1、. . . . 基于AT89S51單片機(jī)的數(shù)字溫度計的設(shè)計摘 要：隨著時代的進(jìn)步和發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)普與到我們生活，工作，科研，各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù),本文將介紹一種基于AT89S51單片機(jī)控制的數(shù)字溫度計，本溫度計屬于多功能溫度計，可以設(shè)置上下報警溫度，當(dāng)溫度不在設(shè)置圍時，可以報警。該溫度計采用DS18B20作為溫度信號的采集和初步處理，設(shè)計方案簡單。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)；溫度計； DS18B20；AT89S51Abstract：With the progress of the times and development, SCM technology has spread to

2、 our life, work, scientific research, each domain, has become a relatively mature technology, this paper introduces a kind of digital thermometer based on AT89S51 SCM control, the thermometer belongs to the multifunctional thermometer, you can set upper and lower temperature alarm, when the temperat

3、ure is not the set range, can alarm. The thermometer using DS18B20 as the collection and initial processing temperature signal, the plan of design is simple. Key words: Microprocessor；temperature；DS18B20；AT89S511 引言 隨著人們生活水平的不斷提高,單片機(jī)控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計就是一個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人

4、工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)單片機(jī)技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。 本設(shè)計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫圍廣，測溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準(zhǔn)確的場所，或科研實驗室使用，該設(shè)計控制器使用單片機(jī)AT89S51，測溫傳感器使用DS18B20，用3位共陽極LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù),實現(xiàn)溫度顯示,能準(zhǔn)確達(dá)到以上要求。2 總體設(shè)計框圖溫度計電路設(shè)計總體設(shè)計方框圖如圖2-1所示，控制器采用單片機(jī)AT89S51，溫度傳感器采用DS18B20，用3位LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示。主 控 制 器LED顯 示溫 度

5、 傳 感 器單片機(jī)復(fù)位時鐘振蕩報警點按鍵調(diào)整圖2-1 總體設(shè)計方框圖3 系統(tǒng)整體硬件電路 系統(tǒng)整體硬件電路包括，單片機(jī)AT89S51主板電路，溫度顯示電路，溫度檢測電路，晶振控制電路，復(fù)位電路等。3.1 硬件原理圖圖3-1 硬件原理圖 以AT89S51單片機(jī)為核心，選用12M的晶振，這是最常用的選擇，外接電容沒有特別的要求，但是外接電容的大小會影響振蕩器的頻率高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，因此我們選用30pf的電容作為起振電容。復(fù)位電路為按鍵低電平復(fù)位，當(dāng)按鍵按下，RST端為高電平，當(dāng)高電平持續(xù)4us的時間就可以使單片機(jī)復(fù)位。這里尤其要注意的是晶振和電容的位置，它們距離單片機(jī)引腳越短越好

6、，因為太長可能無法使單片機(jī)起振。另外是EA端一定要接上電源，使單片機(jī)能夠工作。3.2 AT89S51單片機(jī) AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)與80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Fl

7、ash片程序存儲器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片時鐘振蕩器。3.2.1 AT89S51主要功能刪除1、為一般控制應(yīng)用的 8 位單芯片2、晶片部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz）3、部程式存儲器（ROM）為 4KB4、部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）為 128B5、外部程序存儲器可擴(kuò)充至 64KB6、外部數(shù)據(jù)存儲器可擴(kuò)充至 64KB7、32 條雙向輸入輸出線，且每條均可以單獨做 I/O 的控制8、5 個中斷向量源9、2 組獨立的

8、 16 位定時器10、1 個全多工串行通信端口11、8751 與 8752 單芯片具有數(shù)據(jù)的功能12、 單芯片提供位邏輯運算指令3.2.2 AT89S51各引腳功能介紹介紹太多了，只取用到的部分介紹VCC：AT89S51 電源正端輸入，接+5V。VSS：電源地端。XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設(shè)計上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加20PF 圖3-2 單片機(jī)電路引腳圖的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機(jī)。RESET：AT89S51的重置引腳，高電平動作，當(dāng)

9、要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機(jī)器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得部特殊功能寄存器之容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。EA/Vpp："EA"為英文"External Access"的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)會取用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。因此在8031與8032中，EA引腳必須接低電平，因為其部無程序存儲器空間。如果是使用 8751 部程序空間時，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至

10、8751部EPROM時，可以利用此引腳來輸入21V的燒錄高壓（Vpp）。ALE/PROG：ALE是英文"Address Latch Enable"的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。AT89S51可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0A7）鎖進(jìn)鎖存器中，因為AT89S51是以多工的方式送出地址與數(shù)據(jù)。平時在程序執(zhí)行時ALE引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來驅(qū)動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當(dāng)成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。PSEN：此為"Program Store Enabl

11、e"的縮寫，其意為程序儲存啟用，當(dāng)8051被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時（EA=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到EPROM的OE腳。AT89S51可以利用PSEN與RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址圍。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一個8位寬的開路汲極（Open Drain）雙向輸出入端口，共有8個位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是部有一提升電路，P0在當(dāng)做I/O用時可以推動8個LS的TTL負(fù)載。如果當(dāng)E

12、A引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器），P0就以多工方式提供地址總線（A0A7）與數(shù)據(jù)總線（D0D7）。設(shè)計者必須外加一鎖存器將端口0送出的地址栓鎖住成為A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址總線，而定址到64K的外部存儲器空間。PORT2（P2.0P2.7）：端口2是具有部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負(fù)載，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。P2除了當(dāng)做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51擴(kuò)充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)A8A15，這個時候P2便不能當(dāng)做I/O來使用了。P

13、ORT1（P1.0P1.7）：端口1也是具有部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個LS TTL負(fù)載，同樣地若將端口1的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，P1.0又當(dāng)做定時器2的外部脈沖輸入腳，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負(fù)載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制與外部數(shù)據(jù)存儲器容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其引腳分配如下：P3.0：RXD，串行通信輸入。P3.1：TXD，串

14、行通信輸出。P3.2：INT0，外部中斷0輸入。P3.3：INT1，外部中斷1輸入。P3.4：T0，計時計數(shù)器0輸入。P3.5：T1，計時計數(shù)器1輸入。P3.6：WR：外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。3.3顯示電路圖3-3 溫度顯示電路 DB18B20液晶屏為5V電壓驅(qū)動，帶背光，可顯示兩行，每行16個字符，不能顯示漢字。液晶1、2端為電源，15、16端為背光電源，為防止直接加5V而燒壞背光燈，在15腳串聯(lián)一個1K電阻，液晶3端為液晶對比度調(diào)節(jié)端，通過一個10K的電位器來調(diào)節(jié)液晶顯示對比度，用于限流。液晶4端為向液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令選擇端，接單片機(jī)P1.

15、0端口。液晶5端為讀/寫選擇端，因為我們不需要從液晶中讀取數(shù)據(jù)，只向其寫入命令和數(shù)據(jù)，因此此端始終選擇為寫狀態(tài)，即低電平接地。液晶6端為使能信號，是操作必須的信號，接單片機(jī)的P1.1口。3.4 溫度檢測電路設(shè)計溫度檢測電路如下圖3-4所示：圖3-4 溫度檢測電路 DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點如下：獨特的單線接口僅需一個端口引腳進(jìn)行通訊簡單的多點分布應(yīng)用無需外部器件可通過數(shù)據(jù)線供電零待機(jī)功耗測溫圍-55+125，以

16、0.5遞增。華氏器件-67+2570F，以0.90F 遞增溫度以9 位數(shù)字量讀出溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms（典型值）用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件。DS18B20部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列、各種封裝形式如圖3-5所示，DQ 為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。VDD為開漏單總線接口引腳，當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源；GND為地信號，當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。其電路圖如圖3-5所示.。圖3-5 外部封裝形式DS18B20的測溫

17、原理如圖3-6所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量.計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55 所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1

18、的預(yù)置將重新被裝入,減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù),如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫圖3-7中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用，于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。 在正常測溫情況下

19、，DS1820的測溫分辨力為0.5。圖3-6 DS18B20的測溫原理3.5 晶振控制電路 單片機(jī)XIAL1和XIAL2分別接30PF的電容，中間在并個6MHZ的晶振，形成單片機(jī)的晶振電路。圖3-7 晶振控制電路3.6 復(fù)位電路圖3-8 復(fù)位電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。4.1 實驗主程序流程圖 主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當(dāng)前溫度值，溫度測量每1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之測量一次被測溫度，其程序流程見圖4-1所示。圖4-1 主程序流程圖4.2 讀出溫度子程序

20、讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進(jìn)行CRC校驗，校驗有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2 讀溫度流程圖4.3 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用12位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設(shè)計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如圖4-3所示。 圖4-3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖4.4 計算溫度子程序計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4 計算溫度流程圖4.5 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對顯示緩沖

21、器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高顯示位為0時將符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖5-5所示。圖4-5 顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖5 調(diào)試 系統(tǒng)的調(diào)試以程序為主。硬件調(diào)試比較簡單，首先檢查電路的焊接是否正確，然后可用萬用表測試或通電檢測。軟件調(diào)試先編寫顯示程序并進(jìn)行硬件的正確性檢驗，然后分別進(jìn)行主程序、讀出溫度子程序、溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新子程序的編程與調(diào)試，由于DB18B20與單片機(jī)采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，我對DB18B20進(jìn)行讀寫程序時嚴(yán)格地保證讀寫時序，以防無法讀取測量結(jié)果。本程序采用單片機(jī)匯編編寫，用KELL編程調(diào)試。軟件調(diào)試到能顯示溫度值，而且在有溫度變化時（例如用手去接觸）現(xiàn)實溫度能改

22、變就基本完成。 性能測試時，我用制作的溫度計和已有的成品溫度計來同時測量比較，由于DB18B20的精度很高，所以誤差指標(biāo)可以限制在0.1以，另外-55 +125的測溫圍使得該溫度計完全適合一般的應(yīng)用場合，其低壓溫度供電特性可做成用電池供電的手持溫度計。 在DB18B20測溫程序設(shè)計中，向DB18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DB18B20的返回信號，一旦某個DB18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DB18B20時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)，所以我在進(jìn)行DB18B20硬件連接和軟件設(shè)計時給予了一定的重視。圖6-1 調(diào)試結(jié)果圖6 結(jié)束語該溫度測試系統(tǒng)不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低廉

23、、精確度較高、反應(yīng)速度較快、數(shù)字化顯示和不易損壞等特點，而且性能穩(wěn)定，適用圍廣，因此特別適用于對測溫要求比較準(zhǔn)確的場所。 本設(shè)計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫圍廣，測溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準(zhǔn)確的場所，或科研實驗室使用，該設(shè)計控制器使用單片機(jī)AT89S51，測溫傳感器使用DS18B20，用3位共陽極LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù),實現(xiàn)溫度顯示,能準(zhǔn)確達(dá)到以上要求。參考文獻(xiàn)：1 廣第,王秀山. 單片機(jī)基礎(chǔ)M. 航空航天大學(xué)出版,2001.2 余發(fā)山. 單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)M. 礦業(yè)大學(xué),2003.3 廖月琴. 基于AT89S51單片計數(shù)溫度計的設(shè)計

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25、t unsigned intsbit rs=P20;sbit lcden=P21; /液晶使能端sbit DATA = P37; /DS18B20接入口uchar FLAG_DIS=0;uchar bai_18b20,shi_18b20,ge_18b20,num; /定義變量bit flag_Negative_number ;/負(fù)數(shù)標(biāo)志uchar code table="tempreture:" ; /提示語/*一毫秒定時*/void delay_ms(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);/*延時子函

26、數(shù)*/void delay(uint num)while(num-) ;/*液晶寫命令*/void write_lcd_(uchar )rs=0;lcden=0;P0=;delay_ms(1);lcden=1;delay_ms(1);lcden=0;/*液晶寫數(shù)據(jù)*/void write_lcd_date(uchar date)rs=1;lcden=0;P0=date;delay_ms(1);lcden=1;delay_ms(1);lcden=0;/*液晶初始化程序*/void lcd_init()write_lcd_(0x38);write_lcd_(0x0c);write_lcd_(0x0

27、6);write_lcd_(0x01);/*DS18b20溫度傳感器函數(shù)*/void Init_DS18B20(void) /傳感器初始化 uchar x=0; DATA = 1; /DQ復(fù)位 delay(10); /稍做延時 DATA = 0; /單片機(jī)將DQ拉低 delay(80); /精確延時 大于 480us /450 DATA = 1; /拉高總線 delay(20); x=DATA; /稍做延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗 delay(30);/*溫度傳感器讀一個字節(jié)*/ReadOneChar(void)uchar i=0;uchar dat = 0;for (i

28、=8;i>0;i-) DATA = 0; / 給脈沖信號 dat>>=1; DATA = 1; / 給脈沖信號 if(DATA) dat|=0x80; delay(8); return(dat);/*溫度傳感器寫一個字節(jié)*/void WriteOneChar(uchar dat) uchar i=0; for (i=8; i>0; i-) DATA = 0; DATA = dat&0x01; delay(10); DATA = 1; dat>>=1; delay(8);/*讀取溫度傳感器溫度*/int ReadTemperature(void)uch

29、ar a=0;uchar b=0;int t=0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0x44); /啟動溫度轉(zhuǎn)換Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器等（共可讀9個寄存器）前兩個就是溫度a=ReadOneChar();/低位b=ReadOneChar();/高位t=b;t<<=8;t=t|a;if(b&0x80) t=t+1;flag_Negative_numb

30、er = 1; else flag_Negative_number = 0; tt=t*0.0625;t= tt*10+0.5; return(t);/*液晶顯示溫度*/void dis_D18B20(void)int temp;temp=ReadTemperature();/讀溫度bai_18b20=temp%1000/100;/顯示十位shi_18b20=temp%100/10;/顯示個位ge_18b20=temp%10;/顯示十分位if(flag_Negative_number) /負(fù)數(shù)if(bai_18b20=0) /十位為0，則不顯示十位write_lcd_(0x80+0x40);write_lcd_date(0x2D);write_l