第１Ｏ卷第１期 实验科学与技术 Ｖｏｌ＿１０ Ｎｏ．１ ２０１２年２月 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｅｂ．２０１２ 一种数字温度计的设计 石大庆 （湖北师范学院物理与电子科学学院，湖北黄石４３５００２） 摘要：单片机控制的数字多功能温度计，其构造简单，成本低，工作可靠。它可以精确地测量各种物质温度并进行显示， 可以设置上下报警温度，也可以输出信号对其他设备进行自动控制，在生活和工业生产中得到广泛的应用。 关键词：单片机；传感器；温度计 中图分类号：０４—３４；ＴＰ３６８．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－４５５０．２０１２．０１．０６３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ ＳＨＩ Ｄａ－ｑｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｕｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕａｎｇｓｈｉ ４３５００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ ｈａｓ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｈｉｇｈｌｙ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅ‘ ｌｙ ｍｅａｓｕｒｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ．Ｏｎｅ ｃａｎ ｓｅｔ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ａｌａｒｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｌｓｏ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｔｏ ｏｔｈｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｓｅｎｓｏｒ；ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ 单片机控制给人们生产和生活带来了效益和方 便，其中数字温度计就是一个典型的例子。本设计 单片机复位 匕＝＝＝：＞ 显 甘 所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，它有着 主 刀 数字化控制，智能化控制的功能。具有读数方便， 报警点按键调 ＝＝＞ 控 制 温 测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示 器 功能。主要用于对测温比较准确的场所，或科研实 时钟振荡ｂ 传 感 器 验室使用。 图１总体设计方框图 １总体设计方案 Ｊ １．１．２显示电路 １．１设计方案及总体设计框图 显示电路采用３位共阳ＬＥＤ数码管，从Ｐ３口 采用１只温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０，就能直接读取 ＲＸＤ，ＴＸＤ串口输出段码。 被测温度值，并进行转换，就可以满足设计要求。 １．１．３温度传感器 温度计电路设计总体设计方框图如图１所示， ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器是美国ＤＡＬＬＡＳ半导体公 控制器采用单片机ＡＴ８９￥５１，温度传感器采用 司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统 ＤＳ１８Ｂ２０，用３位ＬＥＤ数码管以串口传送数据实现 的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温 温度显示。 度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现９～ １．１．１ 主控制器 １２位的数字值读数方式。 单片机ＡＴ８９Ｓ５１具有低电压供电和体积小等 ６４位ＲＯＭ的结构开始８位是产品类型的编 特点，４个端口只需要２个口就能满足电路系统的 号，接着是每个器件的惟一的序号，共有４８位， 设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统 最后８位是前面５６位的ＣＲＣ检验码，这也是多个 可用２节电池供电。 ＤＳ１８Ｂ２０可以采用１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。 收稿日期：２０１ｌ—Ｏ８—２９；修改日期：２０１１—１０—１７ 由表１可见，ＤＳ１８Ｂ２０温度转换的时间比较 作者简介：石大庆（１９５６一），男，本科，实验师，主要从 长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间 事大学物理实验的教学与科研工作。 越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间 ・１８Ｏ・ 实验科学与技术 ２０１２年２月 权衡考虑。 表１ ＤＳ１８Ｂ２０温度转换时间表 高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８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 １、２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。 １．２ ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器与单片机的接口电路 ＤＳ１８Ｂ２０可以采用２种方式供电：（１）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；（２）寄生电源供电方式，如 图２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１０ ｓ。采用寄生电源供电方式时ＶＤＤ端接 地。由于单线制只有１根线，因此发送接口必须是 ３态的 ＮＤ 图２ ＤＳ１８Ｂ２０与单片机的接口电路 １．３ 系统整体硬件电路 １．３．１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，主板电路有３个式按键可以分别 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，发出报警呜叫声 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。 １．３．２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１５资源比较少，只用ｐ３ １５的ＲＸＤ， 和ＴＸＤ，串口的发送和接收，４只数码管采用 ７４ＬＳ１６４右移寄存器驱动，显示比较清晰。 ２ 系统软件 Ｊ 、 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。 ２．１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１ Ｓ进行一次。这样可以在１ Ｓ之内测量１次 被测温度，其程序流程如图３所示。 图３主程序流程 （下转第１８６页） ・１８６・ 实验科学与技术 ２０１２年２月 ｝ 物理教学网站进行了测试和调查。参加测试的学生 ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ｍｂｓ￣ｍｃｊ．ｂｃ．一Ｘ＋＝０．０６； ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ｍｂｓ￣ｍｃｊ．ｚｚ１．一Ｘ＋＝０．０６； ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ｍｂｓ￣ｍｃｊ．ｓｆｘｎ．一Ｘ＋＝０．０６； ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ａｎ１．一绝大部分能够完成实验，并且在网站调查和实 验室随机调查２个环节都获得广泛好评。虚拟实验 一软件具有极强的交互性，学生可以根据自己的能力 ｘ 和实验水平，随时调整实验进程，重复某一实验过 程，整个实验过程就像在游戏一样，调动了学生主 动探索的精神。虚拟实验系统还需要进一步地完善 和补充，以便更有效地结合实际实验，切实提高学 生的实验能力和实验水平。 参考文献 ［１］程衍富．大学物理实验［Ｍ］．北京：北京邮电大学出 版社，２０１１． Ｘ＝一ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ａｎ２．一 一＋＝０．０５： ／／旋钮各组成部分做相应水平移动 ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ｓｆｈｋｄ．ｓｆｈｋｄｚｚ．一一Ｘ＋＝０．５５； ／／标尺主尺做相应水平移动 ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ｐｘ．ｚｂ．一一一Ｘ＋＝８； ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ｐｘ．ｃ ｓ．一Ｘ＋＝８； 一ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ｐｘ．ｐｘｚｚ．一Ｘ＋＝８； ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ｐｘ．ＣＳＺＺ． Ｘ＋＝８； 一ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ｐｘ．ｐｘｄｓ．一Ｘ＋＝８； ［２］宋金瑶，张萍，徐海如．物理实验教学与创新能力培 一／／视场影片剪辑各部分做相应水平移动 一ｇｌｏｂａ１．ｆ＝一ｒｏｏｔ．ｓｙｍｎ．ｐｘ．ｐｘｄｓ．一养的研究［Ｊ］．实验室科学，２０ｔ０，１３（２）：２５～２８． ［３］王银峰，陶纯匡，汪涛，等．大学物理实验［Ｊ］．北 京：机械工业出版社，２００５． ｘ； ／／保持全局变量ｆ与视场底色水平位置同步 ｆ ［４］任伟杰，靳春华．仿真实验在国家级实验示范中心建 设中的作用［Ｊ］．实验室科学，２０１０，１３（２）：１０９— １１１． ４ 结束语 虚拟实验系统设计完成后，我们通过本校大学 ［５］杨金文．计算机辅助实验系统在近代物理实验中的应 用［Ｊ］．实验室科学，２０１０，１３（４）：１３８—１３９． （上接第１８０页） 发ＤＳＩ ８Ｂ２０￣位命令 ２．２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４所示。 发跳过ＲＯＭ命令 ３结束语 数字温度计在现代工业化生产中和自动控制中 发读取温度命令 有着广泛的用途，也对数字温度计提出了更高的要 读取操作，ＣＲＣ校验 Ｙ 求，特别是在可靠性方面和经济方面的要求。这种 数字温度计读数方便，测温范围广，测温准确，其 输出温度采用数字显示，根据需要还可进行自动化 的控制，在实际运用方面有着广阔的前景。 Ｎ ．参考文献 Ｎ ［１］李朝青．单片机原理及接口技术［Ｍ］．北京：北京航 空航天大学出版社，１９９８． ［２］李广弟．单片机基础［Ｍ］．北京：北京航空航天大学 出版社，１９９４． 移入温度暂存器 ［３］阎石．数字电子技术基础［Ｍ］．北京：高等教育出版 社，１９９９． ［４］廖常初．现场总线概述［Ｊ］．电工技术，１９９９． 结束 ［５］王长胤，文军．单片机原理与应用［Ｍ］．武汉：武汉大 学出版社，２００３：７． 图４读温度流程
