温度测量计设计说明书

1、毕业设计说明书（论文）中文摘要 随着时代的进步和发展，单片机技术也越来越广泛的被应用在工作、科研、生活等方面。其中数字温度计就是一个典型的例子，数字式温度计以数字温度传感器作感温元件，它以单总线的连接方式，使电路大大的简化。传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器，这类传感器可靠性差，测量温度准确度低且电路复杂，但是因为DS18B20这种传感器是单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，所以我采用了DS18B20这种传感器。因此，本温度计摆脱了传统的温度测量方法，利用单片机对传感器进行控制，具有结构紧凑，体积小，重量轻，抗干扰能力强，性价比高，扩展方便等

2、优点，在大型仓库，工厂，智能化建筑等领域的多点温度检测中有广阔的应用前景。关键词：DS18B20，单片机，LED显示器，数字测温专科毕业设计说明书（论文） 第 I 页 共I页目 录1 引言1.1 温度测量计概述11.2 系统主要功能11.3 总体论证方案与设计12 温度测量计的硬件系统设计2.1 硬件原理图22.2 最小系统22.3 DS18B20温度传感器特性及引脚功能介绍72.4 显示器及驱动电路的数值计算和电阻取值82.5 报警电路模块92.6 主要元器件的选择93 温度测量计的软件系统设计3.1 程序框图113.2 源程序清单114 系统的调试4.1 硬件静态调试184.2 软件调试1

3、8结束语20致谢21参考文献22附录一23附录二24专科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共24 页1引言 随着时代的进步和发展，单片机技术也越来越广泛的被应用在工作、科研、生活等方面。其中数字温度计就是一个典型的例子，数字式温度计以数字温度传感器作感温元件，它以单总线的连接方式，使电路大大的简化。传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器，这类传感器可靠性差，测量温度准确度低且电路复杂。因此，本温度计摆脱了传统的温度测量方法，利用单片机对传感器进行控制，具有结构紧凑，体积小，重量轻，抗干扰能力强，性价比高，扩展方便等优点。1.1温度测量计概述本次设计是以单片机AT89S51为控制核心，通过温度

4、传感器DS18B20感受温度，实现温度测量功能并显示在LED显示器上。1.2系统主要功能本次设计是以单片机AT89S51为控制核心，通过温度传感器DS18B20感受温度，实现温度测量功能并显示在LED显示器上。所以测量温度非常方便准确，而且软件设计和布线简单。1.3总体方案论证与设计方案一：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，而且这类传感器可靠性比较差，测量温度准确度低。因此，此类传感器不

5、适合用于工作，生活，科研方面的设施建设。方案二：测温电路中，也可以使用传感器，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此类传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换满足设计要求，这种温度传感器利用单总线技术，线路简单，硬件开销少，成本低廉，软件设计简单。因此，适合用于工作，生活，科研方面的设施建设。比较以上两种方案，方案二有明显的优点，因此选择方案二。2 温度测量计硬件设计2.1 硬件原理图2.2 最小系统2.2.1 AT89S51单片机及其引脚说明引脚说明：VCC : 供电电源 GND : 接地P0口：一个8位双向I/O口，既能用作通用I/O口，又能用作地址/数据总线。用作通用I/O口

6、时，CPU令控制信号为低电平，其作用有两个：一个使多路开关MUX接通B端，二是令与门输出低电平，V1截止，致使输出级开漏输出电路。P0口地址总线低8位和数据总线，供系统扩展时使用。这时控制信号为高电平，多路开关MUX接通A端。P1口：与P0口相比，P1口的位结构图中少了地址/数据的传送电路和多路开关，上面一只MOS管改为上拉电阻。P1口作为一般I/O口的功能和使用方法与P0口相似。当用作输入口时，应先向端口写入“1”。它也有读引脚和读锁存器两种方式。所不同的是当输出数据时，由于内部有了上拉电阻，所以不需要上拉电阻。P2口：能用作通用I/O口或地址总线高8位。 作为通用I/O口使用，当信号为低电

7、平时，多路开关MUX接到B端，P2口作为通用I/O口使用，其功能和使用方法与P0、P1口相同。用作输入时，必须先写入“1”。 作为地址总线，当控制端输出高电平时，多路开关MUX接到A端，地址信号经反相器和V管二次反相后从引脚输出。这时P2口输出地址总线高8位，供系统扩展用。P3口：能用作通用I/O口，同时每个引脚还有第二功能。（1）用作通用I/O口，此时“第二功能输出”端为高电平，用作输出时，与非门输出取决于锁存器Q端信号，引脚输出信号与内部总线信号相同。其功能和使用方法与P1、P2口相同。用作输出时，必须先写入“1”。 （2）用作第二功能 当P3口的某一位作为第二功能输出使用时，应将该位的锁

8、存器置“1”，使与非门和输出状态只受“第二功能输出”端控制，第二功能输出信号经与非门和V管二次反相后输出到该位引脚上。 当P3口的某一位作为第二功能输出使用时，该位的“第二功能输出”端和锁存器自行置“1”，该位引脚上信号经缓冲器送入“第二功能输入”端。P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。在一般情况下（指扩展存储器），P0口分时作为地址总线低8位和数据总线，P2口作为地址总线高8位，P3口作为第二功能使用（不一定全部），真正能提供给用户使用的I/O口只有P1口和未使用第二功能的部分P3口端线。在用作输入时，P0P3口均需先写入“1”。2.2.2时钟电路的设计单片机工作的时间基准是由时钟电路提

9、供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图1所示。图一电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。电路中，电容器C1和C2对振荡器频率有微调作用，通常的取值范围30±10pF；石英晶体选择6MHZ或12MHZ都可以。其结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计数初值。AT89S51单片机的时钟产生有以下两种方法：一、内部时钟方式：利用单片机内部的振荡器，然后在引脚XTAL1（18脚）和XTAL2（19脚）两端接晶振，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，外接晶振时，晶振两端的电容一

10、般选择为30pF左右；这两个电容对频率有微调的作用，晶振的频率范围可在1.2MHz-12MHz之间选择。二、外部时钟方式： 此方式是利用外部振荡脉冲接入XTAL1或XTAL2。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同，HMOS型单片机（例如8051）外时钟信号由XTAL2端脚注入后直接送至内部时钟电路，输入端XTAL1应接地。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上接电阻。如下图 外接时钟信号通过一个二分频的触发器而成为内部时钟信号，要求高、低电平的持续时间都大于20ns，一般为频率低于12MHz的方波。片内时钟发生器就是上述的二分频触发器，它向芯片提供了一个2节拍的时

11、钟信号。 前面已提到，计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。由于指令的字节数不同，取这些指令所需要的时间也就不同，即使是字节数相同的指令，由于执行操作有较大的差别，不同的指令执行时间也不一定相同，即所需的拍节数不同。为了便于对CPU时序进行分析，一般按指令的执行过程规定了几种周期，即时钟周期、机器周期和指令周期，也称为时序定时单位，下面分别予以讲解。时钟周期 时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数（可以这样来理解，时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是1/12 us），是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最

12、基本的动作。对于某种单片机，若采用了1MHZ的时钟频率，则时钟周期为1us；若采用4MHZ的时钟频率，则时钟周期为250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的步调上来）。显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。但是，由于不同的计算机硬件电路和器件的不完全相同，所以其所需要的时钟周频率范围也不一定相同。我们学习的8051单片机的时钟范围是1.2MHz-12MHz。2.2.3复位电路的设计单片机的RET引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。复位以后，

13、单片机内各部件恢复到初始状态，单片机从ROM的0000H开始执行程序。单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。图2是51系列单片机常用的上电复位和手动复位的组合电路，只要VCC上升时间不超过1ms，它们都能很好地工作。阻容器件的参考值为，R1=200，R2=1K，C3=22uF图22.2.4电源电路的设计电源部分 8051的工作电压为+5V，±0.5V， 工作电流200mA其它部分工作电流： 总电流：500mA 功耗：2.5W 图三电源：桥式整流、滤波（两个滤波电容）、稳压三端稳压器件：7805系列三端稳压器件是最常用的线性降压型DC/DC转换器，目前也有大量先进的DC/DC转

14、换器层出不穷，例如低压差线性稳压器LDO等。7805简单易用，价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。7805系列在降压电路中应注意以下事项：（1） 输入输出压差不能太大，太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；（2） 输出电流不能太大，1.5A是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；（3） 输入输出压差也不能太小，太小效率很差。2.3 DS18B20温度传感器特性及引脚功能介绍DS18B20是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字

15、信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。它具有3引脚TO92小体积封装形式，温度测量范围为55125，可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。图2.3 DS18B20内部结构图在TO-92和SO-8的封装中引脚有所不同，具体差别请查阅PD

16、F手册，在TO-92封装中引脚分配如下：1（GND）：地；2（DQ）：单线运用的数据输入输出引脚；3（VDD）：可选的电源引脚半导体公司生产的“一线总线”式接口温度传感器。测量温度范围为55125。由于采用“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适用于恶劣环境的现场温度测量，广泛应用于环境控制、设备或过程控制，测温类消费电子产品之中。本课题由DS18B20和单片机构成，要求通过数码管直接显示实测温度，并在超过设定限值时触发报警。通过该课题的研究，可以更好地巩固所学的知识，提高动手能力，为进入社会打下良好的基础。主要性能指标：一、基本范围：-55+125；二、精度误差小于0.5；三

17、、LED数码直接读数显示，四位数码管显示；四、当实际温度超过数字温度计的极限范围，实现报警功能。2.4 显示及驱动电路的数值计算和电阻取值LED显示器的显示方式分为静态显示和动态显示。本设计采用动态显示，所谓动态显示是一位一位轮流点亮每位显示器，在同一时刻只有一位显示器在工作，但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉，将出现多个字符“同时”显示的现象。为了实现LED显示器的动态显示，通常将所有位的字形控制线并联在一起，由一个8位/接口控制，将每一位LED显示器的字位控制线（即每个显示器的阴极公共端或阳极公共端）分别由相应的/接口控制，实现各位的分时选通。它是把显示器的同名字段互相联系在

18、一起，并把它们接到字形口上。为了防止各个显示器同时显示出相同的字符，每个显示器的公共端还要受另一组信号的控制，即把它们接到字位口上。显示采用共阳数码管，其目的是为了简化限流电路的设计和实现亮度可调的要求。每笔画段二极管正常发光时的电流一般为10mA左右（当然，电流的大小取决于选用的数码管是普亮、高亮还是超高亮类型的不同），其两端压降约为2.0v，也就是说，只要数码管的公共端（COM）加+2.0v以上电压，即可满足每笔画段发光二极管的发光要求，而且适当调节此电压值即可改变发光二极管的电流，从而达到调节亮度的目的。如图所示 图2.4 显示及驱动电路 假设LED数码管显示器八段全亮，则集电极电流Ic

19、s为80mA，基极与发射极之间的电压为0.7v,则基极电流Ib=U/R即为（5-0.7）/R,又因为集电极电流为共射电流放大系数与基极电流之积，即IC=Ib,当（5-0.7）/RR80mA/时，PNP工作在饱和区，即R（5-0.7）×/80,因此，在此电路中，我们取电阻阻值为4.7K，使PNP工作在饱和区。具体计算如下R11到R14计算公式：U1=0.7V Ics=80mA Ic=Ib Ib=U/R=(5-0.7)/RIbIc/ （5-0.7）/R80mA/ =100 R=4.7KR3到R9的计算公式：（R10、R16近似可取220）10mA（5-0.3-2）/R20mA，R=220

20、2.5 报警电路模块2.6 主要元器件的选择（1）单片机：这里采用AT89S51而不是8031是为了最大限度减小误差，因为要实现多功能，而AT89S51具有许多8031所不具备的优点，故选择该芯片。（2）温度传感器：这里采用DS18B20而不是一般的热敏电阻作为感温元件，这种通过单片机控制传感器的测温方法具有结构紧凑，体积小，测量方便准确，性价比高，软件设计简单等方面的优点，故选择该传感器。（3）三极管：用来进行数码管显示的位选驱动，这里采用PNP管（4）数码管：采用四个共阳的数码管（5）晶振：采用的是6MHZ的晶振（6）电源部分：采用5V电压供电（7）电阻：大部分限流电阻，阻值为4.7K或2

21、20，1K3 温度测量计的软件系统设计3.1 主程序流程图 主程序流程图如图所示：开始 读取温度数据初始化单片机显示初始化DS18B20返回初始化LED显示器3.2 源程序清单ORG 0000H AJMP MAINQ ORG 000BH AJMP TT0 MAINQ:ORG 002FH TEMPH EQU 50H TEMPL EQU 51H TEMPHC EQU 52H TEMPLC EQU 53H ZJ9 EQU 60H WDCGQ BIT P0.0 MOV SP,#2FH MOV TMOD,#21H MOV TH0,#3CH;12MHZ晶振时定时100ms MOV TL0,#0B0H MO

22、V R7,#0AH SETB EA SETB ET0 SETB TR0 CLR F0 CLR 00H ;SETB P2.3 MOV TEMPH,#00H MOV TEMPL,#00H MOV TEMPHC,#00H MOV TEMPLC,#00H START:LCALL DIP JNB 00H,START CLR 00H JNB F0,STA1 LCALL READ LCALL DIP LCALL BCDLC LCALL DIP STA1:LCALL ML SETB F0 LJMP START TT0:PUSH PSW MOV PSW,#10H MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B

23、0H DJNZ R7,TT0OUT MOV R7,#0AH SETB 00H TT0OUT:POP PSW RETI READ:LCALL RST1820 MOV A,#0CCH ;发跳过1820的ROM命令 LCALL WRIT1820 MOV R6,#1AH ;延时104us DJNZ R6,$ MOV A,#0BEH ;读1820内部RAM中9个字节的内容 LCALL WRIT1820 MOV R6,#1AH DJNZ R6,$ MOV R5,#09H MOV R0,#ZJ9 MOV B,#00H READ1:LCALL READ1820 MOV R0,A INC R0READ2:LCA

24、LL CRC8 ;校验读到的八位数 DJNZ R5,READ1 MOV A,B JNZ READOUT MOV A,ZJ9+0 MOV TEMPL,A MOV A,ZJ9+1 MOV TEMPH,AREADOUT:RETRST1820:SETB WDCGQ NOP NOP CLR WDCGQ MOV R6,#50H ;延时480us(640us) DJNZ R6,$ MOV R6,#50H DJNZ R6,$ SETB WDCGQ MOV R6,#12H ;延时70us(75us) DJNZ R6,$ MOV R6,#1EH ;在250us内读复位信号 LOOP:MOV C,WDCGQ JC

25、RSTOUT DJNZ R6,LOOP MOV R6,#032H DJNZ R6,$ SJMP RST1820 RET RSTOUT:SETB WDCGQ RETWRIT1820:MOV R4,#08H SETB WDCGQ NOP ;NOP LOOP1:CLR WDCGQ MOV R6,#03H ;延时15us DJNZ R6,$ ;NOP RRC A MOV WDCGQ,C MOV R6,#1AH ;延时104us DJNZ R6,$ SETB WDCGQ DJNZ R4,LOOP1 RETREAD1820:MOV R4,#08H SETB WDCGQ NOP ;NOP LOOP2:CLR

26、 WDCGQ ;NOP ;NOP NOP SETB WDCGQ MOV R6,#03H ;延时15us DJNZ R6,$ ;NOP MOV C,WDCGQ MOV R6,#1EH ;延时120us DJNZ R6,$ RRC A SETB WDCGQ DJNZ R4,LOOP2 MOV R6,#1EH ;延时120us DJNZ R6,$ RET CRC8:PUSH ACC MOV R4,#08H LOP1:XRL A,B RRC A MOV A,B JNC LOP2 XRL A,#18H LOP2:RRC A MOV B,A POP ACC RR A PUSH ACC DJNZ R4,LO

27、P1 POP ACC RET ML:LCALL RST1820 ;给1820复位 MOV A,#0CCH ;给1820发跳过1820的ROM命令 LCALL WRIT1820 MOV R6,#1AH ;延时104us DJNZ R6,$ MOV A,#44H ;给1820的RAM发转换指令 LCALL WRIT1820 MOV R6,#1AH ;延时104us DJNZ R6,$ RET BCDLC:MOV A,TEMPH ANL A,#80H JZ LP1 ;为正数转LP1 CLR C ;为负数时,将补码转换成原码 MOV A,TEMPL CPL A ADD A,#01H MOV TEMPL

28、,A MOV A,TEMPH CPL A ADDC A,#00H MOV TEMPH,A MOV TEMPHC,#0BH ;符号位为负的标志为0BH SJMP LP2 LP1:MOV TEMPHC,#0AH ;符号位为正的标志为0AH LP2:MOV A,TEMPHC SWAP A MOV TEMPHC,A MOV A,TEMPL ANL A,#0FH ;乘0.0625 MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR MOV TEMPLC,A ;小数部分的BCD码 MOV A,TEMPL ANL A,#0F0H SWAP A MOV TEMPL,A MOV A,TEMPH ANL A

29、,#0FH SWAP A ORL A,TEMPL LCALL HEXBCD MOV TEMPL,A ANL A,#0F0H SWAP A ORL A,TEMPHC MOV TEMPHC,A MOV A,TEMPL ANL A,#0FH SWAP A ORL A,TEMPLC MOV TEMPLC,A MOV A,R4 JZ TEMPOUT ANL A,#0FH SWAP A MOV R4,A MOV A,TEMPHC ANL A,#0FH ORL A,R4 MOV TEMPHC,ATEMPOUT:RET TAB1:DB 00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,0

30、6H DB 06H,07H,08H,08H,09H,09H HEXBCD:MOV B,#64H DIV AB MOV R4,A MOV A,#0AH XCH A,B DIV AB SWAP A ORL A,B RET DIP:MOV A,TEMPHC ANL A,#0F0H SWAP A MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P2.0 MOV R6,#0FFH DJNZ R6,$ SETB P2.0 MOV A,TEMPHC ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P2.1 MOV R6,#0FFH DJNZ R6

31、,$ SETB P2.1 MOV A,TEMPLC ANL A,#0F0H SWAP A MOVC A,A+DPTR CLR ACC.7 MOV P1,A CLR P2.2 MOV R6,#0FFH DJNZ R6,$ SETB P2.2 MOV A,TEMPLC ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CLR P2.3 MOV R6,#0FFH DJNZ R6,$ SETB P2.3 RET TAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H DB 80H,90H,0FFH,0BFH,83H,0C6H,0A1H,86H,84H

32、END4 系统的调试系统的调试包括硬件调试和软件调试。硬件调试的任务是排除系统的硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性故障。软件调试是利用开发工具进行在线仿真调试，除发现和解决程序错误外，也可以发现硬件故障。4.1 硬件静态的测试4.1.1排除逻辑故障这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线。开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。4.1.2

33、排除元器件失效 造成这一类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已经坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。4.1.3排除电源故障在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查Vcc与GND之间电位，若在5v4.8v之间属正常，若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。4.2软件调试 软件调试的主要任务是排除错误，软件错误大致分为两类：4.2.1 逻辑错误 逻辑错误主要是语法错误，这些错误有显性和隐性的。显性比较容易发现通过仿真开发系统一般都能发现并加以改正。隐性错误不容易发现，必须排查。4.2.2 功能错误 功能错误主要是指在没有语法错误的基础上，由于设计思想或计算错误的原因导致不能实现软件功能的一类错误，仿真开发一般不能直接发现这类错误，必须借助于开发系统的寄存器数据和RAM数据的查看/设置及断点运行等功能。通过入口和出口的比较