基于单片机的数字温度计

数字温度计设计

一、设计任务与要求

1．1 设计容：

数字温度计的设计要能实现温度的实时采集与显示，以AT89S51单片机为核心芯片，使用DS18B20数字温度传感器或使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应采集环境温度，并通过一组4位共阴极数码管将温度显示出来，也可用LM1602液晶显示屏。

1．2 设计基本要求：

（1）温度设定围：温度为00℃—99℃

（2）温度精度为0.1℃；

（3）可以设置报警温度，发出报警信息，可以用声或光表示。

二、方案设计与论证

本设计以检测温度并显示温度，以及提供上下限报警和设定某一个报警温度为目的。按照系统设计功能的要求，对于温度的采集可以使用温度传感器、热敏电阻或热电偶等等；将采集到的温度传到单片机，利用软件编程对温度进行处理；温度围和精度由软硬件决定；报警采用声音和灯光相结合，由蜂鸣器和LED 灯组成；报警温度的设置由键盘的up和down来设定。

方案一

由于本设计实现的是测温电路，首先我们可以使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应，将其随被测温度变化的电压或电流值采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，通过显示电路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。因此，我们引出第二种方案。

方案二

我们可以采用技术成熟、操作简单、精确度高的温度传感器，在此，可以选用数字温度传感器DS18B20，根据它的特点和测温原理，很容易就能直接读取被测温度值并进行转换，这样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，故在本设计中采用了方案二。

以下为利用DS18B20

温度传感器的硬件构成图：

图2.1 数字温度计设计总体硬件构成图 三、硬件电路设计

3. 1、硬件设计总图见图3.1

图3.1 硬件设计仿真总图

DS18B20温度采集 复位电路 按键输入

外部晶振电路

单片机 AT89C52RC

主控部分

四位数码管显示温度

声光报警电路

3.2最小系统的电路设计

单片机晶振电路、外部按键电路和复位电路的设计如图3.2所示。XTAL1（X1）为反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。XTAL2(X2)是来自反向振荡器的输出。在此使用的是12MHz的晶振；复位电路采用手动复位与上电复位相结合的方式。当按下按键S1时，VCC通过R1电阻给复位输入端口一个高电平，实现复位功能，即手动复位。上电复位就是VCC通过电阻R2和电容C3构成回路，该回路是一个对电容C充电和放电的电路，所以复位端口得到一个周期性变化的电压值，并且有一定时间的电压值高于CPU复位电压，实现上电复位功能；以及外部按键电路通过UP和DOWN按键将I/O口直接与地相连，当按键按下时I/O 口将检测到低电平。

图3.2 最小系统的设计电路

3.3温度采集电路的设计

(1)、数字温度传感器DS18B20

它是一种新型的”一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持”一线总线”接口的温度传感器。温度测量围为-55～+125 摄氏度，可编程为9位～12 位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以

及用户设定的报警温度存储在EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上，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。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

DS18B20 的性能特点如下：

▲独特的单线接口方式，DS18B20在与微

处理器连接时仅需要一条总线即可实现微处

理器与DS18B20的双向通讯；

▲DS18B20支持多点组网功能，多个

DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网

多点测温；

▲ DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路；

▲适应电压围更宽，电压围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；

▲测温围-55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；

▲零待机功耗；

▲可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；

▲在9位分辨率时最多在93.75ms把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms把温度值转换为数字，速度较慢；

▲用户可定义报警设置；

▲测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；

▲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。

(2)、工作原理如下

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

的脉冲输入。器件中还有

一个计数门，当计数门打

开时，DS18B20就对低温

度系数振荡器产生的时

钟脉冲进行计数进而完

成温度测量。计数门的开

启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，计数器１和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。减法计数器１对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器１的预置值减到０时，温度寄存器的值将加１，减法计数器１的预置将重新被装入，减法计数器１重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。它有严格的时序概念，初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。