基于单片机的数字温度计设计 - 图文

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使用于诸多领域。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。和传统的温度计相比，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，从而简化数据传输和处理过程。

2 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。

234 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。 1P1.0VCC2图2 单片机小系统电路 P1.1P00/AD03P1.2P0.1/AD14P1.3P0.2/AD2AT89C51单片机的主要特性： 5P1.4P0.3/AD36P1.5P0.4/AD47(1)和MCS-51 兼容，4K字节可编程闪烁存储器； P1.6P0.5/AD5VCCC18P1.7P0.6/AD6910UFRSTP0.7/AD7(2)灵活的在线系统编程，掉电标识和快速编程特性； BA10RXD/P3.011S1RESETTXD/P3.1ALE12(3)寿命为1000次写/擦周期，数据保留时间可10年以上；INT0/P3.2PSEN 13INTI/P3.3P2.7/A1514T0/P3.4P2.6/A14R1(4)全静态工作模式：0Hz-33Hz； 15T1/P3.5P2.5/A131610KWR/P3.6P2.4/A1217RD/P3.7P2.3/A11(5)三级程序存储器锁定；Y112M 18XTAL2P2.2/A1019XTAL1P2.1/A920线；(6)128*8位内部RAM，32可编程I/O VSSP2.0/A8AT89C51(7)两个16位定时器/计数器，6个中断源； C222PFC322PFU4039383736353433323130292827262524232221(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 1 1 1 1 1

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 0 0 1 1 R0 0 1 0 1 分辨率/位 9 10 11 12 温度最大转向时间 93.75 187.5 375 750 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 温度传感器和单片机的连接

温度传感器的单总线(1-Wire)和单片机的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和单片机的接口电路。

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 单片机和报警电路

系统中的报警电路是由发光二极管和限流电阻组成，并和单片机的P1.2端口连接。P1端口的作用和接法和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。