温度显示仪说明书Word文档格式.docx

温度显示仪说明书Word文档格式.docx

《温度显示仪说明书Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《温度显示仪说明书Word文档格式.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

DS18B20；

AT89S51

Temperaturedisplaydesignandresearch

Abstract

Inscienceandtechnologyisdevelopingcontinuously,temperaturemeasurementandcontrolappliedtomanyprofession,alongwiththedevelopmentoftheelectronicindustry,digitalinstrument,simpleoperation,quickresponsetouseenvironmentalrequirementsoftheadvantageofhigh,onthemarketgraduallyappearedmoreandmoredigitalthermometer.Practiceshowsthatthewholelow-powerhigh-precisionportabledigitaltemperaturedisplayconvenientuse,stablework,etc.,whichhasbroadprospectofapplication.Thisdesignintroductionoftemperaturedisplay,comparedwiththetraditionalthermometerreadingsconvenient,temperaturemeasurementiswide,thetemperatureisaccurate,itsoutputusingdigitaldisplay,etc.ThehighprecisiontemperaturedisplayadoptedbyDALLScompanyproductionsinglelinedigitaltemperaturesensorDS18B20,ithasuniquesinglelinebusinterfaceway.Thispapernarratestheappliessingle-chipATC89S51andtemperaturesensorDS18B20consistingofintelligenttemperaturedisplaythemainfunction,hardwarecompositionandsoftwaredesign.Themainfunctionofthesystemisthroughthetemperaturesensoroftemperaturearecollectedandfrequency-fieldonSCMprocessingtechnology,thenthroughdigitaltuberealizereal-timedynamicdisplaytemperature.Thewholesystemstructurecompact,simpleandreliable,flexibleoperation,strongfunction,highperformance-to-price,bettersatisfactionofthePeople'

sDailylifemonitoring,modernagriculturalproductionandresearchneeds.

Keywords:

temperaturesensor,Microcontroller,Display;

DS18B20,ATC89S51

目录

摘要1

Abstract2

引言4

第一章绪论5

1.1温度显示仪的发展历程6

1.2课题研究的目的和意义6

1.3本论文的主要工作内容7

第二章温度显示仪的设计方案选择7

2.1温度显示仪设计方案8

2.2设计方案的对比选择8

第三章系统硬件设计9

3.1硬件电路设计框图10

3.2系统总体结构与原理10

第四章硬件部分电路分析12

4.1单片机控制电路12

4.1.1选用单片机AT89S51的原因12

4.1.2单片机最小系统的应用12

4.2温度传感器电路13

4.2.1DS18B20的外形及性能13

4.2.2DS18B20与单片机的接口电路14

4.2.3DS18B20使用方法15

4.3温度显示电路16

4.3.1LED数码显示管16

4.3.2工作原理及电路17

4.4按键接口电路18

第五章系统软件设计19

5.1主程序流程图19

5.2读出温度子程序流程图20

5.3温度转换命令子程序流程图21

5.4显示数据刷新子程序流程图21

第六章调试与心得体会23

6.1调试23

6.2心得与体会23

参考文献24

致谢25

附件一原理图26

附件二PCB图27

附件三实物图28

引言

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学变化反应过程都对温度密切相关，因此温度检测控制是生产自动化的重要任务。

对于不同生产情况和工艺要求的温度检测，所采取的方案都有所不同。

无论你生活在哪里，从事什么工作，都无时无刻不在与温度打着交道。

自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。

在铜铁、石化、水泥、玻璃、医学等行业，可以说80%的工业部门不得不考虑着温度的因素。

温度作为一个不可或缺的重要参数，在社会各个领域都显得尤为重要，且要求温度检测越来越精确化和智能化。

目前能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域，如冰箱、冰柜的合格与否由许多指标决定，而制冷性能就是其中的一个重要指标，在最初那种人工目测检测中，不仅浪费人工，还存在很大的误差。

因此，研究温度的测量方法和装置也有重要的意义。

测量温度的关键是传感器，温度传感器的发展经历了三个阶段：

（1）传统的分立式温度传感器，

（2）模拟集成温度传感器，（3）智能集成温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟转向数字式，从集成化转向智能化。

本论文将介绍智能集成传感器DS18B20的结构特点及应用，并以此为传感器与单片机为控制器构成的温度测量的工作原理做了详细的介绍。

该产品适用于人民的日常生活和工、农业生产等[1-6]。

本论文以51单片机为主控制器，以数字式温度传感器DS18B20为传感元件，以四位LED数码管作为显示器件实时动态显示测量温度（十进制）。

通过独立式按键模块来实现温度上下限值的设定及温度的报警功能。

测温范围在-55~125℃，误差在±

0.5℃以内。

第一章绪论

1.1温度显示仪的发展历程

十七世纪是温度仪诞生和发展的最初阶段,这个物理仪器几乎比任何其它仪器都得到更广泛的应用。

现代的历史研究认为最早发明温度仪的科学家是伽利略，他于1592年发明了最早的气体温度计，最早的液体温度计是荷兰科学家华伦海特制造出来。

随着宇航、核能、冶金、材料、低温、微电子学和生物医学等方面的发展，对温度测量、控制的精度和范围提出了越来越高的要求，尤其是对温度的测量非但要准确，而且需读取数值更直观更方便，从而促进了温度测量和控制技术的迅速发展。

虽然水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。

可是它的缺点是刻度间隔通常都很密,不容易准确分辨,读数因难,而且它们的热容量还比较大,达到热平衡所需的时间较长,因此很难读准,并且使用非常不方便，而且水银有毒，玻璃管易碎。

后来出现代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性但测量精度很低，只能作为一个概略指示。

后来接着出现了热电阻温度计、热电偶温度计等。

随着大规模集成电路工艺的提高，又出现了多种集成的数字化温度传感器。

随着电子工业的发展，数字仪表反应速度快、操作简单，对使用环境要求不高的优点，市场上逐渐出现越来越多的温度显示仪，另外，纵观国际上现有的温度计的变化，总的趋势是从模拟向数字转变，相应的体积也在不断减小，并且一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

测量温度的关键是温度传感器，随着科学技术的发展，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：

特别是现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向[1-6]。

总之，从温度仪的诞生，发展到现在，温度仪对物理学和日常生活起着非常重要的作用。

1.2课题研究的目的和意义

温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。

在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一[1-6]。

比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内：

许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行;

炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。

没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。

可见，温度的测量和控制是非常重要的。

虽然数字式温度仪的应用己相当普遍，但是，伴随着新器件的诞生、新技术的涌现，在新需求的推动下，温度检测系统的整体结构、器件选择等方面仍需不断研究和创新。

本设计目的是研究与开发出结构简单、可靠性高、成本低、测温范围广、体积小、功耗低、精度高、显示直观特点的便携式数字温度仪。

由于所设计的系统将具有电路简单、采集温度精度高等许多优点，所有可广泛应用在不同场合，有很强的实际应用意义。

该设计也是我对大学所学到的东西做的一个综合应用，同时将增强我的动手能力和提出问题，分析问题，解决问题的能力，可以巩固自己的专业知识，为以后的进一步工作学习打下扎实的基础。

1.3本论文的主要工作内容

本文将针对传统的温度计，对温度传感器做出合理选择，并根据实际需要选择合适的主芯片和显示器，达到优化整体结构，提高温度检测精度，同时使系统具有测温范围广、体积小、功耗低、精度高、显示直观的优点，并保证系统结构简洁。

本论文的研究重点将放在温度传感器的选择、硬件设计和程序设计这三个方面。

总之，本课题研究以期研制出一套简洁实用、精确稳定、使用直观的数字温度显示仪。

第二章温度显示仪的设计方案选择

2.1温度显示仪设计方案

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，经放大电路后,送入A/D转换器进行A/D转换，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[12]。

这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

其基本框图如图2-1所示。

感温

电路

图2-1方案一电路结构框

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，选择一个适合的传感器，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。

其基本框图如图2-2所示。

报警

显示

单片机

温度传感器

检测目标

图2-2方案二电路结构框图

由于本课题研究以期研制出一套简洁实用、精确稳定、使用直观的温度显示仪。

以上两种方案，从多方面分析考虑采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单。

2.2设计方案的对比选择

温度传感器的选择及合理使用是测温系统设计的关键。

温度检测的传统方法是使用模拟传感器，那么一个温度量要经过感温元件、测量电路、放大电路、模数转换电路之后才能得到相应的数字量，这样须考虑的线路环节较多，相应测温装置中元器件数量降不下来，随之影响产品的可靠性和体积微缩化。

把被测温度这一非电模拟量转换成数字信号，将其处理过程的多个环节集成在单片IC（IntegratedCircuit）器件内部，是解决传统温度检测方法弊病的理想途径。

目前,典型的温度测控系统是由模拟式温度传感器、A/D转换电路和单片机组成。

自动化程度和可靠性较高,使用方便,得到了广泛应用。

但是由于模拟式温度传感器输出为模拟信号,必须经过A/D转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口,使得硬件电路结构复杂,成本较高[4]。

而以DS18B20为代表的新型单总线智能数字式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,与单片机接口几乎不需要外围元件,使得硬件电路结构简单，具有微型化的优点,特别适合做便携式数字温度计的温度传感器[7]。

由于采取高集成度设计，数字式传感器在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面与模拟传感器相比，都有明显的优点，具有较强的推广应用价值。

所以本设计选用美国DALLAS公司最新推出的DS18B20数字式温度传感器。

故本设计使用方案二进行设计。

第三章系统硬件设计

我们选用以51单片机为主控制器，以数字式温度传感器DS18B20为传感元件，以四位LED数码管作为显示器件实时动态显示测量温度（十进制）。

0.5℃以。

3.1硬件电路设计框图

该系统主要部分由温度传感器、单片机系统、报警系统、按键调节及数码显示系统组成。

其基本功能是：

以数字式温度传感器DS18B20为传感元件，由温度传感器测量当前温度，将非电量的温度值转换为电量输出并将结果送入单片机。

然后，通过AT89S51单片机芯片对送入的测量温度读数进行计算和转换，并将此结果送入显示模块。

最后，以四位LED数码管作为显示器件实时动态显示温度（十进制）。

本系统的总体框图如图3-1所示。

检

测目标

显示

报警

图3-1系统总体设计框图

3.2系统总体结构与原理

本电路主要由DS18B20温度传感器芯片通用显示模块和AT89C51单片机芯片组成。

其中，DS18B20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结果送到单片机的工作。

本系统测温范围在-55~125℃，误差在±

当温度超出所设上下温度报警值时,系统不但会显示当时温度值,同时也会发出报警鸣叫声告知用户温度异常，并且可以手动设置上下温度报警值。

系统总体结构与原理如图3-2所示。

图3-2系统总体结构与原理

第四章硬件部分电路分析

4.1单片机控制电路

4.1.1选用单片机AT89S51的原因

本系统的中央控制单元选用的是Atmel公司单片机AT89S51[1]。

选用单片机AT89S51的原因：

Atmel的AT89S51芯片完全兼容C51系统单片机各项属性。

AT89S51芯片直接支持ISP下载编程调试。

ISP（In-SystemProgramming）在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。

ISP技术是未来发展方向。

ISP技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即成成品，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便[12]。

4.1.2单片机最小系统的应用

单片机最小系统，是指在尽可能少的外部电路的条件下，形成一个可以独立工作的单片机系统[1]。

1.电源必不可少。

2.时钟电路采用内部振荡方式，外接一个频率为6MHZ的晶体。

3.复位电路由10UF的电容器与正电源相连，构成上电自动复位电路。

4.EA引脚接到正电源端，使用片内程序存储器。

本设计中单片机最小系统电路图如图4-1所示。

图4-1本设计中单片机最小系统电路图

4.2温度传感器电路

随着数字电子技术的不断发展，传统工业所使用的一些模拟信号设备正在不断升级[7]。

例如，传统的温度检测系统多数采用热敏电阻作为传感器，这种方式需要设计专门的模拟接口电路，并且要将采集的温度模拟信号转换为数字信号，单片机才能处理。

相对而言成本高、设计复杂、精度低。

目前，很多温度检测系统已采用单总线数字式温度传感器进行处理，由于采用了数字式设备，接口电路较简洁，而且可以直接得到温度的数字量给单片机处理。

4.2.1DS18B20的外形及性能

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，是一线式数字式温度计芯片，体积更小、适用电压更宽、更经济。

它具有结构简单，不需外接元件，线路简单，体积小的特点。

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，使系统设计更灵活、方便[7]。

DS18B20的管脚排列如下：

引脚定义：

（1）GND为电源地；

（2）DQ为数字信号输入/输出端；

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

图4-2DS18B20外形图

其性能如下[13]：

●独特的单线接口方式，仅一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；

●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，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；

●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；

●零待机功耗；

●分辨率为9～12位，可实现高精度测温；

●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。

4.2.2DS18B20与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电：

一种是寄生电源供电方式，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。

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[8]。

另一种是采用外部电源供电方式，在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。

在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度。

外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。

故本设计采用外部电源供电方式，电路如图4-3所示。

图4-3DS18B20与单片机接口电路

4.2.3DS18B20使用方法

由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问[8]。

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。

该协议定义了几种信号的时序：

初始化时序、读时序、写时序。

所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。

而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。

数据和命令的传输都是低位在先。

（1）DS18B20的复位时序

图4-4DS18B20的复位时序图

（2）DS18B20的读时序

对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。

对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。

DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。

图4-5DS18B20的读时序图

（3）DS18B20的写时序

对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。

对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。

图4-6DS18B20的写时序图

4.3温度显示电路

4.3.1LED数码显示管

LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段，根据内部发光二极管的连接形式不同，LED有共阴极和共阳极两种[1-6]。

共阴极LED数码显示器内部所有发光二极管阴极连接在一起，形成公共阴极，一般接地（或低电平）。

当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。

共阳极LED数码显示器内部所有发光二极管阳极连接在一起，形成公共阳极，一般接电源正极（或高电平）。

当某个发光二极管的阴极接低电平时，该发光二极管点亮。

为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，因为这些代码与要显示的字形相对应，因此称之为字形码。

LED七段数码显示器共有8个发光二极管，需要一个8位端口去控制，因此提供给LED的字形码也是8位的。

组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码显示器的显示段码为1个字节。

各段码位的对应关系如下：

段码位

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D