安陽師范學(xué)院本科學(xué)生畢業(yè)論文基于 51單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)作 者 系（院） 物理與電氣工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 年 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 日 期 2012.05.12 成 績(jī) 學(xué)生誠信承諾書本人鄭重承諾：所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得安陽師范學(xué)院或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。所有合作者對(duì)本研究所作的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明和表示了。簽名： 日期： 2012-05-12 論文使用授權(quán)說明本人完全了解安陽師范學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 第 0 頁基于 51單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)張兆元（安陽師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院， 河南 安陽 455000）摘 要：用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的測(cè)溫系統(tǒng)，其精度高，穩(wěn)定性好，并選用了美國 DALLAS 公司最新推出的 DSl8B20 一線式數(shù)字溫度傳感器，并給出了數(shù)字溫度傳感器的硬件接口電路及軟件設(shè)計(jì)方法，通過發(fā)光數(shù)碼管顯示溫度。關(guān)鍵詞：STC89C52；DSl8B20；測(cè)溫；1 引言隨著現(xiàn)代信息科技的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn),能夠獨(dú)立工作的溫度檢測(cè)和顯示系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)以熱敏電阻為溫度敏感元件,熱敏電阻成本低,但需要接信號(hào)處理電路,而且熱敏電阻的可靠性較差,測(cè)量溫度的準(zhǔn)確度低,檢測(cè)系統(tǒng)的精度差。而今電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，采用單片機(jī)進(jìn)行溫度檢測(cè)、數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)的傳送，具有效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)實(shí)地控制等技術(shù)要求，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛。2 技術(shù)要求在三位數(shù)碼管上顯示當(dāng)前采集到的環(huán)境溫度，并精確到 0.1 度。3 方案論證3.1 恰當(dāng)?shù)剡x擇溫度傳感器方案 1：用熱敏電阻做為溫度傳感器。通過采集各個(gè)時(shí)間內(nèi)的電壓，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，經(jīng)過電壓與溫度的轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)，測(cè)量出溫度。方案 2：用 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器。DS18B20 是 DS1820 的換代產(chǎn)品,它與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同,它能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 912 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其內(nèi)部集成了溫度的傳感器及 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，通過讀取片內(nèi)數(shù)據(jù)，測(cè)量出溫度。 由于用熱敏電阻作為溫度傳感器誤差較大，可靠性相對(duì)較差，且不方便調(diào)試校準(zhǔn)；而DS18B20 測(cè)量精度高，集成度高，方便調(diào)試，線路簡(jiǎn)單。所以本設(shè)計(jì)采用方案 2。 3.2 顯示器件的選擇方案 1：采用液晶顯示，此種顯示方式，液晶耗電量少，能顯示復(fù)雜的符號(hào)圖形。方案 2：采用發(fā)光數(shù)碼管顯示，此種顯示亮度高，且編程簡(jiǎn)單。考慮到本系統(tǒng)顯示簡(jiǎn)單，液晶價(jià)格貴且亮度低，所以選用方案 2。4 硬件設(shè)計(jì)4.1 關(guān)于單片機(jī)單片機(jī)是一種集成電路，即采用大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的 CPU（中央處理器） 、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM（random access memory ） 、只讀存儲(chǔ)器 ROM（Read-Only Memory ） 、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能，還可以包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈第 1 頁寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路，集成到一塊硅板上構(gòu)成的一個(gè)小而精密的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 我選用的單片機(jī)是 stc89c52，它是深圳宏晶科技生產(chǎn)的，具有低功耗高性能的優(yōu)點(diǎn)。并且有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器， 512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，內(nèi)帶 4K 字節(jié) EEPROM 存儲(chǔ)空間。4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2.1 了解 51 單片機(jī)的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 4.1.1 單片機(jī)的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中，較為重要的是串行端口。串行通信是數(shù)據(jù)的各位在同一根數(shù)據(jù)線上依次逐位發(fā)送或接收。P3.0 口的第二功能是串行數(shù)據(jù)的輸入口（RXD） ，p3.1 口的第二功能是串行數(shù)據(jù)的輸出口(TXD)。4.2.2 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，畫出外部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電路總圖見附錄一圖 4.2.2 外部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第 2 頁圖 4.3.3 DS18B20 實(shí)物圖4.3 溫度傳感器模塊4.3.1 DS18B20 溫度傳感器介紹DS18B20 是美國 Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易兼容微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度傳感器轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供處理器處理。4.3.2 DS18B20 溫度傳感器特性（1） 適應(yīng)電壓范圍寬，電壓范圍在 3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。（2） 獨(dú)特的單線接口方式，他與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20 的雙向通信。（3） 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。（4） 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路形如多只三極管的組成電路。（5） 測(cè)溫范圍-55C +125C，在-10C +85C 時(shí)精度為正負(fù) 0.5C。（6） 可編程分辨率為 912 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 0.5C，0.25C，0.125C，0.0625C，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。（7） 在 9 位分辨率時(shí)，最多在 93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換數(shù)字；12 位分辨率時(shí)，最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，顯然速度很快。（8） 測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。CRC 即循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check）：是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，其特征是信息字段和校驗(yàn)字段的長度可以任意選定。（9） 負(fù)壓特性。電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。4.3.3 引腳介紹DS18B20 實(shí)物圖如圖所示。4.3.4 DS18B20 與單片機(jī)的連接第 3 頁主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，他們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號(hào)線。當(dāng)只有一個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)可按單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作；當(dāng)有多個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)則按多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。設(shè)備（主機(jī)或從機(jī)）通過一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能釋放總線，而讓其他設(shè)備使用總線。單總線通常要求外接一個(gè)約為5k 的 上 拉 電 阻 ， 如 圖 所 示 。圖 4.3.4 DS18B20 和單片機(jī)的連接從圖可以看出，DS18B20 和單片機(jī)的連接非常簡(jiǎn)單，單片機(jī)只需要一個(gè) I/O 口就可以控制 DS18B20。這個(gè)圖的接發(fā)是單片機(jī)與一個(gè) DS18B20 通信，如果要控制多個(gè) DS18B20 進(jìn)行溫度采集，只要將所有 DS18B20 的 I/O 口全部連接到一起就可以了。在具體操作時(shí)，通過讀取各個(gè) DS18B20 內(nèi)部芯片的序列號(hào)來識(shí)別。4.3.5 DS18B20 的工作原理硬件電路連接好以后，對(duì)于單片機(jī)需要怎樣工作才能將 DS18B20 中的溫度數(shù)據(jù)讀取出來，下面將給出詳細(xì)分析。其控制 DS18B20 的指令：33H讀 ROM。讀 DS18B20 溫度傳感器 ROM 中的編碼（即 64 位地址） 。44H操作 RAM。發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，結(jié)果存入 9 字節(jié) RAM。55H匹配 ROM。發(fā)出此命令后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單總線上與該編碼對(duì)應(yīng)的 DS18B20 并使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該 DS18B20 的讀/寫做準(zhǔn)備。F0H搜索 ROM。用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個(gè)數(shù)，識(shí)別 64 位 ROM 地址，為操作各器件做好準(zhǔn)備。CCH跳過 ROM。忽略 64 位 ROM 地址，直接向 18B20 發(fā)溫度變換命令，適用于一個(gè)從機(jī)工作。ECH告警搜索命令。執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的芯片才作出響應(yīng)。以上這些指令涉及的存儲(chǔ)器是 64 位光刻 ROM，表 1 列出了它的各個(gè)定義。表 1 64 位光刻 ROM 各位定義8 位 48 位 8 位CRC 碼 序列號(hào) 產(chǎn)品類型編號(hào)第 4 頁64 位光刻 ROM 中的序列號(hào)是出廠前被光刻好的，他可以看做該 DS18B20 的地址序列碼。其各位排列順序是：開始 8 位為產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接下來 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后 8 位是前 56 位的 CRC 循環(huán)校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1） 。光刻 ROM 的作用是使每一個(gè)DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一條總線上接掛多個(gè) DS18B20 的目的。4.3.6 DS18B20 的工作時(shí)序圖下圖為時(shí)序圖中各個(gè)總線狀態(tài)。（1）初始化時(shí)序圖如下圖 5 所示。先將數(shù)據(jù)線至高電平 1. 數(shù)據(jù)線拉到低電平 0。 延時(shí)（該時(shí)間要求不是很嚴(yán)格，但是要盡可能短一點(diǎn) 延時(shí) 750s（該時(shí)間范圍可在 480960s） 。 數(shù)據(jù)線拉到高電平 1。 延時(shí)等待。如果初始化成功則在 1560s 內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由 DS18B20 返回的低電平 0，據(jù)該狀態(tài)可以確定溫度傳感器 ds18b20 的存在。但是應(yīng)注意，不能無限地等待，不然會(huì)使程圖（1） DS18B20 初始化時(shí)序圖圖 4.2.6 時(shí)序圖中各個(gè)總線態(tài)第 5 頁序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時(shí)判斷。若 CPU 讀到數(shù)據(jù)上的低電平 0 后，還要進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)的時(shí)間從發(fā)出高電平算起（第步的時(shí)間算起）最少要 480s。將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平 1 后結(jié)束。（2）DS18B20 寫數(shù)據(jù)時(shí)序圖如下圖 6 所示。寫數(shù)據(jù)步驟：數(shù)據(jù)線先置低電平 0。掩飾確定的時(shí)間為 15s。按從低位到高位的順序發(fā)送數(shù)據(jù)（一次只發(fā)送一位） 。延時(shí)時(shí)間為 45s。將數(shù)據(jù)線拉到高電平 1。重復(fù)循環(huán) 步驟，直到發(fā)送完整個(gè)字節(jié)，注意最后將數(shù)據(jù)線拉到高位 1。（1） DS18B20 讀數(shù)據(jù)時(shí)序圖如下圖 7 所示。（3）DS18B20 寫數(shù)據(jù)時(shí)序圖如上圖所示。寫數(shù)據(jù)步驟： 將數(shù)據(jù)線拉高到 1.圖（2） DS18B20 寫數(shù)據(jù)圖（3） DS18B20 讀數(shù)據(jù)第 6 頁 延時(shí) 2s。 將數(shù)據(jù)線拉低到 0. 延時(shí) 6s。 將數(shù)據(jù)線拉高到 1。 延時(shí) 4s。 讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到一個(gè)狀態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。重復(fù) 步驟，直到讀取完一個(gè)字節(jié)后延時(shí) 30us。時(shí)序圖見上圖。4.4 顯示模塊采用三位一體共陰數(shù)碼管顯示溫度，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)使用鎖存器 74hc573。采用動(dòng)態(tài)顯示的原理，故段選和位選都用 p0 口，通過 p2.6 口和 p2.7 口確定位或者段的選通，接法見附錄電路原理圖。5 軟件設(shè)計(jì)5.1 總程序流程圖 總程序流程圖如下圖所示。圖 5.1 總程序流程圖5.2 程序設(shè)計(jì)其源程序見附錄三。6 安裝調(diào)試安裝調(diào)試時(shí)，數(shù)碼管會(huì)出現(xiàn)亮度不均勻或是數(shù)碼管中有個(gè)別不顯示的現(xiàn)象，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種原因的可能是因?yàn)楹附拥臅r(shí)候有虛焊、選用的上拉電阻阻值過大，或是接元器件的時(shí)候無意間把鎖存器控制位導(dǎo)線弄斷所導(dǎo)致。6.1 數(shù)碼管引腳的判斷用 5v 的直流電源串電阻接在數(shù)碼管十二個(gè)引腳上，可以判斷出各個(gè)引腳代表哪一段和第 7 頁哪一位，其中 6 號(hào)引腳不起作用。哪個(gè)是 6 號(hào)引腳呢？讓三位數(shù)碼管正對(duì)自己右下角的引腳為 1 號(hào)引腳，逆時(shí)針依次為 2、3、4、5、6、7、8、9、12 號(hào)引腳。判斷出它的內(nèi)部電路圖如下圖所示。圖 6.1 數(shù)碼管內(nèi)部電路圖6.2 排除故障 6.2.1 排除邏輯故障 這類故障往往由于設(shè)計(jì)和連線過程中工藝性錯(cuò)誤所造成的。主要包括錯(cuò)線、開路、短路。排除的方法是首先將加工的電路板認(rèn)真對(duì)照原理圖，看兩者是否一致。應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)檢查，以防止電源短路和極性錯(cuò)誤，必要時(shí)利用數(shù)字萬用表的短路測(cè)試功能，可以縮短排錯(cuò)時(shí)間。6.2.1 排除元器件失效 造成這類錯(cuò)誤的原因有兩個(gè)：一個(gè)是元器件買來時(shí)就已壞了；另一個(gè)是由于安裝錯(cuò)誤，造成器件燒壞?？梢圆扇z查元器件與設(shè)計(jì)要求的型號(hào)、規(guī)格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯(cuò)誤。6.2.3 排除電源故障 在通電前，一定要檢查電源電壓的幅值和極性，否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位，一般先檢查 VCC 與 GND 之間電位，若在 5V4.8V 之間屬正常。若有高壓，聯(lián)機(jī)仿真器調(diào)試時(shí)，將會(huì)損壞仿真器等，有時(shí)會(huì)使應(yīng)用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。7 結(jié)論本文較詳細(xì)的闡述了溫度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)的整體方案與軟件實(shí)現(xiàn)。DS18B20 的優(yōu)勢(shì)在于集