1、摘要温度是一种最基本的环境参数，人们生活与环境温度息息相关，日常生活以及工业生产过程中都时常需要测量温度，因此研究温度测量的方法和控制有重要的意义。 本文介绍了一种以单片机为主要控制器件，以 DS18B20为温度传感器的一台数字显示温度计。它主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计，硬件电路主要包括主控制器，测温控制电路和显示电路等。主控制器采用单片机AT89S51，温度传感器则采用美国DALLAS半导体公司成产的DS18B20，显示电路采用8位共阴极LED数码管，ULN2803A为驱动的动态扫描直读显示。测温控制电路由温度计传感器和预置温度值比较报警电路组成。当实际测量温度值大于预置温度值时，
2、发出报警信号。系统程序主要包括主程序，测温子程序和显示子程序等。DS18B20新型单总线数字温度传感器是DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，集温度测量和A/D转换于一体。直接输出数字量，具有接口简单，精度高，抗干扰能力强，工作稳定可靠等特点。由于采用了智能温度传感器DS18B20作为检测元件，与传统的温度计相比，本数字温度计减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20温度计还可以在高温报警，远距离多点测温控制等方面进行应用开发，具有很好的发展前景。关键词：单片机 温度检测 AT89S51 DS18B20 显示电路AbstractTemperature is one of
3、 the most basic environmental parameters, and environmental temperature is closely related to peoples life, daily life and industrial production process are often need to measure temperature, therefore the research on the temperature measurement and control has important significance.This paper intr
4、oduces a microcontroller as the main control device based on DS18B20temperature sensor, a digital display thermometer. It mainly includes the hardware circuit design and system design procedures, the hardware electric circuit mainly comprises a main controller, temperature control circuit and displa
5、y circuit. The main controller chip AT89S51, the temperature sensor is used in the United States of America DALLAS semiconductor company into production DS18B20, display circuit uses8 common cathode LED digital tube, ULN2803A is driven by the dynamic scanning of direct reading. Temperature control c
6、ircuit composed of a thermometer sensor and a preset temperature value alarm circuit. When the measured temperature value is larger than the preset temperature value, send out alarm signal. System program, including the main program, testing Wen Zi program and display subroutine and so on. DS18B20ne
7、w kind of single bus digital temperature sensor is the production company DALLAS digital temperature sensor, temperature measurement and A / D conversion in one. Direct digital output, has a simple interface, high precision, strong anti-interference ability, stable and reliable working characteristi
8、cs.Due to the adoption of the intelligent temperature sensor DS18B20as a detecting element, compared with the traditional thermometer digital thermometer, the decrease of the external hardware circuit, with low cost and easy to use features. DS18B20thermometer can also be in high temperature alarm,
9、remote multipoint temperature measurement and control and other aspects of application development, has the very good development prospect.Keywords: microcontroller temperature detection AT89S51 DS18B20 目录第1章 引言11.1 本文研究的背景目的和意义11.2 国外研究状况11.3 国内研究状况21.4本文研究主要内容2第2章 设计内容及性能指标42.1温度检测技术介绍4第3章 系统方案论证与
10、比较6第4章 系统器件选择74.1 单片机的选择74.2 温度传感器的选择94.2.1 DS18B20 简介94.2.2 DS18B20 使用中的注意事项104.2.3 DS18B20 内部结构114.2.4 DS18B20测温原理124.2.5 提高DS18B20测温精度的途径134.3 显示及报警模块器件选择14第5章 硬件设计电路155.1 主控制器155.2 显示电路155.2.1 并行译码显示方式155.2.2 串行译码显示方式165.3 温度检测电路165.4 温度报警电路19第6章 软件设计216.1 概述216.2 主程序模块216.3 各模块流程设计226.3.1 温度检测流
11、程236.3.2 报警模块流程246.3.3 中断设定流程24第7章 总结和体会25参考文献26致谢27附录28数字显示温度计的设计与研究第1章 引言1.1 本文研究的背景目的和意义随着人们生活水平的不断提高，单片机无疑成为人们追求的目标之一。他给人们带来的方便是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子。但人们对他的要求越来越高，要是现代人工作，科研生活显得更好的更方便的设备需要从单片机技术入手，一切向着数字化发展，智能化控制为目标。通过课程设计是我进一步熟悉了单片机的内部结构和工作原理，掌握了单片机应用系统设计的基本方法和步骤。通过学习MCS-51单片机，了解单片机在自动化装置中的作用以
12、及掌握单片机的编程和调试方法，通过一个简单的实际输入控制以及显示系统，掌握protel和keil软件的使用。随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度传感器DS1620具有线性优良，性能稳定，灵敏度高，抗干扰能力强，使用方便等。广泛应用于冰箱，空调，粮仓等日常用生活中温度的测量和控制。1.2 国外研究状况最早的温度计是在1593年由意大利科学家伽利略(15641642)发明的。后来又相继出现华氏温度计、列式温度计、摄氏温度计，均用水银和酒精等制作，现在英、美国家多用华氏温度计，德国多用列氏温度计，而世界科技界和工农业生产中，以及我国、法国等大多数国家则多用摄氏温度计
13、。随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也在不断地改进和提高。由于测温范围变得越来越广，根据不同的要求，又制造出不同需要的测温仪器：气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、高温温度计等。而我需要研究的是数字温度计，它是通过一定的电路和温度传感器进行测控，将温度用数字准确的显示出来。数据显示比较直观而且测量精度也比较高，范围也比较大。1.3 国内研究状况随着国内外工艺的日益发展，温度检测技术也不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括一些几种方法：利用物体热胀冷缩原理制成的温度计，包括玻璃温度计、双金属温度计、压力温度计等；（2）利用热电效应技术制成的温
14、度检测元件利用此项技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍未应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用热电偶镍铬-镍硅、镍铬-康铜、铂铑-铂、铂锗30-铂锗6等； （3）利用热阻效应制成的温度计可分为电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏测温元件；（4）利用热幅原理制成的高温计辐射测温在近年相对其他的测温领域显得活跃些，热辐射高温计通常分为两种：一种是单色辐射高温计，一般称为光学高温计；另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射，。而受热物体放出的辐射能的多少，与他的温度有
15、一定的关系。热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的。（5）利用声学原理进行温度测量声学法温度检测技术是近年来发展起来的一项新技术，利用该技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布进行检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制。1.4本文研究主要内容本设计介绍数字显示温度计，具有方便测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示。该设计控制使用单片机AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阳极LED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。随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求有很大的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信
16、息基础的发展水平。单片机控制无疑是人们追求的目标之一。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，人民的生活与环境的温度息息相关，不仅在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要现实意义。第2章 设计内容及性能指标本课题主要研究如何利用DS18B20智能温度传感器实时显示温度.并利用DS18B20智能温度传感器、DS1302时间基准电路和单片小系统，设置一个数字温度采集系统。并设计一个人机接口电路, 并将其与LED
17、显示键盘合并使用，制成一个能实时显示温度的数字温度计。本次课题还要求学会并掌握电路的焊接与组装，软件的结构化编程，并对软件进行调试，掌握系统联调的方法。2.1温度检测技术介绍近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已取得了重大进展。新一代的温度检测元件正在不断地出现和完善化。（1）晶体管温度检测元件半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属打1-2个数量级，二极管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。（2）集成电路温度检测元件利用硅结晶管基极发射极间电压与温度关系（即半导体PN结的温度特性）进行
18、温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。目前，国内外业进行了生产。（3）磁核共振温度检测器所为磁核共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当于静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，成为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号是用于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可做理想的标准温度计之用。（4）热噪声温度检测器他的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性，其特点是：1.输出
19、噪声电压大小与温度是正比例关系；2.不受压力影响；3.感温元件的阻值几乎不影响测量精确度。所以它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和条件限制的温度检测器。（5）石英晶体温度检测器它采用LC或Y型切割的石英晶片的共振频率随温度的变化来制作的。它利用P技术，自动补偿石英晶片的非线性，测量精度较高，一般可检测到0.001，所以可做标准检测之用。（6）激光温度检测器激光测温特别适用于远程测量和特殊环境下的温度测量，用氦氖激光源的激光作反射计可测得很高的温度，精度达1%；用激光干涉和反射原理制作的温度检测器可测得更高温度，上限可达3000，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。（7）微
20、波温度检测器采用微波测温可以达到快速测量高温的目的。它是利用在不同的温度下，温度与控制电压呈线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为250kHZ/，精度为1%左右，检测范围为20-1400。（8）纯贵金属热电偶的研究由两种纯金属组成的热电偶，因其材料均匀性远优于合金材料，因而稳定性好得多。在铂铑合金热电阻（S，R型）的不确定度已很难提高之后，人们开始寻找由纯贵金属组成的热电偶，以代替S和R型热电偶，作为传递的标准。（9）信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表现代的工业进程自动化系统是现场总线控制系统，它是信息技术进入工业自动化后出现的新一大自动控制系统。现场总线是安装在制造或过程区域的现场装
21、置与控制室内的自动化装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。所有的现场仪表均接到现场总线上。在这样的系统中，通常不应使用各种不同输出的温度计，必须将输出转变成统一的电信号，这样的“温度计”就变成了“温度变送器”。在现场总线控制系统中的温度变送器主要是有热电偶和热电阻变送器，也有辐射温度变送器。第3章 系统方案论证与比较该系统主要由温度测量和数据采集两部分电路组成，实现的方法有很多种。下面对一种方案进行具体分析。AA采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成（热电偶的构成如图 3-1），热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差
22、电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有A/D 通道的单片机，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。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。UtBB图3-1热电偶电路图系统主要包括对A/D0809 的数据采集，自动手动工作方式检测，温度的显示等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。此外还有复位电路，
23、晶振电路，启动电路等。故现场输入硬件有手动复位键、A/D 转换芯片，处理芯片为51 芯片，执行机构有4 位数码管、报警器等。系统框图如图 3-2所示：数码管报警电路测温电路晶振电路复位电路单 片 机A/D0809按键防抖动图 3-2热电偶温差电路测温系统框图第4章 系统器件选择4.1 单片机的选择AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4kbytes 的可编程的 Flash 只读程序存储器,兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ISP），也可用传统方法进行编程，所以低价位 AT89S51单片机可为提供
24、许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。单片机AT89S51 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。主要特性如下1、与MCS-51 兼容2、4K字节可编程闪烁存储器3、寿命：1000写/擦循环4、数据保留时间：10年5、全静态工作：0Hz-24Hz6、三级程序存储器锁定7、28*8位内部RAM8、32可编程I/O线9、两个16位定时器/计数器10、5个中断源11、可编程串行通道12、低功耗的闲置和掉电模式13、片内振荡器和时钟电路 图 4-1 AT89S51单片机引
25、脚图AT89S51 引脚功能介绍 AT89S51 单片机为40 引脚双列直插式封装。 其引脚排列和逻辑符号如图4-1 所示。各引脚功能简单介绍如下：1、VCC：供电电压 2、GND：接地 3、P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高。4、P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“
26、1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。5、P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2
27、口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。6、P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口：P3.0 RXD(串行输入口)l P3.1 TXD(串行输出口)l P3.2 INT0(外部中断0)l P3.3 INT1(外部中断1)l P3.4 T0(记时器0外部输入)l P3.5 T1(记时器1外部输入)l P3.6 WR (外部数据存储器写选通)l P3.7 R
28、D (外部数据存储器读选通)同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。7、RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。8、ALE / PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另
29、外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。9、PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。10、EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。11、XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。12、XTAL2：来自反向振荡器的输出。4.2 温度传感器的选择由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都
30、是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。4.2.1 DS18B20 简介DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域
31、。DS18B20 的性能特点如下：1.采用单总线专用技术，即可将通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无需经过其它变换电路，直接输出被测温度值(9位二进制数，含符号位)。2.测温范围为-55至+125，测量分辨率为0.0625。3.内含64位经过激光修正的只读存储器ROM。4用户可分别设定各路温度的上、下限。5.内含寄生电路。4.2.2 DS18B20 使用中的注意事项Dallas公司的单总线数字温度计DS18B20被广泛应用于测控系统中，如仓库、机房、温室等温度监控地点，DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：(1) 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS18B20操作部分最好采用汇编语
