西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告 目 录
1 前言 ................................................................. 1
1.1 设计背景 ......................................................... 1 1.2 设计目标 ......................................................... 1 1.3 实施计划 ......................................................... 1 2 总体方案设计 ......................................................... 2
2.1 方案比较 ......................................................... 2
2.1.1 方案一基于热敏电阻的温度计设计 .............................. 2 2.1.2 方案二基于SHT71的数字温度计设计 ............................ 2 2.1.3 方案三基于DS18B20的数字温度计设计 .......................... 3 2.2 方案论证 ......................................................... 3 2.3 方案选择 ......................................................... 4 3 硬件设计 ............................................................. 5
3.1 单元模块设计 ..................................................... 5
3.1.1 时钟和复位电路 .............................................. 5 3.1.2 报警电路 .................................................... 5 3.1.3 数码显示电路 ................................................ 6 3.1.4 电源电路 .................................................... 7 3.1.5 按键电路 .................................................... 7 3.1.6 串口通信电路 ................................................ 8 3.2 核心器件介绍 ..................................................... 8
3.2.1 单片机STC89C52介绍 ......................................... 8 3.2.2 DS18B20介绍 ................................................ 9
4 软件设计 ............................................................ 11
4.1 温度采集模块 .................................................... 11 4.2 温度设定模块 .................................................... 14 4.3 报警模块 ........................................................ 15 5 系统整合调试 ........................................................ 16
5.1 硬件调试 ........................................................ 16 5.2 软件调试 ........................................................ 16
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西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告 6 系统功能、指标参数 .................................................. 18
6.1 系统功能 ........................................................ 18 6.2 系统指标参数测试 ................................................ 18 6.3 系统功能及指标参数分析 .......................................... 19 7 结论 ................................................................ 20 8 总结与体会 .......................................................... 21 9 参考文献 ............................................................ 22 10 11 12 13
附录一：基于DS18B20数字温度计的设计原理图 ....................... 23 附录二：基于DS18B20数字温度计的设计PCB图 ....................... 24 附录三：基于DS18B20数字温度计的设计的实物图 ..................... 25 附录四：基于DS18B20数字温度计的设计C语言程序 ................... 26
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西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告 1 前言
自动控制领域中，温度检测与控制占有很重要的地位。温度检测在工农业生产、科研和在人们的生活中得到广泛的运用。目前，温度传感器正从模拟式向数字集成式方向飞速发出，单片机也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，人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化、智能化方向发展。本文就是基于此目的介绍基于单片机和数字温度传感器的温度计设计。
1.1 设计背景
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与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，需要外加信号处理电路，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，这次设计的是基于DS18B20的数字温度计，它具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。
1.2 设计目标
在本设计中选用AT89C52型单片机作为主控制器件，采用DS18B20数字温度传感器作为测温元件，通过8位共阳极LED数码显示管并行传送数据，实现温度显示。本设计的内容主要分为三部分，一是系统硬件设计，包括温度采集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，应用C语言实现温度的采集与显示；三是通过与设定温度比较，不在此范围内时实现报警功能。通过DS18B20直接读取被测温度值，送入单片机进行数据处理，之后进行输出显示，最终完成了数字温度计的总体设计。其系统构成简单，信号采集效果好，数据处理速度快，便于实际检测使用。
1.3 实施计划
首先查阅相关资料确定其方向对整个设计有整体的规划、构思。然后选择三种方案，简述其实现原理，分别对三种方案进行论证比较，确定一种方案。紧接着对选定方案进行单元模块设计、软件设计、系统总体调试、系统功能指标分析验证。最后得出结论，完成报告。
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西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告 2 总体方案设计
通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我们主要提出了三种技术方案来实现系统功能。下面我首先对这三种方案的实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后再选择方案并阐述我选择方案的原因。
2.1 方案比较
我设计了三种方案：方案一基于热敏电阻的温度计设计；方案二为基于SHT71的数字温度计设计；方案三是基于DS18B20的数字温度计设计。 2.1.1 方案一基于热敏电阻的温度计设计
方案一主要由温度传感器、A/D转换电路、单片机控制电路、数码显示电路组成。采用合肥三晶电子有限公司生产的SJMFE-347-103F型热敏电阻。采集的模拟温度值输入A/D转换电路，A/D转换采用LM331型U/f变换器来实现。U/f变换器把电压信号转换为频率信号。由热敏电阻的电阻温度特性表可以求出每个温度点所对应的UIN，再由公式FOUT=256*UIN计算出每个温度点所对应的输出频率，进而由单片机处理显示被测量的温度值。温度信号处理由于热敏电阻是非线性的器件，所以温度与频率输出成非线性，需要补偿温度。单片机利用查表法实现温度补偿。所谓查表法是把事先计算或测量的数据按一定的顺序排列成表格的形式，固化在单片机内。只要测量出LM331的频率值，就可以通过查表法准确的得出环境的温度值。再交由单片机驱动数码管显示温度。这样就实现了温度的采集与显示。
2.1.2 方案二基于SHT71的数字温度计设计
方案二主要由数字温度传感器、单片机控制电路、数码显示电路组成。SHT71将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上。SHT11先利用传感器产生温度信号；经放大送至A/D 转换器进行模数转换、校准和纠错；由2线接口将信号送至微控制器；再利用微控制器完成相对湿度的非线性补偿和温度补偿。SHT71测量过程包括4 个部分:启动传输、发送测量命令、等待测量完成和读取测量数据。在启动传输时序之后, 微控制器可以向SHT71 发送命令，SHT71则通过在数据传输的第8个SCK时钟周期下降沿之后,将DATA拉低来表示正确接收到命令,并第9个SCK时钟周期的下降沿之后释放DATA线(即恢复高电平)，SHT71则通过拉低DATA表示测量结束,并且把测量结果存储在内部的存储器内,然后自动进入空闲状态,等微控制器执行完其他任务后再来读取。测量数据读取前,微控制器先重新启动SCK,接着2字节的测量数据和1字节的CRC 校验将由SHT71传送给微控制器。2字节的测量数据是从高字节的高位开始传送,并以CRC 校验字节的确认为表示通信结束。微控制器需要通过拉低DATA来确认接收的每个字节,
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西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告 若不使用CRC校验位则微控制器可以在接收完测量数据的最低位后保持DATA为高电平来终止通信。单片机只需将读取传输的数据通过驱动数码管显示即可。 2.1.3 方案三基于DS18B20的数字温度计设计
方案三主要也由数字温度传感器、单片机控制电路、数码显示电路组成。DS18B20 测量温度采用了特有的温度测量技术。它是通过计数时钟周期来实现的。低温度系数振荡器输出的时钟信号通过由高温度系数振荡器产生的门周期而被计数。计数器被预置在与- 55 ℃相对应的一个基权值。如果计数器在高温度系数振荡周期结束前计数到零,表示测量的温度值高于- 55℃,被预置在- 55 ℃的温度寄存器的值就增加1℃,然后重复这个过程,直到高温度系数振荡周期结为止这时温度寄存器中的值就是被测温度值,这个值以16 位形式存放在便笺式存贮器中,此温度值可由主机通过发存贮器读命令而读出,读取时低位在前,高位在后。斜率累加器用于补偿温度振荡器的抛物线特性。读出的二进制数可以直接转换为十进制由单片机驱动数码管显示输出。
2.2 方案论证
方案一：热敏电阻温度传感器的特点是自身的电阻值随温度而变化。热敏电阻是利用半导体材料制成的敏感组件，通常所有的热敏电阻温度传感器都是具有负温度系数的热敏电阻，它的电阻率受温度的影响很大，而且随温度的升高而减小。其优点是灵敏度高，体积小，寿命长，工作稳定，易于实现远距离测量；缺点是互换性差，非线性严重。它的测量范围一般为-10～+300℃，也可做到-200～+10℃，甚至可用于+300～+1200℃环境中作测温用。热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1℃，感温时间可少至10s以下。
方案二：SHT7I是瑞士Sens on公司生产的具有二线串行接口的单片全校准数字
式新型相对湿度和温度传感器,可用来测量相对湿度、温度和露点等参数,具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，发挥出强大的优势互补作用。由于SHT71是I2C总线结构的串行数据传送，它只需要DATA和SCK两根线完成数据的传送过程。因此，我们在进行程序设计的时候，也得按着I2C协议来对SHT71芯片数据访问。对于STC89C52单片机本身没有I2C硬件资源，所以必须用软件来模拟I2C协议过程。一般使用单片机通用I/ O 口线来虚拟I2C 总线,并利用P1. 0 来虚拟数据线DATA ,利用P1. 1 口线来虚拟时钟线,并在DATA 端接入一只4. 7kΩ 的上拉电阻,同时,在VDD及GND 端接入一只0. 1μF 的去耦电容。温度测量范围：-40～+123.8℃；温度测量精度：±0.4℃@25℃；响应时间：<4s；低功耗 (typ. 30μW)。
SHT71是一种全新的基于智能传感器设计理念的新型传感器，该传感器将温度传感器、信号调理、数字变换、串行数字通信接口、数字校准全部集成到一个高集成度、体
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