基于AT89C51單片機的數字溫度計設計①

徐 敏

[摘 要]設計一種基于AT89C51單片機的數字溫度計,詳細闡述了單片機、顯示電路、DS18B20傳感器芯片的功能。該數字溫度計充分利用AT89C51單片機的特點,具有參數測量準確、操作方便、電路簡單、安全可靠等特點,可廣泛應用于自動溫度測量。

[關鍵詞]AT89C51單片機 數字溫度計 DS18B20傳感器芯片 自動溫度測量

[中圖分類號]TP368.1 [文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)12-0007-03

[Abstract] Design a kind of digital thermometer based on ultralow AT89C51 single chip.Illustrate the function of the single chip,display circuit,DS18B20 sensor chip.The digital thermometer takes advantage of the characteristics of AT89C51 single chip. It has following characteristics,such as exact parameter measure,convenient operation,simple design,safe and reliable,so it can be widely used to automatic temperature measurement.

[Key words] AT89C51;single chip; digital thermometer; DS18B20; sensor chip; automatic temperature measurement

在冶金、石油、化工、機械制造和國防等行業中,往往需要測量-200℃～1000℃氣體、液體等環境中的溫度。以前一般采用玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、熱電偶、熱電阻和非接觸式溫度計等進行溫度測量。其中熱電偶的溫度測量范圍較寬,它無需使用驅動電源即可直接產生電壓信號,該信號既可用直流測量儀器(如電位差計、數字電壓表、毫伏計等)讀取,以通過熱電偶溫度特性分度表查出對應的溫度;也可以用線性校正電路將小信號電壓放大后,通過顯示儀表的刻度讀數。在某些輸油、輸氣管道應用中,往往要求對溫度進行長時間監測,且要求能夠快速準確地讀數。此時,上述各類溫度計則難以勝任。而如果將熱電偶產生的熱電動勢轉換成數字信號后由單片機進行數據處理,并通過數碼管來顯示其溫度結果,這種方法反應迅速,測量精度高,功耗小,顯示直觀。因此,由熱電偶、A/D轉換電路、單片機和數碼管組成的數字式低功耗高精度溫度計可以代替許多溫度計來完成特殊情況下的溫度測控工作,且便于實現小型化設計。

1 數字溫度計的工作原理

數字溫度計的工作原理如圖1所示。輸油、輸氣管道中的溫度由傳感器輸出與溫度值相對應的電流值,該電流值經過I/V轉換電路得到電壓值,最后經過A/D轉換電路將模擬信號轉換為數字信號送入單片機[1]。單片機對采樣值進行數字處理后驅動顯示電路顯示出采集到的溫度值。對于圖1中的傳感器、I/V轉換電路、A/D轉換電路這三部分的功能可以用美國達拉斯(DALLAS)公司的單線數字溫度傳感器芯片DS18B20來實現。

2 硬件電路設計

為了滿足用戶的需要,能夠進行簡單便捷的操作,同時還要兼顧體積小、耗電少、精度高的要求,使系統具有抗干擾能力強的特點。硬件電路設計中盡可能選用功耗小、性能穩定的集成電路。系統由3個模塊組成:微處理器、顯示電路及測溫電路。

2.1 微處理器AT89C51

微處理器AT89C51是數字溫度計的主要部件之一,它完成傳感器功能設定、測量對象的選擇、信號處理存儲、狀態信息的顯示、輸出等功能。相對于AT89系列單片機,選擇通用性強、功耗小、性能良好的8位AT89C51微處理器芯片,它與MCS-51兼容,具有4KB的FLASH存儲空間、128×8位內部RAM、32個可編程I/O線、低功耗的閑置和掉電模式、兩個16位定時器/計數器、5個中斷源和可編程串行通道等特點,大大簡化了電路的設計[2]。

2.2 顯示電路

系統硬件選擇的是LED動態顯示,LED顯示子程序主要是完成對設定的LED段,并通過查七段碼表,使它顯示制定的圖樣。圖2中描述的是通過選定一段數碼管顯示數據。

2.3 溫度傳感器

這里采用的是DS18B20數字傳感器芯片,是數字溫度計的核心元器件,是DALLAS公司生產的1-Wire,即單總線器件,具有線路簡單,體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統,具有線路簡單,在一根通信線,可以掛很多這樣的數字溫度計,十分方便。

2.3.1 DS18B20內部結構

DS18B20的內部結構如圖3所示,他主要包括溫度傳感器、64位激光ROM單線單口、存放中間數據的高速暫存器、用于存儲用戶設定的溫度上下限值、觸發器存儲與控制邏輯、8位循環冗余校驗碼發生器等。

2.3.2 DS18B20工作原理

由于DS18B20采用的是1-Wire總線協議方式,即在一根數據線實現數據的雙向傳輸,而對AT89C51單片機來說,硬件上并不支持單總線協議,因此,我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。

由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數據,因此,對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協議來保證各位數據傳輸的正確性和完整性。該協議定義了幾種信號的時序:初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備,單總線器件作為從設備。而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始,如果要求單總線器件回送數據,在進行寫命令后,主機需啟動讀時序完成數據接收。數據和命令的傳輸都是低位在先。

2.3.3 DS18B20與單片機接口電路

圖4是DS18B20采用寄生電源供電方式下與單片機接口電路,為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流,可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。

當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時,總線上必須有強的上拉,上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線,因此發送接口必須是三態的。

3 軟件設計

系統軟件采用單片機C語言編制。為了方便程序調試和提高可靠性,軟件采用模塊化結構程序設計方法,主要包括初始化程序、主程序、定時中斷服務程序、串行口中斷服務程序、各子程序模塊等。主程序完成系統初始化、查詢各種狀態并控制相應操作等功能,流程如圖5所示。

3.1 軟件功能

單片機系統上電后,進入初始化程序,完成片內各模塊的設置、清除存儲單元內容、端口設定等初始化工作,然后進入主程序,開中斷,循環設置低功耗模式并執行延時操作。

3.2 軟件特點

本軟件設計的特點是利用單片機C語言的強大功能編制溫度傳感器的溫度計算處理方法,進行非線性修正,極大地提高了程序運行速度和采集精度。且匯編語言與C語言可以在編程過程中混合使用,而匯編在查表方面具有非常明顯的優勢。

4 結語

本數字溫度計硬件結構簡單,軟件設計靈活,充分發揮了單片機結構緊湊、功能強大的特點,并且具有溫度顯示、便捷的人機接口的功能,是一種參數測量準確、操作方便的數字溫度計。

[參考文獻]

[1] 李群芳.單片微型計算機與接口技術[M].北京:電子工業出版社,2001.184-185.

[2] 王幸之,鐘愛琴,王雷等.AT89系列單片機原理與接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.199-200.

[作者簡介]

徐敏(1982-),女,江蘇連云港人,碩士研究生,研究方向為信號與信息處理。