数字温度计的设计与仿真设计

单片机原理与应用设计课程综述

设计项目 数字温度计 任课教师 班级 姓名 学号 日期

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基于AT89C51的数字温度计设计与仿真

摘 要：随着科学技术的不断发展，温度的检测、控制应用于许多行业，数字温

度计就是其中一例，它的反应速度快、操作简单，对环境要求不高，因此得到广泛的应用。

传统的温度测量大多使用热敏电阻，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将模拟信号转换成数字信号才能由单片机进行处理。本课题采用单片机作为主控芯片，利用DS18B20来实现测温，用LCD液晶显示器来实现温度显示。

温度测量范围为0～119℃，精确度0.1℃。可以手动设置温度上下限报警值，当温度超出所设报警值时将发出报警鸣叫声，并显示温度值，该温度计适用于人们的日常生活和工、农业生产领域。

关键词：数字温度计；DS18B20；AT89C51； LCD1602

一、绪 论

1.1 前言

随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所

给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求也越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。单片机技术

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已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,单片机已经在测控领域中获得了广泛的应用。

1.2 课题的目的及意义

数字温度计与传统温度计相比，具有结构简单、可靠性高、成本低、测量范围广、体积小、功耗低、显示直观等特点。该设计使用AT89C51，DS18B20以及通用液晶显示屏1602LCD等。通过本次设计能够更加了解数字温度计工作原理和熟悉单片机的发展与应用，巩固所学的知识，为以后工作与学习打下坚实的基础。

数字温度计主要运用在工业生产和实验研究中，如电力、化工、机械制造、粮食存储等领域。温度是表征其对象和过程状态的重要参数之一。比如：发电厂锅炉温度必须控制在一定的范围之内，许多化学反应必须在适当的温度下才能进行。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作。因此，温度的测量和控制是非常重要的。

1.3 该论文研究的内容

通过对目前各种温度传感器的分析与研究，对温度传感器做出合理选择，并根据实际需要选择合适的主芯片和显示器，达到优化整体结构，提高温度检测精度，同时使系统具有测温范围广、体积小、功耗低、精度高、显示直观等优点，并保证系统结构简洁。

本课题的研究重点将放在元器件介绍、硬件电路和程序设计这三个方面。 总之，本课题研究出一套简洁实用、精确稳定、使用直观的便携式数字温度计。

二、设计方案

2.1 方案1：使用电阻元件

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由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应将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。

2.2 方案2：使用数字温度传感器

在单片机电路设计中，大多都是使用传感器[3]，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。

方案二，电路比较实用，软件设计也比较简单，故采用了方案二。

2.3 方案2的总体设计框图

温度计电路设计总体方框图如图2.1所示，控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用DS18B20，用LCD液晶显示屏以串口传送数据实现温度显示[8]。

图2.1 总体设计框图

2.3.1 温度传感器

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，是一线式数字式温度计芯片，体积更小、适用电压更宽、更经济。它具

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有结构简单，不需外接元件等特点。与传统的热敏电阻测温元件相比，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9～12位的数字值，使系统设计更灵活、方便。

1. DS18B20的性能特点如下[6]

 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；  无须外部器件；

 可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V；  零待机功耗；

 温度用9或12位数字；  用户可定义报警设置；

 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；

 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. DS18B20的外形和内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图2.2所示。

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图2.2 DS18B20外形图

引脚定义：

(1) DQ为数字信号输入/输出端； (2) GND为电源地；

(3) VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 其内部结构框图如图2.3所示：

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图2.3 DS18B20内部结构

64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码[11]，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图2.3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的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为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图2.4所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。

温度 LSB 温度 MSB TH用户字节1 TL用户字节2 配置寄存器 保留 .学习帮手.

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.保留 保留 CRC .TMR1R011111.

图2.4 DS18B20字节定义

.DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。

高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示[5]。

当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进

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制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2.1是一部分温度值对应的二进制温度数据。

DS18B20的测温原理是这这样的,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。

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。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据

表2.1 一部分温度对应值表

温度/℃ +125 二进制表示 0000 0111 1101 0000 十六进制表示 07D0H +85 0000 0101 0101 0550H .学习帮手.

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0000 +25.0625 0000 0001 1001 0000 +10.125 0000 0000 1010 0001 +0.5 0000 0000 0000 0010 0 0000 0000 0000 1000

0000H 0008H 00A2H 0191H 2.3.2 1602LCD模块显示特性[4]

●单5V电源电压，低功耗、长寿命、高可靠性

●内置192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）

●具有64个字节的自定义字符RAM，可定义8个5×8点阵字符或四个5×11点阵字符

●显示方式：STN、半透、正显 ●驱动方式：1/16DUTY，1/5BIAS ●视角方向：6点 ●背光方式：底部LED

●通讯方式：4位或8位并口可选

●标准的接口特性，适配MC51和M6800系列MPU的操作时序

1. 1602LCD模块接口定义

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图2.5 1602LCD引脚外形图

1602LCD采用标准的14脚（无背光）接口，各引脚接口说明如表2.2所示。

表2.2 1602LCD接口定义表

管脚定义 1 2 3 符号 功能 Vss Vdd VEE 电源地（GND） 电源电压（＋5V） LCD驱动电压（可调） 寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型号； RS=0，当MPU行进写模块操作，指向指令寄存器； 4 RS 当MPU进行读模块操作，指向地址计数器； RS=1，无论MPU读操作还是写操作，均指向数据寄存器 5 R/W 读写控制输入端，输入MPU选择读/写模块操作操作信号： R/W＝0 读操作；R/W＝1 写操作 6 E 使能信号输入端，输入MPU读/写模块操作使能信号： .学习帮手.

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读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效 7 8 9 10 11 12 13 14 DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道

2.1602LCD液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2.3所示。

表2.3 控制命令表

序号 1 2 指令 S 清显示 光标返回 置输入模式 RR/W 7 D6 0 0 D5 0 0 D4 0 0 D3 0 0 D2 0 0 D1 0 0 D0 0 1 ID0 0 0 0 1 * 3 0 0 0 0 0 0 0 1 /D D C S 4 显示开/关控制 0 0 0 0 0 0 1 B .学习帮手.

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5 光标或字符移位 S0 0 0 0 0 1 /C /L D0 0 0 0 1 L N R* * 6 置功能 F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 读忙标志或地址 0 0 1 B显示数据存贮器地址 计数器地址 9 0 1 F 10 DDRAM） 写数到CGRAM或1 0 要写的数据内容 11 DDRAM读数 从CGRAM或1 1 读出的数据内容

1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明:1为高电平、0为低电平）

三、硬件电路设计

3.1 电路原理图

本温度计大体分三个工作过程。首先，由DS18B20温度传感器芯片测量当前温

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度，并将结果送入单片机。然后，通过AT89C51单片机芯片对送入的测量温度读数进行计算和转换，并将此结果送入液晶显示模块。最后，LCD 1602模块将送来的值显示于显示屏上。

从图中可以看到，本电路主要由DS18B20温度传感器芯片、通用LCD 1602 液晶显示模块和AT89C51单片机芯片组成。其中，DS18B20温度传感器芯片采用“一线制”与单片机相连[9]，它独立地完成温度测量并将结果送到单片机进行处理。本系统测温范围为0～119℃，精度达0.1 ℃。

3.2 LCD1602显示器与单片机的接口电路

由于液晶显示数字温度使用方便、功耗低、显示直观、寿命长且便于实现小型化设计，另外该模块显示字符数量比以前的七段数码管LED（Light Emitting Diode）显示器要多得多。因此选用通用1602LCD显示模块[10]。

图3.2 LCD1602与单片机接口电路

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3.3 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

本设计中DS18B20温度传感器与单片机接口电路采用外接电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。如图3.3所示。

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四、软件设计

初始化 DS18B20存在? N Y 显示DS18B20 ERROR 显示DS18B20 OK 读DS18B20 数据处理 显示温度 发报警搜索DS18B20 温度超限? Y N 鸣报警有键按下吗? Y N 按键处理

图4.1 主程序流程图

本设计使用硬件描述语言Keil C51进行设计开发，采用μVision2的综合软件设

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计程序[12]。主程序的主要功能是负责温度的实时显示.

4.1 读出温度子程序

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的字节，其程序流程图如图4.2所示。

图4.2 读温度流程图

4.2 温度转换命令子程序

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如图4.3所示

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图4.3 温度转换流程图

4.3 计算温度子程序

计算温度子程序从RAM中读取值进行BCD码的转换运算，其程序流程图如图4.4所示。

图4.4 计算温度流程图

4.4 显示数据刷新子程序

显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图4.5所示。

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图4.5 显示数据刷新流程图

4.5电路仿真

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本课题电路运用Proteus进行仿真[2]，画好电路图，单击Play按钮，进入仿真状态，出现如图所示仿真图。

五、总结

在设计过程中，主要介绍了数字温度计的设计过程，主要从元器件开始谈起，介绍了两个主要器件温度传感器DS18B20以及LCD1602显示屏，这两个元器件在生活和工业生产中得到了广泛的应用。然后从硬件和软件两个方面来介绍，硬件电路主要介绍DS18B20与单片机的接口电路，显示屏LCD1602与单片机的接口电路。软件方面，主要阐述了程序流程图，温度子程序流程图，温度转换命令流程，温度计算子程序流程以及数据刷新子程序流程图。设计的具体功能也在仿真结果中

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得到现实的体现。

通过这次毕业设计也使我对单片机技术有了更进一步的了解，实际操作和课本上的知识有很大的联系，一个看似很简单的电路，要动手做出来就比较困难了，因为是设计让我们在以后的学习中要注意这点，要把课本上所学的知识跟实际联系起来。有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握，同时本次电路的设计巩固了所学知识，增强了学习的兴趣，为以后从事电子电路设计、研制电子产品方面的工作奠定了一定的基础.

六、程序

#include \"18B20.h\"

void delayms(unsigned int m) { }

void ds_reset() //18B20复位 {

unsigned int i=100; ds=0; while(i>0) i--; ds=1;

unsigned int x,y; for(x=m;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

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}

i=4;

while(i>0) i--;

bit temp_read_bit() //读1位数据 { }

unsigned char temp_read() //读1字节数据 {

unsigned char i,j,dat; dat=0;

for(i=1;i<=8;i++) { }

j=temp_read_bit(); dat=(j<<7)|(dat>>1); unsigned int i; bit dat; ds=0,i++; ds=1,i++,i++; dat=ds;

i=8;while(i>0)i--; return dat;

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}

return dat;

void temp_write_byte(unsigned char dat) //写1字节数据 {

unsigned int i; unsigned char j; bit b;

for(j=1;j<=8;j++) {

b=dat&0x01; dat=dat>>1; if(b) { ds=0; } else { ds=0;

i=8;while(i>0)i--; i++,i++; ds=1;

i=8;while(i>0)i--;

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}

}

}

ds=1; i++,i++;

unsigned int get_temp() {

a=temp_read(); b=temp_read(); unsigned char a,b; unsigned int temp; float ftemp; ds_reset(); delayms(1);

temp_write_byte(0xcc);

temp_write_byte(0x44); //温度转换命令 ds_reset(); delayms(1);

temp_write_byte(0xcc);

temp_write_byte(0xbe); //读RAM中的温度数据

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}

temp=b; temp=temp<<8; temp=temp|a; ftemp=temp*0.0625; temp=ftemp*100+0.5; return temp;

#include \"18B20.h\"

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int //这三个引脚参考资料 sbit E=P3^2; sbit RW=P3^1; sbit RS=P3^0; uint wendu=0;

/******************************************************************** * 名称 : Delay()

* 功能 : 延时,延时时间为 10ms * del。这是通过软件延时，有一定误差。 * 输入 : del * 输出 : 无

//1602使能引脚 //1602读写引脚

//1602数据/命令选择引脚

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***********************************************************************/ void Delay(uint del) { }

/******************************************************************** * 名称 : delay()

* 功能 : 延时,延时时间大概为140US。 * 输入 : 无 * 输出 : 无

***********************************************************************/

void delay() { ; }

/********************************************************************

int i,j;

for(i=0; i<=100; i++) for(j=0; j<=20; j++) uint i,j;

for(i=0; ifor(j=0; j<1827; j++) //这个是通过软件仿真得出的数

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* 名称 : enable(uchar del) * 功能 : 1602命令函数 * 输入 : 输入的命令值 * 输出 : 无

***********************************************************************/

void enable(uchar del) { }

/******************************************************************** * 名称 : write(uchar del) * 功能 : 1602写数据函数 * 输入 : 需要写入1602的数据 * 输出 : 无

***********************************************************************/

P0 = del; RS = 0; RW = 0; E = 0; delay(); E = 1; delay();

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void write(uchar del) { }

/******************************************************************** * 名称 : L1602_init()

* 功能 : 1602初始化，请参考1602的资料 * 输入 : 无 * 输出 : 无

***********************************************************************/ void L1602_init(void) {

enable(0x01); enable(0x38); enable(0x0c); enable(0x06); P0 = del; RS = 1; RW = 0; E = 0; delay(); E = 1; delay();

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}

enable(0xd0);

/******************************************************************** * 名称 : L1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)

* 功能 : 改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符显示\"b\" ，调用该函数如下

L1602_char(1,5,'b')

* 输入 : 行，列，需要输入1602的数据 * 输出 : 无

***********************************************************************/ void L1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign) { }

/******************************************************************** * 名称 : L1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p)

* 功能 : 改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符开始显示\"ab cd

uchar a;

if(hang == 1) a = 0x80; if(hang == 2) a = 0xc0; a = a + lie - 1; enable(a); write(sign);

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ef\" ，调用该函数如下

L1602_string(1,5,\"ab cd ef;\")

* 输入 : 行，列，需要输入1602的数据 * 输出 : 无

***********************************************************************/ void L1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p) { }

/******************************************************************** * 名称 : Main() * 功能 : 主函数

uchar a;

if(hang == 1) a = 0x80; if(hang == 2) a = 0xc0; a = a + lie - 1; enable(a); while(1) { }

if(*p == '\\0') break; write(*p); p++;

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* 输入 : 无 * 输出 : 无

***********************************************************************/ void Main() {

L1602_init();

L1602_string(1,1,\" \"); Delay(100);

L1602_string(1,1,\" shuziwenduji \");

while(1) {

wendu=get_temp(); enable( 0xc0+6); write(wendu/1000+0x30); write(wendu%1000/100+0x30);

write('.');

write(wendu%100/10+0x30);

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