基于單片機控制的數(shù)字溫度計

1、數(shù)字溫度計1 設計要求 基本范圍-50 -110 精度誤差小于0.5 LED 數(shù)碼直讀顯示2 擴展功能實現(xiàn)語音報數(shù)可以任意設定溫度的上下限報警功能數(shù)字溫度計摘要：隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個領域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術,本文將介紹一種基于單片機控制的數(shù)字溫度計，本溫度計屬于多功能溫度計，可以設置上下報警溫度，當溫度不在設置范圍內時，可以報警。關鍵詞：單片機，數(shù)字控制，溫度計，DS18B20， AT89S511 引言隨著人們生活水平的不斷提高,單片機控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計就是一個典型的例子，但人們

2、對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施就需要從數(shù)單片機技術入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。本設計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，該設計控制器使用單片機AT89S51,測溫傳感器使用DS18B20,用3位共陽極LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示,能準確達到以上要求。2 總體設計方案2.1 數(shù)字溫度計設計方案論證2.1.1 方案一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

3、行A/D 轉換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)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。2.1.2 方案二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DS18B2Q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。從以上兩種方案，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。2.2 方案二的總體設計框圖溫度計電路設計總體設計方框圖如圖1 所示，控制器采用單片機AT89S51 ，溫度傳感器采用DS18B20,用3位LED數(shù)碼管以

4、串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示。圖1總體設計方框圖2.2.1 主控制器單片機AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的 設計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。2.2.2 顯示電路顯示電路采用3位共陽LED數(shù)碼管，從P3 口 RXD,TXD串口輸出段碼。2.2.3 溫度傳感器與傳DS18B20溫度傳感器是美國 DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器， 統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 DS18B20的性能特點如下： 獨特的單線接口僅需要一

5、個端口引腳進行通信； 多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； 無須外部器件； 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5V; 零待機功耗； 溫度以9或1 2位數(shù)字； 用戶可定義報警設置； 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；DS18B20采用3腳PR 35封裝或8腳SOIC封裝，其內部結構框圖如圖2所示。圖2 DS18B20內部結構64位ROM的結構開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有 48位，最 后8位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可

6、以采用一線進行通信的原因。 溫度報警 觸發(fā)器T H和T L ,可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存R AM和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結構為8字節(jié)的存儲器，結構如圖3所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節(jié)，為配 置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖3所示。低5位一直為1 , TM是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠

7、時該位被設置為0 ,用戶要去改動，R1和R 0決定溫度轉換的精度位數(shù)，來設置分辨率。|TM R1 R0 1 111.圖3DS18B20字節(jié)定義由表1可見，DS18B20溫度轉換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉換時間 越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字 節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)

8、，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625 C/LSB形式表示。當符號位S = 0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位S = 1時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。表2是一部分溫度值對應的二進制溫度數(shù)據(jù)。.表1 DS18B20溫度轉換時間表R1R0分辨率/位溫度最大轉向時間/ms0:0993.750110187.511 0113751112750DS18B20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH TL字節(jié)內容作比較。若T> TH或TVTL,則將該器件內的報警標志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應。

9、因此，可用 多只DS18B20同時測量溫度并進行報警搜索。在64位ROM勺最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（ CRC。主機ROM勺前56位來計算CRC 值，并和存入DS18B20的CRC直作比較，以判斷主機收到的ROM：據(jù)是否正確。DS18B20的測溫原理是這這樣的，器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1 ;高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振 蕩器來決

10、定，每次測量前，首先將-55 c所對應的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1、溫度寄存器中，計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55 c所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到 。時，溫度寄存器的值將加1,減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫 度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到。時，停止溫度寄存器的累 加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)器 門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。表2 一部分溫度對應值表溫度/ C一進制表小十八進制

11、表小+ 1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+ 10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H另外，由于DS

12、18B2*i線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復位脈沖）一發(fā) ROM）能命令一發(fā)存儲器操作命令一處理數(shù)據(jù)。VCC ODS18B20DS18B20DS18B20圖4 DS18B20與單片機的接口電路2.3 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路DS18B20的1腳接地，2腳作DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖 4所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOS

13、FE管來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDM接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。2.4 系統(tǒng)整體硬件電路2.4.1 主板電路系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調整電路，單片機主板電路等，如圖5所示。圖5中有三個獨立式按鍵可以分別調整溫度計的上下限報警設置，圖中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內時，發(fā)出報警鳴叫聲音，同時LED數(shù)碼管將沒有被測溫度值顯示，這時可以調整報警上下限，從而測出被測的溫度值。圖5中的按健復位電路是上電復位加

14、手動復位，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復位，這樣就不用在重起單片機電源，就可以實現(xiàn)復位。2.4.2 顯示電路顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優(yōu)點就是使用口資源比較少，只用p3 口的RXD,和TXD,串口的發(fā)送和接收，四只數(shù)碼管采用74LS164右移寄存器驅動，顯示比較清晰。VCC-T圖5單片機主板電路 UD x> 啟死附&&AB 74LS164(5) w I B&盟g&&B 74LS1643) 正 耳直日曰冊比尋&74LS 164(3)BT IM/！6圖6溫度顯示電路3系統(tǒng)軟件算法分析系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，

15、溫度轉換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。3.1 主程序主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內測量一次被測溫度，其程序流程見圖7所示。圖8讀溫度流程圖圖7主程序流程圖3.2 讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAW白9字節(jié)，在讀出時需進行 CRO驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖8示圖9溫度轉換流程圖3.3 溫度轉換命令子程序溫度轉換命令子程序主要是發(fā)溫度轉換開始命令，當采用12位分辨率時轉換時間約為在本程序設at中采用 1s所示3.4 計算溫度子程序計算溫度子程序

16、將 程圖如圖10所示。顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度轉換命令子程序流程圖如上圖，圖750ms, 9RAM讀取彳1進行BC加的轉換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流圖11顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖3.5 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作，當最高顯示位為0 時將符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖11。4 總結與體會經(jīng)過將近三周的單片機課程設計，終于完成了我的數(shù)字溫度計的設計，雖然沒有完全達到設計要求，但從心底里說，還是高興的，畢竟這次設計把實物都做了出來，高興之余不得不深思呀！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

17、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，以前寫的那幾次，數(shù)據(jù)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(shù)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。從這次的課程設計中，我真真正正的意識到，在以后的學習中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，學習單機片機更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次課程設計中的最大收獲。參考文獻1

18、 李朝青 . 單片機原理及接口技術（簡明修訂版）. 杭州：北京航空航天大學出版社，19982 李廣弟.單片機基礎M.北京：北京航空航天大學出版社，19943 閻石 . 數(shù)字電子技術基礎（第三版）. 北京：高等教育出版社，19894 廖常初 . 現(xiàn)場總線概述J . 電工技術，1999.數(shù)字溫度計程序清單S1OKEQU 5FHTEMPUTEREQU 39HTEMPHEQU 5EHTEMPLEQU 5DHMS50EQU 5CHSIGNEQU 5BHS1BIT P1.0S2BIT P1.1S3BIT P1.2S4BIT P1.3ORG0000HLJMPMAINORG000BHLJMPTOITORG00

19、30HMAIN:MOVSP, #60HMOVTMOD, #01HMOVTH0, #3CHMOVTL0, #0B0HSETBET0SETBTR0SETBEAMOVTEMPH, #30MOVTEMPL, #9MOVTEMPUTER, #15;溫度最始值MOVS1OK, #00HMOVSIGN, #00HMOV38H, #0BHMOV37H, #0CHMOV36H, #0BHACALL DISPACALL T1S; *; 主程序START: JB S1, NET1ACALL T12MSJB S1, NET1JNB S1, $ INC SIGN MOV A, SIGNCJNE A, #1, TIAOA

20、CALL TIAOTL TIAO:CJNE A, #2, NET1MOV SIGN, #0 ACALL TIAOTH ; *NET1: MOV A, S1OK CJNE A, #1, START MOV A, TEMPUTER SUBB A, TEMPH JNB ACC.7, ALEM MOV A, TEMPUTER SUBB A, TEMPL JB ACC.7, ALEM SETB P2.1ACALL WENDU ACALL DISPMOV S1OK, #00H AJMP STARTALEM: MOV 36H, #0CH MOV37H, #0CHMOV38H, #0CHCLR P2.1ACA

21、LL DISP ACALL T1S LCALL WENDU LCALL DISPMOV S1OK, #00H SJMP START.*TIAOTL:MOV 50H, TEMPUTERMOV 37H, TEMPLACALL BIN_BCDACALL DISPACALL T12MSACALL T12MSACALL T12MSACALL T12MSMOV36H, #0AHMOV37H, #0AHMOV38H, #0AHACALL DISPACALL T12MSACALL T12MSACALL T12MSACALL T12MSJB S2, ADD1ACALL T12MSJB S2, ADD1JNB S

22、2, $INC TEMPLMOV A, TEMPLCJNE A, #100, ADD1MOV TEMPL, #0ADD1: JB S3, ADD2ACALL T12MSJB S3, ADD2JNB S3,$DEC TEMPLMOV A, TEMPLCJNE A, #00 , ADD2MOV TEMPL,#100ADD2: JB S4, TIAOTLACALL T12MSJB S4, TIAOTLJNB S4, $MOV TEMPUTER, 50HLJMP START; 高位調整; * TIAOTH:MOV 50H, TEMPUTERMOV37H, TEMPHACALLBIN_BCDACALLD

23、ISPACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSMOV36H, #0AHMOV37H, #0AHMOV38H, #0AHACALLDISPACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSACALLT12MSJBS2, ADD11ACALL T12MSJB S2, ADD11JNB S2, $INC TEMPHMOV A, TEMPH CJNE A, #100, ADD11 MOV TEMPH, #0 ADD11: JB S3, ADD22ACALL T12MSJB S3, ADD22JNB S3,$DEC TEMPH MOV A, TEMPH

24、CJNE A, #00 , ADD22 MOV TEMPH,#100 ADD22: JB S4, TIAOTHACALL T12MSJB S4, TIAOTHJNB S4, $MOV TEMPUTER, 50H LJMP START; 一秒定時中段 *TOIT:PUSHPUSH MOV MOV INC MOV CJNE MOV MOVRETURN:POP POP RETIPSWACCTH0, #3CHTL0, #0B0HMS50A, MS50A, #14H, RETURNS1OK, #1MS50, #00HACCPSW; *;溫度總子程序; * wendu: ACALL INIT_1820AC

25、ALL RE_CONFIGACALL GET_TEMPERACALL TEMPER_COV RET; *;DS18B20 初始化程序; *INIT_1820:SETB P2.0NOPCLR P2.0MOV R0,#06BHMOV R1,#03HTSR1:DJNZ R0,TSR1 ; 延時MOV R0,#6BHDJNZ R1,TSR1SETB P2.0NOPNOPNOPMOV R0,#25HTSR2:JNB P2.0,TSR3DJNZ R0,TSR2LJMP TSR4 ; 延時TSR3:SETB 20H.1 ; 置標志位,表示DS1820 存在LJMP TSR5TSR4:CLR 20H.1 ;

26、清標志位,表示 DS1820 不存在LJMP TSR7TSR5:MOV R0,#06BHMOV R1,#03HTSR6:DJNZ R0,TSR6 ; 延時MOV R0,#6BHDJNZ R1,TSR6TSR7:SETB P2.0RET; *; 重新寫 DS18B20 暫存存儲器設定值; *RE_CONFIG:JB 20H.1,RE_CONFIG1 ; 若 DS18B20 存在,轉 RE_CONFIG1RETRE_CONFIG1:MOV A,#0CCH ; 發(fā) SKIP ROM 命令LCALL WRITE_1820MOV A,#4EH ; 發(fā)寫暫存存儲器命令LCALL WRITE_1820MOV

27、 A,#00H ; TH（ 報警上限）中寫入00HLCALL WRITE_1820MOV A,#00H ; TL（ 報警下限）中寫入00HLCALL WRITE_1820MOV A,#1FH ; 選擇 9位溫度分辨率LCALL WRITE_1820RET; *; 讀出轉換后的溫度值; *GET_TEMPER:SETB P2.0 ; 定時入口LCALL INIT_1820JB 20H.1,TSS2RET ; 若 DS18B20 不存在則返回TSS2:MOV A,#0CCH ; 跳過 ROM 匹配LCALL WRITE_1820MOV A,#44H ; 發(fā)出溫度轉換命令LCALL WRITE_18

28、20LCALL INIT_1820MOV A,#0CCH ; 跳過 ROM 匹配LCALL WRITE_1820MOV A,#0BEH ; 發(fā)出讀溫度命令LCALL WRITE_1820LCALL READ_18200MOV 37H,A ; 將讀出的溫度數(shù)據(jù)保存RET; *; 寫 DS18B20 的程序; *WRITE_1820:MOV R2,#8CLR CWR1:CLR P2.0NOPNOPNOPNOPRRC AMOV P2.0,CMOV R3,#35DJNZ R3,$SETB P2.0NOPDJNZ R2,WR1SETB P2.0RET; *; 讀 DS18B20 的程序,從DS18B20 中讀出兩個字節(jié)的溫度數(shù)據(jù); *