基于单片机的数字温度计优秀课程设计.doc

河南理工大学

《单片机应用和仿真训练》设计汇报

基于单片机数字温度计设计

姓 名：
学 号：
专业班级：
指导老师： 　　
所在学院： 电气工程和自动化系

6月26日
基于单片机数字温度计设计
摘要
伴随现代信息技术飞速发展和传统工业改造逐步实现．能够独立工作温度检测和显示系统应用于很多领域。传统温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温正确度低，检测系统也有一定误差。和传统温度计相比，这里设计数字温度计含有读数方便，测温范围广，测温正确，数字显示，适用范围宽等特点。选择AT89S52型单片机作为主控制器件，DSl8B20作为测温传感器经过4位共阳极LED数码管串口传送数据，实现温度显示。经过DSl8B20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件物理化学性能稳定，线性度很好，在0℃~100℃最大线性偏差小于0.1℃。该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。另外，该温度计还能直接采取测温器件测量温度，从而简化数据传输和处理过程。

目录

1 概述 ……………………………………………………………………………4
1.1课题名称 …………………………………………………………………4
1.2课题要求……………………………………………………………………4
1.3设计目标意义……………………………………………………………4
2 系统总体方案及硬件设计…………………………………………………… 5
2.1单片机选择………………………………………………………………5
2.2温度传感器介绍…………………………………………………………6
2.3温度传感器和单片机连接………………………………………………8
2.4复位信号及外部复位电路…………………………………………………8
2.5单片机和报警电路…………………………………………………………9
2.6显示电路……………………………………………………………………9
3 软件设计 ………………………………………………………………………10
4 Proteus软件仿真 ……………………………………………………………12
4.1 仿真图 ……………………………………………………………………12
4.2仿真结果分析………………………………………………………………13
5 总结体会 ………………………………………………………………………14
参考文件 ………………………………………………………………………15
附录 1 程序源代码 ……………………………………………………………15
附录 2 系统原理图………………………………………………………………23

1概述
1.1课题名称
基于单片机数字温度计设计
1.2课题要求
1）基础范围-50℃~110℃
2）精度误差小于0.5℃
3）LED数码直读显示
4）能够设定温度上下限报警功效
1.3设计目标和意义
温度数我们日常生产和生活中实时在接触到物理量，不过它是看不到，仅凭感觉只能感觉到大约温度值，传统指针式温度计即使能指示温度，不过精度低，使用不够方便，显示不够直观，数字温度计出现能够让大家直观了解自己想知道温度到底是多少度。
　　数字温度计采取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），将温度改变转换成电信号改变，如电压和电流改变，温度改变和电信号改变有一定关系，如线性关系，一定曲线关系等，这个电信号能够使用模数转换电路即AD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，如单片机或PC机等，处理单元经过内部软件计算将这个数字信号和温度联络起来，成为能够显示出来温度数值，如25.0摄氏度，然后经过显示单元，如LED,LCD或电脑屏幕等显示出来给人观察。这么就完成了数字温度计基础测温功效。
数字温度计依据使用传感器不一样，AD转换电路，及处理单元不一样，它精度，稳定性，测温范围等全部有区分，这就要依据实际情况选择符合规格数字温度计。数字温度计有手持式，盘装式，及医用小体积等等。
另外作为电气工程及其自动化学生，经过基于单片机数字温度计设计能够提升自己理论联络实际能力，能够愈加好掌握所学专业理论只是，也培养了自己动手能力，同时，也培养了信息搜集能力和分析问题处理问题能力

2系统总体设计方案及硬件设计
作为对专业理论知识学习后实践步骤，我选择了自行设计基于AT89S52单片机数字温度计。设计原理框图如,图 1。
图 1 数字温度计原理框图
2.1 单片机选择
AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，含有8K 在系统可编程Flash 存放器。使用Atmel 企业高密度非易失性存放器技术制造，和工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash许可程序存放器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。Protues仿真软件中用AT89C51替换AT89S52，单片机小系统电路图图2所表示。

图2 单片机小系统电路
AT89S52关键性能
1、和MCS-51单片机产品兼容；
　　2、8K字节在系统可编程Flash存放器；
　　3、1000次擦写周期；
　　4、全静态操作：0Hz-33MHz；
　　5、三级加密程序存放器；
　　6、32个可编程I/O口线；
　　7、三个16位定时器/计数器；
　　8、六个中止源；
　　9、全双工UART串行通道；
　　10、低功耗空闲和掉电模式；
　　11、掉电后中止可唤醒；
　　12、看门狗定时器；
　　13、双数据指针；
14、掉电标识符 。
2.2 温度传感器介绍
DS18B20能够程序设定9~12位分辨率，精度为±0.5°C。可选更小封装方法，更宽电压适用范围。分辨率设定，及用户设定报警温度存放在EPROM中，掉电后仍然保留。

图3 温度传感器
引脚功效说明：
NC ：空引脚，悬空不使用；
VDD ：可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。当工作于寄生电源时，此引脚必需接地。
DQ ：数据输入/输出脚。漏极开路，常态下高电平。
GND ：为电源地
DS18B20内部结构关键由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
光刻ROM中64位序列号是出厂前被光刻好，它能够看作是该DS18B20地址序列码。64位光刻ROM排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着48位是该DS18B20本身序列号，最终8位是前面56位循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM作用是使每一个DS18B20全部各不相同，这么就能够实现一根总线上挂接多个DS18B20目标。
DS18B20中温度传感器可完成对温度测量，以12位转化为例:用16位符号扩展二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表示，其中S为符号位。
这是12位转化后得到12位数据，存放在18B20两个8比特RAM中，二进制中前面5位是符号位，假如测得温度大于0，这5位为0，只要将测到数值乘于0.0625即可得到实际温度；假如温度小于0，这5位为1，测到数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 比如+125℃数字输出为07D0H，+25.0625℃数字输出为0191H，-25.0625℃数字输出为FF6FH，-55℃数字输出为FC90H。
DS18B20温度传感器内部存放器包含一个高速暂存RAM和一个非易失性可电擦除E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存放器包含了8个连续字节，前两个字节是测得温度信息，第一个字节内容是温度低八位，第二个字节是温度高八位。第三个和第四个字节是TH、TL易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器易失性拷贝，这三个字节内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。
该字节各位意义以下：
TM R1 R0 1 1 1 1 1
低五位一直全部是1 ，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如表1所表示：（DS18B20出厂时被设置为12位）
表1 DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨率/位
温度最大转向时间
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
依据DS18B20通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必需经过三个步骤：每一次读写之前全部要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最终发送RAM指令，这么才能对DS18B20进行预定操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等候16～60微秒左右，后发出60～240微秒存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
2.3 温度传感器和单片机连接
DS18B20采取外部电源供电方法，在外部电源供电方法下，DS18B20工作电源由VCC引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足问题，能够确保转换精度，同时在总线上理论能够挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电方法下，DS18B20GND引脚不能悬空 ，不然不能转换温度，读取温度总是85℃。

图4 DS18B20接线
2.4 复位信号及外部复位电路
该复位信号高电平有效，其有效时间应连续24个振荡脉冲周期即两个机器周期以上。若使用频率为12 MHz晶体振荡器，则复位信号连续时间应超出2μs才完成复位操作。

图 5 复位电路
2.5 单片机和报警电路
报警电路分为两部分，一部分是蜂鸣器声音报警，另一部分是发光二极管放光报警。具体情况以下：
接通电源，两个（红色，黄色）发光二极管全部不亮，当温度超出上线设定值（如38摄氏度）时，红色二极管亮，同时蜂鸣器也报警；当温度低于下限设定值时（如5摄氏度）时，黄色二极管亮，同时蜂鸣器也开始报警。

图6 蜂鸣器报警 图7 发光二极管报警
2.6 显示电路
采取技术成熟5461AS共阴4位数码管 0.56英寸红色。LED显示分为静态显示和动态显示。这里采取静态显示，系统经过单片机串行口来实现静态显示。串行口为方法零状态，即工作在移位寄存器方法，波特率为振荡频率1/12。当器件实施任何一条将SBUF作为目标寄存器命令时，数据便开始从RXD端发送。在写信号有效时，相隔一个机器周期后发送控制端SEND有效，即许可RXD发送数据，同时许可从TXD端输出移位脉冲。图8为显示电路连接图。

图 8 数码显示连接图

3 软件设计
DSl8820关键数据元件有：64位激光Lasered ROM，温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器TH和TL。DSBl820能够从单总线获取电源，当信号线为高电平时，将能量贮存在内部电容器中；当单信号线为低电平时，将该电源断开，直到信号线变为高电平重新接上寄生(电容)电源为止。另外，还可外接5 V电源，给DSl8820供电。DSl8820供电方法灵活，利用外接电源还可增加系统稳定性和可靠性。图9为读取数据步骤图。
开始
DS18B20初始化
开启温度转换
读取温度寄存器
跳过读序列号操作
跳过读序列号操作
DS18B20初始化
RET
LOW-低八位 HIGH-高八位

图9 读取数据步骤图
读出温度数据后，LOW低四位为温度小数部分，能够正确到0.0625℃，LOW高四位和HIGH低四位为温度整数部分，HIGH高四位全部为1表示负数，全为0表示正数。所以先将数据提取出来，分为三个部分：小数部分、整数部分和符号部分。小数部分进行四舍五入处理：大于0.5℃话，向个位进1；小于0.5℃时候，舍去不要。当数据是个负数时候，显示之前要进行数据转换，将其整数部分取反加一。还因为DS18B20最低温度只能为-55℃，所以能够将整数部分最高位换成一个“-”，表示为负数。图10为温度数据处理程序步骤图。
开始
提取整数部分存入HT
提取小数部分存入LT
LT右移三位,将精度降低到0.5摄氏度
HT++
将小数部分整数化
提取符号部分存入sign
LT是否大于5
Sign=?0XF0
RET
负数表示flag=1 HT=~HT+1
Y
N
N
Y

图10 温度数据处理步骤图

4 Proteus软件仿真

仿真过程相当顺利，需要注意原件选择，尤其是数码管显示块共阴、共阳，还有就是电阻选择，太大太小全部会影响试验效果。在仿真中不存在焊接问题，所以接线只要引脚接口正确就是没问题。另外就是程序调试，相当关键。
4.1 仿真图

图 11 当温度为上下限之间时仿真情况

图 12 温度在温度下限设定值以下仿真图

图 13 温度在温度上限设定值以上仿真图

4.2仿真结果分析
温度在上下限设定值范围内是，放光二极管全部是不亮，当实际温度值，低于设定下限时，黄色放光二极管亮;当实际温度高于上限设定值时，红色发光二极管亮。
原因，经过程序控制P1.0(红色放光二极管) P1.1（黄色发光二极管），度在上下限设定值范围内是，P1.0,P1.1全部是低电平，故发光二极管不会亮，当实际温度值，低于设定下限时，P1.0 为低电平P1.1为高电平，故黄色放光二极管亮;当实际温度高于上限设定值时，P1.0为高电平P1.1为低电平，故红色发光二极管亮。

5 总结和体会
作为一名电气工程及其自动化大三学生，我认为做单片机课程设计是很有意义，而且也是必需。在做这次课程设计过程中，我感慨最深当属查阅大量设计资料了。为了让自己设计愈加完善，查阅这方面实际资料是十分必需，也是必不可少。
其次，在这次课程设计中，我们利用了以前学过专业课知识，如：proteus仿真、C语言、模拟和数字电路知识等。即使过去我从未独立应用过她们，但在学习过程中带着问题去学我发觉效率很高，这是我做这次课程设计又一收获。
最终，要做好一个课程设计，就必需做到：在设计程序之前，对所用单片机内部结构有一个系统了解，知道该单片机有哪些资源；要有一个清楚思绪和一个完整软件步骤图；在设计程序时，不能妄想一次将整个程序设计好，反复修改、不停改善是程序设计必经之路；要养成注释程序好习惯，这么为资料保留和交流提供了方便；在设计中碰到问题要统计，以免下次碰到一样问题。
在这次课程设计中，我真正意识到，在以后学习中，要理论联络实际，把我们所学理论知识用到实际当中，学习单片机更是如此，程序只有在常常写和读过程中才能提升，这就是这次课程设计最大收获。

参考文件
[1]单片机原理及应用技术. 余发山，王福忠 徐州 中国矿业大学出版社.
[2] 微型计算机控制技术 王新 中国电力出版社
[3] 模拟电子技术 艾永乐 中国电力出版社

附录 1 程序源代码

/******************************************************************
程序名称：DS18B20温度测量、报警系统
简明说明：DS18B20温度计，温度测量范围0~99.9摄氏度
可设置上限报警温度、下限报警温度
即高于上限值或低于下限值时蜂鸣器报警
默认上限报警温度为38℃、默认下限报警温度为5℃
报警值可设置范围：最低上限报警值等于目前下限报警值
最高下限报警值等于目前上限报警值
将下限报警值调为0时为关闭下限报警功效
******************************************************************/
#include <AT89X52.h>
#include "DS18B20.h"
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char //宏定义
#define SET P3_1 //定义调整键
#define DEC P3_2 //定义降低键
#define ADD P3_3 //定义增加键
#define BEEP P3_7 //定义蜂鸣器
bit shanshuo_st; //闪烁间隔标志
bit beep_st; //蜂鸣器间隔标志
sbit DIAN = P0^7; //小数点
uchar x=0; //计数器
signed char m; //温度值全局变量
uchar n; //温度值全局变量
uchar set_st=0; //状态标志
signed char shangxian=38; //上限报警温度，默认值为38
signed char xiaxian=5; //下限报警温度，默认值为5
uchar code LEDData[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x00};
unsigned int ReadTemperature(void);

/*****延时子程序*****/
void Delay(uint num)
{
while( --num );
}

/*****初始化定时器0*****/
void InitTimer(void)
{
TMOD=0x1;
TH0=0x3c;
TL0=0xb0; //50ms（晶振12M）
}

/*****定时器0中止服务程序*****/
void timer0(void) interrupt 1 using 0
{
TH0=0x3c;
TL0=0xb0;
x++;
}

/*****外部中止0服务程序*****/
void int0(void) interrupt 0 using 1
{

EX0=0; //关外部中止0
if(DEC==0&&set_st==1)
{
shangxian--;
if(shangxian<xiaxian)shangxian=xiaxian;
}
else if(DEC==0&&set_st==2)
{
xiaxian--;
if(xiaxian<0)xiaxian=0;
}
}

/*****外部中止1服务程序*****/
void int1(void) interrupt 2 using 2
{
EX1=0; //关外部中止1
if(ADD==0&&set_st==1)
{
shangxian++;
if(shangxian>99)shangxian=99;
}
else if(ADD==0&&set_st==2)
{
xiaxian++;
if(xiaxian>shangxian)xiaxian=shangxian;
}
}

/*****读取温度*****/
void check_wendu(void)
{
uint a,b,c;
c=ReadTemperature()-5; //获取温度值并减去DS18B20温漂误差
a=c/100; //计算得到十位数字
b=c/10-a*10; //计算得到个位数字
m=c/10; //计算得到整数位
n=c-a*100-b*10; //计算得到小数位
if(m<0){m=0;n=0;} //设置温度显示上限
if(m>99){m=99;n=9;} //设置温度显示上限
}

/*****显示开机初始化等候画面*****/
Disp_init()
{
P0 = 0x40; //显示-
P2 = 0xf7;
Delay(200);
P2 = 0xfb;
Delay(200);
P2 = 0xfd;
Delay(200);
P2 = 0xfe;
Delay(200);

P2 = 0xff; //关闭显示
}

/*****显示温度子程序*****/
Disp_Temperature() //显示温度
{ P2 = 0xf7;
P0 =0x39; //显示C

Delay(300);
P2 = 0xfb;
P0 =LEDData[n]; //显示个位

Delay(300);
P2 = 0xfd;
P0 =LEDData[m%10]; //显示十位
DIAN = 1; //显示小数点

Delay(300);
P2 = 0xfe;
P0 =LEDData[m/10]; //显示百位

Delay(300);

P2 = 0xff; //关闭显示
}

/*****显示报警温度子程序*****/
Disp_alarm(uchar baojing)
{P2 = 0xf7;
P0 =0x39; //显示C

Delay(200);
P2 = 0xfb;
P0 =LEDData[baojing%10]; //显示十位

Delay(200);
P2 = 0xfd;
P0 =LEDData[baojing/10]; //显示百位

Delay(200);
P2 = 0xfe;
if(set_st==1)P0 =0x76;
else if(set_st==2)P0 =0x38; //上限H、下限L标示

Delay(200);

P2 = 0xff; //关闭显示
}

/*****报警子程序*****/
void Alarm()
{ unsigned int i;
{
for(i=0;i<200;i++)//喇叭发声时间循环，改变大小能够改变发声时间长短
{
Delay(80);//参数决定发声频率，估算值
BEEP=!BEEP;
}
BEEP=1; //喇叭停止工作，间歇时间，可更改
Delay(0);

}
}

/*****主函数*****/
void main(void)
{
uint z;
InitTimer(); //初始化定时器
EA=1; //全局中止开关
TR0=1;
ET0=1; //开启定时器0
IT0=1;
IT1=1;
check_wendu();
check_wendu();
for(z=0;z<300;z++)
{
Disp_init();
}
while(1)
{
if(SET==0)
{
Delay();
do{}while(SET==0);
set_st++;x=0;shanshuo_st=1;
if(set_st>2)set_st=0;
}
if(set_st==0)
{
EX0=0; //关闭外部中止0
EX1=0; //关闭外部中止1
check_wendu();

Disp_Temperature();

if(m>=shangxian)
P1_0=0;
else
P1_0=1;
if(m<xiaxian)
P1_1=0;
else
P1_1=1;
if((m>=shangxian)||(m<xiaxian))
{
Alarm(); //报警检测
}
}
else if(set_st==1)
{
BEEP=1; //关闭蜂鸣器
EX0=1; //开启外部中止0
EX1=1; //开启外部中止1
if(x>=10){shanshuo_st=~shanshuo_st;x=0;}
if(shanshuo_st) {Disp_alarm(shangxian);}
}
else if(set_st==2)
{
BEEP=1; //关闭蜂鸣器
EX0=1; //开启外部中止0
EX1=1; //开启外部中止1
if(x>=10){shanshuo_st=~shanshuo_st;x=0;}
if(shanshuo_st) {Disp_alarm(xiaxian);}
}
}
}
/*****END**
附录 2 系统原理图