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1、 学生毕业设计（论文）报告 系 别：电子与电气工程学院 专 业：电子信息工程 班 号：电子 0 8 5 学 生 姓 名：学 生 学 号：080012212 设 计（论 文）题 目：基于AT89C51的数字温度计的设计 指 导 教 师：设 计 地 点：起 迄 日 期：2010.5.4-2010.7.3 毕业设计（论文）任务书 目录 摘要 Abstract 第 1 章 前言.1 第 2 章 数字温度计总体设计方案.2 2.1 数字温度计设计方案.2 2.2 总体设计框图.2 第 3 章 数字温度计的硬件设计.3 3.1 主控制器 AT89C51.3 3.1.1 AT89C51 的特点及特征.3 3
2、.1.2 管脚功能说明.3 3.1.3 片内振荡器.5 3.1.4 芯片擦除.5 3.2 单片机的主板电路.6 3.3 温度采集部分的设计.6 3.3.1 温度传感器 DS18B20.6 3.3.2 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路.10 3.4 显示部分设计.10 3.4.1 74LS164 引脚功能及特征.10 3.4.2 温度显示电路.11 3.5 报警系统电路.12 第 4 章 数字温度计的软件设计.13 4.1 系统软件设计流程图.13 4.2 数字温度计部分程序清单.15 第 5 章 结束语.20 答谢辞 参考文献 摘 要 随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人
3、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。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 AT89C51，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。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。此外本文还介绍了数字温度计的硬件设计和软件设计，硬件设计主要包括主控制器、单片机的主板电路、温度采集部分电路、显示电路以及报警系统电路。软件设计包括系统软件的流程图和数字温度计的部分程序清单。关
4、键词：AT89C51 单片机，数字控制，测温传感器，多功能温度计 Abstract As peoples living standard rising,SCM is undoubtedly one of the objectives pursued by the people,the convenience it brings is equally negative,and one digital thermometer is a typical example.The design presented in the traditional thermometer digital thermo
5、meter and compared with a reading convenience,a wide range of temperature measurement,temperature measurement accuracy,the output of the temperature digital display.The design of the controller using microcontroller AT89C51,temperature sensor uses DS18B20,with three common anode LED digital tube to
6、serial transmission of data,to achieve temperature display.The thermometer is multi-functional thermometer,you can set the upper and lower alarm temperature range when the temperature is not set,you can alarm.Besides,the paper also describes the digital thermometer in hardware design and software de
7、sign,hardware design includes the main controller,microcontroller circuit board,the temperature acquisition part of the circuit,display circuit and the alarm system circuit.Software design,including system software flow chart and the digital thermometer in the part of the program list.Key words:AT89
8、C51 microcontroller,digital control,temperature sensor,multi-function thermometer 第 1 章 前言 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，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。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
9、差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差，所以传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点。本文是以单片机 AT89C51 为核心，通过 DALLAS 公司的单总线数字温度传感器 DS18B20 来实现环境温度的采集和 A/D 转换，用来测量环境温度，温度分辨率为 0.0625，并能数码显示。因此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，适用范围宽其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现等特点。数字式温度计的设计将给人们的生活带来很大的方便，为人们生活水平的提高做出了贡献。数字温度计在以后将应用于我们生产和生活的各个方面，数字式温度计的众多优点告诉我们：
10、数字温度计将在我们的未来生活中应用于各个领域，它将会是传统温度计的理想的替代产品。第 2 章 数字温度计总体设计方案 2.1 数字温度计设计方案 方案 一：采用热敏电阻器件，利用其感温效应，再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，利用单片机进行数据的处理，然后在显示电路上，将被测温度显示出来。方案 二：利用温度传感器，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。分析上述两种方案可以看出方案一是使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，进行 A/D
11、 转换后，利用单片机进行数据的处理，在显示电路上被测温度显示出来，这种设计需要用到 A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。方案二是利用温度传感器直接读取被测温度，读数方便，测温范围广，测温精确，适用范围宽而且电路简单易于实现。综合方案一和方案二的优缺点，我们选择方案二。2.2 总体设计框图 温度计电路设计总体设计方框图如图2-1所示，控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用 DS18B20，用 4 位 LED 数码管以串口传送数据实现温度显示。图 2-1 总体设计方框图 主 控 制 器 L E D 显 示 温度传感器 单片机复位 时钟振荡 报警点按键调整 第 3 章 数字温度计硬件设计 3
12、.1 主控制器 AT89C51 3.1.1 AT89C51 的特点及特性：40 个引脚，4K Bytes FLASH 片内程序存储器，128 Bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89C51 在空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP和PLCC等
13、三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：兼容 MCS-51 指令系统 4k 可反复擦写(1000 次）ISP FLASH ROM 32 个双向 I/O 口 4.5-5.5V 工作电压 2 个 16 位可编程定时/计数器 时钟频率 0-33MHZ 全双工 UART 串行中断口线 128X8 BIT 内部 RAM 2 个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3 级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的 ISP 字节和分页编程 双数据寄存器指针 3.1.2 管脚功能说明：AT89C51 管脚如图 3-1 所示：图 3-1 AT89C51 管脚图 （1）V
14、CC：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，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 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 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。（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 1 后，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
15、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，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，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 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控
16、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，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断 0）P3.3/INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P
17、3 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 指令是 ALE 才起作用。另外
18、，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指期间，每个机器周期两次/PSEN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，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。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，此间内部程序存储器。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
19、入。（12）XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.3 片内振荡器：该反向放大器可以配置为片内振荡器，如图 3-2 所示。图 3-2 片内振荡器 3.1.4 芯片擦除：整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻
20、结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。单片机 AT89C51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。单片机 AT89C51 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。3.2 单片机主板电路 单片机AT89C51是数字温度计的核心元件，单片机的主板电路如图3-3所示，包括单片机芯片、报警系统电路、晶振电路、上拉电阻以及与单片机相连的其他电路。图 3-3 单片机的主板电路 3.3 温度采集部分的设计 3.
21、3.1 温度传感器 DS18B20 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 912 位的数字值读数方式。TO92 封装的 DS18B20 的引脚排列见图 3-4，其引脚功能描述见表 3-1。表 3-1 DS18B20 详细引脚功能描述 序号 名称 引脚功能描述 1 GND 地信号 2 DQ 数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄电源下，也可以向器件提供电源。3 VDD 可选择的 VDD 引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。图 3-
22、4 DS18B20 引脚排列 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 3.05.5V；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 PR35 封装或 8 脚 SOIC 封装，其内部结构框图如图 3-5所示。图 3-5 DS18B20 内部结构 64 位 ROM 的结构开始 8 位是
23、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I/O C 64 位 R O M 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 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3-6 所示。头 8 个字节包含测得的温度信息，第
24、 8 和第 8 字节 TH 和 TL 的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第 8 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3-6 所示。低 8 位一直为，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 8，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。TM R11R01 1 1 1.图 3-6 DS18B20 字节定义 由表 3-2 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
25、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。表 3-2 DS18B20 温度转换时间表 R1 R0 分辨率（位）温度最大转向时间（ms）0 0 9 93.75 0 1 10 187.5 1 0 11 375 1 1 12 750 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 就以 1
26、6 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 0.0625LSB 形式表示。当符号位 S0 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 S1 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 3-3 是一部分温度值对应的二进制温度数据。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 TTH 或 TTL，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
27、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
28、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。表 3-3 一部分温度对应值表 温度/
29、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-55 111
30、1 1100 1001 0000 FC90H 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。3.3.2 DS18B20 温度传感器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3-7 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
31、 MOSFET 管来完成对总线的上拉。图 3-7 DS18B20 与单片机的接口电路 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。由于 DS18B20 是在一根 I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。3.4 显示部分电路设计 3.4.1 74LS164 引脚功能及特性 74LS164 是一个串入并出的 8 位移位寄存器，他常用于单片机系统中，下面总
32、结一下这个元件的基本知识 如图3-10为74LS164引脚图，图3.11为74LS164内部功能图。图 3-10 74LS164 引脚 图 3-11 74LS164 内部功能图 串行输入带锁存 时钟输入,串行输入带缓冲 异步清除 最高时钟频率可高达 36MHZ 功耗：10mW/bit 74 系列工作温度：0C 70C Vcc 最高电压：7V 输入最高电压：7V 高电平：-0.4mA.低电平：8mA.3.4.2 温度显示电路 温度显示电路（如图 3-12）采用 4 位共阳 LED 数码管，从 P3 口 RXD,TXD串口输出段码。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，
33、该显示电路只使用单片机的 3 个端口：P1.7，P3.0，P3.1，并配以 4片串入并出移位寄存器 74LS164（LED 驱动）四只数码管采用 74LS164 右移寄存器驱动，显示比较清晰。其工作过程如下：1.串行数据由 P3.0 发送，移位时钟由 P3.1 送出。2.在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入 74LS164中。3.四片 74LS164 串级扩展为 4 个 8 位并行输出口，分别连接到 4 个 LED 显示器的段选端作静态显示。图 3-12 温度显示电路 3.5 报警系统电路 在图 3-13 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 L
34、ED 数码管将没有被测温度值显示。图中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置,图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。图中的按健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。图 3-13 报警系统电路 发 DS18B20 复位命令 发跳过 ROM 命令 发温度转换开始命令 结束 第 4 章 数字温度计的软件设计 4.1 系统软件设计的流程图 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
35、度子程序，显示数据刷新子程序等。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 4-1 所示。图 4-1 主程序流程图 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 4-2 所示。图 4-2 温度转换流程图 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 计算温度子程序将
36、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 4-3 示。图 4-3 计算温度流程图 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 4-4。图 4-4 显示数据刷新流程图 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 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 4.2 数字温度计部分程序清单 参考文献 1李勋，刘源，李新民 单片机实用教程M 北京航空航天大学出版社，2000 2李朝青 单片机原理及接口技术（简明修订版）M 杭州：北京航空航天大学出版社，1998 3李广弟 单片机基础M 北京：北京航空航天大学出版社，1994 4阎石 数字电子技术基础（第三版）M 北京：高等教育出版社，1989 5廖常初 现场总线概述J 电工技术，1999 6王津 单片机原理与应用M 重庆大学出版社，2000