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基于单片机的可调电子时钟温度计

湖南铁道职业技术学院腾飞电子设计大赛

基于单片机的可调电子时钟温度计

班级铁通102班

姓名花良胜

基于单片机的电子时钟及温度计设计

设计背景

设计背景设计背景

设计背景：

1957年,Ventura发明了世界上第一个电子表，而奠定了电子时钟的基础，电子时钟开始迅速发展起来。

现代的电子时钟是基于单片机的一种计时工具，采用延时程序产生一定的时间中断，用于一秒的定义，通过计数方式进行满六十秒分钟进一，满六十分时进一，满二十四小时小时清零。

从而达到计时的功能，是人民日常生活不可缺少的工具。

数字式电子钟用集成电路计时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。

在这里我们将已学过的比较零散的数字电路的知识有机的、系统的联系起来用于实际，来培养我们的综合分析和设计电路，写程序、调试电路的能力。

方案一

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。

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，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、

方案二

采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。

便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。

且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。

在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。

DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。

这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。

采用51单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信上传数据，另外AT89S51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

该系统利用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。

该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。

DS18B20温度测温系统框图

从以上两种方案，容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。

方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单，故本次设计采用了方案二

设计目的

设计目的设计目的

设计目的：

应用单片机控制技术，设计出以89c51单片机为核心的电子时钟，电子时钟能够显示时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，而且其片选的灵活性强。

设计目标

设计目标：

在1602液晶上显示相应的时间，并通过一个控制键来

实现时间的调整和是否进入省电模式的转换。

单片机；电子时钟；键盘控制

332．1单片机的型号选择

通过对多种单片机性能的分析，最终认为89C51是最理想的电子时钟开发芯片。

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，而且它与MCS-51兼容，且具有4K字节可编程闪烁存储器和1000写/擦循环，数据保留时间为10年等特点，是最好的选择。

单片机的选择

对于单片机的选择，可以考虑使用8031与8051系列，由于8031没有内部RAM，系统又需要大量内存存储数据，因而不适用。

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8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

●与MCS-51兼容

●4K字节可编程闪烁存储器

●寿命：

1000写/擦循环

●数据保留时间：

10年

●全静态工作：

0Hz-24Hz

●三级程序存储器锁定

●128*8位内部RAM

●32可编程I/O线

●两个16位定时器/计数器

●5个中断源

●可编程串行通道

●低功耗的闲置和掉电模式

●片内振荡器和时钟电路

图4.1AT89S51单片机引脚图1

89S51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：

●VCC：

供电电压

●GND：

接地

●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。

●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，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。

●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口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

●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AT89C51的一些特殊功能口：

P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（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。

●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。

●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。

●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。

●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）。

●XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

●XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

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。

DS18B20简单介绍

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。

DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

温度测量范围为-55～+125摄氏度，可编程为9位～12位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

DS18B20的性能特点如下：

●独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯

●DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温

●DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内

●适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电

●温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃

●零待机功耗

●可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温

●在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快

●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

●测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力

●负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作以上特点使DS18B20非常适用与多点、远距离温度检测系统。

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。

DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图4.2所示，DQ为数据输入/输出引脚开漏单总线接口引脚。

当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源；GND为地信号；VDD为可选择的VDD引脚。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

DS18B20使用中的注意事项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：

●DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示85。

●在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V左右，若电源电压过低，会使所测得的温度精度降低。

●较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820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DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。

●在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此，当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

●在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。

闪速ROM的结构如下：

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。

主机操作ROM的命令有五种，如表所列

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。

高速暂存RAM结构图前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。

温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRCLSB

MSB指令说明

读ROM（33H）读DS1820的序列号匹配ROM（55H）继读完64位序列号的一个命令，用于跳过ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作将针对搜ROM（F0H）识别总线上各器件的编码，为操作各报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响当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。

单片机可通过单线接口读到该数据。

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。

图中，表示位。

对应的温度计算：

当符号位S=0时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，表示测得的温度植为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。

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温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。

表2是部分温度值对应的二进制温度表示数据。

表2部分温度值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

因此，可用多只

DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。

主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

DS18B20的测温原理如图2所示，图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震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，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后进行计数，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℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器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2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用，于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为：

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

图

（2）DS18B20测温原理图在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：

首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。

考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：

Ts=（Tz-0.25℃）+（CD-Cs）/CD

（1）、DS1820高精度测温的理论依据

DS1820正常使用时的测温分辨率为0.5℃，这对于水轮发电机组轴瓦温度监测来讲略显不足，在对DS1820测温原理详细分析的基础上，我们采取直接读取DS1820内部暂存寄存器的方法，将DS1820的测温分辨率提高到0.1℃～0.01℃．DS1820内部暂存寄存器的分布如表1所示，其中第7字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器1的计数剩余值，第8字节存放的是每度所对应的计数值，这样，我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果。

首先用DS1820提供的读暂存寄存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度整数部分T整数，然后再用BEH指令读取计数器1的计数剩余值M剩余和每度计数值M每度，考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度T实际可用下式计算得到：

T实际=（T整数－0.25℃）+（M每度－M剩余）/M每度。

表1DS18B20暂存寄存器分布该字节各位的定义如下：

低5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决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。

R1R0分辨率温度最大转换时/mm

1112位750.00表1R1和R2模式表由表1可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。

因此，在实际应用中要在

分辨率和转换时间权衡考虑。

高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如

下所示。

其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第6～8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。

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）、测量数据比较

表2为采用直接读取测温结果方法和采用计算方法得到的测温数据比较，通过比较可以看出，计算方法在DS1820测温中不仅是可行的，也可以大大的提高DS1820的测温分辨率。

表2DS18B20直度测温结果与计算测温结果数据比较TMR1R01

）、显示及报警模块器件选择显示及报警模块器件选择显示及报警模块器件选择显示及报警模块器件选择在本设计中温度测量范围为0℃～＋125℃，精度为±0.5℃，因此只需要液晶就可以完成相关的显示功能，报警器可以用有源蜂鸣器配合三极管来代替。

温度计电路设计原理图如图5.1所示,控制器使用单片机AT89C2051,温度计传感器使用DS18B20,

用液晶实现温度显示。

本温度计大体分三个工作过程。

首先，由DS18820温度传感器芯片测量当前的温度，并将结果送入单片机。

然后，通过89C205I单片机芯片对送来的测量温度读数进行计算和转换，井将此结果送入液晶显示模块。

最后，SMC1602A芯片将送来的值显示于显示屏上。

由图1可看到，本电路主要由DSl8820温度传感器芯片、SMCl602A液晶显示模块芯片和89C2051单片机芯片组成。

其中，DSI8B20温度传感器芯片采用“一线制”与单片机相连，它独立地完成温度测量以及将温度测量结果送到单片机的工作。

单片机AT89C2051具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好满足电路系统的设计需要，很合适携手特式产品的使用。

主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。

必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。

显示电路显示电路

显示电路采用SMCI602A液晶显示模块芯片该芯片可显示16×2个字符，比以前的七段数码管

LED显示器在显示字符的数量上要多得多。

另外，由于SMCl602芯片编程比较简单，界