1、摘 要 - I - 基于单片机的数字温度计设计 在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检 测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。 传统的测温元件有热电偶和二电阻。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，这些方法相对比较复杂，需要比较多的外部硬件支持。我们用一种相对比较简单的方式来测量。 我们采用美国 DALLAS 半导体公司继 DS18B20 之后推出的一种改进型智能温度传感器 DS18B20作为检测元件，温度范围为 -55125 C,最高分辨率可达 0.0625 C。 DS18B20可以直接 读出北侧温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外
2、部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 本文介绍一种基于 AT89C52 单片机的一种温度测量及报警电路 ,该电路采用DS18B20作为温度监测元件，测量范围 0 - +100，使用 LED模块显示，能设置温度报警上下限。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了集成温度传感器 DS18B20的原理， AT89C52单片机功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、结构简单。 关键 词：温度测量 DS18B20 AT89C52 ABSTRACT - II - Design of Digital Thermomer Based on SCM In daily life and industrial
3、 production process, often used in the detection and control of temperature, temperature is the production process and scientific experiments in general and one of the important physical parameter. Traditional thermocouple and temperature components are the second resistor. The thermocouple and ther
4、mal resistance are generally measured voltage, and then replaced by the corresponding temperature, these methods are relatively complex, requiring a relatively large number of external hardware support. We use a relatively simple way to measure. We use the United States following DALLAS Semiconducto
5、r DS1820 improved after the introduction of a smart temperature sensor DS18B20 as the detection element, a temperature range of -55 C 125 C, up to a maximum resolution of 0.0625 C. DS18B20 can be directly read out the temperature on the north side, and three-wire system with single-chip connected to
6、 a decrease of the external hardware circuit, with low-cost and easy use. The introduction of a cost-based AT89C52 MCU a temperature measurement circuits, the circuits used DS18B20 high-precision temperature sensor, measuring scope 0 C +100 C, can set the warning limitation, the use of seven segment
7、s LED that can be display the current temperature. The paper focuses on providing a software and hardware system components circuit, introduced the theory of DS18B20, the functions and applications of AT89C52 .This circuit design innovative, powerful, can be expansionary strong. Keywords： Temperatur
8、e measurement DS18B20 AT89C52 摘 要 - II - 目 录 第 1章 引言 . 1 1.1课题背景及研究意义 . 1 1.2课 题的设计目的 . 1 1.3课题设计主要工作 . 2 1.4本文研究内容 . 2 第 2章 开发工具 Proteus 与 Keil . 3 2.1 Proteus软件 简介 . 3 2.2 Keil软件简介 . 3 第 3章 系统概述 . 5 3.1设计方案 . 5 3.2系统设计原理 . 5 3.3系统组成 . 6 3.4 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路 . 7 第 4章 系统硬件设计 . 8 4.1 89C52单片机的介绍
9、 . 8 4.1.1 89C52单片机主要特性 . 9 4.1.2 89C52单片机管脚图 . 10 4.2液晶模块简介 . 13 4.3 DS18B20介绍 . 16 4.3.1温度传感器工作原理 . 17 4.3.2 DS18B20相关介绍 . 19 第 5章 系统软件设计 . 21 5.1主程序设计 . 21 5.2 DS18B20初始化 . 22 5.3仿真结果 . 23 结论 . 26 致谢 . 27 参考文献 . 28 附录 A 系统整体电路 . 29 附录 B 全部程序清单 . 30 ABSTRACT - 3 - 第 1 章 引言 1.1 课题背景及研究意义 随着新技术的不断开发
10、与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、 冶金、化工、建材、机械、食品、石油 等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。 温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的 测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。 本设计使
11、用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。 1.2 课题设计目的 1. 巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。 2. 培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。 3. 通过对课题设计方案的分析、选择、比较、 熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤电子科技大学成都学院课程设计 - 2 - 1.3 课题设计主要工作 本课题的研究重点是设计一种基于单
12、片机的数字温度计控制系统。利用数字温度传感器 DS18B20，此传感器课读取被测量温度值，进行转换。 主要工作如下： 1. 温度测试基本范围 0 100。 2. 精度误差小于 1。 3. LED液晶显示。 4. 可以设定温度的上下限报警功能。 5. 实现报警提示。 1.4 本文研究内容 数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系， 如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即 A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机
13、或者 PC 机等，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如 25.0 摄氏度，然后通过显示单元，如 LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。这样就完成了数字温度计的基本测温功能。 本文是基于 AT89C52 单片机，采用数字温度传感器 DS18B20，利用 DS18B20不需要 A/D转换，课直接进行温度采集显示，报警的数字温度计设计。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，单片机主板电路等组成。 第 2章 开发工具 Proteus与 Keil - 3 - 第 2 章 开发工具 Proteus 与 Keil 2.1 Pro
14、teus 软件简介 Proteus软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。在编译方面，它也支持 IAR、 Keil和 MPLAB等多种编译器。 该软件的特点是： 1. 实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、各种单片机 (51 系列、 AVR、 PIG等常用的 MCU)及其外围电路 (如 LCD、RAM、 ROM、键盘、 LED、 A/D、 D/A) 组成
15、的系统仿真。 2. 提供了多种虚拟仪器。如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，调试非常方便。 3. 提供软件调试功能，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如 Keil等软件。 4. 具有强大的原理图绘制功能。 Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机 CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它 电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变 ,而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用阉脱节的矛盾和现象。 2.2 Keil 软件简介 K
16、eil C51是美国 Keil Software 公司出品的 51系列兼容单片机 C语言软件开发系统，与汇编相比， C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用 C来开发，体会更加深刻。 Keil C51软件提供丰富的 库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。电子科技大学成都学院课程设计 - 4 - 另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 Keil C51软件是一个基于 32位 W
17、indows环境的应用程序，支持 C 语言和汇编语言编程，其 6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为 Vision( 通常称为 V2) 。 Keil提供包括 C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几 部分组成： Vision IDE 集成开发环境 C51编译器、 A51汇编器、 LIB51库管理器、BL51 连接 /定位器、 OH51 目标文件生成器以及 Monitor-51、 RTX51 实时操作系统。 第 3 章 系统概述 - 5 - 第 3 章 系统概述 3.1 设计方案 采用数字温度芯片 DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。便于单
18、片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在 0 100 摄氏度时，最大线形偏差小于 1 摄氏度。 DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输 ，由数字温度计 DS18B20和微控制器 AT89C52构成的温度测量装置 ,它直接输出温度的数字信号 ,可直接与计算机连接。这样 ,测温系统的结构就比较简单 ,体积也不大。采用 51 单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多 DS18B20控制工作，还可以与 PC 机通信上传数据，另
19、外 AT89C52 在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。 该系统利用 AT89C52芯片控制温度传感器 DS18B20进行实时温 度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片 DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并可以利用 AT24C16芯片作为存储器件，以此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过 MAX232芯片与计算机的 RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。 3.2 系统设计原理 利用温度传感器 D
20、S18B20可以直接读取被测温度值，进行转换的特性，模拟温度值经过 DS18B20处理后转换 为数字值，然后送到单片机中进行数据处理，并与设置的温度报警限比较，超过限度后通过扬声器报警。同时处理后的数据送到LED中显示。 电子科技大学成都学院课程设计 - 6 - 3.3 系统组成 本课题以是 89C52单片机为核心设计的一种数字温度控制系统，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，单片机主板电路等组成。 系统框图主要由主控制器、单片机复位、报警按键设置、时钟振荡、 LED显示、温度传感器组成。 系统框图如图 3-1所示。 主控制器LED显示温度传感器单 片
21、机 复 位报 警 按 键 设 置时 钟 振 荡图 3-1 系统基本方框 图 1. 主控制器 单片机 AT89C52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。 2. 显示电路 显示电路采用 LED液晶显示数码管，从 P3口 RXD,TXD串口输出段码。显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用 p3口的 RXD,和 TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用 74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。 3. 温度传感器 第 3章 系统概述 - 7 - 温度传感器采用美国 DALLA
22、S半导体公司生产的 DS18B20温度传感器。 DS18B20输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，在 0 100 摄氏度时，最大线形偏差小于 1 摄氏度，采用单总线的数据传输，可直接与计算机连接。 用 AT89C52芯片控制温度传感器 DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的 RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。 3.4 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路 DS18B20可以采用两种方式供电，一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 3-2 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。 图 3-2 DS18B20与单片机的接口电路
