发布时间 : 星期六 文章基于51单片机和DS18B20的数字温度计设计 - 图文更新完毕开始阅读6de5f5156fdb6f1aff00bed5b9f3f90f76c64d8f
第一章 绪言
1．1 课题背景
工农业生产中经常需要测量温度。在设计温度测量系统时，通*要采用电池供电的极低功耗模块。传统的温度测量手段比较多，但不论是采用分立晶体管，或者是热电偶，功耗都降不下来。为达到低功耗要求，采用一枚极低功耗的、带Flash存储器的MCU，以及热敏电阻传感器、日历时钟和液晶模块(LCD)组成测量系统。采用负温度系数(NTC)热敏电阻，具有测量灵敏度高、体积小，电阻值大、价格便宜等特点，且温度范围可以从-40℃～125℃，精度可达1％，基本上满足了行业中对温度的测量需求。系统兼顾了温度测量精度和低功耗方面的要求。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以点位控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。
1．2 课题研究的目的和意义
温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常用到的一个物理量。测量温度的基本方法是使用温度计直接读取温度。最常见到得测量温度的工具是各种各样的温度计，例如：水银玻璃温度计，热电偶或热电阻温度计等。它们常常以刻度的形式表示温度的高低，人们必须通过读取刻度值的多少来测量温度。传统的方式是采用热电偶或热电阻。利用单片机和温度传感器构成的电子式智能温度计就可以直接测量温度，得到温度的数字值，既简单方便，有直观准确。
随着社会的不断发展，人们对自动化集成中调空的要求日益提高。即使是高度集成化的今天，单片机技术依旧在我们的日常生活中占据着重要的地位。科技不断发展，现代社会对各种信息参数的采集的准确度和精确度的要求都有了巨大的增长，然而如何准确却又快速的获取需要的阐述却受限于当代信息基础的发展水平。在三大信息技术中心急采集(传感器技术)、信息传递(通信技术)和信息的处理技术(计算机技术)中，传感器技术属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感技术，在我国各个领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产
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过程中需要实时测量温度，农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统例如：单片机LPC2148目前在移动产品中有还是具有优势的[4]。单片机的潜力越来越被人们所重视。特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强，能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。而现在的单片机在农业上页有了很多的应用。
1．3 国内外研究现状
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机具有低的处理速度和存储容量小的特点。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
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第二章 设计要求
2.1 设计任务
现代社会生活中，多功能的数字温度计可以给我们的生活带来很大的方便；支持“一线总线”接口的温度传感器简化了数字温度计的设计，降低了成本；以美国MAXIM/DALLAS半导体公司的单总线温度传感器DS18B20为核心，以ATMEL公司的AT89S52为控制器设计的DS18B20温度控制器结构简单、测温准确、具有一定控制功能的智能温度控制器。
此次课程设计，就是用单片机[1]实现温度控制，传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。本次采用DS18B20数字温度传感器来实现基于51单片机的数字温度计的设计。
该数字温度计利用AD590集成温度传感器及其接口电路完成温度的测量并转换成模拟电压信号，经由模数转换器ADC0804转换成单片机能够处理的数字信号，然后送到单片机AT89C51中进行处理变换，最后将温度值显示在D4、D3、D2、D1共4位七段码LED显示器上。系统以AT89C51单片机为控制核心，加上AD590测温电路、ADC模数转换电路、4位温度数据显示电路以及外围电源、时钟电路等组成。
2.2 基本要求
实现实时温度显示，4位LED显示；设计温度控制器原理图，学习用PROTEL画出该原理图，并用proteus进行仿真； 设计和绘制软件流程图，用C语言进行程序编写；焊接硬件电路，进行调试。
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第三章 课程设计方案及器材选用分析
3.1设计总体方案
显示器件：LED8位数码管，LED液晶屏12864
由于本设计的需要，仅仅需要显示温度值，而且在显示方面8为数码管有着直观清晰容易分辨的特性，并且综合考虑8为数码管价格便宜，体积小巧等优点，所以当前选取LED8为数码管作为显示器件。
提及到温度的检测，我们首先会考虑传统的测温元件有热电偶和热电阻，而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试也复杂，制作成本高。 因此，本数字温度计设计采用智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55°C至+125°C，最大分辨率可达0.0625°C。DS18B20可以直接读出被测量的温度值，而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。
按照系统设计功能的要求，确定系统由三个模块组成：主控制器STC89C51，温度传感器DS18B20，驱动显示电路。总体电路框图如下：
图3-1 系统总体框图
3.1.1方案论证
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。
所以，他的设计理论不符合本次设计的方案要求，应继续考虑另一可行方案。
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，就可以满足设计要求。
因此，从以上两种方案很容易看出，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。
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