基于单片机的温度传感器

山东建筑大学信电学院课程设计说明书1目录设计目的和要求………………………………………………………………………………..3设计内容………………………………………………………………………………………..31温度测量系统硬件部分...................................................................................................32.主控制器的介绍………………………………………………………………………..42.4.2LED显示单元部分…………………………………………………………...113系统程序的设计……………………………………………………………………………...143.1主程序………………………………………………………………………………….153.2读出温度子程序………………………………………………………………………..153.3温度转换命令子程序…………………………………………………………………..163.4计算温度子程序………………………………………………………………………..163.5温度数据显示子程序………………………………………………………………….17结论及致谢……………………………………………………………………………………...17参考文献………………………………………………………………………………………...18附录………………………………………………………………………………………………19山东建筑大学信电学院课程设计说明书2摘要随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。我们采用美国DALLAS半导体公司继DS18B20之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，温度范围为-55~125ºC,最高分辨率可达0.0625ºC。DS18B20可以直接读出北侧温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。本文介绍了基于AT89C51单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用DS18B20作为温度监测元件，测量范围0℃-～+100℃，使用LED模块显示，能设置温度报警上下限。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了集成温度传感器DS18B20的原理，AT89C51单片机功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、结构简单。现在温度测量报警领域正在蓬勃快速的发展，各国都在进行着各项测试研究，以更好的检测温度，进行控制，让人类能更好的生活、工作和学习。另外，温度测量控制领域也在不断的扩大，很多国家也共同合作，在共同研制仪器，去进行温度测量控制，温度测量控制这项研究也正在想全球化发展。关键字：温度测量；温度传感器；单片机AT89C51；数字显示；数码管山东建筑大学信电学院课程设计说明书3设计目的和要求基于单片机的数字温度计的设计通过此设计深入了解单片机的原理及应用巩固所学知识提高对知识的综合应用能力。数字式温度计要求测温范围为－55～125°C，精度误差在0.1°C以内，LED数码管直读显示。选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。设计内容1温度测量系统硬件部分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4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。设计总框图见图2-1：温度显示主控机（51单片机）温度检测超温低温报警山东建筑大学信电学院课程设计说明书4图2-1总体设计方框图2.主控制器的介绍本课题主控制器采用单片机AT89C51单片机。2.189C51的信号引脚89C51的引脚排列请参见图2-2。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115U180C51图2-289C51引脚①信号引脚介绍P0.0～P0.7：P0口8位双向口线。主控制器LED显示温度传感器单片机复位时钟振荡报警点按键调整山东建筑大学信电学院课程设计说明书5P1.0～P1.7：P1口8位双向口线。P2.0～P2.7：P2口8位双向口线。P3.0～P3.7：P3口8位双向口线。EA：访问程序存储控制信号。当EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当EA信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号。当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。②P3口的第二功能P3口的8条口线都定义有第二功能，详见表2.1。引脚第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.20INT外部中断0申请P3.30INT外部中断1申请P3.4T0定时器/计数器0的外部输入P3.5T1定时器/计数器1的外部输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通表2.1P3口的第二功能2.2时钟电路与复位电路①时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各地信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。单片机的时钟电路，如图2-7所示。1XTAL1XTAL2C1C2晶振8051至内部时钟电路山东建筑大学信电学院课程设计说明书6图2-7时钟振荡电路一般电容C1,C2取30pF左右，晶体的振荡频率范围是1.2MHz～12MHz。晶体振荡频率高,则系统的时钟频率也高,单片机运行速度也就快。MCS-51在通常应用情况下，使用振荡频率为的6MHz或12MHz。②单片机的复位电路单片机复位的条件是：必须使RST/VPD或RST引脚（9）加上持续二个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。单片机常见的复位电路如图2-8（a）（b）所示。MCS-51VCCVCCRESETVSS22uF1KMCS-51VCCVCCRESETVSS22uF1KRESETR1R2200（a）上电复位电路(b)按键复位电路图2-8常见的复位电路图2-8（a）为上电复位电路，它是得用电容充电来实现的。在接电瞬间，RST端的电位与VCC的相同，随着充电电流的减小，RST的电位逐渐下降。图2-8（b）为按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图2-8（b）中的RESET键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平。2.3温度传感器部分硬件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。TO－92封装的DS18B20的引脚排列见下图，其引脚功能描述见表2-2。（底视图）图2-9DS18B20引脚图山东建筑大学信电学院课程设计说明书7序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时此引脚必须接地。表2.2DS18B20详细引脚功能描述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2-10所示。图2-10DS18B20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。C64位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器VddI/O山东建筑大学信电学院课程设计说明书8DS18B20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2-11所示。头2个字节包含测得的温度信息，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3-5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。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。TMR11R01111....图2-11DS18B20字节定义当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2-3是一部分温度值对应的二进制温度数据。温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC山东建筑大学信电学院课程设计说明书9R1R0分辨率/位温度最大转换时间/ms00993.750110187.510113751112750表2-3DS18B20温度转换时间表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