《温度计设计报告》

时间：2021-03-03 18:03:57 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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《温度计设计报告》word版 本文简介：基于单片机并行口的数字温度计的设计学生姓名：龙小燕指导教师：邓宏贵专业：电信班级：0803学号：1404080612摘要本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，就是用单片机实现温度测量，传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换

《温度计设计报告》word版 本文内容：

基于单片机并行口的数字温度计的设计

学生姓名：

龙小燕

指导教师：

邓宏贵

专

业：

电信

班

级：

0803

学

号：

1404080612

摘

要

本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，就是用单片机实现温度测量，传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。本次采用DS18B20数字温度传感器来实现基于AT89S52单片机的数字温度计的设计用LCD数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求，可以用于温度等非电信号的测量，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，能独立工作的单片机温度检测、温度控制系统已经广泛应用很多领域。

关键词

温度计；单片机；数字控制；DS18B20

目

录

1

绪论1

1.1

前言1

1.2

数字温度计设计方案论证1

1.2.1

方案一1

1.2.2

方案二1

1.3

方案二的总体设计框图2

1.3.1

主控制器2

1.3.2

温度传感器2

2

硬件电路设计7

2.1

主要芯片介绍7

2.1.1

STC89C52的介绍7

2.1.2

STC89C52各引脚功能介绍7

2.2

主板电路10

2.3

显示电路10

3

软件设计11

3.1

主程序流程图11

3.2

读出温度子程序流程图12

3.3

温度转换命令子程序流程图13

3.4

计算温度子程序流程图14

3.5

显示数据刷新子程序流程图14

4

总结与会

…………………………………………………………15

附录1

程序清单16

附录2

元器件清单20

附录3

原理图21

附录4

PCB图22

1

绪论

1.1

前言

随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,单片机已经在测控领域中获得了广泛的应用

本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，该设计控制器使用单片机AT89S52，测温传感器使用DS18B20，用LCD数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。

1.2

数字温度计设计方案论证

1.2.1

方案一

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

1.2.2

方案二

进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。

从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。

1.3

方案二的总体设计框图

温度计电路设计总体设计方框图如图1.1所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，用LCD液晶显示屏以串口传送数据实现温度显示：

主

控

制

器

LCD显

示

温

度

传

感

器

单片机复位

时钟振荡

图1.1

总体设计方框图

1.3.1

主控制器

单片机AT89S52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。

1.3.2

温度传感器

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且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。

DS18B20的性能特点如下：

●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；

●无须外部器件；

●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；

●零待机功耗；

●温度以9或12位数字；

●用户可定义报警设置；

●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；

●负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；

DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.2所示：

C

64

位

ROM

和

单

线

接

口

高速缓存

存储器与控制逻辑

温度传感器

高温触发器TH

低温触发器TL

配置寄存器

8位CRC发生器

Vdd

图1.2

DS18B20内部结构

64位ROM的结构开始８位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后８位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如图2.3.2所示。头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第５个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图2.3所示。低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。

温度

LSB

温度

MSB

TH用户字节1

TL用户字节2

配置寄存器

保留

保留

保留

CRC

图1.3

DS18B20字节定义

由表1.1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。

高速暂存ＲＡＭ的第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。

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。

当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表1.2是一部分温度值对应的二进制温度数据。

表1.1

DS18B20温度转换时间表

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器１；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，计数器１和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

减法计数器１对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器１的预置值减到０时，温度寄存器的值将加１，减法计数器１的预置将重新被装入，减法计数器１重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

表1.2

一部分温度对应值表

温度/℃

二进制表示

十六进制表示

+125

0000

0111

1101

0000

07D0H

+85

0000

0101

0101

0000

0550H

+25.0625

0000

0001

1001

0000

0191H

+10.125

0000

0000

1010

0001

00A2H

+0.5

0000

0000

0000

0010

0008H

0

0000

0000

0000

1000

0000H

-0.5

1111

1111

1111

0000

FFF8H

-10.125

1111

1111

0101

1110

FF5EH

-25.0625

1111

1110

0110

1111

FE6FH

-55

1111

1100

1001

0000

FC90H

2

硬件电路设计

2.1

主要芯片介绍

2.1.1

STC89C52的介绍

选用的STC89C52与同系列的STC89C51在功能上有明显的提高，最突出是的可以实现在线的编程。用于实现系统的总的控制。其主要功能列举如下：

（1）为一般控制应用的

8

位单片机

（2）晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至

33MHz）

（3）内部程式存储器（ROM）为

4KB

（4）内部数据存储器（RAM）为

128B

（5）外部程序存储器可扩充至

64KB

（6）外部数据存储器可扩充至

64KB

（7）32

条双向输入输出线，且每条均单独做

I/O

的控制

（8）5

个中断向量源

（9）2

组独立的

16

位定时器

（10）1

个全双工串行通信端口

（12）8751

及

8752

单芯片具有数据保密的功能

（13）单芯片提供位逻辑运算指令

2.1.2

STC89C52各引脚功能介绍

VCC：

STC89C52

电源正端输入，接+5V。

VSS：

电源地端。

XTAL1：

单芯片系统时钟的反向放大器输入端

XTAL2：

系统时钟的反向放大器输出端，一般在设计上只要在

XTAL1

和

XTAL2

上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两个引脚与地之间加入一个

20PF

的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：

STC89C52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S52便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp：

“EA“为英文“External

Access“的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用

8751

内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。

ALE/PROG：

ALE是英文“Address

Latch

Enable“的缩写，表示地址锁存器启用信号。ATAT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为STC89C51是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：

此为“Program

Store

Enable“的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。ATAT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。

PORT0（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路电极（Open

Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当作I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一组完整的16位地址总线，而定位地址到64K的外部存储器空间。

PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当作一般I/O端口使用外，若是在ATAT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当作I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS

TTL负载，同样地，若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发引脚。

PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：RXD，串行通信输入。

P3.1：TXD，串行通信输出。

P3.2：INT0，外部中断0输入。

P3.3：INT1，外部中断1输入。

P3.4：T0，计时计数器0输入。

P3.5：T1，计时计数器1输入。

P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。

P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。

2.2

主板电路

系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，单片机主板电路等，如图2.5

所示：

图2.1

单片机主板电路

2.3

显示电路

显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用p2口串口的发送和接收，4位一体数码管显示。温度显示电路如图2.2所示：

3

软件设计

系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。

3.1

主程序流程图

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图3.1所示：

初始化

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

发温度转换开始命令

N

Y

N

Y

图3.1

主程序流程图

3.2

读出温度子程序流程图

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图3.2所示：

Y

发DS18B20复位命令

发跳过ROM命令

发读取温度命令

读取操作，CRC校验

9字节完？

CRC校验正？确？

移入温度暂存器

结束

N

N

Y

图3.2

温度子程序流程图

3.3

温度转换命令子程序流程图

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图3.3所示：

发DS18B20复位命令

发跳过ROM命令

发温度转换开始命令

结束

图3.3

温度转换命令子程序流程图

3.4

计算温度子程序流程图

计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图3.4所示：

开始

温度零下?

温度值取补码置“—”标志

计算小数位温度BCD值

计算整数位温度BCD值

结束

置“+”标志

N

Y

图3.4

温度子程序流程图

3.5

显示数据刷新子程序流程图

显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图3.5所示：

温度数据移入显示寄存器

十位数0？

百位数0？

十位数显示符号百位数不显示

百位数显示数据（不显示符号）

结束

N

N

Y

Y

图3.5

显示数据刷新子程序流程图

4.

总结与体会

经过将近几周的设计，终于完成了我的数字温度计的设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计把仿真成功做了出来，高兴之余不得不深思呀！

在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机毕业设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，。此外，本次毕业设计也使我对单片机技术有了更进一步的了解，实际操作和课本上的知识有很大的联系，又高于课本，一个看似很简单的电路，要动手做出来就比较困难了，因为是设计让我们在以后的学习中要注意这点，要把课本上所学的知识跟实际联系起来。有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握，同时本次电路的设计巩固了所学知识，也使我们把理论与实际从真正的意义上结合起来了，增强了学习的兴趣，考验了我们借助图书馆、互联网搜索、查阅相关资料，以及综合能力。

从这次的设计中，我真真正正的意识到，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，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次设计中的最大收获，为以后从事电子电路设计、研制电子产品方面的工作奠定了一定的基础

附录1

程序清单

#include

#define

uchar

unsigned

char

#define

uint

unsigned

int

sbit

DQ=P3^0;

uchar

flag1;

uchar

tempL=0;

uchar

tempH=0;

uint

tt;

float

temperature;

unsigned

char

code

table[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf};

uchar

code

table1[]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};

uchar

code

scan_con[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};

uchar

data

Dis_play[4]={0X00,0x00,0x00,0x00};

void

delay(uint

i)

{

while(i--);

}

Init_DS18B20(void)

{

uchar

x=0;

DQ

=

1;

//DQ复位

delay(8);

DQ

=

0;

//单片机将DQ拉低

delay(80);

//精确延时

大于

480us

DQ

=

1;

delay(14);

x=DQ;

//稍做延时后

如果x=0则初始化成功

x=1则初始化失败

delay(20);

}

//

读字节子函数

ReadOneChar(void)

{

uchar

i

=

0;

uchar

dat

=

0;

for

(i=8;i>0;i--)

{

DQ

=

0;

dat>>=1;

//

数据右移一位

DQ

=

1;

if(DQ)

//

DQ为1

dat|=0x80;

//

读出数据

delay(4);

}

return(dat);

}

//

写字节子函数

WriteOneChar(unsigned

char

dat)

{

uchar

i

=

0;

for

(i=8;

i>0;

i--)

{

DQ

=

0;

DQ

=

dat

//写入一位数据

delay(5);

DQ

=

1;

dat>>=1;

}

}

//

发送温度转换命令

ReadTemperature(void)

{

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xcc);

WriteOneChar(0x44);

//启动温度转换

delay(125);

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xcc);

//跳过读序列号的操作

WriteOneChar(0xbe);

//读温度寄存器（头两个值分别为温度的低位和高位）

tempL=ReadOneChar();

tempH=ReadOneChar();

if(tempH>0xfd)

{

flag1=1;

temperature=(65536-((tempH*256)+tempL))*0.0625;

tt=temperature*10+0.5;

delay(200);

return(tt);

}

else

{

temperature=((tempH*256)+tempL)*0.0625;

tt=temperature*10+0.5;

delay(200);

return(tt);

}

}

void

tem_deal(uint

tem)

{

Dis_play[0]=0xff;

Dis_play[0]=tem/1000;

Dis_play[1]=tem/100%10;

Dis_play[2]=tem%100/10;

Dis_play[3]=tem%10;

if(!Dis_play[0])

{

Dis_play[0]=0x0a;

if(!Dis_play[1])

{

Dis_play[1]=0x0a;

}

}

if(flag1)

{

Dis_play[0]=0x0b;

}

}

void

display()

{

char

k;

for(k=0;k<4;k++)

{

if

(k==2)

{

P2=scan_con[k];

P0=table1[Dis_play[k]];

}

else

{

P2=scan_con[k];

P0=table[Dis_play[k]];

}

delay(500);

}

}

void

main()

{

do

{

flag1=0;

tem_deal(ReadTemperature());

display();

}

while(1);

}

附录2

元器件清单

物质名称

规格型号

数量（单位）

芯片

AT89S52

1块

芯片

DS18B20

1块

4位一体数码管

CEM3461BE

1块

电解电容

22μF

1个

电解电容

100μF

1个

瓷片电容

33pF

3个

开关

2个

芯片插座

IC-40P

1块

电阻

1K

1个

电阻

0.2K

1个

电阻

100K

1个

限流电阻

0.3K

8个

上拉电阻

5.1K

4个

晶振

6MHz

1个

USB接口

1个

二极管

1个

附录3

原理图

附录4

PCB图

篇2：温度计实验报告

温度计实验报告 本文关键词：温度计，实验，报告

温度计实验报告 本文简介：4河南理工大学单片机课程设计报告姓名：王静杨晓雪学号:0828030090/0828010150专业：电气工程及其自动化指导老师：李宏伟时间：2011年6月24日摘要：在这个信息化高速发展的时代，单片机作为一种最经典的微控制器，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟

温度计实验报告 本文内容：

4

河南理工大学

单片机课程设计报告

姓

名

：

王静

杨

晓

雪

学

号

:0828030090/0828010150

专

业：电气工程及其自动化

指导老师：

李

宏

伟

时

间：2011年6月24日

摘要：在这个信息化高速发展的时代，单片机作为一种最经典的微控制器，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，作为自动化专业的学生，我们学习了单片机，就应该把它熟练应用到生活之中来。本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。本文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。

关键词：单片机，数字控制，数码管显示，温度计，DS18B20，AT89S52。

目录

1、概述3

1.1设计目的3

1.2设计原理3

1.3设计难点3

2

、系统总体方案及硬件设计4

2.1数字温度计设计方案论证5

2.2.

主控制器5

2.2.3温度传感器…………………………………………………………5

2.3

DS18B20温度传感器与单片机的接口电路7

2.4

系统整体硬件电路设计8

3、系统软件设计9

3.1初始化程序9

3.2读出温度子程序10

3.3读、写时序子程序11

3.4延时程序12

4

Proteus软件仿真14

5、课程设计体会16

附录1…………………………………………………………………………………………….17

附录2……………………………………………………………………………….22

1概述

1.1设计目的

随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，可广泛用于食品库、冷库、粮库、温室大棚等需要控制温度的地方。目前,该产品已在温控系统中得到广泛的应用。

1.2设计原理

本系统是一个基于单片机AT89S52的数字温度计的设计，用来测量环境温度，测量范围为-50℃—110℃度。整个设计系统分为4部分：单片机控制、温度传感器、数码显示以及键盘控制电路。整个设计是以AT89S52为核心，通过数字温度传感器DS18B20来实现环境温度的采集和A/D转换，同时因其输出为数字形式，且为串行输出，这就方便了单片机进行数据处理，但同时也对编程提出了更高的要求。单片机把采集到的温度进行相应的转换后，使之能够方便地在数码管上输出。LED采用四位一体共阴的数码管。

1.3设计难点

此设计的重点在于编程，程序要实现温度的采集、转换、显示和上下限温度报警，其外围电路所用器件较少，相对简单，实现容易。

2

系统总体方案及硬件设计

2.1数字温度计设计方案论证

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。

2.2总体设计框图

温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，用4位共阴LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

图1

总体设计框图

2.2.1

主控制器

单片机AT89S52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，适合便携手持式产品的设计使用。

2.2.2

显示电路

显示电路采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2.0—P2.3作片选端。但在焊电路板的时候发现数码管亮度不够，所以在P2.0—P2.3端口接四个10K的电阻和四个NPN的三极管，以使数码管高亮显示。

2.2.3温度传感器

DS18B20温度传感器是美国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测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且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。

DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。

图2

DS18B20内部结构

64位ROM的结构开始８位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后８位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入用户报警上下限。

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如图3所示。头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第５个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3所示。低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。

温度

LSB

温度

MSB

TH用户字节1

TL用户字节2

配置寄存器

保留

保留

保留

CRC

图3

DS18B20字节定义

由下面表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。

高速暂存ＲＡＭ的第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。

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第１、２字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。

当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。

表1

DS18B20温度转换时间表

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

2.3

DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

图4

DS18B20与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4

所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉，多个DS18B20可以将2口串接到一条总线上，而本设计只用了一个DS18B20。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。

2.4

系统整体硬件电路设计

2.4.1

主板电路

系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，单片机主板电路如图5

所示：

图5

单片机主板电路

图5

中包括时钟振荡电路和按键复位电路，按键复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。另外扩展电路中，蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。

2.4.2

显示电路

显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用P0和P3口,串口的发送和接收，采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2.0—P2.3作片选端。但在焊电路板的时候发现数码管亮度不够，所以在P2.0—P2.3端口接四个10K的电阻和四个NPN的三极管，期望增加驱动电流，以使数码管高亮显示。

图6

温度显示电路

3系统软件设计

系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。

3.1初始化程序

DQ置1

短延时

DQ置0

延时450us

DQ置1

延时15-60us

延时至少60us

X=~DQ

结束

X=DQ

图7

初始化程序流程图

3.2读出温度子程序

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的2字节，读出温度的低八位和高八位，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图8示

初始化

发跳过ROM指令

开始温度转换

延时2ms

初始化

写入跳过ROM、读取暂存器和CRC字节指令

读取温度的低八位和高八位

取中间八位

结束

图8

读温度程序流程图

3.3读、写时序子程序

读写的程序是本次设计中的重点和难点，通过我们对其时序的分析，从而写出高效的程序。

写1，0时序

读0，1时序

DQ=0

延时15us

dat

//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38

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中断服务程序*****/

void

timer0(void)

interrupt

1

using

0

{

TH0=0x3c;

TL0=0xb0;

x++;

}

/*****外部中断0服务程序*****/

void

int0(void)

interrupt

0using

1

{

EX0=0;

//关外部中断0

if(DEC==0

if(shangxian99)shangxian=99;

}

else

if(ADD==0

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的温漂误差

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(m99){m=99;n=9;}

//设置温度显示上限

}

/*****显示开机初始化等待画面*****/

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;i2)set_st=0;

}

if(set_st==0)

{

EX0=0;

//关闭外部中断0

EX1=0;

//关闭外部中断1

check_wendu();

Disp_Temperature();

if(m>=shangxian)

P1_0=1;

else

P1_0=0;

if(m=shangxian)||(m=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;

//开启外部中断0

EX1=1;

//开启外部中断1

if(x>=10){shanshuo_st=~shanshuo_st;x=0;}

if(shanshuo_st)

{Disp_alarm(xiaxian);}

}

}

}

/*****END*****/

附录2：整体原理图：

篇3：大学物理实验报告模版-半导体温度计的设计与制作

大学物理实验报告模版-半导体温度计的设计与制作 本文关键词：温度计，半导体，模版，物理实验，报告

大学物理实验报告模版-半导体温度计的设计与制作 本文简介：实验报告评分：实验题目：半导体温度计的设计与制作实验目的：进一步理解热敏电阻的伏安特性和惠斯通电桥测电阻的原理，学习非电学量的电测法，了解实验中的替代原理的应用，同时提高组装、焊接电路的操作能力。实验器材：热敏电阻、待焊接的电路板、微安表、电阻器、电烙铁、电阻箱、电池、导线、万用表、恒温水浴实验原理

大学物理实验报告模版-半导体温度计的设计与制作 本文内容：

实

验

报

告

评分：

实验题目：半导体温度计的设计与制作

实验目的：进一步理解热敏电阻的伏安特性和惠斯通电桥测电阻的原理，学习非电学量的电测法，了解实验中的替代原理的应用，同时提高组装、焊接电路的操作能力。

实验器材：热敏电阻、待焊接的电路板、微安表、电阻器、电烙铁、电阻箱、电池、导线、万用表、恒温水浴

实验原理：半导体温度计就是利用半导体的电阻值随温度变化而发生急剧变化的特性而制作的，以半导体热敏电阻为传感器，通过测量其电阻值来确定温度的仪器。一般使用金属氧化物半导体作温度传感器。

热敏电阻的伏安特性曲线和测温电路原理图如下：

图一：热敏电阻的伏安特性曲线和测温电路原理图

当取伏安特性曲线的a段时，近似认为符合欧姆定律。当IG使G满偏时，近似认为VCD=IT（R3+RT）。由基尔霍夫方程组解得：

由上式可以确定R1（=R2），其中R3的确定是在下限温度电阻RT1下，使电桥平衡，从而有R3=RT1、R2=R1。由下表可以知道，R3=RT1=2277Ω，RT2=462Ω。作出R-T曲线并计算得：R1=R2=4545Ω。

T（℃）

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

R（Ω）

2750

2277

1922

1654

1388

1186

1004

T（℃）

50.0

55.0

60.0

65.0

70.0

75.0

RG=3970ΩIG=50μa

UCD=1V

R（Ω）

860

730

623

537

462

403

表一：热敏电阻的R-T关系和基本实验条件

图二：T-R关系图

实验内容：

（1）

在坐标纸上绘出热敏电阻的电阻-温度曲线，确定所设计的半导体温度计的下限温度（20℃）所对应的电阻值RT1和上限温度（70℃）所对应的电阻值RT2。再由热敏电阻的伏安特性曲线确定最大工作电流IT。根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取VCD=1V，它可以保证热敏电阻工作在它的伏安特性曲线的直线部分。

（2）

令R3=RT1，即测量温度的下限电阻值，由式（3）计算出桥臂电阻R1和R2的电阻值。式中RT2为量程上限温度的电阻值；RG为微安表的内阻。

（3）

熟悉线路原理图（图3.5.3-2）和底版配置图（图3.5.3-4），对照实验所用元件、位置及线路的连接方向。

（4）

注意正确使用电烙铁，学会焊接，防止重焊、虚焊、漏焊、断路。焊接时K1放在1挡，电流计“+”端与E处要最后连接，以免损坏电表。

（5）

标定温度计

R1和R2的调节和测量：开关置于1挡，拨下E处接线，断开微安计，用多用表检查R1和R2，使之阻值达到式（3）的计算值（可以取比计算值略小的整数）。

将电阻箱接入接线柱A和B，用它代替热敏电阻，开关置于3位置，令电阻箱的阻值为测量下限温度（20℃）所对应的RT1，调节电位器R3，使电表指示为零（注意，在以后调节过程中，R3保持不变）。然后，使电阻箱的阻值为上限温度（70℃）所对应的RT2，调节电位器R，使微安计满量程。（为什么调R可使电表满刻度？）

开关置于2挡，调节电位器，R4，使微安计满量程，这时，R4=，RT2。（其目的何在？）

开关置于3挡，从热敏电阻的电阻-温度特性曲线上读出温度20℃～70℃，每隔5℃读一个电阻值。电阻箱逐次选择前面所取的电阻值，读出微安计的电流读数I。将图3.5.3-5的表盘刻度改成温度的刻度。另外，作出对应的I-T曲线并与表盘刻度比较。

用实际热敏电阻代替电阻箱，整个部分就是经过定标的半导体温度计。用此温度计测量两个恒温状态的温度（如35℃、55℃）。读出半导体温度计和恒温水浴自身的温度，比较其结果。

实验数据：

T（℃）

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

R（Ω）

2277

1922

1654

1388

1186

1004

I（μA）

0

6.3

12.0

18.4

24.0

29.9

T（℃）

50.0

55.0

60.0

65.0

70.0

R（Ω）

860

730

623

537

462

I（μA）

34.5

39.0

43.0

46.8

50.0

表二：T-I对应关系

实际测量恒温水浴的情况为：

36.7℃下，电流为20.0μA；57.6℃下，电流为40.9μA。

实验数据和结果分析：

将T-I的关系作成曲线如下

图三：T-I关系图

根据上图并利用ORIGIN的读数功能可以读出，在36.7℃时，对应的电流大约是20.2μA；在57.6℃时，对应的电流大约是40.8μA，这两个数据和实际测量所得到的值吻合得比较好，可以认为实验中的温度标定是成功的。

实验中误差的来源主要是对电桥中电阻初始化和对微安表的读数，如果不认为给定的热敏电阻的温度和电阻的关系是精确的话，那么最大的误差来源于对热敏电阻实际的温度-电阻关系的测定（注：通过“用热敏电阻测温度”这个实验可以深切体会到）。由于这些误差来源不确定性很大而且几乎不能定量计算，故不作定量的误差分析。

另外，由于技术原因，纸质微安表盘随预习报告和实验数据一同交上。

实验小结：

本实验操作中的难点来源于对电路的焊接。我由于过度相信课本上的电路图而缺乏自身分析，没有注意到实际电路和书本上电路的细微不同，导致线路错误，调试过程耗费了不少时间，但是最后还是凭借自己的观察分析发现了问题，提高了自己的能力。其他操作基本顺利。

思考题：为什么在测R1和R2时，需将开关置于1档，拔下E处接线，断开微安表？

Sol：由电路结构可以知道，这样做的目的是使两个电阻从电路中断开，从而能够准确得到两个电阻的阻值，如果没有这些操作，那么测量的电阻值就是错误的。