单片机课设---数字温度计

课程设计

   07 级  电气工程及其自动化  专业 0706071班级

题    目   数  字  温  度  计                            

姓    名           学号                   

指导教师           职称                   

  二О 一О年 12  月 24 日

摘   要

温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要意义。在单片机的应用中，一个很重要的应用就是对温度进行检测。测量温度的关键是温度传感器，采用智能温度传感器以实现温度数字化，既能以数字形式直接输出被测温度值，具有测量误差小，分辨力高，抗干扰能力强，能够远程传输数据，带串行总线接口等优点。温度的数字输出显示在LCD1602上。单片机、温度传感器与LCD1602等电子元器件的互联，可以研制和开发出具有高性价比的新一代测温系统——基于单片机的数字温度计。

基于单片机的数字温度计设计，即对温度进行实时测量，使用单线数字温度传感器DS18B20把温度信号直接转换成数字信号输入单片机。经单片机处理后，将实时温度显示在LCD1602上。

关键词：数字控制  单片机ATS51  测温传感器DS18B20   LED数码管

数字温度计基本原理：

本设计由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度并将转换后的结果送入单片机。然后通过AS51单片机驱动三位共阳极7段LED数码管显示测量温度值。该电路主要有DS18B20温度传感器芯片，三位共阳极数码管，ATS51单片机及相应外围电路组成。其中DS18B20采用“一线制”与单片机相连。

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若T＞TH或T＜TL，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。

用汇编语言完成对设计的软件编程，程序开始首先对温度传感器DS18B20进行复位，检测是否正常工作；接着读取温度数据，主机发出CCH指令与在线的DS18B20联系，接着向DS18B20发出温度A/D转换44H指令，再发出温度寄存器的温度值BEH指令，并反复调用复位，写入及读取数据子程序，之后再经过数据转换，由数码管显示出来，不断循环。

总体设计方案:

温度计电路设计总体设计方框图如下图所示，控制器采用单片机ATS51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

◆主控制器

单片机ATS51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。

◆显示电路

显示电路采用3位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。

◆温度传感器

DS18B20温度传感器是DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现９～１２位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：

●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；

●无须外部器件；

●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；

●零待机功耗；

●温度以９或１２位数字；

●用户可定义报警设置；

●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；

●负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作； 

DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如下图所示：

位ROM的结构开始８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８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ＴＨ和ＴＬ，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ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如下图所示。头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第５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下图所示。低５位一直为１，ＴＭ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０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。

配置寄存器各位定义为：                

DS18B20温度转换的时间比较长，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RAM的第6,7,8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8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1,2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。

当符号位S＝0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S＝1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。下表是一部分温度值对应的二进制温度数据。

在位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:器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器１；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就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来决定，每次测量前，首先将－50℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，计数器１和温度寄存器被预置在－50℃所对应的一个基数值。

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行计数，如此循环直到减法计数器计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。

如下图：

说明：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。

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，如下图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。

系统硬件电路设计：

◆主板电路

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，如下图所示。

该设计中有三个式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显示时，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。

    系统中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。

◆显示电路

    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74LS1右移寄存器驱动，显示比较清晰。    

整体设计如下图：

软件设计：

用汇编语言完成对设计的软件编程，程序开始首先对温度传感器DS18B20进行复位，检测是否正常工作；接着读取温度数据，主机发出CCH指令与在线的DS18B20联系，接着向DS18B20发出温度A/D转换44H指令，再发出温度寄存器的温度值BEH指令，并反复调用复位，写入及读取数据子程序，之后再经过数据转换，由数码管显示出来，不断循环。

✧DS18B20的ROM指令

✧DS18B20的RAM指令

◆程序流程图：

◆源程序清单：

①对DS18B20进行复位，写入和读取温度数据（在温度传感器DS18B20内部完成，并实现对温度信息的采集）；读取温度流程如下：复位→发CCH命令（跳过ROM）→发44H命令→延时1s→复位→发CCH命令（跳过ROM）→发BEH命令（读内部RAM中9字节内容）→连接从总线上读出2个字节的数据（温度数据的低8位和高8位）→结束

部分程序代码：

（1）DS18B20的复位子程序部分：

RESET_1820:

SETB  DQ;

NOP

NOP

CLR  DQ

；主机发出复位低脉冲

MOV  R1,#3;

DLY: MOV R0,#107;

DJNZ R0,$;

DJNZ R1,DLY;

；拉高数据线

SETB  DQ

NOP

NOP

NOP

；等待DS18B20的回应

MOV  R0,#25H;

T2:JNB DQ,T3;

DJNZ  R0,T2;

JMP  T4;

；标志位flag=1,表示DS18B20存在

T3:SETB  FLAG

JMP  T5;

；标志位flag=0,表示DS18B20不存在

T5:MOV R0,#117;

T4:RET

注：根据DS18B20的通信协议，每一次读写数据之前都要对DS18B20进行复位，复位要求主机先发出复位低脉冲（大于48us）；然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60us，然后发出60～240us的存在低脉冲，主机收到此信号表示复位成功。

（2）DS18B20的写入子程序部分：

WRITE_1820:

MOV  R2,#8      ;一位共8位数据

CLR C           ;C=0

WR1:

CLR  DQ        ;总线低位，开始写入

MOV R3,#7;

DJNZ  R3,$     ;保持16us以上

RRC A          ;把字节DATA分成8个位，循环给C

MOV  DQ,C      ;写入一个位;

MOV R3,#23;

DJNE R3,$       ;等待

SETB  DQ        ;重新释放总线;

NOP

DJNZ  R2,WR1    ;写入下一个位;

SETB  DQ

RET

注：当主机把数据从逻辑高电平拉到逻辑低电平的时候，写时间隙开始。有两种写时间隙，写1 时间隙和写0 时间隙。所有写时间隙必须最少持续60μs，包括两个写周期至少1μs 的恢复时间。I/O线电平变低后，DS18B20 在一个15μs 到60μs 的窗口内对I/O 线采样。如果线上事高电平，就是写1，如果是低电平，就是写0。主机要生成一个写时间隙，必须把数据线拉到低电平然后释放，在写时间隙开始后的15μs 内允许数据线拉到高电平。主机要生成一个写0 时间隙，必须把数据线拉到低电平并保存60μs。

每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1us，在主机发起读时序之后，单总线器件才开始在总线上发送0 或1。所有读时序至少需要60us。

（3）DS18B20的读取子程序

READ_1820:

MOV  R4 ,#2    ;读取两个字节的数字

MOV  R1,#29H   ;低位存入29H,高位存入28H

RE0:

MOV  R2,#8     ;数据一共有8位

RE1:

CLR  C

SETB  DQ

NOP

NOP

CLR  DQ            ;读前总线保持为低

NOP

NOP

NOP

SETB  DQ           ;开始读总线释放

MOV  R3,#9;

RE2:

DJNZ  R3,RE2       ;延时18us

MOV C,DQ           ;从总线读到一个位

MOV  R3,#23;

RE3:

DJNZ R3,RE3        ;等待50us

RRC A              ;把读得的位值循环移给A

DJNZ  R2,RE1       ;读取下一位

MOV  @R1,A;

DEC  R1

DJNZ R4,RE0;

RET

注：当从DS18B20 读数据时，主机生成读时间隙。当主机把数据从高电平拉到低电平时，读时间隙开始，数据线必须保持至少1μs；从DS18B20输出的数据在读时间隙的下降沿出现后15μs 内有效。

因此，主机在读时间隙开始后必须把I/O 脚驱动拉为的电平保持15μs，以读取I/O 脚状态。在读时间隙的结尾，I/O 引脚将被外部上拉电阻拉到高电平。所有读时间隙必须最少60μs，包括两个读周期至少1μs的恢复时间。

获得实际测量温度（温度传感器DS18B20把数据信息传给单片机，完成数据信息的传输）；

数据转化子程序部分：

TURN:

ANL 28H,#07H

ANL 29H,#0F0H

MOV A,28H

ORL 29H,A

MOV A,29H

SWAP A

MOV 29H,A

RET

注:温度传感器DS18B20所测得的温度数据低位存入29H，高位存入28H，将28H中的低4位移入29H中的高4位，获得一个新字节，这个字节就是实际测量的温度。

将测量的温度数据在两位数码管上显示出来（单片机把数据信息传给LED数码管显示器，实现温度的数字化显示）。

温度显示子程序部分：

DISPLAY:

MOV A,29H;

MOV  B,#10;

DIV AB

MOV B_bit ,A       ;十位在A

MOV  A_bit,B       ;个位在B

MOV DPTR ,#TABLE   ;指定查表起始地址

MOV R0,#4;

DP1:

MOV  R1,#250       ;显示1000次

LOOP:

MOV  A,A_bit       ;取个位数

MOVC  A,@a+DPTR    ;查个位数的7段代码

MOV P0,A           ;送出个位的7段代码

CLR  P2.3          ;开个位显示

ACALL DELAY

SETB  P2.3

MOV A,B_bit        ;取十位数

MOVC A,@A+DPTR     ;查出十位数的7段代码

MOV  P0,A          ;送出十位的7段代码

CLR  P2.2          ;开十位显示

ACALL  DELAY       ;显示1ms

SETB P2.2

DJNZ  R1,LOOP       ;250次未完循环

DJNZ R0,DP1         ;4个250次未完循环

RET

结论：

经过我不懈的努力，在一周左右的单片机课程设计中，我不但温习了以前学过的单片机知识，而且还学到了很多新的知识，在此基础上完成了数字温度计的设计，我很满意。

本温度计属于多功能温度计，DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若T＞TH或T＜TL，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。该数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机ATS51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示。

参考文献：

[1]　梅丽风，王艳秋单片机原理及接口技术（第三版）.清华大学出版社，北京交通大学出版社 2009

[2]　李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1994

[3]　张志良.单片机原理与控制技术（2版）. 北京：机械工业出版社，2005

[4]　张伟.单片机原理及应用. 北京：机械工业出版社，2002

课程设计成绩：                  指导教师签名：