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1、数字温度表设计摘 要 本设计的主要内容是应用单片机和温度传感器设计一个数字温度表，DS18B20是一种可组网的高精度数字温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。本设计基于数字温度传感器DS18B20，以AT89S52单片机为核心设计此测试系统，具有结构简单、测温精度高、稳定可靠的优点。可实现温度的实时检测和显示，并可设置温度上下极限，配置报警范围。本文给出了系统的硬件电路详细设计和软件设计方法，完成了实验板的制作，经过调试和实验验证，实现了预期的全部功能。关键词 单片机 温度传感器 温度1 硬件电路设计1.1 设备整机结构
2、及硬件电路框图根据设计要求与设计思路，设计硬件电路框图如图3-1所示，硬件电路由以下8部分组成，即电源电路，单片机最小系统，时钟电路，复位电路，LED显示器驱动电路，4位LED显示器，蜂鸣电路和温度检测电路。系统中AT89S52完成对DS18B20初始化、温度采集、温度转换、温度送显、超温报警及数码显示。本装置详细组成部分如下：（1）主控模块：AT89S52单片机；（2）传感器电路：DS18B20温度传感器；（3）供电系统：7805稳压电路；（4）报警电路：蜂鸣器电路；（5）显示电路：LED数码管显示。图3-1 硬件设计电路图1.2 主控电路中单片机的选型早期的单片机都是8位或4位的。随着工业
3、控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。 根据初步设计方案的分析，设计一个应用系统，可以选择带有可编程Flash的低功耗、高性能单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，可以简化电路，且提高产品的可靠性。INTEL公司的8051和8751芯片均可选用，还有其他一些厂家生产与51系列相兼容的芯片，例如ATMEL公司生产的AT89SXX系列单片机。鉴于以上要求和比较，本毕业设计采用AT89S52单片机。
4、 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。此外还有1000次擦写周期、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符 。 AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器
5、，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。本次毕业设计主要用到P0口、P1口和P2口，所以把相关端口及其连接电路做一下说明：P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时P0口也被作为低8位地址/数据复
6、用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。 在本设计中用P0口连接上拉电阻和限流电阻后，再连接到LED显示电路的各个段的接口，即用做温度数据的输出口。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在本设计中用P1口连接有电流放大驱动作用的三极管，然后再连接到LED显示电路的各个位的接口，用来作位选的输出口。 P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4
7、个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在本设计中用到P2口的两个端口，一个用来接温度传感器DS18B20,另一个用来接蜂鸣器。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。无论用户使用哪种类型的单片机，总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏
8、，直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。本单片机系统采用的复位电路，这个电路的原理是：当通电瞬间，稳压电源给电容充电，此时，在电容和电阻之间将有一个高电平也就是给单片机一个高电平使其复位。随着电容充电结束，将使电容与电阻之间将呈现低电平， 单片机复位结束。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端）
9、，CPU则执行内部程序存储器的指令。根据设计要求，本设计选用单片机AT89S52，如图3-2，其引脚接线方案如下：(1)温度检测器件采用数字式温度传感器DS18B20；(2)声音报警蜂鸣器通过P2.4引脚接入；(3)P0口、P1口用来接LED显示电路。图3-2 单片机小型系统1.3 测温电路的设计图3-3 基于DS18B20温度传感器的测温电路 测量温度的关键是温度传感器，随着科学技术的不断进步与发展，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温
10、度控制系统中。其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20。DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。具有3引脚TO92小体积封装形式，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。与传统的热敏电阻相比，他能够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912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并
11、且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人
12、满意的效果。根据本毕业设计的要求，根据多次比较和选择，决定采用DS18B20温度传感器。其电路的连接是：单片机的P2.3口接DS18B20的I/O口（输入输出口），DS18B20的GND端接地，VCC端接电源。如图3-3所示。DS18B20的内部结构框图如图3-4所示。主要由四部分组成：寄生电源、64位激光ROM和单总线接口、存放中间数据的高速暂存器RAM、用于存储用户设定温度上下限值的TH和TL触发器、温度传感器、存储与控制逻辑、8位循环校验码(CRC)发生器等7部分。在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是
13、寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。图3-4 DS18B20内部结构图1.4 显示电路设计发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。发光二极管的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很
14、小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示09十个数目字。其管脚如图3-5。图3-5 LED引脚图LED显示器的显示控制方式为静态显示和动态显示两种，因此在选择驱动器时，一定要先确定显示方式。若选择静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动的驱动能力与显示器电流相匹配即可。而且只须考虑段的驱动，因为共阳极接+5V,而共阴极接地，所以位的驱动不需要考虑。而动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段选和
15、位选信号共同配合完成的。因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。综合考虑，本设计决定用动态显示电路。 LED显示器的选择，在应用的系统中，设计要求不同，使用LED显示器的位数也不同，在本设计中，选择4位LED显示器满足两位整数、两位小数的设计要求。LED显示器一般都需要进行驱动，有系统硬件设计框图3-6可知，显示电路有LED显示器，段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，必须采用专用的驱动电路芯片或采用三极管放大，使之产生足够大的电流，否则显示器的亮度就低，因此，本设计中采用三极管放大驱动。 LED驱动电路与单片机的连接及元器件选择，本设计采用单片机的P0口和P1口作为与LED的输出接口，即P0口的作为LED的段码输出信号口，P1口的低四位作为LED位码的输出控制信号。LED硬件电路连接如设计图所示，排电阻是上拉电阻,其作用是保证驱动电路可靠导通与截止，选阻值7*100的排电阻。 P0 单 P2.0片 机 P2.1P2.2P2.3图3-6 显示电路该电路的工作原理
