基于单片机的数字温度计设计
引言
随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现．能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。选用AT89C51型单片机作为主控制器件，DSl8B20作为测温传感器通过4位共阳极LED数码管串口传送数据，实现温度显示。通过DSl8B20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，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用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。
系统硬件设计方案
根据系统功能要求，构造图1所示的系统原理结构框图。
图1
系统原理结构框图
2.1
单片机的选择
AT89C51作为温度测试系统设计的核心器件。该器件是INTEL公司生产的MCS一5l系列单片机中的基础产品，采用了可靠的CMOS工艺制造技术，具有高性能的8位单片机，属于标准的MCS—51的CMOS产品。不仅结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，而且继承和扩展了MCS—48单片机的体系结构和指令系统。单片机小系统的电路图如图2所示。
图2
单片机小系统电路
AT89C51单片机的主要特性：
(1)与MCS-51
兼容，4K字节可编程闪烁存储器；
(2)灵活的在线系统编程，掉电标识和快速编程特性；
(3)寿命为1000次写/擦周期，数据保留时间可10年以上；
(4)全静态工作模式：0Hz-33Hz；
(5)三级程序存储器锁定；
(6)128*8位内部RAM，32可编程I/O线；
(7)两个16位定时器/计数器，6个中断源；
(8)全双工串行UART通道，低功耗的闲置和掉电模式；
(9)看门狗（WDT）及双数据指针；
(9)片内振荡器和时钟电路；
2.2
温度传感器介绍
DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EPROM中，掉电后依然保存。
温度传感器DS18B20引脚如图3所示。
8引脚封装
TO－92封装
图3
温度传感器
引脚功能说明：
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，此引脚必须接地。
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。
光刻ROM中的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。64位光刻ROM的排列是：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（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的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。
该字节各位的意义如下：
TM
R1
R0
低五位一直都是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
93.75
0
187.5
0
375
750
根据DS18B20的通讯协议，主机控制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进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
2.3
温度传感器与单片机的连接
温度传感器的单总线(1-Wire)与单片机的P2．0连接，P2．0是单片机的高位地址线A8。P2端口是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O，其输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对该端口写“1”，可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平，此时可作为输入口使用，这是因为内部存在上拉电阻，某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时。如执行MOVX
DPTR指令，则表示P2端口送出高8位的地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，可执行MOVX
RI指令，P2端口内容即为特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器内容，整个访问期间不改变。在Flash编程和程序校验时，P2端口也接收高位地址和其他控制信号。图4为DSl8820内部结构。图5为DSl8820与单片机的接口电路。
图4
DS18B20内部结构图
图5
DS18B20和单片机的接口连接
2.4
复位信号及外部复位电路
单片机的P1.6端口是MAX813看门狗电路中喂狗信号的输入端，即单片机每执行一次程序就设置一次喂狗信号，清零看门狗器件。若程序出现异常，单片机引脚RST将出现两个机器周期以上的高电平，使其复位。该复位信号高电平有效，其有效时间应持续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的晶体振荡器，则复位信号持续时间应超过2μs才完成复位操作。
2.5
单片机与报警电路
系统中的报警电路是由发光二极管和限流电阻组成，并与单片机的P1.2端口连接。P1端口的作用和接法与P2端口相同，不同的是在Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址数据。
2.6
电源电路
由于该系统需要稳定的5
V电源，因此设计时必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。该电源采用三端集成稳压器LM7805。它仅有输入端、输出端及公共端3个引脚，其内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路．由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作为稳压电源。图6为电源电路连接图。
图6
电源电路连接图
2.7
显示电路
采用技术成熟的74HCl64实现串并转换。LED显示分为静态显示和动态显示。这里采用静态显示，系统通过单片机的串行口来实现静态显示。串行口为方式零状态，即工作在移位寄存器方式，波特率为振荡频率的1/12。当器件执行任何一条将SBUF作为目的寄存器的命令时，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，即允许RXD发送数据，同时允许从TXD端输出移位脉冲。图7为显示电路的连接图。
图7
显示电路的连接图
2.8
看门狗电路
系统中把P1.6作为看门狗的“喂狗”信号；将MAX813的RESET与单片机的复位信号RST连接。由于单片机每执行一次程序，就会给看门狗器件一个复位信号，这样也可以用手工方式实现复位。当按键按下时，SW—SPST就会在MAX813引脚产生一个超过200
ms的低电平，其实看门狗器件在1.6
s时间内没有复位，使7引脚输出一个复位信号的作用是相同的，其连接图如图8所示。
图8
看门狗器件的MAX813的连接图
软件设计
DSl8820的主要数据元件有：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可以从单总线获取电源，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。此外，还可外接5
V电源，给DSl8820供电。DSl8820的供电方式灵活，利用外接电源还可增加系统的稳定性和可靠性。图9为读取数据流程图。
开始
DS18B20的初始化
启动温度转换
读取温度寄存器
跳过读序列号的操作
跳过读序列号的操作
DS18B20的初始化
RET
LOW-低八位
HIGH-高八位
图9
读取数据的流程图
读出温度数据后，LOW的低四位为温度的小数部分，可以精确到0.0625℃，LOW的高四位和HIGH的低四位为温度的整数部分，HIGH的高四位全部为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℃的话，向个位进1；小于0.5℃的时候，舍去不要。当数据是个负数的时候，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℃，所以可以将整数部分的最高位换成一个“-”，表示为负数。图10为温度数据处理程序的流程图。
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
温度数据处理流程图
数据测试
将温度传感器与冰水混合物接触，经过充分搅拌达到热平衡后调节系统，使显示读数为0.00(标定0℃)；利用气压计读出当时当地的大气压强，并根据大气压强和当地重力加速度计算出当时的实际压强；根据沸点与压强的关系查出沸点温度。把温度传感器放入沸水中，待显示读数稳定后重新调节，使显示器显示读数等于当地当时沸点温度后工作结束。该温度计的量程为-50℃～150℃，读数精度为0.1℃，实际使用一般在0℃～100℃。采用0℃～50℃和50℃～100℃的精密水银温度计作检验标准，对设计的温度计进行测试，其结果表明能达到该精度要求。
总结与体会
作为一名电子信息工程的大四学生，我觉得做单片机课程设计是很有意义的，而且也是必要的。在做这次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的实际资料是十分必要的，也是必不可少的。
其次，在这次课程设计中，我们运用了以前学过的专业课知识，如：proteus仿真、汇编语言、模拟和数字电路知识等。虽然过去我从未独立应用过他们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。
最后，要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，这样为资料的保留和交流提供了方便；在设计中遇到的问题要记录，以免下次遇到同样的问题。
在这次的课程设计中，我真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单片机更是如此，程序只有在经常写与读的过程中才能提高，这就是这次课程设计的最大收获。
附录1
仿真图
附录2
程序源代码
DATA_BUS
BIT
P3.3
FLAG
BIT
00H
;标志位
TEMP_L
EQU
30H
;温度值低字节
TEMP_H
EQU
31H
;温度值高字节
TEMP_DP
EQU
32H
;温度小数
TEMP_INT
EQU
33H
;温度值整数
TEMP_BAI
EQU
34H
;温度百位数
TEMP_SHI
EQU
35H
;温度十位数
TEMP_GE
EQU
36H
;温度个位数
DIS_BAI
EQU
37H
;显示百位数
DIS_SHI
EQU
38H
;显示十位数
DIS_GE
EQU
39H
;显示个位数
DIS_DP
EQU
3AH
;显示小数位
DIS_ADD
EQU
3BH
;显示地址
ORG
0000H
AJMP
START
ORG
0050H
;初始化
START:
MOV
SP,#40H
MAIN:
LCALL
READ_TEMP
;调读温度程序
LCALL
PROCESS
;调数据处理程序
AJMP
MAIN
;读温度程序
READ_TEMP:
LCALL
RESET_PULSE
;调用复位脉冲程序
MOV
A,#0CCH
;跳过ROM命令
LCALL
WRITE
MOV
A,#44H
;读温度
LCALL
WRITE
LCALL
DISPLAY
;显示温度
LCALL
RESET_PULSE
;调用复位脉冲程序
MOV
A,#0CCH
;跳过ROM命令
LCALL
WRITE
MOV
A,#0BEH
;读缓存命令
LCALL
WRITE
LCALL
READ
RET
;复位脉冲程序
RESET_PULSE:
RESET:
SETB
DATA_BUS
NOP
NOP
CLR
DATA_BUS
MOV
R7,#255
DJNZ
R7,$
SETB
DATA_BUS
MOV
R7,#30
DJNZ
R7,$
JNB
DATA_BUS,SETB_FLAG
CLR
FLAG
AJMP
NEXT
SETB_FLAG:
SETB
FLAG
NEXT:
MOV
R7,#120
DJNZ
R7,$
SETB
DATA_BUS
JNB
FLAG,RESET
RET
;写命令
WRITE:
SETB
DATA_BUS
MOV
R6,#8
CLR
C
WRITING:
CLR
DATA_BUS
MOV
R7,#5
DJNZ
R7,$
RRC
A
MOV
DATA_BUS,C
MOV
R7,#30H
DJNZ
R7,$
SETB
DATA_BUS
NOP
DJNZ
R6,WRITING
RET
;循环显示段位
DISPLAY:
MOV
R4,#200
DIS_LOOP:
MOV
A,DIS_DP
MOV
P2,#0FFH
MOV
P0,A
CLR
P2.7
LCALL
DELAY2MS
MOV
A,DIS_GE
MOV
P2,#0FFH
MOV
P0,A
SETB
P0.7
CLR
P2.6
LCALL
DELAY2MS
MOV
A,DIS_SHI
MOV
P2,#0FFH
MOV
P0,A
CLR
P2.5
LCALL
DELAY2MS
MOV
A,DIS_BAI
MOV
P2,#0FFH
MOV
P0,A
MOV
A,TEMP_BAI
CJNE
A,#0,SKIP
AJMP
NEXTT
SKIP:
CLR
P2.4
LCALL
DELAY2MS
NEXTT:
NOP
DJNZ
R4,DIS_LOOP
RET
;读命令
READ:
SETB
DATA_BUS
MOV
R0,#TEMP_L
MOV
R6,#8
MOV
R5,#2
CLR
C
READING:
CLR
DATA_BUS
NOP
NOP
SETB
DATA_BUS
NOP
NOP
NOP
NOP
MOV
C,DATA_BUS
RRC
A
MOV
R7,#30H
DJNZ
R7,$
SETB
DATA_BUS
DJNZ
R6,READING
MOV
@R0,A
INC
R0
MOV
R6,#8
SETB
DATA_BUS
DJNZ
R5,READING
RET
;数据处理
PROCESS:
MOV
R7,TEMP_L
MOV
A,#0FH
ANL
A,R7
MOV
TEMP_DP,A
MOV
R7,TEMP_L
MOV
A,#0F0H
ANL
A,R7
SWAP
A
MOV
TEMP_L,A
MOV
R7,TEMP_H
MOV
A,#0FH
ANL
A,R7
SWAP
A
ORL
A,TEMP_L
MOV
B,#64H
DIV
AB
MOV
TEMP_BAI,A
MOV
A,#0AH
XCH
A,B
DIV
AB
MOV
TEMP_SHI,A
MOV
TEMP_GE,B
MOV
A,TEMP_DP
MOV
DPTR,#TABLE_DP
MOVC
A,@A+DPTR
MOV
DPTR,#TABLE_INTER
MOVC
A,@A+DPTR
MOV
DIS_DP,A
MOV
A,TEMP_GE
MOV
DPTR,#TABLE_INTER
MOVC
A,@A+DPTR
MOV
DIS_GE,A
MOV
A,TEMP_SHI
MOV
DPTR,#TABLE_INTER
MOVC
A,@A+DPTR
MOV
DIS_SHI,A
MOV
A,TEMP_BAI
MOV
DPTR,#TABLE_INTER
MOVC
A,@A+DPTR
MOV
DIS_BAI,A
RET
DELAY2MS:
MOV
R6,#3
LOOP3:
MOV
R5,#250
DJNZ
R5,$
DJNZ
R6,LOOP3
RET
TABLE_DP:
DB
00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06H
DB
06H,07H,08H,08H,09H,09H
TABLE_INTER:
DB
03FH,006H,05BH,04FH,066H
DB
06DH,07DH,07H,07FH,06FH
END
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