基于单片机的简易数字温度计的设计

基于单片机的简易数字温度计的设计张逊摘要本文介绍了一种基于单片机的简易数字温度计的设计。

该设计主要由三个模块组成：温度采集模块，数据处理模块及显示模块。

温度采集主要由温度传感器DS18B20来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块。

数据处理则由芯片STC89C52RC来完成，其负责把DS18B20传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外,它还控制着芯片DS18B20相互通讯。

该系统的数字温度计电路简单，所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。

此数字温度计可以测量得温度范围—55~+125℃并通过一个四位一体的7段数码管显示出来。

关键词单片机；数字温度计；温度传感器；STC89C52RC；DS18B20Based on single chip simple digitalthermometer designZhangXunAbstract This paper introduces a kind of based on single chip simple digital thermometer design. This design mainly consists of three modules: temperature acquisition module, data processing module and display module. Temperature acquisition is mainly composed of temperature sensor DS18B20 to complete, it is responsible for the collection of the analog conversion to the corresponding digital quantity in the transfer to the data processing module. Data processing by the chip STC89C52RC to complete, which is responsible for the DS18B20 transfer to the digital quantity in the course of data processing, produce the corresponding display code to display module display; In addition, it also control the chip DS18B20 mutual communication.The system of the digital thermometer circuit is simple, the element used less, low cost, and high measuring accuracy and reliability. The digital thermometer can measure temperature range - 55 ~ + 125 ℃ and through a quaternity seven period of digital tube display.Keywords Single-chip microcontroller; Digital thermometer; Temperature sensor; AT89C51; DS18b20目录1 引言 (1)2 设计总体方案 (2)2.1设计要求 (3)2.2 设计思路 (4)2.3 设计方案 (5)3 硬件电路设计 (6)3.1 温度采集模块 (3)3.2 单片机系统 (9)3.3 复位电路和时钟电路 (16)3.4 数码管显示系统设计 (18)3.5 总体电路设计 (21)4 程序设计 (14)4.1 程序设计总方案 (23)4.2 系统子程序设计 (23)5面包电路的搭建 (25)5.1 硬件的调试 (25)5.2 显示结果分析 (18)6实物的制作 (19)结论 (37)参考文献 (38)附录程序代码 (22)致谢 (39)1 引言在环境的舒适度测量中，温度、湿度和空气质量是最基本的三个被测量，其中温度的测量最为经常。

而且随着生活质量的提高，特别是在科技领域的特殊环境更是经常需要测量高精度的温度，所以数字温度计就成为一种必不可少的测量仪器。

数字温度计简称DTM，它是采用数字化测量技术，把连续的温度值转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。

由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用[1]。

传统的液体式刻度温度计功能单一，进度低，容易引起视差和视觉疲劳，不方便携带等原因，因而不能满足数字化时代的需要。

采用单片机的数字温度计，将连续的模拟量如温度转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC实时通信。

数字温度计是诸多数字化仪表的核心与基础[2]。

以数字温度计为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。

目前，由各种单片机和温度传感器构成的数字温度计作全面深入的了解是很有必要的。

最近的几十年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字温度计的快速发展，并不断出现新的类型[4]。

数字温度计从问世以来，经历了不断改进的过程，从最早采用电阻，指针的形式发展到了现在的全固态化、集成化（IC化），数字温度计采用进口芯片组装精度高、高稳定性，误差≤0.5%，内电源、微功耗、不锈钢外壳，防护坚固，美观精致。

目前，数字温度计的内部核心部件是温度传感器，转换的精度很大程度上影响着数字温度计的精度，因而，以后数字温度计的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面[3]。

本文是以简易数字温度计设计为研究内容，本系统主要包括三大模块：温度传感器模块、数据处理模块及显示模块。

其中，温度采集采用DS18B20对输入的模拟信号进行转换，控制核心STC89C52RC再对转换的结果进行运算处理，最后驱动输出装置数码管显示数字温度信号[11]。

2 设计总体方案2.1设计要求⑴以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个简单的数字温度计。

⑵采用单总线输入，能够测量-55~125℃值。

⑶电压显示用4位一体的LED数码管显示，能够显示小数位。

⑷尽量使用较少的元器件，达到所要的目的。

2.2 设计思路⑴根据设计要求，选择STC89C52RC单片机为核心控制器件。

⑵温度采集采用DS18B20实现，与单片机的接口为P3^3引脚。

⑶电压显示采用4位一体的LED数码管。

⑷LED数码的段码输入,由并行端口P0产生：位码输入，用并行端口P2低四位产生。

2.3 设计方案硬件电路设计由5个部分组成; 温度采集电路，STC89C52RC单片机系统，LED 数码管显示系统、时钟电路、复位电路以及被测量温度输入。

硬件电路设计框图如图1所示。

图1 数字温度计系统硬件设计框图3 硬件电路设计3.1 温度采集模块温度是现实世界中的模拟量，能把温度这个模拟量转化成数字量的器件称为温度采集模块（温度传感器）温度采集模块是单片机数据采集系统的关键接口电路，根据所用测温物质的不同和测温范围的不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计、双金属温度计等等。

数字温度计具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。

与有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计的转换速度更快，而且精度更高，比如LM35、DS18B20等，它们具有驱动电路简单，精度高转换速度快等特点，它们可以与单片机系统连接，直接将数字量送到单片机进行分析和显示。

用单总采线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。

单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，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概念。

3.1.2 DS18B20 主要特性3.1.3DS18B20 单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：3.1.4（ 1 ）用单总采线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。

单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，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概念。

3.1.5（ 2 ）测量温度范围宽，测量精度高 DS18B20 的测量范围为-55 ℃ ~+ 125 ℃ ；在 -10~+ 85°C 范围内，精度为± 0.5°C 。

3.1.6（ 3 ）在使用中不需要任何外围元件。

3.1.7（ 4 ）持多点组网功能多个 DS18B20 可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。

3.1.8（ 5 ）供电方式灵活 DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。

因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。

3.1.9（ 6 ）测量参数可配置 DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定9~12 位。

3.1.10（ 7 ）负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。

3.1.11（ 8 ）掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM ，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。

3.1.12 DS18B20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐。

3.1.13 DS18B20外部引脚特征DS18B20芯片有3条引脚，采用TO-92，SOIC，CSP式封装，其引脚图如图3所示。

图3 DS18B20引脚图下面说明各个引脚功能:DS18B20的管脚排列1. GND为电源地；2. DQ为数字信号输入／输出端；3. VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地表1配置寄存器与分辨率关系表其中配置寄存器的格式如下：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，如下图所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）3.1.4 DS18B20的工作方式1寄生电源工作方式（电源从IO口上获得）注意：当温度高于１００℃时，不能使用寄生电源，因为此时器件中较大的漏电流会使总线不能可靠检测高低电平，从而导致数据传输误码率的增大。