基于单片机的测温系统

基于单片机的测温系统

摘要：随着时代的进步和发展，人们生活水平的不断提高，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。

本文将介绍一种基于单片机控制的测温系统，本测温系统与传统的测温系统相比，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，该设计控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B20，采用共阴极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示。 可以设置报警温度，当温度超过报警温度时，可以报警。 目录

1 设计要求 ………………………………………………………………………2 2 总体设计方案 …………………………………………………………………2

2.1 测温系统设计方案论证?????????????????????????2 2.1.1 方案一???????????????????????????????2 2.1.2 方案二???????????????????????????????2 2.2 方案二的总体设计框图?????????????????????????2

3 元器件的介绍和选定 …………………………………………………………3

3.1 主控制器(AT89C51) ??????????????????????????3 3.2 数码管????????????????????????????????3 3.3 温度传感器??????????????????????????????4

4 系统整体硬件电路 ……………………………………………………………7

4.1 主板电路???????????????????????????????7 4.2 报警电路???????????????????????????????7 4.3 键盘电路???????????????????????????????7 4.4 显示电路???????????????????????????????8 4.5 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路?????????????????9

5 系统软件流程图………………………………………………………………10

5.1 主程序流程图??????????????????????????????10 5.2 采集温度子程序流程图??????????????????????????11 5.2.1 DS18B20初始化子程序流程图??????????????????????11 5.2.2 DS18B20写入和读取子程序流程图????????????????????12

5.3 显示数据刷新子程序流程图????????????????????????14 5.4 键盘扫描子程序流程图??????????????????????????14

6总结与体会 ………………………………………………………………………16 参考文献……………………………………………………………………………16 附录1 ………………………………………………………………………………17 附录2 ………………………………………………………………………………18

1 设计要求

■基本范围0℃-110℃ ■精度误差小于0.5℃ ■LED数码直读显示

■可以任意设定温度的上限报警功能

2 总体设计方案

2.1测温系统设计方案论证 2.1.1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。

2.1.2 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。

2.2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所示，控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用DS18B20，用LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

LED

单片机复位 主 报警点按键调显 示 控2 制 温 器度 时钟振荡 传

图1 总体设计方框图

3 元器件选定

3.1 主控制器(AT89C51)

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 主要功能特性：

· 兼容MCS—51指令系统 · 32个双向I/O口

· 两个16位可编程定时/计数器 · 1个串行中断 · 两个外部中断源 · 可直接驱动LED · 低功耗空闲和掉电模式

· 4k可反复擦写(>1000次）Flash ROM · 可编程UARL通道 · 全静态操作0-24MHz · 128x8bit内部RAM · 共6个中断源 · 3级加密位

· 软件设置睡眠和唤醒功能

3.2 数码管

1） 显示电路采用共阴极LED数码管，从P1口输出段码。LED数码管的结构

LED数码管是由发光二极管构成的,亦称半导体数码管. 将条状发光二极管按照共阴极(负极)或共阳极(正极)的方法连接,组成\字,再把发光二极管另一电极作笔段电极,就构成了LED数码管.若按规定使某些笔段上的发光二极管就能显示从0～9的一系列数字。同荧光数码管、辉光数码管(NRT)相比它具有：体积小、功耗低、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应的时间短，能与TTL,CMOS电路兼容等的数显器件。 2） LED数码管的管脚排列

本次设计采用共阴极的LED数码管，其管脚排列如图2所示。

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图2 共阴极数码管及其管脚排列

3.3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3所示。 存储器与控制逻辑 I/O 64 温度传感器 位 ROM 高温触发器TH 和 高C 单 速低温触发器TL 线 缓接 存 口 配置寄存器 Vdd 8位CRC发生器

图3 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4所示。头２个字节包含测得的温度信息，

4

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4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 TMR1R0.11111.

图4 DS18B20字节定义

由表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 ..R1R000011011分辨率/位温度最大转向时间/ms910111293.75187.5375750.

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，

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