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51单片机温度计.pdf
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51单片机温度计.pdf
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目前,单片机已经广泛应用于测控领域。它不仅可以测量电信,还可以测量温度、湿度等非电信号。可独
立工作的单片机温度检测与控制系统已广泛应用于许多领域。
单片机是一种特殊的计算机,它将 CPU、存储器、RAM、ROM 和输入输出接口电路集成在一块半导体芯片上。
这个芯片叫单片机。单片机由于集成度高、功能强、通用性好,具有体积小、重量轻、能耗低、价格低、
抗干扰能力强、可仿制等优点。得到了迅速的推广和应用,现已成为测控系统中的优秀机型和新型电子产
品中的关键元器件。单片机不仅仅局限于小系统的概念,还广泛应用于家用电器、机电产品、办公自动化
产品、机器人、儿童玩具、航天器等领域。
这次我们的模拟电气设计是用单片机来控制温度。传统的温度传感器大多采用热敏电阻作为温度传感器,
但热敏电阻的可靠性差,测温精度低,必须通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。
这次我和同学陆鲁豫用的是 DS18B。
20 数字温度传感器实现基于 51 单片机的温度计设计。
传统温度计存在反射速度慢、读数麻烦、测量精度低、误差大等缺点。利用集成温度传感器 DS18B20,设
计并制作了一种基于 AT89C51 的 4 位数码管数字温度计。其电路简单,软硬件结构模块化,易于实现。
数字温度计是利用温度传感器和接口电路测量温度并转换成模拟电压信号,通过模数转换器转换成单片机
可以处理的数字信号,然后送到单片机进行处理和转换,最后在数码管上显示温度值。该系统由单片机为
控制核心,DS18B20 温度传感器,带 4 位温度数据显示的共阴极数码管,外围电源和报警电路组成。
2.设计任务和要求
2.1 设计任务
在现代生活中,多功能数字体温计可以给我们的生活带来极大的便利。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 MA*IM/DALLAS 半导体公司的单总线温度传感器
DS18B20 为核心,ATMEL 公司的 AT89S52 位控制器设计的 AT89S51 为智能温度控制器,结构简单,测温准
确,具有一定的控制功能。
在本设计中,温度由单片机控制。传统的温度检测大多采用热敏电阻作为温度传感器,但热敏电阻可靠性
差,测温精度低,必须通过专用的接口电路转换成数字信号,才能由单片机进行处理。这次是用 DS18B20
温度传感器来实现基于 51 单片机的数字温度计的设计。
数字温度计利用 DS18B20 温度传感器及其接口电路测量温度并转换成模拟电压信号,通过数模转换器转换
成单片机可以处理的数字信号,送入单片机进行处理和转换,最后通过三极管放大显示在共阴极数码管上。
该系统由 51 单片机为控制核心,温度测量电路,AD 数模转换器,4 位温度数据显示数码管和外围电源时
钟电路组成。
2.2 设计要求
$ 5V 电源(+-0.3V)用于给温度计供电;
$ DS18B20 温度传感器用于温度采集;数字温度计要求温度范围为-5 ~ 35℃,精度误差在 0.1℃以内。
4 位数字共阴极数码管显示器;
$3 个按钮,分别是复位按钮、温度上限设定按钮、温度下限设定按钮;
设计温度显示仪表的电路图(包括报警功能),并用相关软件进行仿真演示;
论证成功后,设计并绘制软件流程图,用 C 语言编写程序;
准备元器件和材料,根据电路图焊接电路,调试;
分析讨论,总结经验,优化成果,撰写报告;
.
.
3 总体设计方案及设备选型分析
3.1 方案论证
方案一:说到温度检测,我们首先会考虑传统的测温元件是热电阻和热电偶,而热电阻和热电偶测量的电
压一般是电压。A/D 转换后要注意单片机对数据的处理,温度可以显示在显示电路上,这就需要更多外部
硬件的支持。硬件电路复杂(需要 A/D 转换电路和温度传感电路),软件调试也复杂,导致生产成本高。
所以这个设计理论不符合我们这次的产品要求,要继续考虑另一个可行的方案。
方案二:考虑到温度传感器的使用,在单片机的电路设计中要想到使用传感器,所以可以使用一个温
度传感器 DS18B20,它可以很方便的读取北侧的温度值,并转换成符合设计要求。另外,我们在电路中加
入了温度报警电路,实时监控温度,在实际生产生活中有很大的应用。
对比两种方案可以看出,第二种方案原理简单易行,测量精度高,所以我们采用第二种方案。
3.2 方案总体设计框图
根据系统的设计要求,选用 DS18B20 作为系统的温度传感器,选用 AT89C51 作为测控系统的核心,完成数
据采集、处理、显示和报警等功能。选用数字温度传感器 DS18B20,省略了采样/保持电路、运算放大器、
数字/模拟转换电路和用于远距离传输的串/并转换电路,简化了电路,缩短了系统的工作时间,降低了系
统的硬件成本。
系统的总体设计思路是:温度传感器 DS18B20 将测得的温度发送给 AT89C51 单片机,经 51 单片机处
理后,将温度显示在显示电路上。该系统的显示采用 4 位共阴极 LED 数码管动态扫描方式实现。检测范围
为 5℃至 38℃。
数字温度计的整体电路框图如图 1 所示。
温度传感器
DS18B20
AT89C51
单片微型
计算机
物主
控制
制造
用具
显示电路
扫 描 驱 动
:
.
.
4.2 MCU 主控制器系统
AT89C51 是一款低压高性能 CMOS8 位微处理器,配有 4K 字节 flash 可编程可擦除只读存储器。该器件采
用 ATMEL 高密度非易失性存储器制造技术制造,兼容工业标准 MCS-51 指令集和输出引脚。由于多功能的
8 位 CPU 和 flash 存储器结合在一个芯片上,ATMEL 的 AT89C51 是一个高效的微控制器,它为许多嵌入式
控制系统提供了一个灵活而廉价的方案。
4.3 温度传感器模块
DS18B20 温度传感器是美国达拉斯半导体公司新推出的改进型智能温度传感器。与热敏电阻等传统测
温元件相比,可直接读取被测温度,并可根据实际要求通过简单编程实现 9-12 位数字值读取。
DS18B20 的性能特征如下:
●独特的单线接口模式,只需要一个端口引脚进行通信;
●可在仅有的三条线上并联多个 DS18B20,实现多点组网功能;
●不需要外部设备;
●可数据线供电,电压范围 3.0 ~ 5.5V;
●温度测量范围为-55℃ ~+125℃,在-10 ~+85℃时精度为±0.5℃
●零待机功耗
●温度以 9 位或 12 位数字读出;
●用户可定义的非易失性温度报警设置
●报警搜索命令识别并标记超过程序指定温度(温度报警条件)的设备。
●负电压特性。当电源极性接反时,温度计不会因发热而烧坏,但不能正常工作。
DS18B20 采用 3 引脚 PR-35 封装或 8 引脚 SOIC 封装,其内部结构框图如图 3 所示:
.
.
图 3 DS18B20 内部结构框图
64 b 闪存 ROM 的结构如下:
前 8 位是产品类型的序列号,后面是每个设备的唯一序列号。一共
48 位,后 8 位是前 56 位的 CRC 校验码,这也是为什么多个 DS18B20
可以一根线相互通信的原因。温度报警触发器 TH 和 TL 可以通过软
件写入家庭报警的上下限。有五种命令来操作主机 ROM,如表 1 所
列。
.
.
手指顺序
读取只读存储器(33H)
匹配只读存储器(55H)
跳过ROM(CCH)
搜索只读存储器(F0H)
警报搜索(ECH)
朔明
读取DS1820 的序列号
读取 64 位序列号后的命令,在使用
该命令执行后的内存操作将针对所
识别总线上每个设备的代码,并为
只有温度超出限值的设备才会响应
DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个暂存 RAM 和一个非易失性电可擦
除 EERAM。暂存 RAM 的结构是一个 8 字节存储器,结构如图 4 所示。
前 2 个字节包含测得的温度信息,第 3 和第 4 个字节 th 和 TL 是易失性的,每
次上电和复位时都会刷新。第 5 个字节是配置寄存器,其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成相应精度的温
度值。
低温 LSB 温度高
MSB
泰
国
(Th
ail
and
)
元
素
铊
的
符
号
部署 保留 保留 保留 8 位 CRC
当 DS18B20 接收到温度转换命令时,它开始转换。转换后的温度值以
16 位带符号扩展二进制补码形式存储在暂存存储器的第一个和第二个字节
.
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