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1、 1基于单片机的数字温度计设计2引言随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。选用 AT89C51 型单片机作为主控制器件，DSl8B20 作为测温传感器通过 4 位共阳极 LED 数码管串口传送数据，实现温度显示。通过 DSl8B20 直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性
2、度较好，在 0100最大线性偏差小于 0.1。该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。2 系统硬件设计方案根据系统功能要求，构造图 1 所示的系统原理结构框图。图 1 系统原理结构框图2.1 单片机的选择AT89C51 作为温度测试系统设计的核心器件。该器件是 INTEL 公司生产的 MCS一 5l 系列单片机中的基础产品，采用了可靠的 CMOS 工艺制造技术，具有高性能的 8位单片机，属于标准的 MCS51 的 CMOS 产品。不仅结合了 HMOS 的高速和高密度技术及 CHMOS 的低功耗特征，而且继承
3、和扩展了 MCS48 单片机的体系结构和指令系统。单片机小系统的电路图如图 2 所示。123456ABCD654321DCBA TitleNumberRevisionSize B Date:8-Jun-2009 Sheet of File:E:baihao业业业业业业业业业业业业4业16X16业业.ddbDrawn By:P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.56 P1.67 P1.78 RST9 RXD/P3.010 TXD/P3.111 INT0/P3.212 INTI/P3.313 T0/P3.414 T1/P3.515 WR/P3.616 RD/P3.717
4、 XTAL218 XTAL119 VSS20P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528PSEN29ALE30BA31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P00/AD039VCC40P2.0/A821UAT89C51Y112MC2 22PFC3 22PFC1 10UFS1RESETR110KVCC3图 2 单片机小系统电路AT89C51 单片机的主要特性：(1)与 MCS-51 兼容，4K 字节可编
5、程闪烁存储器；(2)灵活的在线系统编程，掉电标识和快速编程特性；(3)寿命为 1000 次写/擦周期，数据保留时间可 10 年以上；(4)全静态工作模式：0Hz-33Hz；(5)三级程序存储器锁定；(6)128*8 位内部 RAM，32 可编程 I/O 线；(7)两个 16 位定时器/计数器，6 个中断源；(8)全双工串行 UART 通道，低功耗的闲置和掉电模式；(9)看门狗（WDT）及双数据指针；(9)片内振荡器和时钟电路；2.2 温度传感器介绍DS18B20 可以程序设定 912 位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在 E
6、PROM 中，掉电后依然保存。温度传感器 DS18B20 引脚如图 3 所示。48 引脚封装 TO92 封装图 3 温度传感器引脚功能说明：NC ：空引脚，悬空不使用；VDD ：可选电源脚，电源电压范围 35.5V。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DQ ：数据输入/输出脚。漏极开路，常态下高电平。GND ：为电源地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。光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码。64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（28H
7、）是产品类型标号，接着的 48位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1） 。光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例:用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB 形式表达，其中 S 为符号位。 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
8、 位为 0，只要将测到的数值乘5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。 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 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL 和结构寄存器。 暂存存储器包含了 8 个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的
9、高八位。第三个和第四个字节是 TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。该字节各位的意义如下：TM R1 R0 1 1 1 1 1低五位一直都是 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 用来设置分辨率，如表 1 所示：（DS18B20 出厂时被设置为 12 位） 表 1 DS18B20 温度转换时间表R1R0分辨率/位温度最大转向时间00993.750110187.
10、510113751112750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 1660 微秒左右，后发出 60240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。2.3 温度传感器与单片机的连接6温度传感器的单总线(1-Wire)与单片机的 P20 连接，P20 是单片机的高位地址线 A8。P2 端口是一个
11、带内部上拉电阻的 8 位双向 IO，其输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对该端口写“1”，可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平，此时可作为输入口使用，这是因为内部存在上拉电阻，某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时。如执行 MOVX DPTR 指令，则表示 P2 端口送出高 8 位的地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器时，可执行 MOVX RI 指令，P2 端口内容即为特殊功能寄存器(SFR)区中R2 寄存器内容，整个访问期间不改变。在 Flash 编程和程序校验时，P2 端口也接收高位地址和其他控制信
12、号。图 4 为 DSl8820 内部结构。图 5 为 DSl8820 与单片机的接口电路。图 4 DS18B20 内部结构图 图 5 DS18B20 和单片机的接口连接2.4 复位信号及外部复位电路7单片机的 P1.6 端口是 MAX813 看门狗电路中喂狗信号的输入端，即单片机每执行一次程序就设置一次喂狗信号，清零看门狗器件。若程序出现异常，单片机引脚 RST 将出现两个机器周期以上的高电平，使其复位。该复位信号高电平有效，其有效时间应持续 24 个振荡脉冲周期即两个机器周期以上。若使用频率为 12 MHz 的晶体振荡器，则复位信号持续时间应超过 2s 才完成复位操作。2.5 单片机与报警电
13、路系统中的报警电路是由发光二极管和限流电阻组成，并与单片机的 P1.2 端口连接。P1 端口的作用和接法与 P2 端口相同，不同的是在 Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低 8 位地址数据。2.6 电源电路由于该系统需要稳定的 5 V 电源，因此设计时必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。该电源采用三端集成稳压器 LM7805。它仅有输入端、输出端及公共端3 个引脚，其内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作为稳压电源。图 6 为电源电路连接图。图 6 电源电路连接图2.7 显示电路采用技术成熟的 74HCl64 实现串并转换。L
14、ED 显示分为静态显示和动态显示。这里采用静态显示，系统通过单片机的串行口来实现静态显示。串行口为方式零状态，即工作在移位寄存器方式，波特率为振荡频率的 1/12。当器件执行任何一条将 SBUF作为目的寄存器的命令时，数据便开始从 RXD 端发送。在写信号有效时，相隔一个机器周期后发送控制端 SEND 有效，即允许 RXD 发送数据，同时允许从 TXD 端输出移位脉冲。图 7 为显示电路的连接图。8图 7 显示电路的连接图2.8 看门狗电路系统中把 P1.6 作为看门狗的“喂狗”信号；将 MAX813 的 RESET 与单片机的复位信号 RST 连接。由于单片机每执行一次程序，就会给看门狗器件
15、一个复位信号，这样也可以用手工方式实现复位。当按键按下时，SWSPST 就会在 MAX813 引脚产生9一个超过 200 ms 的低电平，其实看门狗器件在 1.6 s 时间内没有复位，使 7 引脚输出一个复位信号的作用是相同的，其连接图如图 8 所示。图 8 看门狗器件的 MAX813 的连接图3 软件设计DSl8820 的主要数据元件有：64 位激光 Lasered ROM，温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器 TH 和 TL。DSBl820 可以从单总线获取电源，当信号线为高电平时，将能量贮存在内部电容器中；当单信号线为低电平时，将该电源断开，直到信号线变为高电平重新接上寄生(电容)电源为
16、止。此外，还可外接 5 V 电源，给 DSl8820 供电。DSl8820 的供电方式灵活，利用外接电源还可增加系统的稳定性和可靠性。图 9 为读取数据流程图。10开始DS18B20 的初始化启动温度转换读取温度寄存器跳过读序列号的操作跳过读序列号的操作DS18B20 的初始化RETLOW-低八位 HIGH-高八位图 9 读取数据的流程图读出温度数据后，LOW 的低四位为温度的小数部分，可以精确到 0.0625，LOW的高四位和 HIGH 的低四位为温度的整数部分，HIGH 的高四位全部为 1 表示负数，全为 0 表示正数。所以先将数据提取出来，分为三个部分：小数部分、整数部分和符号部分。小数部分进行四舍五入处理：大于 0.5的话，向个位进 1；小于 0.5的时候，舍去不要。当数据是个负数的时候，显示之前要进行数据转换，将其整数部分取反加一。还因为 DS18B20 最低温度只能
