温度传感器

1、设计目的

a) 培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。

b) 学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。

c) 进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常见元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。

d) 培养学生的创新能力。

2、设计要求

一、课程简介

温度传感器类型较多，近年来集成温度传感器被广泛应用，例如ＡＤ５９０就是一个线性度优良的电流型温度传感器。使用传感器将温度信号转换为电流信号后经放大预处理环节后将输出一个温度成比例的电压信号。

为使信号可远距离以适应测量的要求，可对信号进行Ｖ／Ｆ转换，合理选择Ｖ／Ｆ转换器，可使其输出频率正比于输入电压，此频率信号通过定时、技术方式，输出经锁存、译码、驱动即可推动数码管以数字方式显示温度。

二、设计要求与技术指标

1、主要部分采用中、大规模集成电路芯片；

2、可用于远距离温度测量；

3、整机功耗低；

4、测量范围-50°C~+128°C；

5、误差小于＜0.2℃；

6、非线性度＜0.2%；

三、设计思路

整体设计应包含温度传感器，V/F转换电路，计数寄存器。译码驱动电路，显示单元以及时基与控制逻辑等。

3、总体设计

3.1方框图总体【1】

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。

原理框图

温度计电路设计总体设计框图如图2-1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用四位LED数码管以并口传送数据实现温度显示。

图2-1

说明：

⑴传感器可以采用LM 35温度传感器，电桥的输出电压作为运放构成的差动放大器双端输入信号，将信号放大后由低通滤波器将高频信号滤去。如上图所示。

⑵被测温度信号电压加于比较器（Ⅰ）与控制温度电压V

REF

进行比较，比较结果通过调温控制电路控制执行机构的相应动作，使被控系统升温或降温。

⑶当控制电路出现故障使温度失控时，使被控系统温度达到允许最高温度对应值

max

V，用声、光报警电路发出警报，值班人员将采取相应的紧急措施。

⑷开关S

1可分别闭合系统温度、控制温度电压V

REF

和报警温度电压

max

V，通过A/D转换器

将模拟量转换成数字量，显示器显示出相应的温度数值。

3.2功能模块连接简介{2}

温度传感器的接口2连接单片机P3.4，用于传送数据，接口3连接电源，接口1接地；数码管的段码输入端连接单片机的P1端口，公共端接P3.0-P3.1,单片机的P0端口接上拉电阻，时钟电路连接XTAL,复位电路连接RST。

4、单元电路设计【2】

1）、AT89S52单片机

单片机AT89S52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。

特点如下：

与MCS-51单片机产品兼容 4K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期全静态工作：0Hz—33MHz

32个可编程I/O口线 2个16位定时器/计数器

6个中断源全双工UART串行通道

低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒

看门狗定时器双数据指针

灵活的ISP编程 4.0---5.5V电压工作范围

单片机AT89S52的内部结构总框图。它可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个部分。

AT89S52外部引脚功能如图所示。

本次设计需要特别注意的几个端口：

P0口（39—32）：是一组8位漏极开路行双向I/O口，也既地址/数据总线复用口。可作为输出口使用时，每位可吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入输入端用。在访问外部数据存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，PO口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求接上拉电阻。

P3口（10—17）：是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，，P1的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输出端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除可作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如图所示：

EA/Vpp(31):内部和外部程序存储器选择线。EA=0时访问外部ROM 0000H—FFFFH；EA=1时，地址0000H—0FFFH空间访问内部ROM，地址1000H—FFFFH空间访问外部ROM。本次设计EA接高电平。

XTAL1（19）和XTAL2（18）：使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。

（9）：复位信号输入端。AT89S51接能电源后，在时钟电路作用下，该脚上出RST/V

PD

，即备用电源输入端。当主电现两个机器周期以上的高电平，使内部复位。第二功能是V

PD

将为RAM提供备用电源，发保证存储在RAM 源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，V

PD

中的信号不丢失。

2、复位电路设计【5】

单片机系统的复位电路在这里采用的是上电+按钮复位电路形式，其中电阻R采用10K Ω的阻值，电容采用电容值为10μ的电解电容。具体连接电路如图所示：

3、时钟电路设计【6】

AT89S52时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式。（如图2-4所示）AT89C51中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器一起构成自激震荡器震荡电路如图。外接石英晶体（或陶瓷震荡器）及电容C1、C2接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有非常严格的要求，但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、起震的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用30pF±10pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10pF。用户还可以采用外部时钟，采用外部时钟如图所示。在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，既内部时钟发生器的输入端，XTAL2悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频的触发器后作为内部时钟信号的所以外部时钟的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续的时间和最大低电平持续的时间应符合产品技术条件的要求。本次设计采用内部震荡电路,瓷片电容采用30P,晶振采用12MHZ。

内部震荡电路外部震荡电路

4、温度显示电路【4】

DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图所示。

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，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2-7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。

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。温度传感器18B20汇编程序,采用器件默认

的12位转化,最大转化时间750微秒，可以将检测到的温度直接显示到AT89C51的两个数

码管上

表1 DS18B20温度转换时间表

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式表示。

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是一部分温度值对应的二进制温度数据。

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若T ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令做出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

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。

分别说明如下：

1、初始化单总线的所有处理均从初始化开始。初始化过程是主机通过向作为从机的DS18B20芯片发一个有时间宽度要求的初始化脉冲实现的。初始化后，才可进行读写操作。

2 、ROM操作命令总线主机检测到DS18B20的存在便可以发出ROM操作命令之一这些命令表.2：

表2 ROM操作命令

3、存储器操作命令如表.3：

表.3 存储器操作命令

5、设计调试【9】

5.1系统总体方案设计

本次课程设计采用的是protues软件仿真，用Keil软件进行编译。Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

软件部分由主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。

图3-1 主程序流程

5.2程序设计

5.2.1 主程序

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图3-1所示。

5..2.2 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9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图3-2所示

图3-2读出温度子程序流程

5. 2.3二进制转换BCD码命令子程序

二进制转换BCD码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。二进制转换BCD 码命令子程序流程图，如图3-3

图3-3二进制转换BCD码流程图

5.2.4 计算温度子程序

将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图3-4所示。

图3-4测量温度流程图

5.2.5温度数据显示子程序

显示数据子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，查表送段码至LED，开位码显示，采用动态扫描方式。

6、电路测试结果

实验仿真图

本次数字温度计能够比较精确的测量一般温度，测量范围是-55~128，并且能够测出小数。唯一缺陷的是没复位电路

7、设计总结

两周多的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，使用通过系统仿真软件protues和编译软件keil，使我们进一步了解了单片机的设计制作过程，其中最为困难的是软件部分，即编程部分，我们上网找了好多资料，虽然经过自己的修改，但还是有很多功能不能实现，如报警和温度上下限设置。我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次数字式温度测量设计，

在此感谢我们的陈奇老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次温度测量设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我一定改正过来，争取更上一层楼。

8、参考文献

[1] 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础模拟部分(第五版).高等教育出版社.2006.103-108

[2]余发山.单片机原理及应用技术.中国矿业大学出版社，2003.31-32

[3]《电子技术课程设计指导》彭介华编，高等教育出版社，1997年10月

[4]《新编555集成电路应用800例》陈永甫编著电子工业出版社 2000年

[5]《电子技术课程设计指导书》，艾永乐，付子义编，焦作工学院电气工程系，1999年

[6]《电子技术基础》（模拟部分），康华光编，高等教育出版社，2000年

[7]《电子技术基础》（数字部分），康华光编，高等教育出版社，2000年

[8]《实用电子电路手册》，高等教育出版社，1992年

[9]《新型集成器件实用电路》，杨帮文，电子工业出版社，2002年

参考程序

附1 源程序代码

;*************************************************

;DS18B20的读写程序,数据脚P3.4 *

;显示数据通过P1口传输,P3.0控制小数位的显示 *

;P3.1控制个位的显示,P3.2控制十位的显示 *

;P3.3控制百位的显示,P3.1控制小数点的显示 *

;显示温度-55到+125度,显示精度为0.1度 *

;显示采用4位LED共阴显示测温值*

;************************************************* TEMPER_L EQU 40H ;用于保存读出温度的低8位

TEMPER_H EQU 41H ;用于保存读出温度的高8位

FLAG1 EQU 38H ;是否检测到DS18B20标志位

TEMPL EQU 30H ;用于保存读出正确温度值的低8位TEMPH EQU 31H ;用于保存读出正确温度值的高8位TEMPHC EQU 32H ;温度转换寄存器低8位

TEMPLC EQU 33H ;温度转换寄存器高8位

BUF1 EQU 34H ;显示缓冲寄存器小数位

BUF2 EQU 35H ;显示缓冲寄存器个数位

BUF3 EQU 36H ;显示缓冲寄存器十数位

BUF4 EQU 37H ;显示缓冲寄存器百数位

TEMPDIN BIT P3.4 ;数据脚定义

DIN BIT P3.1 ;小数点控制

;**********************************************

ORG 0000H ;主程序入口地址

AJMP MAIN ;转主程序

ORG 0003H ;外中断0中断入口

DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H;

RETI ;跳至INTEX0执行中断服务程序

ORG 000BH ;定时器T0中断入口地址

DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H ;

RETI ;跳至定时器T0执行中断服务程序

ORG 0013H ;外中断1中断入口

DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H ;

RETI ;跳至INTEX1执行中断服务程序

ORG 001BH ;定时器T1中断入口地址

DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H ;

RETI ;中断返回（不开中断）

ORG 0023H ;串行口中断入口地址

DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H ;

RETI ;中断返回（不开中断）

;**********************************************

;两位数码管来显示温度,显示范围00到99度,显示精度为1度

;因为12位转化时每一位的精度为0.0625度,我们不要求显示小数所以可以抛弃29H的低4位

;将28H中的低4位移入29H中的高4位,这样获得一个新字节,这个字节就是实际测量获得的温度

;无需乘于0.0625系数

;**********************************************

MAIN：MOV SP, #50H ;设置堆栈

MOV P1, #0FFH ;

LPTEMP:

LCALL GET_TEMPER ;调用读温度子程序

LCALL CONVTEMP ;温度BCD码计算处理子程序

LCALL DISPBCD ;显示区BCD码温度值刷新子程序

MOV P0,TEMPLC

MOV P2,TEMPHC

;*************************************

LCALL DISPLAY;调用数码管显示子程序

;*************************************

AJMP LPTEMP ;循环

;*************************************

; 这是DS18B20复位初始化子程序

;*************************************

INIT_1820：SETB TEMPDIN

NOP

CLR TEMPDIN ;主机发出延时537微秒的复位低脉冲

MOV R1,#3

TSR1：MOV R0,#107

DJNZ R0,$

DJNZ R1,TSR1

SETB TEMPDIN ;然后拉高数据线

NOP

NOP

NOP

MOV R0,#25H ;延时

TSR2：JNB TEMPDIN,TSR3 ;等待DS18B20回应

DJNZ R0,TSR2

LJMP TSR4 ;DS1820不存在

TSR3：SETB FLAG1 ;置标志位,表示DS1820存在

CLR P3.7 ;检查到DS18B20就点亮P3.7LED

LJMP TSR5

TSR4：CLR FLAG1 ;清标志位,表示DS1820不存在

CLR P3.1

LJMP TSR7

TSR5：MOV R0,#117

TSR6：DJNZ R0,TSR6 ;时序要求延时一段时间

TSR7：SETB TEMPDIN ;结束

RET

;****************************************

; 读出转换后的温度值

;****************************************

GET_TEMPER：SETB TEMPDIN ;

LCALL INIT_1820 ;先复位DS18B20

JB FLAG1,TSS2

RET ;判断DS1820是否存在?若DS18B20不存在则返回TSS2：CLR P3.6 ;DS18B20已经被检测到!!

MOV A,#0CCH ;跳过ROM匹配

LCALL WRITE_1820

MOV A,#44H ;发出温度转换命令

LCALL WRITE_1820

;*****************************************

;这里通过调用显示子程序实现延时一段时间,等待AD转换结束,12位的话750微秒

;*****************************************

LCALL DISPLAY;显示温度

;*****************************************

LCALL INIT_1820 ;准备读温度前先复位

MOV A,#0CCH ;跳过ROM匹配

LCALL WRITE_1820

MOV A,#0BEH ;发出读温度命令

LCALL WRITE_1820

LCALL READ_18200 ;将读出的温度数据保存到35H/36H

RET

;*******************************************

;写DS18B20的子程序(有具体的时序要求)

;*******************************************

WRITE_1820：MOV R2,#8 ;一共8位数据

CLR C ;C清0

SETB TEMPDIN ;/

NOP ;/

NOP ;/

WR1：CLR TEMPDIN ;

MOV R3,#6 ;延时

DJNZ R3,$

RRC A;数据右移

MOV TEMPDIN,C ;写入一位数据

MOV R3,#23 ;延时

DJNZ R3,$

SETB TEMPDIN ;拉高数据端口

NOP

DJNZ R2,WR1 ;判断是否写完

SETB TEMPDIN ;拉高数据端口

RET

;*************************************

;处理温度BCD码子程序

;*************************************

CONVTEMP：

MOV A,TEMPH ;

ANL A,#80H ; 判断最高位

JZ TEMPC1 ; 判断温度是否在零下？

CLR C ; 温度值补码变成原码

MOV A,TEMPL ;

CPL A

ADD A,#01H ;

MOV TEMPL,A;

MOV A, TEMPH ; -

CPL A;

ADDC A,#00H ;

MOV TEMPH,A; TEMPHC HI=符号位

MOV TEMPHC,#0BH ; 置"-"标志

SJMP TEMPC11 ;

TEMPC1: MOV TEMPHC,#0AH ; 置"+"标志不显示

;**************************************

TEMPC11: MOV A,TEMPHC ; 计算小数位温度BCD值SW AP A

MOV TEMPHC,A;

ANL A,#0FH ; 乘0.0625

MOV DPTR,#TEMPDOTTAB ;

MOVC A,@A+DPTR ;

MOV TEMPLC,A; TEMPLC LOW= 小数部分BCD

;**************************************

MOV A,TEMPL ; 计算整数位温度BCD值

ANL A,#0F0H ;

SW AP A;

MOV TEMPL,A;

MOV A,TEMPH ;

ANL A,#0FH ;

SW AP A;

ORL A,TEMPL ;

MOV TEMPER_L ,A;//

LCALL HEX2BCD1 ; 调用单字节十六进制转BCD子程序;************************************

MOV TEMPL,A;

ANL A,#0F0H ;

SW AP A;

ORL A,TEMPHC ; TEMPHC LOW = 十位数BCD

MOV TEMPHC,A;

MOV A,TEMPL ;

ANL A,#0FH ;

SW AP A; TEMPLC HI = 个位数BCD

ORL A,TEMPLC ;

MOV TEMPLC,A;

MOV A,R7 ;

JZ TEMPOUT ;

ANL A,#0FH ;

SW AP A;

MOV A,TEMPHC ; TEMPHC HI = 百位数BCD

ANL A,#0FH ;

ORL A,R7 ;

MOV TEMPHC,A;

TEMPOUT: RET ;

;**************************************

;小数部分分码表

**************************************

TEMPDOTTAB: DB 00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06H

DB 06H,07H,08H,08H,09H,09H ;

*************************************

;显示区BCD 码温度值刷新子程序

;**************************************

;温度暂存器内的2字节中,高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一个字节,

;这个字节的二进制值转换为十进制后,就是温度值的百、十、个位值,而剩下的低字节化为;十进制后,就是温度值的小数部分.

;**************************************

DISPBCD:

MOV A,TEMPLC ; 温度数据移入显示寄存器

ANL A,#0FH ; 取低字节的低4位(小数部分)

MOV BUF1,A; 小数部分放入寄存器

MOV A,TEMPLC ; 取低字节的高4位(个位数)

SW AP A;

ANL A,#0FH ;

MOV BUF2,A; 个位数放入寄存器

MOV A,TEMPHC ; 取高字节的低4位(十位数)

ANL A,#0FH ;

MOV BUF3,A; 十位数放入寄存器

MOV A,TEMPHC ;取高字节的高4位(百位数)

SW AP A;