基于AT89C51单片机的数字温度计设计
摘要： 基于实际应用中许多场合对温度高精度测量的需求，设计了一款高精度数字温度计。该方案采用AT89C51芯片作为可编程逻辑器件，以高灵敏度DS18B20为温度传感器，从而实现温度的精确测量。本文介绍了数字传感器DS18B20的特点和功能，并与显示器LED组成数字温度计，在Proteus仿真软件的基础上，给出了硬件电路图，软件流程图和主要的程序。
关键词： DS18B20、LED、 Proteus、AT89C51单片机
第一章 绪论
1.1 单片机的历史
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
图1-1 MCU外形
单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
1971 年 intel 公司研制出世界上第一个 4 位的微处理器； Intel 公司的霍夫 研制成功世界上第一块 4 位微处理器芯片 Intel 4004，标志着第一代微处理器 问世， 微处理器和微机时代从此开始。 因发明微处理器， 霍夫被英国 《经济学家》杂志列为“二战以来最有影响力的 7 位科学家”之一。
1971 年 11 月， Intel 推出 MCS-4 微型计算机系统 （包括 4001 ROM 芯片、 4002 RAM 芯片、 4003 移位寄存器芯片和 4004 微处理器 ） 其中 4004 （下图） 包含 2300 个晶体管，尺寸规格为 3mm×4mm，计算性能远远超过当年的 ENIAC，最初售价为 200 美元。
1972 年 4 月，霍夫等人开发出第一个 8 位微处理器 Intel 8008。由于 8008 采用的是 P 沟道 MOS 微处理器，因此仍属第一代微处理器。
1973 年 intel 公司研制出 8 位的微处理器 8080。
1973 年 8 月，霍夫等人研 制出 8 位微处理器 Intel 8080，以 N 沟道 MOS 电路取代了 P 沟道，第二代微处 理器就此诞生。 主频 2MHz 的 8080 芯片运算速度比 8008 快 10 倍，可存取 64KB 存储器，使 用了基于 6 微米技术的 6000 个晶体管，处理速度为 0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。
1975 年 4 月，MITS 发布第一个通用型 Altair 8800，售价 375 美元，带有 1KB 存储器。这是世界上第一台微型计算机。
1976 年 intel 公司研制出 MCS-48 系列 8 位的单片机， 这也是单片机的问世。
Zilog 公司于 1976 年开发的 Z80 微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控 制设备。当时，Zilog、Motorola 和 Intel 在微处理器领域三足鼎立。
20 世纪 80 年代初， Intel 公司在 MCS-48 系列单片机的基础上， 推出了MCS-51 系列 8 位高档单片机。MCS-51 系列单片机无论是片内 RAM 容量，I/O 口功能，系 统扩展方面都有了很大的提高。
1.2 单片机的简介
单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是指集成在一根芯片上的微型计算机，他的各种功能部件，包括CPU（Central Processing Unit）、存储器（Memory）、基本输入/输出(Input/Output,简称I/O)接口电路、定时器/计时器、和中断系统等，集成在一块芯片上，构成的一个完整的微型计算机。单片机的内部基本结构如图1-2所示。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又称为微控制器（Micro-controller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机。
毕业设计说明书目录
第一章 绪论………………………………………………………………………………19
1.1 单片机的历史…………………………………………………………………………19
1.2 单片机的简介…………………………………………………………………………20
1.3 单片机的应用领域……………………………………………………………………21
1.4 常用的单片机芯片……………………………………………………………………22
第二章 方案论证 …………………………………………………………………………24
2.1 数字温度计的设计思路与来源 ………………………………………………………24
2.2 论证方案选定 …………………………………………………………………………24
2.2.1 功能控制要求……………………………………………………………………24
2.2.2 方案选定…………………………………………………………………………24
第三章 系统器件选择 ……………………………………………………………………26
3.1 单片机的选择…………………………………………………………………………26
3.1.1 51单片机的简介…………………………………………………………………26
3.1.2 AT89C5单片机的引脚功能………………………………………………………26
3.2 温度传感器的选择……………………………………………………………………28
3.2.1 DS18B20温度传感器的性能特点 ………………………………………………28
3.2.2 温度传感器的引脚功能及内部结构……………………………………………29
3.2.3 DS18B20 的测温原理注与注意事项……………………………………………31
3.3 显示及报警模块器件选择……………………………………………………………32
3.3.1 显示器的简介……………………………………………………………………32
3.3.2 LM016L引脚介绍…………………………………………………………………33
第四章 数字温度计硬件电路设计 ………………………………………………………35
4.1 主控制器………………………………………………………………………………35
4.2 显示电路………………………………………………………………………………35
4.3 温度检测电路…………………………………………………………………………35
4.4 温度报警电路…………………………………………………………………………35
4.4 5V电源设计……………………………………………………………………………36
第五章 系统软件设计 ……………………………………………………………………37
5.1 主程序…………………………………………………………………………………37
5.2 读出温度子程序………………………………………………………………………37
5.3 温度转换命令子程序…………………………………………………………………38
5.4 计算温度子程序………………………………………………………………………38
5.5 显示数据刷新子程序…………………………………………………………………39
第六章 性能测试及调试结果分析 ………………………………………………………40
6.1 开发环境软件KEIL的使用…………………………………………………………40
6.2 Proteus软件介绍 ……………………………………………………………………43
6.3 仿真软件及结果分析…………………………………………………………………45
第七章 实物制作及生成PCB板……………………………………………………………49
7.1 实物调试………………………………………………………………………………49
7.2 PCB板生成……………………………………………………………………………49
附录一 总程序 ……………………………………………………………………………52
附录二 电路原理图 ………………………………………………………………………67
附录三 PCB布线图 ………………………………………………………………………68
附录四 电路实物图 ………………………………………………………………………69
参考文献 ……………………………………………………………………………………70
图、表清单
图1-1 MCU外形 ……………………………………………………………………………19
图1-2 单片机的内部结构图………………………………………………………………20
图1-3 各种用途的单片机…………………………………………………………………22
图2-1 测温系统组成框图…………………………………………………………………25
图3-1 AT89C51单片机实物图 ……………………………………………………………26
图3-2 AT89C51单片机引脚排列 …………………………………………………………26
图3-3 DS18B20实物图 ……………………………………………………………………28
图3-4 DS18B20引脚排列 …………………………………………………………………29
图3-5 DS18B20内部结构框图 ……………………………………………………………29
图3-6 DS18B20测温原理图 ………………………………………………………………31
图3-7 液晶显示器引脚……………………………………………………………………33
图4-1 DS18B20与芯片连接电路图 ………………………………………………………35
图4-2 5V电源电路…………………………………………………………………………36
图5-1 主程序流程图………………………………………………………………………37
图5-2 读出温度子程序流程图……………………………………………………………38
图5-3 温度转换命令子程序………………………………………………………………38
图5-4 计算温度子程序……………………………………………………………………39
图5-5 显示数据刷新子程序………………………………………………………………39
图6-1 启动KEIL软件 ……………………………………………………………………40
图6-2 Keil软件集成开发环境……………………………………………………………40
图6-3 “Create New Project”对话框…………………………………………………41
图6-4 Select Device for Target‘Target1’…………………………………………41
图6-5 源程序编辑…………………………………………………………………………42
图6-6 加入源文件…………………………………………………………………………42
图6-7 选择文件类型………………………………………………………………………43
图6-8 Options for Target‘Target1’…………………………………………………43
图6-9 Proteus ISIS界面…………………………………………………………………45
图6-10 元器件搜索 ………………………………………………………………………45
图6-11 电路原理图 ………………………………………………………………………46
图6-12 载入程序调试 ……………………………………………………………………46
图6-13 温度正常显示图 …………………………………………………………………47
图6-14 大于温度报警值TH ………………………………………………………………47
图6-15 小于温度报警值TL ………………………………………………………………48
图7-1 实物图………………………………………………………………………………49
图7-2 PCB元件布局图 ……………………………………………………………………50
图7-3 PCB布线完成图 ……………………………………………………………………50
图7-4 3D生成图……………………………………………………………………………51
表3-1 64位ROM的位结构图………………………………………………………………29
表3-2 DS18B20温度值格式表 ……………………………………………………………30
表3-3 DS18B20温度数据表 ………………………………………………………………30
表3-4 配置寄存器结构……………………………………………………………………30
表3-5 温度分辨率设定表…………………………………………………………………30
参考文献
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