁感。程序流程图如图 11。4 结束语经过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，但在这三周的时间里，我的全身心都投入了实习中，连续的思考，特别是编程的过程，有时候竟然梦里都想着程序，几乎上每天都很晚才睡觉，此时此刻的我，已经身心疲惫。从心里说，我还是很高兴的，因为通过我的努力，最后终于做出来了。在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事。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。在此特别感谢孔老师的名师指点，还有邵老师和陈老师的耐心指导。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， 19982李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社， 19943廖常初.现场总线概述J.电工技术，1999.4 张大明.单片机控制实训指导及综合应用实例.北京：机械工业出版社， 2007.65 汪道辉.单片机系统设计与实践.北京：电子工业出版社， 2006.5附录一附录二TEMP_L DATA 31H ;DS18B20 低 8 位TEMP_H DATA 30H ;DS18B20 高 8 位TEMP_HC DATA 32H ;百位和十位的 BCDTEMP_LC DATA 33H ;个位和小数位的 BCDTEMP_ZH DATA 34H ;温度原值DIS_BUF_X DATA 35H ;数码管小数位DIS_BUF_G DATA 36H ;数码管个位DIS_BUF_S DATA 37H ;数码管十位DIS_BUF_B DATA 38H ;数码管百位K_UP EQU P1.6 ;上调按钮K_DOWN EQU P1.7 ;下调按钮K_ENTER EQU P1.5 ;输入数据确认按钮P_DS18B20 EQU P1.0 ; DS18B20 输入P_SWITCH EQU P1.1;报警电路输出端口FLAG EQU 20H.0 ;标志位,是否存在 DS18B20FUHAO EQU 20H.1;符号位，为 1 时表示负数;程序开始执行ORG 0000HLJMP MAINORG 0100HMAIN: MOV SP,#60H ;初始化MOV P0,#00HMOV P2,#00HMOV TEMP_ENTER_H,#6EHMOV TEMP_ENTER_L,#CEHCLR FUHAOSETB P1.0NEXT:LCALL READ_TEMP ;调用读温度子程序JB FLAG,NORMAL ;判断 DS18B20 是否存在ACALL ERR ;不存在时显示错误信息AJMP NEXTNORMAL:LCALL DATA_DEAL ;处理数据LCALL SET_DIS_BUF ;赋值给LCALL SCAN_KEYLCALL CON_TEMPLCALL DISPLAY ;调用显示程序AJMP NEXTERR:MOV DIS_BUF_X,#08H ;错误 888MOV TEMP_HC,#88H MOV TEMP_LC#88HLCALL DISPLAYRETDATA_DEAL:数据处理MOV A,TEMPERATURE_H ;判温度是否零下ANL A,#80HJZ TEMPC1 ;判断正负CLR CMOV A,TEMP_L ;二进制数求补（双字节）CPL A ;取反加 1ADD A,#01HMOV TEMP_L,A ;MOV A,TEMP_HCPL AADDC A,#00H ; MOV TEMP_H,A ;MOV TEMP_HC,#0BHSJMP TEMPC11TEMPC1: MOV TEMP_HC,#0AH TEMPC11:MOV A,TEMP_HCSWAP AMOV TEMP_HC,AMOV A,TEMP_LANL A,#0FH ;取 A 低 4 位MOV DPTR,#TEMPDOTTABMOVC A,A+DPTR ;查表MOV TEMP_LC,A ;MOV DIS_BUF_X,A ;MOV A,TEMPERATURE_L ;整数部分ANL A,#0F0H ;得到个位单个数值SWAP A ;SWAP 后就得到个位真正的个位MOV TEMP_L,AMOV A,TEMP_HANL A,#07HSWAP AORL A,TEMP_LMOV TEMPERATURE_ZH,A ;LCALL HtoB ;转换 BCD 码MOV TEMP_L,A ;ANL A,#0F0HSWAP AORL A,TEMP_HC ;MOV TEMP_HC,AMOV A,TEMP_LANL A,#0FHSWAP A ;ORL A,TEMP_LCMOV TEMP_LC,AMOV A,R7JZ TEMPC12ANL A,#0FHSWAP AMOV R7,AMOV A,TEMP_HC ;ANL A,#0FHORL A,R7MOV TEMPERATURE_HC,ATEMPC12:RETTEMPDOTTAB: ; 小数部分码表DB 00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04HDB 05H,06H,06H,07H,08H,08H,09H,09HHtoB: MOV B,#064H ;100 DIV AB ;a/100 MOV R7,A ; MOV A,#0AHXCH A,BDIV AB SWAP AORL A,BRETINIT_TEMP: SETB P_DS18B20NOPCLR P_DS18B20 ;延时 537MOV R0,#250;DJNE R0,$;SETB P_DS18B20 ;释放总线NOPNOPNOPMOV R0,#32HTSR2: JNB P_DS18B20,TSR3 ;等待DJNZ R0,TSR2LJMP TSR4 ;延时TSR3: SETB FLAG ; DS1820 存在LJMP TSR5TSR4: CLR FLAG ; DS1820 不存在LJMP TSR7TSR5: MOV R0,#06BHTSR6: DJNZ R0,TSR6 ;延时TSR7: SETB P_DS18B20RETREAD_TEMP:SETB P_DS18B20LCALL INIT_TEMP ;复位JB FLAG,TSS2RET ;判断 DS1820 是否存在?TSS2: MOV A,#0CCH ;跳过 ROMLCALL WRITE_18B20MOV A,#44H ;温度转换LCALL WRITE_18B20;LCALL DISPLAY ;等待,12 位 750 微秒LCALL INIT_TEMP ;先复位MOV A,#0CCH ;跳过 ROM 匹配LCALL WRITE_18B20MOV A,#0BEH ;发出读温度命令LCALL WRITE_18B20LCALL READ_18B20 ;保存数据RETWRITE_18B20: MOV R2,#8 ;一共 8 位数据，串行通信WR :CLR CCLR P_DS18B20MOV R3,#07DJNZ R3,$RRC A ;循环右移JC WR1;MOV P_DS18B20,CMOV R3,#23DJNZ R3,$ ;23*2 = 46 微妙SETB P_DS18B20AJMP WR8WR1:SETB P_DS18B20MOV P_DS18B20,CMOV R3,#23DJNZ R3,$WR8:DJNZ R2,WR ; 8 位，送 8 次SETB P_DS18B20 ;释放总线RETREAD_18B20: MOV R4,#4 ;读出温度MOV R1,#TEMPERATURE_L RE00: MOV R2,#8 ; 8 位RE01: CLR CSETB P_DS18B20NOPNOPCLR P_DS18B20NOPNOPNOPSETB P_DS18B20NOPNOPMOV R3,#07RE10: DJNZ R3,RE10MOV C,P_DS18B20MOV R3,#22RE20: DJNZ R3,RE20RRC ADJNZ R2,RE01MOV R1,ADEC R1DJNZ R4,RE00RETSCAN_KEY:LCALL K_DELAYJB K_ENTER $ENTER1:LCALL K_DELAYUP1:JB K_UP DOWN1MOV A,#01HADD A, TEMPERATURE_ENTER_HMOV TEMPERATURE_ENTER_H,ALCALL ENTER_DISPLAYDOWN1: LCALL K_DELAYJB K_DOWN,ENTER2CLR CMOV A,#01HSUBB A, TEMPERATURE_ENTER_HMOV TEMPERATURE_ENTER_H,ALCALL ENTER_DISPLAYENTER2: LCALL K_DELAYJB K_ENTER UP1UP2: LCALL K_DELAYJB K_UP,DOWN2MOV A,#01HADD A, TEMPERATURE_ENTER_LMOV TEMPERATURE_ENTER_L,ALCALL ENTER_DISPLAYDOWN2: LCALL K_DELAYJB K_DOWN,ENTER3CLR CMOV A,#01HSUBB A, TEMPERATURE_ENTER_LMOV TEMPERATURE_ENTER_L,ALCALL ENTER_DISPLAYENTER3: LCALL K_DELAYJB K_ENTER,UP2 RETK_DELAY: ;键盘抖动延时子程序MOV R6,#250DL20MS_1:MOV R7,#200DJNZ R7,$DJNZ R6, DL20MS_1RET调整上下限温度显示ENTER_DISPLAY:MOV R0,ACLR FUHAOANL A,#80HJZ ZHENGSHUSETB FUHAOCLR CMOV A,R0INC A,#7FHDEC ACPL AINC A,#7FHAJMP DISZHENGSHU:MOV A,R0DIS:LCALL HtoBMOV R6,AMOV A,#0FHANL A,R7MOV DIS_BUF_B,AMOV A,#0FHANL A,R6MOV DIS_BUF_G,AMOV A,#F0HANL A,R6SWAP AMOV DIS_BUF_S,ALCALL DISPLAYRETCON_TEMP：温度比较JNB FUHAO,T0MOV A, TEMPERATURE_ZHCPL AADD A,#01HMOV TE