基于单片机的数字温度计

孙双辰 郭烜博 白宇 文若涛

摘  要：本文介绍一种基于AT89C2051单片机的一种温度测量及报警电路，该电路采用DS18B20作为温度监测元件，测量范围-55℃-～+125℃，使用4位LED模块显示，能通过键盘设置温度报警上下限。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了集成温度传感器DS18B20的原理，AT89C2051单片机功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、结构简单。

关键词：温度测量，DS18B20

1引言

数字温度计（Digital Thermometer）简称DTM，它是采用数字化测量技术，把连续的温度值转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的温度计功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字温度计，由于精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便得到了广泛的应用。温度是许多监控系统中的一个重要参数。DS18B20直接把温度信息转换成相应的数字信号。数据采集、处理模块主要由AT89C2051单片机构成，完成温度数据的读取和显示。

本章重点介绍DS18B20的工作原理，尤其是其编程原理，以及由它们构成的基于单片机的数字温度计的工作原理。

2.系统原理

模拟温度值经过DS18B20处理后转换为数字值，然后送到单片机中进行数据处理，并与设置的温度报警限比较，超过限度后通过扬声器报警。同时处理后的数据送到LED中显示。

3硬件设计

3.1 输入电路

输入电路的作用是把不同量程的被测的电压规范到A/D转换器所要求的电压值。智能化数字温度计所采用的单片双积分型ADC芯片ICL7135，它要求输入电压0-±2V。本仪表设计是0-1000V电压，灵敏度高所以可以不加前置放大器，只需衰减器。

3.2 A/D 转换电路

A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。本设计采用双积A/D 转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。

3.2.1双积A/D 转换器的工作原理

对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔 T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压;接着对基准电压进行同样的处理。在常用的A/D转换芯片（如ADC -0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的双积分

A/D转换器，具有精度高（精度相当于14位二进制数）、價格低廉、抗干扰能力强等优点。本文介绍用单片机并行方式采集ICL7135的数据以实现单片机温度计和小型智能仪表的设计方案。

3.2.1 7135的应用

7135是采用CMOS工艺制作的单片4位半A/D转换器，其所转换的数字值以多工扫描的方式输出，只要附加译码器，数码显示器，驱动器及电阻电容等元件，就可组成一个满量程为2V的数字温度计。

与单片机系统的串行连接

在ICL7135与单片机系统进行连接时，使用并行采集方式，要连接BCD码数据输出线，可以将ICL7135的/STB信号接至AT89C52的P3.2（INT0）。

ICL7135需要外部的时钟信号，本设计采用CD4060来对4M信号进行32分频得到125KHz的时钟信号。CD4060计数为14级2进制计数器，在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。

3.3单片机部分

单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，如图 3.2.1.1所示。该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机，与AT89C51完全兼容。AT89S52还有以下主要特点：

①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器（NV-SRAM）技术;

②其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程（ISP）FLASH存储器;

③有2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式

3.4通讯模块

89S52内部已集成通信接口URT，只需扩展一片MAX232芯片将输出信号转换成RS-232协议规定的电平标准， MAX232 是 一 种 双 组 驱 动 器 / 接 收 器，每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V  TTL/CMOS电平。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换 为 EIA/TIA-232-E电平。即EIA接口，就是把5V转换为-8V到-15V电位0V转换为8V到15V再经RXD输出，接收时由RXD输入，把-8V到-15V电位转换为5V，8V到15V转换为0V。MAX232的工作电压只需5V，内部有振荡电路产生正负9V电位。

4 系统的软件设计

4.1主程序设计

ICL7135A/D与单片机连接电路的软件设计系统的程序流程图如图所示。主程序一开始运行则设置堆栈起始地址为70H，设置中断寄存器，用来对ICL7135的中断进行计数，每5次后清零，完成一次数据采集工作，然后设置ICL7135的STB端的中断的优先级。紧接着LCDM1601B进行一次清屏，使其各个指令、数据寄存器的值进行清空，屏幕不显示任何字符。

4.2 A/D中断程序设计

CL7135每一分钟完成3次据的采集工作，1/3秒完成后向CPU申请中断，CPU这时暂停工作，为中断服务.中断响应后关中断，将PSW、ACC压栈，判断是否首次中断，如果是首次中断，则将正负号标志位置入60H，再把万位置入61H中，如果不是首次中断，则跳到NEXT处，如果是第二次中断，则将千位数置入62H中，如果是第三次中断，再将百位数置入63H中，第四次中断则将十位数置入64H中，第五次中断则将小数点位置入65H中，同时个位置入66H中。同时清除中断次数寄存器30H中的值，完成中断后将ACC、PSW出栈，开中断。

4.3通讯模块程序设计

89S52单片机内部有一个全双工的串行通信口，即串行接收和发送缓冲器（SBUF），这两个在物理上独立的接收发送器，既可以接收数据也可以发送数据。但接收缓冲器只能读出不能写入，而发送缓冲器则只能写入不能读出，它们的地址为99H。这个通信口既可以用于网络通信，亦可实现串行异步通信，还可以构成同步移位寄存器使用。

5 结束语

电压测量通过不同的接口电路可实现温度、湿度、压力等测量，广泛应用于工业领域。本电路设计别具一格，是一种高精度、低功耗、宽量程、智能化的温度计。可扩展键盘、EEPROM、报警电路，实现电压异常记录、报警。

参考文献

[1]  徐爱钧.《智能化测量控制仪表原理与设计》（第二版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[2]  吴金戌，沈庆阳，郭庭吉.《8051单片机实践与应用》[M].北京：清华大学出版社，2002.

[3]  张国勋，《缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法》[J]. 《电子技术应用》，1993，第一期.