基于單片機的數字溫度計畢業(yè)論文

1、<p>　　基于單片機的數字溫度計設計</p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學 號：01</b></p><p>　　專 業(yè)：電器自動化</p><p><b>　　指導教師： </b></p>

2、<p>　　完成時間：2012.3.19</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文提出了基于MCS-51系列單片機的數字溫度計的制作電路和編程思想。該數字溫度計以宏晶公司的STC89C52 單片機為主控，配以達拉斯公司的DS18B20數字溫度傳感器，采用1602雙行英文字符液晶作顯示。實現(xiàn)了對溫度的測量，顯示，和報警等功能。<

3、/p><p>　　關鍵詞： STC89C52單片機；數字傳感器DS18B20；顯示器LCD；</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　1 緒論

4、2</b></p><p>　　1.1 選題的背景2</p><p>　　1.2 數字溫度計簡介2</p><p>　　1.2.1 數字溫度計的特征2</p><p>　　1.2.2 設計實現(xiàn)的目標3</p><p>　　2 數字溫度計的方案設計4</p><p>　　2.

5、1 設計方案論證與比較4</p><p>　　2.1.1 顯示電路方案4</p><p>　　2.1.2 測溫電路方案4</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體方案4</p><p>　　3 數字溫度計的硬件電路設計5</p><p>　　3.1 控制電路5</p><p>　　3.1

6、.1 MCU簡介5</p><p>　　3.2.2 最小系統(tǒng)模塊6</p><p>　　3.3 溫度傳感器設計7</p><p>　　3.3.1 DS18B20簡介7</p><p>　　3.3.2 溫度傳感器與單片機的連接9</p><p>　　3.3.3 復位信號及外部復位電路10</p>

7、<p>　　3.4 單片機與報警電路10</p><p>　　3.5 顯示電路10</p><p><b>　　4 軟件設計12</b></p><p>　　4.1 DS18b20的讀操作12</p><p>　　4.2 DS18b20的溫度數據處理13</p><p>　　

8、4.3 1602顯示部分14</p><p><b>　　5 數據測試16</b></p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p>　　附錄1 程序源代碼19</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><

9、;b>　　1.1 選題的背景</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)．能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)應用于諸多領域。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻的成本低，但需后續(xù)信號處理電路，而且可靠性相對較差，測溫準確度低，檢測系統(tǒng)也有一定的誤差。與傳統(tǒng)的溫度計相比，這里設計的數字溫度計具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫精確，數字顯示，適用范圍寬等特點

10、。選用STC89C52單片機作為主控制器件，DSl8B20作為測溫傳感器通過LCD1602并行傳送數據，實現(xiàn)溫度顯示。通過DSl8B20直接讀取被測溫度值，進行數據轉換，該器件的物理化學性能穩(wěn)定，線性度較好，在-55℃~125℃最大線性偏差小于0.1℃。該器件可直接向單片機傳輸數字信號，便于單片機處理及控制。另外，該溫度計還能直接采用測溫器件測量溫度，從而簡化數據傳輸與處理過程。</p><p>　　1.2 數字

11、溫度計簡介</p><p>　　1.2.1 數字溫度計的特征</p><p>　　溫度是我們日常生產和生活中實時在接觸到的物理量，但是它是看不到的，僅憑感覺只能感覺到大概的溫度值，傳統(tǒng)的指針式的溫度計雖然能指示溫度，但是精度低，使用不夠方便，顯示不夠直觀，數字溫度計的出現(xiàn)可以讓人們直觀的了解自己想知道的溫度到底是多少度。</p><p>　　數字溫度計采用進口芯片組

12、裝精度高、高穩(wěn)定性，誤差≤0.5%， 內電源、微功耗、不銹鋼外殼，防護堅固，美觀精致。數字溫度計采用進口高精度、低溫漂、超低功耗集成電路和寬溫型液晶顯示器，內置高能量電池連續(xù)工作≥5年無需敷設供電電纜，是一種精度高、穩(wěn)定性好、適用性極強的新型現(xiàn)場溫度顯示儀。是傳統(tǒng)現(xiàn)場指針雙金屬溫度計的理想替代產品，廣泛應用于各類工礦企業(yè)，大專院校，科研院所。</p><p>　　數字溫度計采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電

13、阻，熱電偶，半導體，熱敏電阻等），將溫度的變化轉換成電信號的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號的變化有一定的關系，如線性關系，一定的曲線關系等，這個電信號可以使用模數轉換的電路即AD轉換電路將模擬信號轉換為數字信號，數字信號再送給處理單元，如單片機或者PC機等，處理單元經過內部的軟件計算將這個數字信號和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數值，如25.0攝氏度，然后通過顯示單元，如LED,LCD或者電腦屏幕等顯示出來給人觀察。這

14、樣就完成了數字溫度計的基本測溫功能。數字溫度計根據使用的傳感器的不同，AD轉換電路，及處理單元的不同，它的精度，穩(wěn)定性，測溫范圍等都有區(qū)別，這就要根據實際情況選擇符合規(guī)格的數字溫度計。</p><p>　　1.2.2 設計實現(xiàn)的目標</p><p>　　測溫基本范圍-55℃~125℃。</p><p>　　測溫精度誤差小于或等于0.5℃。</p>&

15、lt;p><b>　　超溫報警。</b></p><p>　　LCD屏幕顯示實時溫度。</p><p>　　2 數字溫度計的方案設計</p><p>　　2.1 設計方案論證與比較</p><p>　　2.1.1 顯示電路方案</p><p>　　方案一：采用數碼管動態(tài)顯示</p>

16、;<p>　　使用七段LED數碼管，采用動態(tài)顯示的方法來顯示各項指標，此方法雖然價格成本低，但是顯示單一，且功耗較大。</p><p>　　方案二：采用LCD液晶顯示</p><p>　　采用1602 LCD液晶顯示，此方案顯示內容相對豐富，且價格不高。</p><p>　　綜合上述原因，采用方案二，使用LCD液晶作顯示電路。</p>&

17、lt;p>　　2.1.2 測溫電路方案</p><p>　　方案一：采用模擬溫度傳感器測溫</p><p>　　由于本設計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行A/D轉換后，就可以用單片機進行數據的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設計需要用到A/D轉換電路，感溫電路比較麻煩。</p><

18、p>　　方案二：采用數字溫度傳感器</p><p>　　進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉換，就可以滿足設計要求。</p><p>　　綜合考慮，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設計也比較簡單，故采用了方案二。</p>

19、<p>　　2.2 系統(tǒng)總體方案</p><p>　　根據上述方案比較，結合題目要可以將系統(tǒng)分為主控模塊，顯示模塊，溫度采集模塊和報警模塊，其框圖如下：</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)總體設計框圖</p><p>　　3 數字溫度計的硬件電路設計</p><p><b>　　3.1 控制電路</b><

20、;/p><p>　　3.1.1 MCU簡介</p><p>　　CPU是整個控制部分的核心。在考慮經濟性和滿足需求的前提下，本系統(tǒng)選用宏晶公司生產的8位STC89C52單片機作為整個系統(tǒng)的控制中心。</p><p>　　STC89C52是宏晶公司生產的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用宏晶公司的高密度

21、、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳，它集Flash存儲器既可在線編輯（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編輯及通用8位微處理器于單片芯片中，功能強大STC89C52單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。器管腳圖如圖3-2：</p><p>　　圖3-1 STC89C52管腳圖</p><p>　　在本系統(tǒng)中，STC89C52單片機內部的功能單元已經能夠滿足系統(tǒng)設計需要，不需

22、要系統(tǒng)擴展。</p><p>　　STC89C52具有以下的特點:</p><p>　　● 8031 CPU與MCS-51 兼容</p><p>　　● 壽命：1000寫/擦循環(huán)</p><p>　　● 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器</p><p>　　● 全靜態(tài)工作：0--24MHz</p><

23、p>　　● 三級程序存儲器保密鎖定</p><p>　　● 128*8位內部RAM</p><p>　　● 32條可編程I/O線</p><p>　　● 兩個16位定時器/計數器</p><p><b>　　● 6個中斷源</b></p><p><b>　　● 可編程串行通道&l

24、t;/b></p><p>　　● 低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　● 片內振蕩器和時鐘</p><p>　　除此之外，STC89C52RC單片機還具有看門狗內部外設。在工業(yè)控制/汽車電子/航空航天等需要高可靠性的系統(tǒng)中,為了防止“系統(tǒng)在異常情況下，受到干擾，MCU/CPU程序跑飛，導致系統(tǒng)長時間異常工作” ,通常是引進看門狗,如果MCU/CPU

25、不在規(guī)定的時間內按要求訪問看門狗,就認為MCU/CPU處于異常狀態(tài),看門狗就會強迫MCU/CPU復位,使系統(tǒng)重新從頭開始按規(guī)律執(zhí)行用戶程序。系統(tǒng)中單片機STC89C52RC中自帶看門狗電路。其寄存器設置相關信息如下：</p><p>　　表3-1 STC89C52看門狗寄存器</p><p>　　STC89C52單片機看門狗復位時間是可以自行選擇和設置的，其設置方法是：</p>

26、;<p>　　表3-2 看門狗定時器預分頻值</p><p>　　3.2.2 最小系統(tǒng)模塊</p><p>　　本次設計中，選用宏晶公司的51系列單片機STC89C52芯片作為電子密碼電源開關的數據處理及操作控制芯片。只有單片機芯片無法完成數據處理及控制功能，必須有附加的電路，使單片機芯片組成一個可運行的系統(tǒng)才能實現(xiàn)其功能。本次設計中，由STC89C52芯片連同附加電路構成

27、的單片機最小系統(tǒng)作為數據處理及控制模塊，其中，使用P0口作為1602液晶的數據傳輸口，P2口作1602的命令數據控制、時鐘、讀寫控制、和使能控制接口，P3口作按鍵掃描接口，P1.4作DS18B20的總線接口。P1.3作報警控制接口。其電路連接圖3-3如下：</p><p>　　圖3-2 數據處理及控制模塊</p><p>　　3.3 溫度傳感器設計</p><p>

28、　　3.3.1 DS18B20簡介</p><p>　　DS18B20可以程序設定9~12位的分辨率，精度為±0.5°C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EPROM中，掉電后依然保存。</p><p>　　溫度傳感器DS18B20引腳如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-3 DS18B20TO

29、－92封裝溫度傳感器</p><p><b>　　引腳功能說明：</b></p><p>　　VDD ：可選電源腳，電源電壓范圍3~5.5V。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。</p><p>　　DQ ：數據輸入/輸出腳。漏極開路，常態(tài)下高電平。</p><p><b>　　GND ：為電源地</b&

30、gt;</p><p>　　圖3-4 DS18B20內部結構圖</p><p>　　DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。</p><p>　　光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產品類型標

31、號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 </p><p>　　DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。 <

32、/p><p>　　這是12位轉化后得到的12位數據，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。 例如+125℃的數字輸出為07D0H，+25.0625℃的數字輸出為0191H，-25.0625℃的數字輸出為FF6FH，-55

33、℃的數字輸出為FC90H。 </p><p>　　DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結構寄存器。 </p><p>　　暫存存儲器包含了8個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內容是溫度的低八位，第二個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個字節(jié)

34、是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內容在每一次上電復位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內部計算。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。 </p><p>　　該字節(jié)各位的意義如下：</p><p>　　TM R1 R0 1 1 1 1 1</p><p>　　低五位一直都是1 ，TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設

35、置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設置分辨率，如表1所示：（DS18B20出廠時被設置為12位）</p><p>　　表3-3 DS18B20溫度轉換時間表</p><p>　　根據DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定

36、的操作。復位要求主CPU將數據線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。</p><p>　　3.3.2 溫度傳感器與單片機的連接</p><p>　　溫度傳感器的單總線(1-Wire)與單片機的P2．0連接，P2．0是單片機的高位地址線A8。P2端口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I／O，

37、其輸出緩沖級可驅動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對該端口寫“1”，可通過內部上拉電阻將其端口拉至高電平，此時可作為輸入口使用，這是因為內部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器時。如執(zhí)行MOVX DPTR指令，則表示P2端口送出高8位的地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器時，可執(zhí)行MOVX RI指令，P2端口內容即為特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中R2寄存器內容，

38、整個訪問期間不改變。在Flash編程和程序校驗時，P2端口也接收高位地址和其他控制信號。圖3-5為DSl8820內部結構。圖3-6為DSl8820與單片機的接口電路。</p><p>　　圖3-5 DS18B20和單片機的接口連接</p><p>　　3.3.3 復位信號及外部復位電路</p><p>　　單片機的P1.6端口是MAX813看門狗電路中喂狗信號的輸

39、入端，即單片機每執(zhí)行一次程序就設置一次喂狗信號，清零看門狗器件。若程序出現(xiàn)異常，單片機引腳RST將出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平，使其復位。該復位信號高電平有效，其有效時間應持續(xù)24個振蕩脈沖周期即兩個機器周期以上。若使用頻率為12 MHz的晶體振蕩器，則復位信號持續(xù)時間應超過2μs才完成復位操作。</p><p>　　圖3-6 復位電路</p><p>　　3.4 單片機與報警電路<

40、;/p><p>　　系統(tǒng)中的報警電路是由發(fā)光二極管和限流電阻組成，并與單片機的P1.2端口連接。P1端口的作用和接法與P2端口相同，不同的是在Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址數據。</p><p><b>　　3.5 顯示電路</b></p><p>　　采用技術成熟的74HCl64實現(xiàn)串并轉換。LCD顯示分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。這

41、里采用靜態(tài)顯示，系統(tǒng)通過單片機的串行口來實現(xiàn)靜態(tài)顯示。串行口為方式零狀態(tài)，即工作在移位寄存器方式，波特率為振蕩頻率的1/12。當器件執(zhí)行任何一條將SBUF作為目的寄存器的命令時，數據便開始從RXD端發(fā)送。在寫信號有效時，相隔一個機器周期后發(fā)送控制端SEND有效，即允許RXD發(fā)送數據，同時允許從TXD端輸出移位脈沖。圖3-7為顯示電路的連接圖。</p><p>　　圖3-7 顯示電路的連接圖</p>

42、<p><b>　　4 軟件設計</b></p><p>　　4.1 DS18b20的讀操作</p><p>　　DSl8B20的主要數據元件有：64位激光Lasered ROM，溫度靈敏元件和非易失性溫度告警觸發(fā)器TH和TL。DSl8B20可以從單總線獲取電源，當信號線為高電平時，將能量貯存在內部電容器中；當單信號線為低電平時，將該電源斷開，直到信號線變

43、為高電平重新接上寄生(電容)電源為止。此外，還可外接5 V電源，給DSl8B20供電。DSl8B20的供電方式靈活，利用外接電源還可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。DS18B20讀寫時序如圖4-1~4-3：</p><p>　　圖4-1 DS18B20的復位時序圖</p><p>　　圖4-2 DS18B20的寫數據時序圖</p><p>　　圖4-3 DS18B2

44、0的讀數據時序圖</p><p>　　由時序圖可知，DS18B20在復位時需要480us的低電平，等待15us后MCU將總線拉高，等待DS18B20的響應信號；DS18B20在寫數據時分為寫“0”和寫“1”操作，寫“0”操作時，DS18B20需要至少60us的總線被拉低，然后在60us內將“0”寫入DS18B20中，持續(xù)時間至少1us，寫“1”操作是只需將寫入的“0”改為“1”即可；DS18B20讀操作也分為讀“

45、0”和讀“1”操作，讀“0”操作時，總線需要15us被拉低，再拉高45us，然后再15us內將數據讀走，讀“1”操作同讀“0”操作。程序流程圖如圖4-4：</p><p>　　圖4-4 DS18B20讀取溫度的流程圖</p><p>　　4.2 DS18b20的溫度數據處理</p><p>　　讀出溫度數據后，LOW的低四位為溫度的小數部分，可以精確到0.0625

46、℃，LOW的高四位和HIGH的低四位為溫度的整數部分，HIGH的高四位全部為1表示負數，全為0表示正數。所以先將數據提取出來，分為三個部分：小數部分、整數部分和符號部分。小數部分進行四舍五入處理：大于0.5℃的話，向個位進1；小于0.5℃的時候，舍去不要。當數據是個負數的時候，顯示之前要進行數據轉換，將其整數部分取反加一。還因為DS18B20最低溫度只能為-55℃，所以可以將整數部分的最高位換成一個“-”，表示為負數。圖4-2為溫度數據

47、處理程序的流程圖。</p><p>　　圖4-5 溫度數據處理流程圖</p><p>　　4.3 1602顯示部分</p><p>　　1602的讀寫時序圖如下：</p><p>　　圖4-6 1602液晶的讀時序圖</p><p>　　圖4-7 1602的寫時序圖</p><p>　　根

48、據以上時序圖可以得出讀寫程序流程圖如下：</p><p><b>　　5 數據測試</b></p><p>　　用手觸屏溫度傳感器，可以發(fā)現(xiàn)溫度大概顯示為32度左右。將溫度傳感器與塑料袋裝的冰水混合物接觸，觀察液晶顯示的溫度是否為零度。</p><p><b>　　6 結語</b></p><p>

49、　　本文重點介紹了單片機和數字傳感器DS18B20的原理和功能，并用DS18B20與STC89C52單片機、LCD1602組成數字溫度計，有超溫報警功能。</p><p>　　在本次設計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，雖然以前還做過這樣的設計但這次設計真的讓我長進了很多，單片機課程設計重點就在于軟件算法的設計，需要有很巧妙的程序算法，雖然以前寫過幾次程序，但我覺的寫好一個程序并不是一件簡單的事，舉個例子，以前寫的那幾

50、次，數據加減時，我用的都是BCD碼，這一次，我全部用的都是16進制的數直接加減，顯示處理時在用除法去刪分,感覺效果比較好，有好多的東西，只有我們去試著做了，才能真正的掌握，只學習理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　【1】作著：姜濤</b></p><