基于51单片机的电子温度计设计硬件部分

1、专业课程设计报告题目：基于51单片机的电子温度计设计-硬件部分所在学院 电气工程学院 专业班级 学生姓名 指导教师 提交日期 2013年12月 22日 电气工程学院专业课程设计评阅表学生姓名 学生学号 同组队员 专业班级 题目名称 基于51单片机的电子温度计设计-硬件部分 一、学生自我总结 此次课程设计令我有效地复习了单片机的知识，但毕竟离上一次接触单片机有一段时间了，所以在设计过程中遇到遗忘和不懂的地方也挺多的。为了能顺利完成设计，在重新看书翻阅资料里也花了挺多时间，一定程度上拖慢了设计进度。不过在老师和同学们的帮助下，设计还算顺利完成。当然我必须从中吸取到教训，提前主动复习好相关科目知识，

2、避免在接下来的毕业设计中出现同样的情况。 学生签名： 年 月 日二、指导教师评定评分项目平时成绩报告（答辩）综合成绩权 重5050单项成绩 教师签名： 年 月 日一、设计目的1二、设计要求和设计指标12.1、系统功能要求1采用AT89C2051单机，设计一个电子温度计硬件部分。12.2设计指标1三、设计内容23.1总体电路结构框图23.2 硬件选用23.2.1主控制器33.2.2总线驱动器 74LS24443.2.3显示电路 4三极管85505温度传感器5四、本次设计改进建议10五、总结11六、 主要参考文献11一、设计目的在日常生活及工农业生产中，经常要用到温度的检测及控制，正如在大冬天里大

3、家都想洗个痛快的热水澡，喝壶热茶。这时候我们就很需要对水温有个了解了，从而对加热情况惊醒控制。为了熟悉单片机课程，巩固所学知识与加强理论与实际联系，决定设计出一款基于单片机的电子温度计。而传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持。其缺点如下： 硬件电路复杂； 软件调试复杂； 制作成本高。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，就可以满足设计要求。本电子温度计设计采用美国DALLAS半导

4、体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55125，最高分辨率可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的热点。 二、设计要求和设计指标2.1、系统功能要求采用AT89C2051单机，设计一个电子温度计硬件部分。2.2设计指标1. 实时显示所测量温度，温度范围0-99摄氏度；2. 用数码管显示。三、设计内容3.1总体电路结构框图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。数字温度计总体电路结构框图如3.1图所示：AT89C20

5、51主控制器DS18B20显示电路扫描驱动 图3.13.2 硬件选用温度计电路设计原理图如下图3.2所示，控制器使用单片机AT89C2051，温度传感器使用DS18B20，使用四位共阳LED数码管以动态扫描法实现温度显示。 图3.2 电子温度计电路图3.2.1主控制器 单片机AT89C2051具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好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。系统可用两节电池供电。AT89C2051的引脚图如下图3.3所示： 图3.3 AT89C2051引脚图1、VCC：电源电压。2、GND：地。 3、P1口：P1口是一个8位双向I/O口。口引脚P1.2P1.7提

6、供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ANI0)和反相输入(AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收 20mA电流并能直接驱动LED显示。当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。 4、P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻 的七个双向I/O口引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可

7、吸收20mA电流。当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。 P3 口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 P3 口还用于实现AT89C2051 的一些特殊功能，这些特殊功能定义如下： 口线 特殊功能 P3.0 RXD(串行口输入端) P3.1 TXD(串行口输出端) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(定时器0外部输入) P3.5 T1(定时器1外部输入)5、RST：复位输入。RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给

8、出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。 6、XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。 7、XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。 总线驱动器 74LS24474LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。引脚图见上图。3.2.3显示电路 显示电路采用4位共阳极LED数码管，从P1口输出段码，列扫描用P3.0P3.3口来实现，列驱动用8055三极管。三极管8550是一种常用的普通三极管。 它是一种低电压，大电流，小信号的PNP型硅三极管集电极-基极电压Vcbo：-40V工作温度：-55 to +150温度传感器 DS18B2

9、0DS18B20采用脚PR35封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图4-1所示。C64 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 I/O图4-1 DS18B20内部结构 图4-1DS18B20内部结构框图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

10、结构为字节的存储器，结构如图4-2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。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC图4-2 DS18B20字节定义由表4-1可见，DS18B20温度转换的时间比

11、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

12、4-2是一部分温度值对应的二进制温度数据。表4-1 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TTL，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 的测温原理如图52 所示. 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生的信号作为减法计数器1；高

13、温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显变，所以产生的信号作为减法计数器2 的脉冲输入。图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20 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，减法计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。图5-2 DS18B20 测温原理图减法计数器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的预置值将重新被装入，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

14、行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。图中的斜 率累加器用于温度补偿和修正测温过程中的非线形性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。 表4-2一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00

15、100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H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。图4-3 DS18B20与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一

16、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4-3 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。DS18B20的性能特点：1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。 2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要

17、一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 3、 DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 5、温范围55+125，在-10+85时精度为±0.5。 6、可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。 7、在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。8、测量结果直接输出数字温度信号

18、，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。DS18B20与单片机的接口电路（引脚图见右图）DS18B20可以采用电源供电方式，此时DS18B20的第1 脚接地，第2脚作为信号线，第3脚接电源。四、本次设计改进建议 由于本次设计指标要求测量温度范围为0-99摄氏度，而市面上传感器及本次所选用的温度传感器测量温度范围-55-125摄氏度，这表明在指标范围外的一定温度范围也是传感器所能测试温度。为此，对本次设计提出两点改进意见。1. 在本次设计对应的软件部分要加以注意，即在编程时要注意温度显示范围，对指标要求外的温度范围应考虑排除，不予显示。2. 改进设计硬件部分，考虑在加装温度上限报警器，从而加强设计的安全性能，提高稳定性与保障使用者安全。五、总结通过这次课程设计，加强了自己动手、思考和解决问题的能力。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我知道做课程设计同时也是对课本知识的巩固，并且对于传感器与单片机在电路中的使用有了更多