基于单片机控制的数字温度计 课程设计

单片机原理与应用技术 课程设计报告（论文）

基于单片机控制的数字温度计

专业班级： 应教121 姓 名： 董镇玉 时 间： 2014.1.9 指导教师 : 宋长源 李晓娟

2015年 01 月 0 9 日

单片机课程设计项目系列：

基于单片机控制的数字温度计

一． 设计要求

（一）基本功能

1. 测温范围-50℃—110℃

2. 精度误差不大于0.1℃ 3. LED数码直读显示 （二）扩展功能

1．实现语音报数

2．可以任意设定温度的上下限报警功能

二．计划完成时间 三周

1．第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。

2．第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。 3．第三周完成软件和硬件的联合调试。

基于单片机控制的数字温度计

应教121 董镇玉

摘要：数字温度计在我们的日常生活中非常常见,广泛应用于我们的日常生活和工业生产。随着科技的发展，电子技术也日新月异，18b20芯片就是其中杰作之一。本设计是基于单片机控制的数字温度计，用18b20温度传感器来检测温度，用ATs52单片机来控制，最终通过数码管来显示温度。

关键词：18b20 数码管 单总线

1引言

随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机ATS51，测温传感器使用DS18B20，用4位一体共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。

2 总体设计方案

2.1 设计思路

按照设计要求，要用ＬＥＤ数码管直读显示温度。可以通过单片机的IO

口然后通过编码来实现。至于获取温度可以有两种办法，传统的用热敏电阻通过A/D转换，还可以用最新的温度传感器芯片来实现。 2.1.1方案一

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦，误差也较大。 2.1.2 方案二

进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，而且精度较高，就可以满足设计要求。

从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，精度也较高，故采用了方案二。

2.2方案二的总体设计框图

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ATS51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。

单片机复位 LED 报警点按键调整 主 显 示 控制 时钟振荡 器 温 度

图1 总体设计方框图

传 感器 3设计原理分析

3.1温度传感器

3.1.1 温度传感器介绍

DS18B20温度传感器是DALLAS公司推出的数字化温度传感器，采用单总线协议，与处理器接口仅需一个IO端口，无需任何外部元件，直接将环境温度转化为数字信号，以数字码方式串行输出，比较方便。 实物如图2所示：

DS18B20温度传感器特性

1、适应电压范围宽，电压范围在3.0~5.5，可由数据线供电； 2、独特的单线接口方式，可节约处理器的IO口资源；

图2 18B20实物图

3、使用中不需要外围元件，全部传感元件和转换电路集成在一个形如三极管的集成电路里，非常方便；

4、测温范围：-55°C~+125°C；

5、可编程分辨率为9~12位，对应的精度为0.5°C、0.25°C、0.125°C和

0.0625°C，精度比较高； 6、负压特性，电源极性接反时，芯片不会因发热而烧坏，但无法正常工作。 应用范围

1、冷冻库、粮仓、电信电力机房 2、缸体、空调等设备等等

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。

DS18B20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3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2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。

温度 LSB 温度 MSB TH用户字节1 TL用户字节2 配置寄存器 保留 保留 保留

..CRC TMR1R01.1111.

图3 DS18B20字节定义

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。

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。

3.1.2 工作原理

涉及DS18B20内部的指令

CCH—跳过ROM。直接向18B20发温度交换命令，适用于一个从机工作。 44H—温度转换。启动ds18b20进行温度转换。 BEH—读暂存器。读内部RAM中的温度数据。

3.1.3 工作时序

初始化

1、先将数据线置高电平1 2、延时

3、数据线拉低

4、延时750us(范围是480~960us) 5、数据线拉高

6、延时等待(15~60us)，如果初始化成功，则在15~60us后DS18B20产生一 个低电平0，此时初始化成功。 DS18B20写数据

1、数据线先置低 2、延时为15us

3、采集期间延时45us，此时按照从低位到高位的顺序发送数据 4、然后将数据线拉高

5、重复上述几步，直到发送完整个字节 6、最后将数据线拉高

从DS18B20读数据

1、首先将数据线拉低 2、延时15us

3、采集期间延时45us

4、上述过程重复，直到读取完一个字节 5、最后将数据线拉高

3.2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

DS18B20可以采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源.如图4所示单片机端口接单线总线，。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。这里我用18B20的数据端接单片机的P3^2口，因为s52单片机的P3口有内部上拉，所以这里我没有再加上拉电阻。

图4度传感器与单片机的接口电路

3.3 显示电路

显示电路使用的一个四位一体的共阳极数码管，采用动态扫描。这种显示最大的优点就是使用口资源比较少。因为是共阳的数码管，这里段选端我用单片机的P0口连接，位选端用P1口。这样可以节省掉P0口上拉电阻，P1口处于电路更稳定的考虑，我用了上拉电阻。连接方式如图5所示。

图5单片机与数码管连接方式

3.4设置温度上下限和报警电路

设置温度上下限我过四个按键来实现，报警电路通过三个发光二极管和

蜂鸣器来实现。具体连接方式如图6所示。当温度正常不超过上下限时，绿色发光二级管亮。当超过上限温度时，红色发光二极管亮，并且蜂鸣器报警。当温度低于下限时，黄色发光二极管亮，并且蜂鸣器报警。用一个PNP型三极管来驱动蜂鸣器。三极管基极接单片机的P3^7口，平时输出高电平，当超过上下限时输出低电平，三极管导通，驱动蜂鸣器工作。四个按键可以用来调整温度的上下限，切换上下限调整和正常显示。

图6报警电路

3.5系统软件算法分析

系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等，显示子程序，设置高低温子程序，报警子程序，显示程序。

3.5.1主程序

主程序的主要功能是负责调用各个子函数可以分块一次执行，保证电路正常工作。主程序里面先给单片机各个端口赋初值，然后执行芯片初始化程序，再读取温度并计算，最后送给数码管显示并和上下限温度比较来决定是否报警。显示函数里面最后加入一个延时函数，每一秒钟更新一次温度，以确保显示的是最新的温度。主程序流程图如图7所示。

3.5.2 读出温度子程序

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图8示

3.5.3温度转换命令子程序

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图9所示

初始化 调用显示子程N 1S到？ Y Y 初次上N 读出温度值 温度计算处理显示数据发温度转换开始命 图7主程序流程图

发DS18B20复位命令

发跳过ROM命令 发温度转换开始命令 结束

图9 温度转换流程图发DS18B20复位发跳过ROM命发读取温度命读取操作，CRC校Y N 9字节Y N CRC校验移入温度暂结束 图8读温度流程图

3.5.4 计算温度子程序

计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图10所示。

开始 N 温度零下? Y 温度值取补码置“—”标志 置“+”标志 计算小数位温度BCD值 计算整数位温度BCD值 结束 图10 计算温度流程图

3.5.5报警电路子程序

通过18b20得到温度以后，因为需要保留一位小数，所以返回的温度值是其实际值得十倍。所以需要先除以十，得到的数再和设置的高低温度比较，相应的输出不同的电平。程序流程图如图11所示 得到温度 N 是否超过上下

限

Y

不报警

报警

图11报警电路流程图

4结束语

经过将近三周的单片机课程设计，终于完成了我的数字温度计的设计，虽然没有完全达到设计要求，但是还是很高兴的。

在本次设计的过程中，我遇到了很多问题。板子刚做好的时候，通上电后什么都不显示，自己也很着急，弄了半天效果依旧。后来通过请教别的同学和测试，发现原来最小系统就没接好，又接好后只有两个数码管会工作。通过检修，原来是数码管装反了。经过这次实习，我发现了自己的许多不足，对单片机根本不够了解，不熟悉。通过这次动手调试，掌握了一定的调试电路的方法。在电路设计中，任何一个微小的问题都会带来大麻烦。以后做事一定要小心认真，可以为后期节省很多时间。从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获

参考文献

[1] 李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，1998 [2] 李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1994 [3] 阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，19 [5] 叶挺秀.应用电子学［Ｍ］.杭州：浙江大学出版社，1994

附录1原理图

附录2仿真图

P3^7R51kQ1PN4122BUZ2A6A7A8BUZZERC1C2CC33C4A1A2A3A4A5RP219XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39A1A238A337A436A535A634A733A832212223242526272818XTAL2LED1LED2R2R3R4330330330P2^4P2^5P2^6P2^7LED1LED2LED3293031RP4RP3Q2LED-GREENLED-BLUELED-REDPSENALEEAc1c2c3c412345678P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATC521011121314151617P3^7R14.7k+5v321U1VCCDQGNDDS18B2019.0P2^4P2^5P2^6

P2^7LED39RST附录3 C源程序

#include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define dula P0 //段选 #define wela P1 //位选

sbit DQ = P3^2; sbit k1 = P2^4; sbit k2 = P2^5; sbit k3 = P2^6; sbit k4 = P2^7; sbit led3 = P2^0; sbit led2 = P2^1; sbit led1 = P2^2; sbit buzzer = P3^7;

void display(uint first,uint second,uint third,uint forth); void delay_ms(unsigned int timer); void ShowTem();

void SetLowTem();void SetHighTem();void initalarm();void alarm();void delay_us(uchar a);void init1820();void write1820(uchar a);unsigned char read1820(void);uchar gettemp();unsigned char idata flag;uchar show[4] = {1,2,3,4};void delay_us(uchar a) { while(--a); }

void init1820() {

DQ = 1; _nop_();

DQ = 0; //拉低数据线，准备Reset OneWire Bus； delay_us(125); //延时510us，Reset One-Wire Bus. delay_us(125);

DQ = 1; //提升数据线； delay_us(15); //延时35us；

while(DQ) //等待Slave 器件Ack 信号； { _nop_(); }

delay_us(60); //延时125us；

DQ = 1; //提升数据线，准备数据传输； }

//******write******** void write1820(uchar a) {

uchar i;

for(i=0;i<8;i++)

{if(a & 0x01) //低位在前；

{DQ = 0; //结束Recovery time； _nop_();_nop_();_nop_(); DQ = 1; } //发送数据; else

DQ = 0; //结束Rec time； _nop_();_nop_();_nop_(); //DQ = 0; } //发送数据；

delay_us(30); //等待Slave Device采样； DQ = 1; //Recovery;

_nop_(); //Recovery Time Start; a >>= 1; } }

//*******read************ unsigned char read1820(void) {

unsigned char i; unsigned char tmp=0;

DQ = 1; _nop_(); //准备读； for(i=0;i<8;i++) {

tmp >>= 1; //低位先发； DQ = 0; //Read init； _nop_(); //2ms；

DQ = 1; //必须写1，否则读出来的将是不预期的数据； delay_us(2); //延时9us； _nop_();

if(DQ) //在12us处读取数据；

tmp |= 0x80;

delay_us(30); //延时55us；

DQ = 1; _nop_(); //恢复One Wire Bus； }

return tmp; }

//********************************************************** uchar gettemp() { unsigned int tp; float temp; init1820();

write1820(0xcc); // delay_ms(2); write1820(0x44);

init1820();

write1820(0xcc); write1820(0xbe); show[0]=read1820(); show[1]=read1820(); init1820();

tp=show[1]*256+show[0];

flag = show[1] >> 7; //= 1；

if(flag == 0) {temp=tp;

tp =temp*0.0625*10+0.5; }

if(flag == 1) {tp=tp-1; tp=~tp; temp=tp;

tp = temp*0.0625*10+0.5; }

return tp;

判断温度正负，正时flag = 0；负时flag }

extern unsigned char idata flag; //定义外部变量，温度正负标志 uint HNum = 50,LNum = 10; //报警温度的高低值 uint Tem;

/***************

* 函 数：显示温度函数 * 参 数：无 * 返 回: 无

****************/ void ShowTem() {

Tem = gettemp(); /* 读取18b20温度*/ if(flag == 1) //显示负温度 display(Tem%10,Tem%100/10,(Tem%1000)/100,16); if(flag == 0) //显示正温度

display(Tem%10,Tem%100/10,(Tem%1000)/100,Tem/1000); }

/***************

* 函 数：设置低温温度报警值函数 * 参 数：无 * 返 回: 无

****************/ void SetLowTem() {

while(1) {

display((LNum*10)%10,LNum%10,(LNum%100)/10,18); if(k2 == 0)

delay_ms(50); //按键消抖 if(k2 == 0)

{ while(!k2); //等待按键释放 LNum++; }

if(k3 == 0)

delay_ms(50); //按键消抖 if(k3 == 0)

{ while(!k3); //等待按键释放 LNum--; }

if(k4 == 0)

delay_ms(50); //按键消抖 if(k4 == 0)

{ while(!k4); //等待按键释放 break; } } }

/***************

* 函 数：设置高温温度报警值函数 * 参 数：无 * 返 回: 无

****************/ void SetHighTem() {

if(k1 == 0) //按键消抖 delay_ms(10); if(k1 == 0) {

while(!k1); //等待按键释放 while(1) {

display((HNum*10)%10,HNum%10,(HNum%100)/10,17); if(k1 == 0)

delay_ms(50); //按键消抖 if(k1 == 0)

{ while(!k1); //等待按键释放 SetLowTem(); //设置低温报警温度 break; }

if(k2 == 0)

delay_ms(50); //按键消抖 if(k2 == 0)

{ while(!k2); //等待按键释放 HNum++; }

if(k3 == 0)

delay_ms(50); //按键消抖 if(k3 == 0)

{ while(!k3); //等待按键释放 HNum--; }

if(k4 == 0)

delay_ms(50); //按键消抖 if(k4 == 0)

{ while(!k4); //等待按键释放 break; } } }

ShowTem(); }

/***************

* 函 数：led和蜂鸣器初始化 * 参 数：无 * 返 回: 无

****************/

void initalarm() {

led1 = 0;led2 = 0;led3 = 0;buzzer = 1; }

void alarm() {

Tem = gettemp(); Tem=Tem/10; if(Tem > HNum)

{

led2 = 1;led1 = 0;led3 = 0;buzzer = 0; //蜂鸣器工作 }

else if(Tem < LNum) {

led3 = 1;led1 = 0;led2 = 0; buzzer = 0; } else {

led1 = 1;led2 = 0;led3 = 0;buzzer = 1; } }

/******************** *函数名：display.c

*说明：数码管显示18b20温度 *********************/

uchar code table[]={ //共阳极数码管显示 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0, 0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90,0x88,0x83, 0xc6,0xa1,0x86,0x8e,

0xbf,0x,0xc7}; //16是“-” ,17是“H”，18是“L”

uchar code table1[]={ //第三个数码管有小数点，所以不一样 0x40,0x79,0x24,0x30, 0x19,0x12,0x02,0x78, 0x00,0x10,0x08,0x03, 0x46,0x21,0x06,0x0e};

void display(uint first,uint second,uint third,uint forth) wela = 0x01;

dula = table[first];delay_ms(5); dula = 0xff; wela = 0x02; dula = table1[second];delay_ms(5); dula = 0xff;wela = 0x04;

dula = table[third];delay_ms(5); dula = 0xff;wela = 0x08;

{ dula = table[forth];

delay_ms(5);dula = 0xff; }

void delay_ms(uint timer) {

uint i,j;

for(i=0; ivoid main() {

initalarm(); while(1) {

SetHighTem(); alarm(); } }

附录4 实物图