简易数字温度计设计

关键词：STCC52、LCD1602、DS18B20

简易数字温度计设计

１系统设计

1.1设计任务

设计一数字温度测量系统，能自动实现实际温度的测量与显示。

1.2设计要求

1.2.1基本功能

（1）测温范围-30℃～+120℃。

（2）测量误差在±0.5℃之内。

（3）能正常显示测量的温度。

1.2.2扩展功能

（1）增加温控功能，并可修改设置温控的上下限。

（2）增加温控报警功能。

2系统方案论证

    本系统主要由主控模块、显示模块、按键模块、蜂鸣器模块、LED模块、传感器模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

2.1主控模块的论证与选择

    方案一：ATC52单片机是一种高性能8位单片微型计算机。内核本身具有丰富的指令集，足够实现本次作品的全部基本功能和部分拓展功能，相比Atmega16我们对ATC52更为熟悉，且芯片价格较低，性价比高。

    方案二：采用ATmega16芯片作为主控芯片。由于对芯片的不熟悉，导致如果想要实现温度计全部基本功能和部分拓展功能，较为困难。

综上所述，选择方案一。

2.2显示模块的论证与选择

    方案一：采用LCD1602显示。LCD1602相对便宜，虽然其本身不能显示中文，但是温度计只需显示数字和一些英文，符合这次设计要求。

    方案二：采用LCD128显示。LCD128屏幕显示细腻直观，且可以显示中文，但是相对昂贵。

    综上所述，选择方案一。

2.3按键模块的论证与选择

    方案一：采用4X4矩阵按键。尽管按键一目了然，但连线复杂，扫描过程烦琐，会耗费大量的系统资源。

    方案二：按键，我们只使用了两个按键来调节上限，大大节省了系统硬件资源，便于系统扩展。

    综上所述，选择方案二。

3系统理论分析与计算

3.1 DS18B20的理论分析与计算

DS18B20 通过编程，可以实现最高 12 位的温度存储值，在寄存器中，以补码的格式存储，如图1所示。

图1 DS18B20 温度数据格式

寄存器一共 2 个字节，LSB 是低字节，MSB 是高字节，其中 MSb 是字节的高位，LSb 是字节的低位。大家可以看出来，二进制数字，每一位代表的温度的含义，都表示出来了。其中 S表示的是符号位，低 11 位都是 2 的幂，用来表示最终的温度。DS18B20 的温度测量范围是从-55 度到+125 度，而温度数据的表现形式，有正负温度，寄存器中每个数字如同卡尺的刻度一样分布，如图 2所示。

图2 DS18B20 温度值

二进制数字最低位变化 1，代表温度变化 0.0625 度的映射关系。当 0 度的时候，那就是0x0000，当温度 125 度的时候，对应十六进制是 0x07D0，当温度是零下 55 度的时候，对应的数字是 0xFC90。反过来说，当数字是 0x0001 的时候，那温度就是 0.0625 度了。

4电路与程序设计

4.1电路的设计

4.1.1系统总体框图

系统总体框图如图3所示

图3 系统总体框图

4.1.2控制按键&LED电路

    按下S1能增加温度报警上限，按下S2能减少温度报警上限。测试温度低于上限时，绿灯LED1亮。当温度超过设定的上限时，红灯LED2亮。

图4 控制按键&LED

4.1.3蜂鸣器电路

    当测试温度超过设定温度时，蜂鸣器开启；当测试温度低于设定温度时，蜂鸣器关闭。蜂鸣器电流相对较大，因此需要用三极管驱动，并且加了一个 1K欧的电阻作为限流电阻。此外还加了一个 D1二极管，这个二极管叫做续流二极管。

图5 蜂鸣器电路

4.1.4显示电路

显示电路使用LCD1602,第一行显示”Temperature”第二行显示测试温度和温度上限，两者中间显示一个”＞”或”＜”。RP1为上拉排阻。

图6 显示电路

4.1.5传感器电路

图7 传感器电路

4.1.6总体电路

图8 整体电路

4.1.7电源

    使用5V直流电源。

4.2程序的设计

4.2.1程序功能描述

（1）能够测试-30℃～+120℃的温度。

（2）按下S1能增加温度报警上限，按下S2能减少温度报警上限。

（3）测试温度低于上限时，绿灯亮，蜂鸣器关闭。当温度超过设定的上限时，红灯亮且蜂鸣器响起。

4.2.2程序流程图

图9 程序流程图

5测试方案与测试数据

5.1测试方案

5.1.1软件仿真测试

用Proteus 7.5软件画出电路图，模拟硬件对程序进行调试。 

5.1.2硬件软件联调

将编写的单片机C语言程序下载到实际硬件中，进行硬件软件联调。

5.2 测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：数字示波器，数字万用表。

5.3 测试结果

系统上电运行后，LCD能正常显示测试温度且绿灯点亮，测试温度每秒更新。按下S1能使报警温度上限 +1，按下S2能使报警温度上限-1。当测试温度超过上限温度时，绿灯关闭，红灯点亮且蜂鸣器开启；当测试温度低于上限温度时，红灯关闭，绿灯点亮且蜂鸣器关闭。

6 总结

本系统以单片机STCC52芯片为核心部件，利用LCD1602、按键、蜂鸣器、DS18B20并配合C语言算法实现了简易数字温度计设计，完成此次设计题目中的全部基本功能和部分拓展功能。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。

在本次设计的过程中，遇到了许多突发事件和困难，设计制作曾一度止步不前，但通过仔细分析和调整后解决了一个又一个的问题。在整个过程中我们深刻的体会到团队精神的重要性，并提高了自己解决问题的能力。

附录 主要源程序

main程序:

#include

sbit KEY1 = P1^0;         // 上调报警温度

sbit KEY2 = P1^1;         // 下调报警温度

sbit LED1 = P1^2;         // 正常时绿灯亮

sbit LED2 = P1^3;         // 报警时红灯亮

sbit BUZZ = P1^6;

bit enBuzz = 0;                //蜂鸣器使能标志

bit flag1s = 0;              //1s定时标志

unsigned int warnT = 30;     //报警温度值

unsigned char T0RH = 0;     //T0重载值的高字节

unsigned char T0RL = 0;     //T0重载值的低字节

void ConfigTimer0(unsigned int ms);       

unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat);

extern bit Start18B20();

extern bit Get18B20Temp(int *temp);

extern void InitLcd1602();

extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str);

extern void LcdWriteCmd(unsigned char cmd);

void main()

{

    bit res;

    bit backup = 1;

    int temp;          //读取到的当前温度值

    int intT, decT;      //温度值的整数和小数部分

    unsigned char len,len1;

    unsigned char str[12],str1[12];

    EA = 1;            //开总中断

    P1 = 0XF3;

    ConfigTimer0(1);    //T0定时1ms

    Start18B20();       //启动DS18B20

    InitLcd1602();      //初始化液晶

    while (1)

    {

            if (flag1s)   //每秒更新一次温度

            {

                flag1s = 0;

                res = Get18B20Temp(&temp);  //读取当前温度

                if (res)                    //读取成功时，刷新当前温度显示

                {

intT = temp >> 4;  //分离出温度值整数部分

                    decT = temp & 0xF;            //分离出温度值小数部分

                    len = IntToString(str, intT);      //整数部分转换为字符串

                    len1 = IntToString(str1, warnT);  //报警温度转换为字符串

                    str[len++] = '.';                //添加小数点

                    decT = (decT*10) / 16;     //二进制的小数部分转换为1

//位十进制位

                    str[len++] = decT + '0';     //十进制小数位再转换为

//ASCII字符

                    str[len++] = 0xdf;         //添加字符串“℃”

                    str[len++] = 'C';

                    str[len++] = ' ';

                    str[len] = '\\0';             //添加字符串结束符

                    str1[len1++] = 0xdf;       //添加字符串“℃”

                    str1[len1++] = 'C';

                    str1[len1] = '\\0';           //添加字符串结束符

                 if (intT < warnT)            //超过报警温度时执行报警

                    {                        

                         enBuzz = 0;                    //关闭蜂鸣器

                         LcdWriteCmd(0x01);             //清屏

                         LcdShowStr(2, 0, "Temperature");    //显示第一行     

                         LcdShowStr(2, 1, str);         //显示实时温度

                     LcdShowStr(9, 1, "<");

                         LcdShowStr(11, 1, str1);       //显示报警温度                                          

                    }

                    else

                    {                

                         enBuzz = 1;                    //启动蜂鸣器发声  

                         LcdWriteCmd(0x01);             //清屏

                         LcdShowStr(4, 0, "Warning!");  //显示警告   

                         LcdShowStr(0, 1, "Temp:");     

                         LcdShowStr(5, 1, str);         //显示实时温度

                     LcdShowStr(11, 1, ">");

                         LcdShowStr(12, 1, str1);       //显示报警温度

                    }                                                     

                }

                else                        //读取失败时，提示错误信息

                {

                    LcdShowStr(4, 1, "error!");

                }

                Start18B20();               //重新启动下一次转换

            }

    }

}

/* 按键动作函数 */

void KeyAction ()

{

     if (KEY1 == 0)

     {

         KEY1 = 1;     

         warnT++;

     }

     else if (KEY2 == 0)

     {

         KEY2 = 1;

         warnT--;

     }

}

/* 整型数转换为字符串，str-字符串指针，dat-待转换数，返回值-字符串长度 */

unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat)

{

    signed char i = 0;

    unsigned char len = 0;

    unsigned char buf[6];

if (dat < 0) //如果为负数，首先取绝对值，并在指针上添加负号

    {

        dat = -dat;

        *str++ = '-';

        len++;

    }

    do {          //先转换为低位在前的十进制数组

        buf[i++] = dat % 10;

        dat /= 10;

} while (dat > 0);

    len += i;         //i最后的值就是有效字符的个数

while (i-- > 0) //将数组值转换为ASCII码反向拷贝到接收指针上

    {

        *str++ = buf[i] + '0';

    }

    *str = '\\0';  //添加字符串结束符

    return len;   //返回字符串长度

}

/* 配置并启动T0，ms-T0定时时间 */

void ConfigTimer0(unsigned int ms)

{

    unsigned long tmp;  //临时变量

    tmp = 11059200 / 12;      //定时器计数频率

    tmp = (tmp * ms) / 1000;  //计算所需的计数值

    tmp = 65536 - tmp;        //计算定时器重载值

    tmp = tmp + 28;           //补偿中断响应延时造成的误差

T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定时器重载值拆分为高低字节

    T0RL = (unsigned char)tmp;

    TMOD &= 0xF0;   //清零T0的控制位

    TMOD |= 0x01;   //配置T0为模式1

    TH0 = T0RH;     //加载T0重载值

    TL0 = T0RL;

    ET0 = 1;        //使能T0中断

    TR0 = 1;        //启动T0

}

/* T0中断服务函数，完成250ms, 1s定时 */

void InterruptTimer0() interrupt 1

{

    static unsigned int tmr1s = 0;

    static unsigned int tmrms = 0;

    TH0 = T0RH;         //重新加载重载值

    TL0 = T0RL;

    if (enBuzz)            //蜂鸣器发声处理

    {

        BUZZ = ~BUZZ;   //启动蜂鸣器发声    

        LED1 = 0;

        LED2 = 1;

    }

    else 

    {

        BUZZ = 1;        //关闭蜂鸣器

        LED1 = 1;

        LED2 = 0;

    }

    tmr1s++;

    tmrms++;

if (tmrms >= 250)    //延时250ms

    { 

        tmrms = 0;

        KeyAction ();

    }

if (tmr1s >= 1000) //定时1s

    {

        tmr1s = 0;

        flag1s = 1;    

    }

}

DS18B20程序：

#include

#include

sbit IO_18B20 = P3^2;  //DS18B20通信引脚

/* 软件延时函数，延时时间(t*10)us */

void DelayX10us(unsigned char t)

{

    do {

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

    } while (--t);

}

bit Get18B20Ack()

{

    bit ack;

    EA = 0;

    IO_18B20 = 0;

    DelayX10us(50);

    IO_18B20 = 1;

    DelayX10us(6);

    ack = IO_18B20;

    while(!IO_18B20);

    EA = 1;

    return ack;

}

void  Write18B20(unsigned char dat)

{

    unsigned char mask;

    EA = 0;

for(mask=0x01; mask!= 0; mask<<=1)

    {

        IO_18B20 = 0;

        _nop_();

        _nop_();

        if((mask&dat) == 0)

            IO_18B20 = 0;

        else

            IO_18B20 = 1;

        DelayX10us(6);

        IO_18B20 = 1;

    }

    EA = 1;

}

unsigned char Read18B20()

{

    unsigned char dat;

    unsigned char mask;

    EA = 0;

for(mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)

    {

        IO_18B20 = 0;

        _nop_();

        _nop_();

        IO_18B20 = 1;

        _nop_();

        _nop_();

        if(!IO_18B20)

            dat &= ~mask;

        else

            dat |= mask;

        DelayX10us(6);

    }

    EA = 1;

    return dat;

}

bit Start18B20()

{

    bit ack;

    ack = Get18B20Ack();

    if(ack == 0)

    {

        Write18B20(0xCC);

        Write18B20(0x44);

    }

    return ~ack;

}

bit Get18B20Temp(int *temp)

{

    bit ack;

    unsigned char LSB, MSB;

    ack = Get18B20Ack();

    if(ack == 0)

    {

        Write18B20(0xCC);

        Write18B20(0xBE);

        LSB = Read18B20();

        MSB = Read18B20();

     *temp = ((int)MSB<<8) + LSB;

    }

    return ~ack;

}

LCD1602程序：

#include

#define LCD1602_DB  P0

sbit LCD1602_RS = P2^0;

sbit LCD1602_RW = P2^1;

sbit LCD1602_E  = P2^2;

/* 等待液晶准备好 */

void LcdWaitReady()

{

    unsigned char sta;

    LCD1602_DB = 0xFF;

    LCD1602_RS = 0;

    LCD1602_RW = 1;

    do {

        LCD1602_E = 1;

        sta = LCD1602_DB; //读取状态字

        LCD1602_E = 0;

    } while (sta & 0x80); //bit7等于1表示液晶正忙，重复检测直到其等于0为止

}

/* 向LCD1602液晶写入一字节命令，cmd-待写入命令值 */

void LcdWriteCmd(unsigned char cmd)

{

    LcdWaitReady();

    LCD1602_RS = 0;

    LCD1602_RW = 0;

    LCD1602_DB = cmd;

    LCD1602_E  = 1;

    LCD1602_E  = 0;

}

/* 向LCD1602液晶写入一字节数据，dat-待写入数据值 */

void LcdWriteDat(unsigned char dat)

{

    LcdWaitReady();

    LCD1602_RS = 1;

    LCD1602_RW = 0;

    LCD1602_DB = dat;

    LCD1602_E  = 1;

    LCD1602_E  = 0;

}

/* 设置显示RAM起始地址，亦即光标位置，(x,y)-对应屏幕上的字符坐标 */

void LcdSetCursor(unsigned char x, unsigned char y)

{

    unsigned char addr;

    if (y == 0)  //由输入的屏幕坐标计算显示RAM的地址

        addr = 0x00 + x;  //第一行字符地址从0x00起始

    else

        addr = 0x40 + x;  //第二行字符地址从0x40起始

    LcdWriteCmd(addr | 0x80);  //设置RAM地址

}

/* 在液晶上显示字符串，(x,y)-对应屏幕上的起始坐标，str-字符串指针 */

void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str)

{

    LcdSetCursor(x, y);   //设置起始地址

    while (*str != '\\0')  //连续写入字符串数据，直到检测到结束符

    {

        LcdWriteDat(*str++);

    }

}

/* 初始化1602液晶 */

void InitLcd1602()

{

    LcdWriteCmd(0x38);  //16*2显示，5*7点阵，8位数据接口

    LcdWriteCmd(0x0C);  //显示器开，光标关闭

    LcdWriteCmd(0x06);  //文字不动，地址自动+1

    LcdWriteCmd(0x01);  //清屏

}