数字温度计。
1 设计要求。
基本范围-50℃-110℃
精度误差小于0.5℃
led数码直读显示。
2 扩展功能。
实现语音报数。
可以任意设定温度的上下限报警功能
数字温度计。
摘要：随着时代的进步和发展，单片机技术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，本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。
关键词：单片机，数字控制，温度计， ds18b20，at89s51
1 引言。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数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
本设计所介绍的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，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机at89s51，测温传感器使用ds18b20，用3位共阳极led数码管以串口传送数据，实现温度显示，能准确达到以上要求。
2 总体设计方案。
2.1数字温度计设计方案论证。
2.1.1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。
2.1.2 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。
2.2方案二的总体设计框图。
温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机at89s51，温度传感器采用ds18b20，用3位led数码管以串口传送数据实现温度显示。
图1 总体设计方框图。
2.2.1 主控制器。
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。
2.2.2 显示电路。
显示电路采用3位共阳led数码管，从p3口rxd,txd串口输出段码。
2.2.3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，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９～１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，ｔ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。
图4 ds18b20与单片机的接口电路。
2.3 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。
2.4 系统整体硬件电路。
2.4.1 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中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时led数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。
图5 中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。
2.4.2 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，只用p3口的rxd,和txd,串口的发送和接收，四只数码管采用74ls164右移寄存器驱动，显示比较清晰。
图5 单片机主板电路。
图6 温度显示电路。
3系统软件算法分析。
系统程序主要包括主程序，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。
3.1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7所示。
图7 主程序流程图图8读温度流程图。
3.2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8示。
图9 温度转换流程图。
3.3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上图，图9所示。
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