数字温度计的软件设计

摘要

随着温度检测技术在农业、家用电器、化工、航天、军事、等多个领域的广泛应用，数字温度计因其精度高、可靠性好，已然成为温度检测技术的主要组成部分，学习和掌握数字温度计的设计有着十分重要的意义。

传统的温度检测电路的设计方法有两种：1）将温度转化成小电压信号，通过信号调理电路处理后送A/D转换为数字量信号，并送微处理芯片进行数据处理；2）将温度信号转换成电压信号，利用U/F通过计数器来实现。两种方法的信号调理电路均比较复杂且都难以克服模拟温度传感器的非线性误差。

本文设计了基于DS18B20的数字温度计，利用DS18B20数字温度传感器将温度检测结果直接转换成数字量，并以“一线总线”通信方式将数字量传送给单片机。在硬件组成中无需AD转换，且仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。系统结构简单，抗干扰能力强，有广泛的应用前景。

关键词：单片机，主控制器，显示键盘

数字温度计的软件设计

1 引言

数字温度计属于信息科学的一个重要部分，大规模集成技术的高度发展和计算机技术的飞速前进，推动了这一技术的发展。在数字温度技术迅速发展的今天，现代的温度传感器已经走向数字化，外形小，接口简单，广泛应用在生产时间的各个领域，为我们的生活提供便利。

典型的温度检测元件有热电偶、金属热电阻、AD590、热敏电阻。

热电阻——热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，是利用金属导体有温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。在工业生产各行业有着非常广泛的应用。主要特点是测量精度高，性能稳定。

热敏电阻——热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。热敏电阻的主要优点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以，上能检测出10-6℃的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；稳定性好、过载能力强。热敏电阻的主要缺点是变化率非线性，不适合测量高温区。

热电偶——是将温度变化转换为电势变化，目前广泛应用于工业与民用产品中。具有测量范围广、型号种类比较多等优点。热电偶在选择时除

必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件还需考虑温度补偿。

AD590具有线性好、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，测温范围为- 55℃~+150℃。AD590的电源电压范围为4～30 V，可以承受44 V 正向电压和20 V反向电压因而器件即使反接也不会被损坏。AD590属于电流输出型器件，因其线性度好测温电路简单而得到广泛应用。然而

AD590也存在着价格高、电路复杂、精度低等缺陷。

根据测温元件的类型和特性的不同数字温度计的典型设计方法有：1）温度→小电压信号→信号调理电路→A/D转换

2）温度→小电压信号→频率

传统的数字温度计存在着一些不足。需要A/D转换无法保证数字温度计的精度要求，电路复杂，抗干扰能力差，非线性等缺点。如今的数字温度计的发展，已从模拟集成温度传感器向数字集成温度传感器发展，随着集成芯片的发展数字温度传感器DS18B20具有输出数字量，无需AD转换，抗干扰能力强，一线接口简单系统的硬件电路简单等特点，具有很强的推广性。

本文主要介绍了一个基于89S52单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也一一进行了介绍，该系统可以方便的实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上下限报警温度它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点。

本文的主要工作是数字温度计的软件设计，系统由键盘模块、数据处理模块、温度报警模块、串口通信模块组成。其中中央控制单元AT89S52芯片作为主控制器，利用DS18B20实现具体工作内容——查阅相关文献资料、总体方案设计、设计方案论证与选择、程序设计与仿真。

2 系统概述

本文设计的主要功能有如下几点:

（1）四个数码管显示当前温度（-55℃～+125℃）。

（2）声光报警：当温度低于下限时，蜂鸣器开始以慢“滴”报警并伴随发光二极管闪烁。当温度高于上限温度时，蜂鸣开始以慢的“滴”报警并伴随发光二极管闪烁。当温度继续升高并高于上限温度时，蜂鸣器以快“滴”声报警，并伴随P1.2和P1.3口发光二极管一起闪烁。

（3）键输入功能：键盘按下开始键数字温度计开始扫描按下key1键温度上限增加，按下key2键温度下限改变，按下key4数字温度计结束工作。

数字温度计设计内容如图2.1，包括温度传感器模块，键盘模块，温度控制模块，报警电路模块等。

图2.1数字温度计设计内容

3数字温度计硬件基础

3．1 单片机介绍

AT89S52单片机采用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上8K字节Flash允许程序存储器在系统编程，适用于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得AT89S52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52结构原理：

AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位单片机，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上带有8K字节可编程Flash存储器且允许在系统改写或用编程器编程。另外AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件，可选择节电模式。空闲模式下CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。以下对AT89S52的主要性能和引脚结构加以介绍。

主要性能

(1) 与MCS-51单片机兼容

(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器

(3) 1000次擦写周期

(4) 全静态操作：0Hz～33Hz

(5) 三级加密程序存储器

(6) 32个可编程I/O口线

(7) 三个16位定时器/计数器

(8) 八个中断源

(9) 全双工UART串行通道

(10) 低功耗空闲模式和掉电保护模式

(11) 掉电后中断可唤醒

(12) 看门狗定时器

(13) 双数据指针

(14) 掉电标识符

引脚结构

AT89S52的引脚如图3.1所示其引脚功能介绍如下：

图3.1 AT89S52引脚图

(1) 电源引脚Vcc和GND （2条）：

Vcc：接工作电源端+5V。

GND：接地端。

(2) 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2（2条）：

XTAL1，XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟，时此二引线端用于外接石英晶体的微调电容；当使用芯片外部时钟时，此二引线端用

于接外部时钟脉冲信号。

(3) 并行输入输出P0口—P3口

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。如需将P0口用作输入口，必须对P0端口写“1”，此时引脚将用作高阻抗输入。

P1口是一个8位漏极开路的双向I/O口，其每一位都可以独立地定义为输入或输出。

P2口是一个8位漏极开路的双向I/O口，每一位可以独立地定义为输入或输出，且P2口的每一位能驱动4个LSTTL负载。

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P3口作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用如表3.1所示。

表3.1 P3口引脚第二功能

引脚号第二功能

P3.0 RXD（串行输入）

P3.1 TXD（串行输出）

P3.2 INT0(外部中断0)

P3.3 INT1(外部中断1)

P3.4 T0（定时器0外部输入）

P3.5 T1（定时器1外部输入）

P3.6 WR(外部数据存储器写选通)

P3.7 RD(外部数据存储器写选通)

(4) 控制信号引脚（4条）：

RST——复位信号输入端，高电平有效。当振荡器正常运行时在此引脚上保持至少两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平即可使单片机复位。

V——访问程序存储器控制信号/固化编程电压输入端。

EA/PP

ALE/PROG——地址锁存允许信号/EPROM编程脉冲输入端。

PSEN——外部程序存储器读选通信号。

3．2 DS18B20 简单介绍

DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积小、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。温度测量范围为-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。

1.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口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内。

●适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

●温范围－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内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

●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。

●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.DS18B20 测温原理

DS18B20的测温原理如图2所示，图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震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，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后进行计数，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℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中减法计数器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2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温其中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用，于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：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。复位时序如图3.2。

图 3.2复位时序

图 3.3读/写时序

在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系。该系统利用AT89S52芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间,并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以的此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。

3．3温度检测电路

DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。DS18B20的电源供电方式有2种:外部供电方式和寄

生电源方式。工作于寄生电源方式时，VDD和GND均接地，他在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用原理是当1Wire总线的信号线DQ为高电平时，窃取信号能量给DS18B20供电同时一部分能量给内部电容充电，当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。但寄生电源方式需要强上拉电路，软件控制变得复杂(特别是在完成温度转换和拷贝数据到EEPROM时)，同时芯片的性能也有所降低。因此在条件允许的场合，尽量采用外供电方式。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K Ω左右的上拉电。在这里采用前者方式供电。DS18B20与单片机的连接电路如图 3.4所示。

图 3.4 DS18B20与单片机的连接

4 软件设计

数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统测温电路的很多外围器件。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件此元件，此元件线形较好。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S52构成的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号，可直接与计算机连接。这样，测温系统的结构就比较简单体积也不大。采用51单片机控制软件编程的自由度大可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC 机通信上传数据，另外AT89S52 在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

4．1 DS18B20使用中的注意事项

DS18B20 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

●DS18B20 从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示85。

●在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V左右，若电源电压过低，会使所测得的温度精度降低。

●较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。

●在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易

使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此，当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这就是这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

4．2 DS18B20的内部结构

DS1820主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM）用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。

4．3程序结构的设计

此次的DS18B20采用的是模块化的编程思想。

所谓的模块化设计，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。

以功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。模块化的目的是为了降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。程序模块化的三大特征相对独立性，互换性，通用性。

本次设计的程序系统主要以模块化的编程思想求解较小问题的算法和程序称作“功能模块”，各功能模块可以先单独设计，然后将求解所有子问题的模块组合成求解原问题的程序。模块化的编程思想大大的降低了编程的困难，逻辑关系简单。

图4.1由功能模块组成程序的结构图

通过这样的程序设计结构，本次设计由键盘模块、温度显示模块、报警电路模块、通信、数据采集、数据处理组成。

4．4程序语言的选择

4．4．1 汇编语言方案

采用汇编语言对于数字温度计进行编程，汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。汇编语言作为一门语言，对应于高级语言的编译器，需要一个“汇编器”来把汇编语言原文件汇编成机器可执行的代码。

一汇编语言的特点:

（1）面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。

（2）保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。

（3）可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备如磁盘、存储器、CP U、I/O端口等。

（4）目标代码简短，占用内存少执行速度快是高效的程序设计语言。（5）经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。

二汇编语言优点：

（1）能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口；

（2）能够不受编译器的限制对生成的二进制代码进行完全的控制；（3）能够对关键代码进行更准确的控制避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁；

（4）能够根据特定的应用对代码做最佳的优化提高运行速度；

（5）能够最大限度地发挥硬件的功能。

三汇编语言缺点：

（1）编写的代码非常难懂不好维护。

（2）很容易产生bug难于调试。

（3）只能针对特定的体系结构和处理器进行优化。

（4）开发效率很低时间长且单调。

4．4．2 C语言方案

采用C语言编程，C语言是Combined Language（组合语言）的中英混合简称。是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此它的应用范围广泛，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C

语言，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。

一 C语言的优点

（1）简洁紧凑、灵活方便

C语言一共只有32个关键字，9种控制语句程序书写形式自由主要用小写字母表示。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。

（2）运算符丰富

C语言的运算符包含的范围很广泛，共有34种运算符。C语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。从而使C语言的运算类型极其丰富，表达式类型多样化。灵活使用各种运算符可以实现在其它高级语言中难以实现的运算。

（3）数据结构丰富

C语言的数据类型有：整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。能用来实现各种复杂的数据结构的运算。并引入了指针概念，使程序效率更高。另外C语言具有强大的图形功能，支持多种显示器和驱动器。且计算功能、逻辑判断功能强大。

（4）C是结构式语言

结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分，除了必要的信息交流和通信外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰便于使用、维护以及调试。C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。

（5）C语法限制不太严格

程序设计自由度大虽然C语言也是强类型语言，但它的语法比较灵活

允许程序编写者有较大的自由度。

（6）C语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作由于C 语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作，因此它既具有高级语言的功能，又具有低级语言的许多功能，能够像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元可用来写系统软件。

（7）生成目标代码质量高，程序执行效率高，一般只比汇编程序生成的目标代码效率低10～20%。

二C语言缺点

（1）C语言的缺点主要表现在数据的封装性上，这一点使得C在数据的安全性上有很大缺陷，这也是C和C++的一大区别。

（2）C语言的语法限制不太严格，对变量的类型约束不严格影响程序的安全性，对数组下标越界不作检查等。从应用的角度，C语言比其他高级语言较难掌握。

4．4．3 方案的确定

（1） C是中级语言。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。

（2）C是结构式语言。结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C 语言是以函数形式提供给用户的这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。

（3）C语言功能齐全。具有各种各样的数据类型，并引入了指针概念，可使程序效率更高。另外C语言也具有强大的图形功能，支持多种显示器和驱动器。而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的游戏。

（4）可移植性强能用于多种编程软件。

综合以上的特点结合此次毕业设计的要求，数字温度计的软件设计决定采用C语言对程序进行编程。

4．5主程序介绍

主程序的主要功能是负责温度的实时显示读出并处理DS18B20测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在1s之内测量一次被测温度。如图4.2所示主程序流程。

图4.2主程序流程图

4．6数据处理模块

数据处理是整个系统的关键，即简洁的硬件结构是靠复杂的软件来支持的。多个器件挂在一条总线上为了识别不同的器件，在程序设计过程中一般有四个步骤：初始化命令；传送ROM命令；传送RAM命令；数据交换命令。需要注意的是，在系统安装及工作之前，应将主机逐个与DS18B20挂接，读出其序列号。其工作过程为：主机发出一个脉冲，待 "0"电平大于480μs后，复位DS18B20，在DS18B20所发响应脉冲由主机接收后，主机再发读ROM命令代码33H，然后发一个脉冲（15μs）并接着读取DS18B20序列号的一位。用同样方法读取序列号的56位。另外由于DS18B20单线通信功能是分时完成，的遵循严格的时隙概念，因此系统对DS18B20和各种操作必须按协议进行即初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。如图4.3所示数据处理。

图4.3 数据处理

4．7键盘模块

键盘模块使用的是四个键分别命名为key1，key2，key3，key4。Key1