基于单片机的电子(数字)温度计的设计.docx

沈阳理工大学应用技术学院

毕业设计（论文）

题 目：基于单片机的电子温度计的设计

系 别： 信息与控制学院
专 业： 电子信息工程
学生姓名： 崔鸿鹏
指导教师： 唐朝仁

2011年6月15日

摘 要
在我的论文中，是以AT89C51单片机为核心的，对温度的检测与显示进行了简单的设计与阐述。本次设计可以说是软硬结合，又以硬件为主。
电子温度计温度采集系统由主控制器、温度采集电路、温度显示电路、报警控制电路及键盘输入控制电路组成。它利用单片机AT89C51做控制及数据处理器、智能温度传感器DS18B20做温度检测器、LED数码显示管做温度显示输出设备。硬件电路比较简单，成本较低，测温范围大，测量精度高，读数显示直观，使用方便。

关键词：数字；温度；传感器；单片机；控制

Abstract

is based on AT89C51 microcontroller as the core, the temperature detection and display for a simple design and elaborate. This design can be said to combine soft and hard on, hehardware based.
the digital multi-channel temperature gathering system by the master control regulator, the temperature gathering electric circuit, the temperature display circuit, reports to the police the control circuit and the keyboard entry control circuit is composed .It makes the control and the data processor, intelligent temperature sensor DS18B20 using monolithic integrated circuit AT89C51 makes the temperature detector, the LED numerical code display tube makes the temperature demonstration output unit. The hardware electric circuit quite is simple, the cost is low, the temperature measurement scope is big, and the measuring accuracy is high, reading demonstration is direct-viewing, easy to operate.

Keywords: numeral; temperature; sensor; monolithic integrated circuit; control

目 录
绪 论 1
1 一线总线介绍 4
1.1 一线总线器件工作原理 4
1.1.1 一线总线技术简介 4
1.1.2 一线总线工作原理 5
1.2 总线协议简介 5
2 电子式温度采集系统硬件电路设计 8
2.1 方案选择 8
2.1.1 传感器部分 8
2.1.2 主控制部分 9
2.1.3 系统方案 9
2.2 温度采集电路设计 10
2.2.1 DS18B29简介 10
2.2.2 温度采集电路结构 13
2.3 单片机控制电路设计 14
2.3.1 单片机芯片选择 14
2.3.2 AT89C51单片机工作基本电路设计 15
2.4　显示电路设计 15
2.4.1 LED数码显示管静态显示工作原理 15
2.4.2 显示电路结构 15
2.4.3 显示电路工作过程 16
2.5 报警控制电路设计 16
2.5.1 报警控制电路结构 16
2.5.2 报警控制电路工作过程 17
2.6 电源电路设计 17
2.7 看门口电路设计 18
3 电子式温度采集系统硬件电路设计 19
3.1 主程序设计 19
3.2 子程序设计 19
3.2.1 DS18B20的通信协议 19
3.2.2 子程序 20
4 系统调试与仿真 24
4.1 系统调试 24
4.2 系统的仿真 25
4.3 系统的运行 25
结 论 26
致 谢 27
参考文献 28
附录A 英文原文 30
附录B 汉语翻译 37
附录C 电路图 43
附录D 源程代码 44
附录E 元件清单 56
附录F 实物照片 57

绪 论
温度是人们日常生活中接触最多的物理量，人们的日常生活、动植物的生存繁衍和周围环境的温度息息相关，石油、化工、冶金、纺织、机械制造、航空航天、制药、烟草、档案保管、粮食存初等领域对温度也有着较高的要求。例如：印刷车间的温度控制水平对印刷质量有很大的影响；为防止库存武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈，必须保持环境温度不能过高和干燥；而水果、种子、肉类等的保存也需要保证一定的温度；在矿山、棉麻、塑料、食品生产加工等企业的生产环境中，如果空气温度不适应，极易发生不良反应。随着科学技术的发展，许多新兴产业对环境提出了更高的要求：制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度，生物化学制药需要精确的温度控制。因此，对温度的监测和控制己成为生产过程中非常重要的技术要求[1]。目前，温度传感器已广泛应用于气象、农林、冶金、化工、纺织、食品、家用电器、仓储等许多领域。
温度是表征物体冷热程度的物理量，它在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等行业中都是基本的检测参数之一。温度是温度监控系统中最基本、最为核心的衡量指标，也是测温系统中最为重要的被控参数，因此对温度进行准确的检测一直是一个重要的研究课题。因此，测量温度的仪器在测温系统中占有至关重要的地位。
国家标准GB7665-87对传感器(Sensor)下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。而温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器[2]。
温度传感器的使用范围广，数量多，居各种传感器之首。
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：
(1) 传统的分立式温度传感器(含敏感元件)，主要是能够进行非电量和电量之间转换；
(2) 模拟集成温度传感器/控制器；
(3) 智能温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化、智能化及网络化的方向发展。温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，显示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理[3]。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。
(1) 热电偶传感器
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种分立式温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50℃—1600℃进行连续测量，特殊热电偶如金铁－镍铬，最低可测到-269℃，钨－铼最高可达2800℃。
(2) 模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
(3) 智能温度传感器
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，国际上己开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
随着科技的不断发展，智能温度传感器发展的新趋势：提高测温精度和分辨力；增加测试功能。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。
课题研究内容
本课题研究的是基于单片机AT89C51和传感器DS18B20的温度测量系统中的温度监测和显示部分的实现。在翻阅了大量资料后，决定以智能温度传感器应用技术和单片机应用技术为核心进行开发。其中，涉及到了一线总线技术开发应用；单片机技术开发应用；智能传感器应用等。
论文结构
第一部分介绍了一线总线协议，并且详细介绍了单片机AT89C51和温度传感器DS18B20的优点和特性。
第二部分论述了温度测量系统的总体方案设计，给出了测量的总体电路图，介绍了本系统的硬件设计给出了数据采集部分和数据接受部分的框图和硬件接口电路。
第三部分介绍了本系统的软件设计，介绍了测温系统的整体软件框图；详细介绍了数据采集流程及程序。
第四部分讲述了系统调试及性能分析。
1 一线总线介绍
一线总线(1-Wire Bus)技术采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的，其线路简单、硬件开销少、成本低廉、软件设计更方便，因此具有无可比拟的优势[4,]。
1.1 一线总线器件工作原理
1.1.1 一线总线技术简介
目前，常用的微机与外设串行总线主要有我们熟知的I2C总线，SPI总线，SCI总线等等。其中I2C总线是以同步串行2线方式进行通信(一条时钟线，一条数据线)，SPI总线是以同步串行3线方式进行通信(一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线)，SCI总线是以异步方式进行通信(一条数据输入线，一条数据输出线)。这些总线至少需要有两条或两条以上的信号线。近年来，美国的达拉斯半导体公司(DALLAS SEMICONDUCTOR)推出了一线总线(1-Wire Bus)技术，与上述的总线不同，它采用一单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的，其具有线路简单，减少硬件开销，成本低廉，便于总线的扩展和维护等优点。

微控制器
(主机)
一线总线器件#1
一线总线器件#2
一线总线器件#3
一线总线器件#4

图1.1 单主机多节点结构示意图

一线总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机则是一线总线器件[8]。它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，则系统按多节点系统操作器，从机则是一线总线器件[6]。它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，则系统按多节点系统操作。
1.1.2 一线总线工作原理
顾名思义，一线总线只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都在这根线上完成。设备(主机或从机)通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，这样允许设备不发送数据时释放总线，以便其他设备使用。其内部等效电路如下图2.2所示。

图1.2 一线总线硬件接口示意图

一线总线要求外接一个约4.7k的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。主机和从机之间的通信总体上说是通过以下3个步骤完成的：初始化1-wire器件；识别1-wire器件；交换数据。由于二者是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问1-wire器件都必须严格遵循一线总线命令序列：初始化、ROM命令、功能命令[9]。如果出现顺序混乱，1-wire器件就不会响应主机(搜索ROM命令，报警搜索命令除外)。通信信号方式要求所有的一线总线器件要求遵循严格的通信协议，以保证数据的完整性。
1.2 一线总线协议简介
一线总线系统网络的主机和从机之间，遵循一线总线协议进行通信。
目前大多数传感器系统是采用放大、传输、数模变换这种处理模式。这种模式中传输的方式采用并口或采用串口，这两种方式一般要占用数根数据/控制线，限制了单片机使用功能的扩展[10]。
一线总线协议就解决了这种问题。数字式传感器的核心之一就是采用什么协议能最大限度的高速安全的传输数据，另外就是如何更好的节省硬件资源。一线总线协议通过一根总线实现主设备对从设备的控制(主设备往往是微控器等)，一线总线器件在采用这种工作方式时就充当着从设备的作用[11]。由于只有一根线，并且没有译码功能，所以这些器件是一线总线系统唯一的从设备，所有的数据和命令都在这根总线上传送，数据和命令字节传送顺序是从低位到高位。
为了使其它的设备也能使用这根线，一线总线协议通过一个三态门转换传输状态，使得每一个设备在不传送数据时空出该数据线给其它设备[12]。因为一线总线在外部有一个上拉电阻，所以在总线空闲时是高电平。为保证信号的完整性，一线总线协议定义了以下几种信号：复位脉冲、存在脉冲、读写0或1。除存在脉冲外，其它的信号均由主设备发出。
RX和TX分别是内部数据的发送和接收端，外界的环境量变化引起敏感膜的变化，产生的电信号被编码成数字量，存储在专用寄存器当中，经由DQ端读入到单片机当中。
主设备给低电平并保持480s就空出总线并进入接收模式RX。此时上拉电阻器使总线为高电平，即空闲状态。一旦一线总线器件检测到这一上升沿，就会等待15-60s，并给出存在脉冲使总线保持60-240s的低电平。而写操作均在读、写时隙之间进行，在每个时隙中，系统只传送一个二进制位。
1-Wire协议定义的几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1时序，组成了所有总线上传输的信号。也就是说，所有的一线总线命令序列(初始化、ROM命令、功能命令)都是由这些基本的信号类型组成的。这些信号，除了应答脉冲外，都是由主机发出，并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。另外，初始化时序同时包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。主机通过拉低一线总线至少480s，以产生TX复位脉冲；然后主机释放总线，并进入RX接收模式。当主机释放总线时，总线由低电平跳变为高电平时产生一个上升沿，一线总线器件检测到这上升沿后，延时15-60s，接着一线总线器件通过拉低总线60-240s，以产生应答脉冲。主机接收到从机应答脉冲后，说明有一线总线器件在线，然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。
综上所述，在一线总线上进行数据传输时，一线总线器件和主机之间必须遵循严格的读时序和写1、写0时序。在每一个时序中，总线只能传输一位数据。所有的读、写时序至少需要60s，且每两个独立的时序之间至少需要ls的恢复时间。读、写时序均起始于主机拉低总线。在写时序中，主机拉低总线后，在15s之内释放总线，向一线总线器件写1；若主机拉低总线后，保持至少60s的低电平，则向一线总线器件写0。一线总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据，所以，当主机向一线总线器件发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便一线总线器件能传输数据。在主机发出读时序之后，一线总线器件才开始在总线上发送0或1，若一线总线器件发送1，则保持总线高电平，若发送0，则拉低总线。一线总线器件发送数据之后，保持有效时间15s，因而，主机在读时序期间必须释放总线，并且必须在15s之内采样，从而接收到从机发送的一位数据。

2 电子温度计硬件电路设计
2.1方案选择
温度检测系统有则共同的特点：。环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降 。所以温度检测系统的设计的关键在于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设计。温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。
2.1.1传感器部分
方案一：
采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中，采用单片温度传感器，比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能送给计算机，这样就使得测温装置的结构较复杂。另外，这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器，不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。
方案二：
在测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，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DS1820和微控制器AT89C51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，且由于AT89C51可以带多个DSB1820，因此可以非常容易实现多点测量。轻松的组建传感器网络。
采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。
2.1.2主控制部分
方案一：
此方案采用PC机实现。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。且人机交互友好。但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境比较恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦！
方案二：
此方案采用AT89C51八位单片机实现。单片机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。运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。另外AT89C51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。
2.1.3系统方案
由于PC机不能与DS18B20直接连接，所以使用不方便。因为其结构复杂，稳定性不强不能在任何条件下长期工作，且PC机体积庞大，携带不便。而AT89C51可与DS18B20直接工作，硬件实现简单，系统稳定，适合各种环境下应用。
综上所述,温度传感器以及主控部分都采用第二方案。
按照系统设计功能的要求，系统由5个模块组成：主控制器、温度采集电路[1]、温度显示电路、报警控制电路、看门狗电路。电子温度计总体电路结构框图如图2.1所示。

单
片
机
温度传感器
电源
显示电路
看门狗电路
报警电路

图2.1电子温度计硬件统结构框图
采用智能温度传感器（DS18B20）采集环境温度并进行简单的模数转换；单片机（AT89C51）执行程序对温度传感器传输的数据进行进一步的分析处理，转换成环境对应的温度值，通过I/O口输出到数码显示管（LED）显示；由键盘输入控制选择某采集电路检测温度及显示；报警电路对设定的最高最低报警温度进行监控报警。
2.2温度采集电路设计
温度采样处理电路由温度传感器、放大电路、A/D转换电路等组成。采用分块结构的温度采样处理电路，其硬件电路结构复杂，也不便于数据的处理。采用智能温度传感器采样处理电路，能够方便的进行温度的采集及简单的数据处理。并且可以达到设计的技术指标要求。本系统选择智能温度传感器DS18B20作为温度采集电路的核心器件。由DS18B20及辅助电路构成温度采集电路。
2.2.1 DS18B20简介
（1）DS18B20的性能特点
DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等温度传感器相比，它能够直接读出被测温度，并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，可以在93.75ms至750ms内完成相应9位至12位的数字量转换。它的测温精度可达到0.0625℃/LSB。它的测温范围是-55～+125℃。
从DS18B20读出或写入信息仅需要一根口线，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，无需额外电源。因而选用DS18B20是恰当的。
（2）DS18B20的外形和内部结构
DS18B20采用3脚PR-35封装，其外形和内部结构框图分别如图2.2图2.3所示。

图2.2 DS18B20外形结构 图2.3 DS18B20内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
64位光刻ROM的位结构图如图2.4所示。64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。

图2.4 64位ROM结构
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个非易失性的可电擦除E2PRAM和一个高速暂存RAM。
E2PRAM包括存放高温度和低温度的触发器TH、TL和结构寄存器。非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。
高速暂存RAM的结构为9字节的存储器，结构图如图2.5所示。头2个字节包含测得的温度信息。第3、4字节是TH和TL的拷贝，每次上电复位时被刷新。第5字节为配置寄存器，用于确定温度值的数字转换分辨率。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。
第5字节配置寄存器各位的定义如图2.6所示；低5位一直为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；R1和R0决定温度转换的精度位数（即设置分辨率），定义方法见表2.1。

图2.5高速缓存RAM结构

图2.6 配置寄存器
表2.1 DS18B20分辨率的定义规定
R1
R0
分辨率/位
温度最大转换时间/ns
0
0
1
1
0
1
0
1
9
10
11
12
93.75
187.5
375
750
9位分辨率时，精度为0.5℃/LSB；10位分辨率时，精度为0.25℃/LSB；11位分辨率时，精度为0.125℃/LSB；12位分辨率时，精度为0.0625℃/LSB。转换精度越高所需转换时间越长。为了达到本系统的技术指标，选择12位分辨率。
（3）DS18B20供电方式
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证测量精度。所以本系统采用外部电源供电方式。
在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。外部电源供电方式如图2.7所示。在外部供电方式下，DS18B20的GND引脚必须接地，不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。

图2.7 DS18B20外部电源供电
2.2.2温度采集电路结构
温度采集电路结构如图2.8所示。图中给出了温度采集电路，1只智能温度传感器DS18B20的信号输出端都连接到单片机的P1.7端，电阻R6作为上拉电阻。如果需要增加，可以在P1.7端再连接更多的智能温度传感器DS18B20。
工作时，由程序控制读取某智能温度传感器DS18B20采集的温度数据，送单片机处理。

图2.8 电子温度计温度采集电路
2.3单片机控制电路设计
单片机控制电路核心是单片机芯片，其加上工作基本电路，就可以展开控制工作。
2.3.1单片机芯片选择
MCS8031和AT89C51都具有4个8位I/O接口，但MCS8031没有内部程序存储器，需要外接，增加了电路的复杂性；AT89C2051和AT89C51都具有Flash ROM，可以省去外接程序存储器；但AT89C2051接口少，不利于功能扩展；故选用AT89C51。
AT89C51单片机内部结构及主要性能特点：40个引脚，双列直插式封装；有4个8位I/O接口；有全双工增强型UART,可编程串行通信；2个16位定时/计数器；5个中断源，2个中断优先级；有片内时钟振荡器（全静态工作方式，0～24 MHz）；有128字节内部RAM，4KB Flash ROM（可以擦除1000次以上，数据保存10年）；电源控制模式灵活（时钟可停止和恢复，空闲模式，掉电模式）。
2.3.2 AT89C51单片机工作基本电路设计
AT89C51单片机正常工作，必须连接基本电路。基本电路包括晶振电路和复位电路。
（1）晶振电路
单片机的时钟信号通常有两种产生方式：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。本设计采用内部时钟方式，电路如图2.9中所示。
在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号。C1和C2可以稳定振荡频率，并使快速起振。本电路选用晶振12MHz，C1=C2=30pF。
（2）复位电路
复位是使单片机处于某种确定的初始状态。单片机工作从复位开始。在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机就执行复位操作。复位操作有两种基本方式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。本设计采用后一种复位电路。电路如图2.9中所示。
当RST获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。若该高电平能保持足够2个机器周期，就可以实现复位操作。选择C3=10µF，R1=10KΩ。
综上所述，单片机控制电路如图2.9所示。

图2.9 单片机控制电路
2.4显示电路设计
显示电路采用LED数码管显示。LED数码显示管有静态显示方式和动态显示方式，本系统采用串行输出的静态显示方式。利用3片串转并芯片74LS164将控制器输出的串行数据转换成并行数据输出，用来驱动3位LED数码显示管显示数据。
2.4.1 LED数码显示管静态显示工作原理
LED显示器工作于静态显示方式时，各位的阴极（或阳极）选择线连接在一起并接地（或+5V）；每位的段码线分别与1个8位的锁存器输出连接。各LED显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止，直到送入另一个字符的段码为止。静态显示可以得到较高的显示亮度。静态显示有并行输出和串行输出两种方式。并行输出显示的十进制位数多时，需要并行I/O接口芯片的数量较多。串行输出可以大大节省单片机的内部资源。
2.4.2显示电路结构
显示电路由单片机AT89C51的P3.0端作数据输出，连接到低位74LS164的数据输入引脚端，其余2片74LS164的数据输入端分别接到它前面一位74LS164的数据输出端的最高位引脚端。单片机AT89C51的P3.1、P1.4端分别接到一个与门电路的输入端，与门电路的输出端分别与每片74LS164的输出允许控制端相连接。每片74LS164的输出端分别连接到一个数码显示管。显示电路结构图如图2.10所示。

图2.10 显示电路图
2.4.3显示电路工作过程
AT89C51单片机工作在串行口方式0下（移位寄存器方式），P3.0（RXD）为数据输出端，P3.1（TXD）为移位脉冲输出端，P1.4为74LS164允许输出控制端。串行口发送缓冲区的数据在移位脉冲的作用下，一位一位地从P3.0口移入到74LS164中，并在控制信号的控制作用下，通过LED数码显示管显示。
2.5报警控制电路设计
报警控制电路采用压电式蜂鸣器作发声体，用三极管对蜂鸣器发声进行控制。
2.5.1报警控制电路结构
报警控制电路由单片机AT89C51的P3.7端作输出，通过一个限流电阻与三极管C945的基极相连接。三极管C945集电极连接压电蜂鸣器（BUZZER）的一端。压电蜂鸣器的另一端连接电源。报警控制电路如图2.11所示。

图2.11 报警工作电路
2.5.2报警控制电路工作过程
（1）压电蜂鸣器工作原理
压电蜂鸣器以压电陶瓷制作而成。压电陶瓷是一类有将压力与电流相互转换能力的特殊陶瓷。当压电陶瓷在一定方向上受到一个压力使其晶体结构发生形变时，它就会在内部产生一个电流，电流的变化与压力的变化密切相关。反之，当在压电陶瓷上加上一定频率的电压，就会在内部产生一定频率的电流，从而就会引起压电陶瓷微小形变，这一形变带动空气发生振动。如果频率适当，就产生蜂鸣声，可以被人耳所听见。
（2）报警控制电路工作过程
报警控制信号由单片机AT89C51的P3.7端输出，通过一个限流电阻加到三极管C945的基极。当P3.7端的输出信号发生变化时，则三极管C945将交替的工作于截止、饱和状态，形成高低电平的波，从而使压电蜂鸣器发出声音。
2.6电源电路设计
电源电路由变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和三端稳压电路构成。其电路图如图2.12所示，图中“output”端输出为+5V。

图2.12 电源电路
电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。三端式稳压器只有输入、输出和公共引出端，由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。在本系统中，要求电源电压为+5V，由于三端式稳压器输出电压固定，故在设计中选择三端式稳压器L7805。三端式稳压器的输入与输出之间电压差为2～3V，整流桥的输出电压是输入电压(有效值)的1.2倍，根据有效值与峰-峰值的关系选择220V/6V的变压器。由于L7805的最大输出电流为1A，电压为稳定的+5V，输出功率为5W，加上三端式稳压器L7805的消耗，故本系统选择降压比为220V/6V、功率为10W的变压器。图13中C4、C5为低频滤波电容，根据经验选择电解电容，其容值分别为C4=220μF、C5=47μF；C6、C7为高频滤波电容，均选0.1μF的无极性电容。发光二极管用于指示电源是否接通，选择FG1112004 发光二极管，根据FG1112004正向电流为5mA及管压降为+2V，选择限流电阻R5= 680Ω。
2.7 看门狗电路

图2.13 看门狗电路

在实际应用与生活中。考虑到底层电路板的工作环境相对恶劣，单片机会受到周围环境的干扰，因而出现程序跑飞、死机等一些不可预知的不正常工作现象，工作人员也不可能到现场对单片机重起，本设计为单片机电路添加一个外部看门狗电路，定时查询单片机的工作状态，一旦发现异常即对单片机延时重起，以保证系统安全可靠的运行。其电路如图2.13所示。

3 电子温度计的温度采集系统程序设计
3.1主程序设计
主程序主要功能是控制调用子程序，实现温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值（温度测量每1s进行一次）。其程序流程图如图3.1所示。

调用显示子程序
1s到?
初次上电?
读出温度值
温度计算处理
显示数据刷新
发出温度转换开始命令
N
Y
Y
N
初始化
发出报警
Y
N
温度超过报警值?
调用键盘扫描子程序

图3.1 电子温度计主程序流程图

3.2子程序设计
3.2.1 DS18B20的通信协议
根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机AT98C51）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行初始化操作，初始化成功后发送一条存储器操作命令（ROM指令），最后处理数据（发送RAM指令），这样才能对DS18B20进行预定的操作。所用各ROM、RAM操作指令分别如表3.1、表3.2所示。

表3.1 ROM指令表
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20温度传感器ROM中的编码(即64位地址)
符合ROM
55H
发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,访问单总线上与该编码相对应的DS18B20使之做出响应,为下一步对该DS18B20的读写做准备.
搜索ROM
0F0H
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址。为操作各器件作好准备。
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令。适用于单片工作。
告警搜索命令
0ECH
执行后温度超过设定值上限或下限的片子才能做出响应。

表3.2 RAM指令表
指令
约定代码
功能
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。
读暂存器
0BEH
读内部RAM中9字节的内容。
写暂存器
4EH
发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。

3.2.2子程序
（1）键盘扫描子程序
键盘扫描子程序对按下的键进行判断，并转到按下的相应键对应的程序段，执行相应的功能。其程序流程图如图3.2所示。
（2）温度转换命令子程序
温度转换命令子程序主要是发