基于数字温度传感器的数字温度计.doc

1、目 录1、原理分析- 3 -1.1设计需求和要求- 3 -1.2设计原理分析- 3 -2、设计方案选择- 4 -2.1方案一- 4 -2.2方案二- 4 -2.3最终实验方案- 4 -3、电路原理图绘制及Proteus仿真- 5 -3.1设计总原理图- 5 -3.2各电路/元件介绍- 6 -3.2.1温度传感器DS18B20介绍- 6 -3.2.2 LM1602显示屏介绍- 6 -3.2.3外部晶振电路- 8 -3.2.4按键电路- 8 -3.2.5报警电路- 8 -3.2.6 STC89C51单片机介绍- 9 -3.3仿真结果- 10 -4、综合调试- 11 -4.1 软件调试- 11 -4

2、.1.1 软件流程图- 11 -4.1.2 软件子程序- 12 -4.2硬件调试- 12 -4.2.1实物图- 12 -4.2.2各模块设计和走线- 12 -4.2.3 正面电路设计- 13 -5、总结- 14 -附录- 15 -摘 要本小组选的题目是“基于数字温度传感器的数字温度计”。课题要求：（1）设计一款能够显示当前温度值的温度计；（2）通过切换按钮可以切换华氏度和摄氏度显示；（3）创新部分。通过讨论和查询资料，我们选择将报警功能加入该设计作为创新部分。所以我们的课题名称是“基于51单片机和DS18B20的温度显示和报警系统”，主要功能有（1）当前温度显示，显示范围为099摄氏度，开机默

3、认上限报警温度为30；（2）华氏温度与摄氏温度的转换显示；（3）报警功能：可设置报警温度，达到设定的报警温度时，蜂鸣器报警；（4）可以通过按键控制，修改报警上限温度。关键词：89C51单片机，DS18B20，温度报警，温度转换1、原理分析(负责人：李敬玄，王云)1.1设计需求和要求温度控制系统无论是工业生产过程，还是日常生活都起着非常重要的作用，过低或过高的温度环境不仅是一种资源的浪费，同时也会对机器和工作人员的寿命产生严重影响，极有可能造成严重的经济财产损失。而生活中，气温对于人们的生活生产也至关重要，温度是否舒适，直接关系到大家体感的舒适程度，比如空调中必须使用传感器对温度进行测控，所以无

4、论工业生产和生活中对温度的测控都是很重要的。而我们还时常遇到温度达到一定警戒值，需要提醒和报警的需求，所以在设计过程中我们可以加入报警模块，或者加入自动降温模块实现整个测控、显示、报警、紧急处理降温一体化的温度检测处理系统。1.2设计原理分析本小组选的题目是“基于数字温度传感器的数字温度计”。课题要求：（1）设计一款能够显示当前温度值的温度计；（2）通过切换按钮可以切换华氏度和摄氏度显示；（3）创新部分。通过上面需求分析，我们可以看到，温度测量经常需要和报警功能匹配，并且还可以加入降温设施，在紧急报警情况下进行温度处理，比如步进电机作为风扇进行降温。通过讨论和查询资料，我们认为加步进电机不仅需

5、要驱动芯片，而且电机本身所占面积比较大，在实验电路板上对所测定的气温的降温效果并不方便展现出来，所以我们放弃了加入步进电机的设计，而选择将报警功能加入该设计作为创新部分。所以我们的课题名称是“基于51单片机和 DS18B20的温度显示和报警系统”，主要功能设计为：（1）当前温度显示，液晶屏可显示范围为099摄氏度，开机默认上限报警温度为30；（2）华氏温度与摄氏温度的转换显示；（3）报警功能：可设置报警温度，达到设定的报警温度时，蜂鸣器报警；（4）可以通过按键控制，修改报警上限温度。2、设计方案选择（负责人:李敬玄，王云）2.1方案一由于本设计需要测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温

6、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。而且缺乏对数据的数字化处理，很难完成摄氏度和华氏度的转换。2.2方案二考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，偏向于使用数字化的传感器，所以可以采用功能强大的温度传感器DS18B20，此传感器可以很容易直接读取被测温度值，进行转换直接输出数字化信号，可满足设计要求。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，故采用了方案二。所以本课题设计的基于STC89C51的单片机和DS18B20

7、传感器的温度控制系统与传统的温度控制相比具有操作方便、价价格便宜、扩展性强和兼容性强等优点。2.3最终实验方案利用数字温度传感器来测量温度，然后利用数字温度传感器测量的温度信号传给单片机，经过计算后在LCD液晶显示器上显示相应的温度值，如果测量值大于我们之前设定的温度报警值，则单片机会驱动蜂鸣器报警。数字温度计选择DS18B20，所测量的温度采用数字显示；控制器使用单片机STC89C51，功能强大；液晶屏使用常用的LM1602，性能稳定。选用数字温度传感器DS18B20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,简化了电路，缩短系统的工作时间，降低系统的硬件成本，实现温度显示。

8、同时单片机可以判断温度是否超过设定值，驱动报警系统，并且可以通过单片机的P1,P2口实现外部中断，使用按键修改报警温度（上调或者下调）；同时51单片机可以实现对数据的计算，利用华氏度与摄氏度的转化关系，可以轻松转换温度显示。以上设计完全满足课程设计的要求。3、电路原理图绘制及Proteus仿真（负责人：李敬玄、李奕彤）3.1设计总原理图本设计以检测温度并显示温度提供上限报警为目的，按照系统设计功能的要求，确定系统由6个模块组成：主控器、测温电路，外部晶振电路，报警电路，按键电路及显示电路。系统以DS18B20为传感器用以将温度模拟量转化为电压数字量以总线传入单片机，以STC89C51为主芯片，

9、在主芯片对DS18B20传入的温度值进行处理，由单片机程序控制，将经处理后的温度由LM1602液晶显示屏显示出来。原理框图如下：DS18B20测温电路单片机STC89C51主控部分按键电路LED显示温度值外部晶振电路报警电路 图1 数字温度计设计总体的原理框图在原理框图的基础上，我们基本可以确定使用的元器件，所以我们使用Proteus进行了整体的电路原理图绘制：图2 数字温度计Proteus电路原理图3.2各电路/元件介绍3.2.1温度传感器DS18B20介绍DS18B20是DALLAS单线数字温度传感器，体积更小，使系统设计更灵活、方便，支持3V 5V的电压范围，适用电压更宽，更经济。它是世

10、界上第一片支持“一线总线”接口温度传感器，一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新的概念。DS18b20测量温度范围为-55 +125，在-10 +85范围内，精度为0.5。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、测量类消费电子产品等。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。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912位的数字值读数方式。DS18B

11、20的性能特点总结如下：n 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；n 实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；n 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V；图3 DS18B20引脚图n 在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号；n 温度以9或12位数字量读出；n 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；n 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能工作。DS18B20硬件连接图：图4 DS18B20与单片机连接通信3.2.2 LM1602显示屏介绍显示部分的LM1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X

12、7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。LM1602L采用标准的16 脚接口分布如下：LCD1602模块的管脚分布功能管脚号 管脚名称状态管脚功能1Vss电源电源地2Vdd电源电源正极3V0电源液晶显示偏压信号4RS输入寄存器选着5RW输入读、写操作6E输入使能信号7DB0三态数据总线0（LSB）8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总

13、线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线（MSB）15LEDA输入背光+5V16LEDK输入背光地图5 LM1602的16个引脚功能LM1602硬件连接图如下，其中LEDA和LEDK在仿真图中没有画出，但是实际焊接过程中必须接电源否则影响显示效果：图6 LM1602引脚图3.2.3外部晶振电路本设计采用的是12MHZ的晶振，晶振电路是提供系统时钟信号。为了各部分的同步应当引入公用的外部脉冲信号作为振荡脉冲。电容选择在1030pF之间，因为电容的大小影响振荡器振荡的稳定性和起振的速度。硬件连接图如下：图7 晶振电路连接图3.2.4按键电路本设计采用的按键电路共五个按键，功能分别是：C/F摄

14、氏度华氏度转换；MODE进入设置；UP温度+1；DOWN温度1；OK确定。将按键的一端与单片机I/O口相连，一端与地连接，当按键按下时，可以由单片机内的程序检测到I/O口电平的变化。硬件连接图如下： 图8 按键电路连接图3.2.5报警电路本设计采用的报警电路原理简单，利用单片机引脚拉高电平，驱动三极管放大电流，启动蜂鸣器发出报警声。硬件连接图如下：图9 报警电路连接图3.2.6 STC89C51单片机介绍控制部分为89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。STC89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦

15、除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，所以89C51是一种高效微控制器，引脚图如下所示：图10 STC89C51引脚图本次课程设计所涉及的引脚及其功能简介如下：89C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。P0/P1/ P2口：都是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，其缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1/ P2管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入；而

16、当被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。用作输入时，均须先写入“1”；用作输出时，P0口应外接上拉电阻。P3口特殊功能如下：端口第二名称第二功能P3.2INT0外部中断0请求输入端P3.3INT1外部中断1请求输入端P3.6WR外RAM写选通信号输出端图11 STC89C51 P3口特殊功能3.3仿真结果在仿真过程中，可以正确地对DS18B20上设置的模拟温度进行测量和显示，显示温度可以实现华氏度与摄氏度的切换，温度显示可以精确到1C，并且在温度超过所设置的最高温度（默认30C）时，蜂鸣器将发出滴滴的报警的声音。图12 电路仿真 图13 30时摄氏度和华氏度显示图14 30

17、时进入Set设置模式 图15 Set模式中上调和下调警报值4、综合调试（负责人：李敬玄，徐昌洪）4.1 软件调试4.1.1 软件流程图图16 软件程序流程图4.1.2 软件子程序（完整程序见附录）根据分析硬件结构，系统程序应该主要包括：DS1820初始化程序，向DS1820读字节程序，读取温度及转换程序，温度显示程序，报警程序等。（1） 主程序： 主程序的主要功能是负责初始化1602LCD显示屏和中断初始化参数。（2）1602显示程序： 完成向1602写一字节和从1602读取一字节功能。（3）DS1820的读字节子程序： 完成向18B20读取一字节数据，并完成读取温度数据的处理。（4）温度显示

18、程序： 将读取到的温度数据进行处理，计算出数值大小，并在LCD上进行显示。（5）计时器中断程序： 判断显示华氏还是摄氏，并调用相应的温度显示程序。（6）设置警报值温度中断：进入中断程序，扫面加减按键并修改相应的警报温度值。（7）报警子程序：通过设定最高，然后将当前温度与所设温度进行比较，实现报警功能。4.2硬件调试4.2.1实物图图17 整体实物图4.2.2各模块设计和走线在设计过程中，我们的思路是将模块分块放置，下图中可以明显看到几大部分电路与其他电路之间都分离开，这样不仅整个电路板看上去简洁，而且方便修改，方便正面飞线，而且背面我们没有采用飞线的方式，完全使用直接焊锡连接的方式，每条连接都

19、很短，不仅连接效果好，而且没有飞线的杂乱感，整体看上去很清爽干净，而正面使用排针走线的方式，十分方便修改，在硬件调试过程中出现了很多小问题，比如LCD显示正负极顺序接反，单片机负极没有连接主电源等等，检查发现后，只需要改变排线的连接顺序就可以轻松解决。按键电路电源电路报警电路DS18B20测温电路89C51单片机LCD显示电路图18 电路背面走线4.2.3 正面电路设计图19 报警电路和LCD数据线走线图20 测量电路和晶振电路走线5、总结（负责人：李敬玄）本次实验是我们利用单片机进行的课程设计，从设计到编程，从仿真再到焊接和调试，都是对我们的一次次挑战。而且由于我们能力有限，所以实验的程序借

20、鉴了很多网上资料。但是我们在原理图设计、焊接以及调试过程中确实花了很多时间，费了很多功夫，最终调试成功，完全符合设计预期的效果，我们组对这个结果都感觉很满意。这是我们的一次成功尝试，让我们今后更加有能力也有信心去做更加复杂的设计。在整个过程中，我们遇到很多困难和问题，比如：在设计过程中，由于对于单片机I/O口功能的不熟悉，所以对P3口的运用出了一些问题，一开始就把P3口全部占用了，然后才发现中断和DS18B20的信息写入都必须要P3口的参与，所以在之后的设计当中才把其他输出平均分配到其他三个端口，方便焊接布线。在实际焊接和走线过程中，也遇到一些优化方面的问题，比如：由于排母位置焊接到最外一排，

21、所以液晶显示器的方向只能转过180度，美观性有所下降；之前的设计中都有RESET键，但是鉴于可以方便上电复位，该功能意义不大，所以省略；仿真图中18B20信号线有上拉电阻，实际操作中发现，这个设计可以去掉；在按键的设计过程中，我们把五个按键焊接在一个区域内，降低了背面焊接的难度，并且任意更换排针和杜邦线的对应关系，方便用户自定义按键。以上这些都是我们设计过程中遇到的一些问题和解决办法，虽然看让去都是些细枝末节的小问题，但是却体现出我们设计过程中的进步和不足，有失误我们在今后要注意改正，有进步就要进一步发扬下去，这些都是我们的收获和经验，对我们设计能力和自信都是一种促进。通过这次课程设计，我们学

22、到了很多东西，锻炼了自己的能力。首先是我们查阅资料的能力，不仅如此，还能把知识融会贯通，最终设计出原理图，这是很大的进步；其次我们自学了Proteus软件和Keil-UV2软件的使用，这两个软件功能很强大，不仅帮助我们提高了单片机的知识而且还帮助我们复习了C语言的知识；最后也是最重要的，就是我们从中学到了团结协作的精神，并且获得了信心。在今后的学习过程中我们更加要严格要求自己，只有这样才能获得真正的进步。附录：主程序#include#include#include18b20.h /18b20头文件#include1602.h /18b20头文件/宏定义#define uchar unsigne

23、d char #define uint unsigned int/定义变量uint bai,shi,ge;uchar table=0123456789;uchar welcome=WELCOME;uchar alarm=Temp Alert ;uchar modification=Set ;uchar j; /1602显示的字符个数long int tem,tem1; /tem为摄氏温度，tem1为华氏温度，jingbao为警报温度值long int jingbao=30;int xuanze=1; /按键选择温度方式sbit speaker=P23;sbit jia=P10;sbit jia

24、n=P11;sbit queren=P12;void beep(); /函数声明蜂鸣器函数 void display(void)/18b20显示摄氏温度 EX0=0; tem=duqu_wendu(); if(temjingbao) beep(); shi=tem/10;ge=tem%10; write1602(0x80+0x0b);read1602(tableshi);write1602(0x80+0x0c); read1602(tablege);write1602(0x80+0x0d);read1602(0xdf);write1602(0x80+0x0e);read1602(C); wri

25、te1602(0x80+0x0f); read1602( ); EX0=1; void display1(void)/18b20显示华氏温度 EX0=0; tem1=duqu_wendu()*1.8+32; if(tem1(jingbao*1.8+32) beep(); bai=tem1/100;shi=(tem1%100)/10;ge=tem1%10; /ge=temp%10; write1602(0x80+0x0b);read1602(tablebai);write1602(0x80+0x0c); read1602(tableshi);write1602(0x80+0x0d);read16

26、02(tablege);write1602(0x80+0x0e); read1602(0xdf);write1602(0x80+0x0f);read1602(F); EX0=1; void displayjingbao(void)/显示警报温度值 bai=jingbao/100; shi=jingbao/10;ge=jingbao%10; /ge=temp%10; write1602(0x80+0x4b);read1602(tablebai);write1602(0x80+0x4c); read1602(tableshi);write1602(0x80+0x4d);read1602(table

27、ge);write1602(0x80+0x4e); read1602(0xdf);write1602(0x80+0x4f);read1602(C); void xianshi() /1602显示数组,显示welcome int i; write1602(0x80); for(i=0;i=6;i+) read1602(welcomei); delayms(5); void xianshi1() /1602显示 the alarm int i; write1602(0x80+0x40); for(i=0;i=9;i+) read1602(alarmi); delayms(5); void xian

28、shi2() /1602显示 modification int i; write1602(0x80+0x40); for(i=0;i=9;i+) read1602(modificationi); delayms(5); void beep(void) /蜂鸣器子程序 uchar i; for(i=0;i=100;i+) speaker=1; delayus(80); speaker=0; delayus(80); void startinterrupt(void) TMOD=0x01; /T0模式1定时TH0=0xD8; /装入初值，定时20msTL0=0xF0;IT0=1; /外部中断0为边

29、沿触发方式EA=1; /中断允许总控制位EX0=1; /外部中断0允许EX1=1;ET0=1; /定时器0允许中断ET1=1;TR0=1; /启动定时器0/主函数void main() inte1602();/1602初始化 xianshi(); delayms(10); xianshi1();displayjingbao(); delayms(1000);startinterrupt(); /zhongwhile(1)void counter(void) interrupt 0 /外部中断0，按键切换显示模式函数 EX0=0;if(xuanze=0)xuanze=1;elsexuanze=0

30、;EX0=1;void timeer(void) interrupt 1 /定时器0处理函数 TR0=0;TH0=0xD8; /装入初值，定时20ms TL0=0xF0;if(xuanze=1)display();/18B20显示 elsedisplay1();TR0=1; /启动定时器计数void counter1(void) interrupt 2 /外部中断1，设置警报温度值 while(1)xianshi2(); if(jia=0) delayms(20); if(jia=0) jingbao+;displayjingbao(); while(jia=0); continue; if(jian=0) delayms(10); if(jian=0) jingbao-; displayjingbao(); while(jian=0); continue; if(queren=0) delayms(10); if(queren=0) xianshi1(); break; - 20 -