数字温度计。
设计题目：数字式温度计。
摘要。单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个量。，并对硬件原理图和程序流程图作了简洁的描述。
数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所。
关键词】单片机at89c2051；温度传感器ds18b20；驱动器74hc244
引言。随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。
热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。选用at89c51型单片机作为主控制器件，ds18b20作为测温传感器通过4位共阳极 led数码管串口传送数据，实现温度显示。
通过ds18b20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，在0℃～100℃最大线性偏差小于0.1℃。该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。
另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。
一、系统总体设计方案。
1、数字温度计设计方案论证。
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。
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。
从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。
2、方案二的总体设计框图。
根据系统的功能要求，设计图1所示的系统原理结构框图，控制器采用单片机at89s51，温度传感器采用ds18b20，用4位led数码管以串口传送数据实现温度显示。
二、系统的具体设计和实现
1、元件的而选择。
1．1单片机的选择。
at89c51作为温度测试系统设计的核心器件，该器件是 intel公司生产的mcs-51系列单片机中的基础产品，采用了可靠的cmos工艺制造技术，具有高性能的8位单片机，属于标准的mcs-51的cmos产品。不仅结合了hmos的高速和高密度技术及chmos的低功耗特征，而且继承和扩展了mcs-48单片机的体系结构和指令系统。单片机at89s51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。
1．2显示器的选择。
采用八段数码管，将从单片机得到的数据通过数码管显示出来，该方案简单易行。采用动态法显示，直接显示当前环境温度。p0口接数码管的段码p1.
0-p1.3接数码管的位线。按钮开关可选择小数点后显示一位或两位。
1．3温度传感器的选择。
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，与传统的热敏电阻等测温元件相比，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位的数字值读数方式。ds18b20的性能特点如下：
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；
温度以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；
ds18b20采用3脚pr－35封装或8脚soic封装，其内部结构框图如图2所示。
图2 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，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3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。
图3 ds18b20字节定义。
由表1可见，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。
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。
表1 ds18b20温度转换时间表。
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作出响应。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。
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。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℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，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。
表2 一部分温度对应值表。
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。
2、ds18b20温度传感器与单片机的接口电路。
ds18b20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时ds18b20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的ds18b20时钟周期内提供足够的电流，可用一个mosfet管来完成对总线的上拉。
当ds18b20处于写存储器操作和温度a/d转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时vdd端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。
图4 ds18b20与单片机的接口电路。
2.1系统整体硬件电路。
2.1.1 主板电路。
系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，如图5 所示，图5--（1）为华氏温度。
图5--（2）为摄氏温度。
图5 --1
图5--（2） 单片机主板电路。
2.1.2 显示电路。
显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，用p1口串口的发送和接收，显示比较清晰。如图5中所示。
2.1.3 温度传感器电路。
采用单总线数字温度传感器db18b20测量温度，直接输出数字信号，便于单片机控制和处理。节省硬件电路，切硬件的物理化学性质很稳定。此元件的先行性能较好，在0——100摄氏度时，最大现行偏差小于1摄氏度。
db18b20的最大特点之一是采用了单总线的数据传输，有数据温度计ds18b20和控制器at89c51勾画出呢个的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号到控制器，进行信号的处理。
2.4 摄氏、华氏温度转换电路。
该电路较为简单，直接由单片机控制，在单片机中嵌入转换程序，通过按钮控制单片机程序的运行。按钮按下一次，给单片机输入一个信号，单片机将当前形式的温度转换为另外一种。当在一次按下时，再一次个单片机输一个转换信号，此时有奖转换为原来的形式的温度。
电路如图5中所示。
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