原标题：基于AT89C2051单片机为控制核心的数字温度计设计方案

基于AT89C2051单片机与DS18B20温度传感器的数字温度计设计方案

数字温度计作为现代生活中广泛应用的测量工具，以其高精度、易读性以及数字化输出等优点，在环境监测、工业控制、医疗卫生、农业生产等多个领域发挥着举足轻重的作用。本次设计旨在利用经典的AT89C2051单片机作为核心控制器，搭配高性能的DS18B20数字温度传感器，构建一个结构紧凑、功能稳定、显示直观的数字温度测量系统。AT89C2051以其集成度高、功耗低、指令集兼容标准51系列等特点，非常适合作为此类小型控制系统的微处理器；而DS18B20则凭借其单总线接口、宽测量范围、高精度以及直接输出数字温度值等优势，极大地简化了硬件电路设计和软件编程的复杂度，避免了传统模拟温度传感器所需的AD转换环节，提升了系统整体的抗干扰能力和测量精度。本设计方案将深入探讨系统硬件组成、关键元器件的选择及其功能、电路原理，以及软件流程的实现，为构建一个实用高效的数字温度计提供全面指导。

系统整体架构与工作原理

本数字温度计系统主要由以下几个核心模块构成：主控制器模块、温度采集模块、显示模块、电源模块和按键模块（可选）。其基本工作原理可以概括为：电源模块为整个系统提供稳定的直流电源。温度采集模块（DS18B20）按照单片机的指令周期性地采集环境温度，并将其内部的温度数据转换为数字信号，通过单总线方式传输给主控制器模块。主控制器模块（AT89C2051）接收到温度数据后，进行必要的处理，例如将原始数据转换为摄氏度或华氏度，并驱动显示模块将当前温度值以直观的数字形式显示出来。如果设计中包含按键模块，用户还可以通过按键进行功能切换（如显示单位切换）或参数设置。整个系统通过软件程序协调各模块的工作，实现温度的实时监测与显示。

核心元器件选择与功能分析

选择合适的元器件是保证系统性能和可靠性的关键。以下将详细介绍本设计中优选的元器件及其选择理由和功能。

1. 主控制器：AT89C2051单片机

• 型号优选： AT89C2051

• 选择原因： AT89C2051是ATMEL公司生产的一款低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，它兼容标准51指令集，拥有2KB的可擦写可编程只读存储器（Flash ROM），128字节的RAM，15个I/O引脚，两个16位定时/计数器，一个全双工串行口，一个高精度模拟比较器，以及片内振荡器和时钟电路。相较于AT89C51或AT89S51，AT89C2051引脚数量更少，封装尺寸更小，成本更低，功耗更小，非常适合资源受限、体积要求紧凑的嵌入式应用，如本次的数字温度计。其内部集成的Flash存储器便于程序的开发、调试和烧写，无需外部EPROM或EEPROM，简化了硬件设计。同时，其内部的定时器/计数器功能为实现精确的延时、DS18B20的单总线时序控制提供了便利。

• 功能： 作为整个数字温度计系统的“大脑”，AT89C2051负责执行温度采集指令，通过单总线协议与DS18B20进行通信，读取温度数据；对读取到的原始数据进行运算处理，将其转换为可读的温度值（如摄氏度）；驱动数码管或LCD显示模块，将温度值实时显示出来；如果系统包含按键功能，AT89C2051还将负责按键的扫描和相应的逻辑处理。

2. 温度传感器：DS18B20

• 型号优选： DS18B20

• 选择原因： DS18B20是Maxim Integrated公司（原Dallas Semiconductor）生产的数字温度传感器，其最大的特点是采用独特的单总线（1-Wire）接口。这意味着DS18B20只需一根数据线（加上电源线和地线）即可与单片机通信，极大地简化了硬件连接，减少了PCB布线复杂度，并节省了单片机的I/O口资源。它具备宽广的测量范围（-55℃至+125℃）和高精度（在-10℃至+85℃范围内精度为±0.5℃），分辨率可配置为9~12位。DS18B20直接输出数字温度值，省去了传统模拟温度传感器（如热敏电阻、LM35）所需的A/D转换电路，有效避免了模拟信号在传输和转换过程中可能引入的噪声和误差，提高了系统的测量精度和抗干扰能力。此外，每个DS18B20都具有唯一的64位序列号，允许在同一条总线上挂载多个DS18B20，进行多点温度测量（尽管本设计通常只使用一个）。其寄生电源模式（Parasite Power Mode）甚至可以在只有数据线和地线连接的情况下工作，进一步简化了布线（但在实际应用中，通常建议使用外部供电以提高稳定性）。

• 功能： DS18B20的主要功能是实时感应并测量周围环境的温度。它内部集成了温度传感器、A/D转换器、存储器和单总线接口电路，能够将模拟温度信号直接转换为数字信号，并通过单总线协议传输给单片机。单片机通过特定的读写时序向DS18B20发送命令，如温度转换命令、读取暂存器命令等，从而获取温度数据。

3. 显示模块：LED数码管或LCD液晶显示屏

• 型号优选（数码管方案）： 2位或3位共阳/共阴数码管（如FND507、FND500、CL5631BH等），配合74HC595移位寄存器或ULN2003达林顿管（用于驱动位选）。

• 选择原因（数码管）： 数码管具有显示直观、结构简单、成本低廉、在一定光照条件下可视性好等优点。对于数字温度计这种仅需显示数字的应用，数码管是经济实用的选择。考虑到AT89C2051的I/O口资源有限（15个），直接驱动多个数码管可能会占用过多引脚。因此，配合使用74HC595串行转并行移位寄存器可以极大地节省I/O口。74HC595只需3个I/O口（数据线、时钟线、锁存线）即可驱动8个LED或数码管段码，通过级联可以驱动更多位数码管，从而实现动态扫描显示。如果数码管共阴，74HC595的输出可以直接驱动；如果数码管共阳，则需要加反相驱动电路或使用ULN2003等达林顿管阵列来提供拉低电流。

• 功能（数码管）： 数码管用于以数字形式直观地显示测量到的温度值。通过单片机控制数码管的段码和位选，实现数字的动态显示，如显示“25.3”℃。

• 型号优选（LCD方案）： 1602液晶显示屏（如JHD162A、LCM1602等）。

• 选择原因（LCD）： 1602液晶显示屏是一种字符型液晶显示器，具有两行，每行16个字符的显示能力。相较于数码管，1602 LCD可以显示更多的信息，不仅可以显示温度数值，还可以显示单位（℃/℉）、提示信息（如“测量中...”）、甚至简短的汉字（需字库支持或自定义点阵）。它的功耗相对较低，并且自带控制器，简化了与单片机的接口。虽然占用的I/O口比74HC595驱动数码管略多（通常需要4位或8位数据线加3位控制线），但其显示效果更丰富，更具现代感。

• 功能（LCD）： 1602 LCD用于显示当前环境温度的数字值，并可根据需要显示温度单位、状态信息等。单片机通过特定的数据和命令时序向LCD发送指令，控制其显示内容。

4. 电源模块

• 元器件优选： LM7805三端稳压器、整流桥堆（如MB6S、1N4007*4）、滤波电容（如1000uF/16V电解电容、0.1uF瓷片电容）。

• 选择原因： 整个数字温度计系统需要一个稳定的直流电源供电。AT89C2051和DS18B20通常工作在5V直流电压下。如果系统采用交流适配器或9V电池供电，则需要稳压电路将输入电压转换为稳定的5V直流电压。LM7805是常用的正5V三端稳压器，它具有输出电压稳定、纹波小、外围电路简单（只需输入、输出各接一个滤波电容）等优点，非常适合为单片机系统供电。整流桥堆用于将交流电转换为脉动直流电（如果输入是交流电）。滤波电容（大容量电解电容和小容量瓷片电容并联）用于平滑整流后的脉动直流，减少纹波，保证电源的纯净度，提高系统稳定性。

• 功能： 将外部输入的电源（如9V直流电源适配器、电池或经过整流的交流电）转换为系统所需的稳定5V直流工作电压，并确保电源的纹波足够小，为各模块提供可靠的电力供应。

5. 晶振与复位电路

• 晶振优选： 11.0592MHz或12MHz石英晶体振荡器，配合两个22pF~33pF瓷片电容。

• 选择原因： AT89C2051单片机内部不集成时钟源，需要外部晶振提供精确的时钟信号以保证程序的稳定运行和定时器的准确计数。选择11.0592MHz晶振是因为这个频率在51单片机系统中可以方便地产生标准波特率（如9600bps），虽然对于本设计而言，主要影响的是单总线通信的时序精度。12MHz晶振也是常用的选择，可以提供更快的运行速度。配合的22pF~33pF瓷片电容是晶振的负载电容，用于保证晶振能够正常起振并输出稳定的频率。

• 功能： 为AT89C2051单片机提供稳定、精确的时钟信号，确保单片机内部指令的同步执行，以及定时器/计数器的精确计时，这对DS18B20单总线通信的时序要求至关重要。

• 复位电路优选： 10kΩ电阻和10uF电解电容组成RC复位电路，或使用专用复位芯片（如MAX813）。

• 选择原因： 复位电路用于在单片机上电或程序跑飞时，将其恢复到初始状态，确保系统能够正常启动或重新稳定运行。RC复位电路是最简单常用的复位方式，成本低廉。上电时，电容两端电压不能突变，因此RST引脚被拉高，当电容充电完成后，RST引脚恢复低电平，单片机进入正常工作状态。按键复位则可以在需要时手动触发复位。

• 功能： 在系统上电时或在运行过程中出现异常时，对单片机进行初始化，使其从头开始执行程序，确保系统的可靠启动和稳定运行。

6. 按键模块（可选）

• 元器件优选： 普通轻触按键，配合上拉电阻（如10kΩ）。

• 选择原因： 如果需要实现温度单位切换（℃/℉）、显示模式选择或其他用户交互功能，就需要引入按键。轻触按键结构简单、成本低，使用方便。按键通常通过上拉电阻与单片机I/O口相连，当按键按下时，I/O口电平被拉低，单片机检测到低电平即可判断按键被按下。

• 功能： 提供用户与数字温度计系统进行交互的接口，例如切换温度显示单位（摄氏度/华氏度），或者在高级设计中用于设置温度报警阈值等。

硬件电路原理设计

1. 电源部分

电源电路是整个系统的基础。如果输入是交流电，首先通过整流桥将交流电转换为脉动直流，然后通过大容量电解电容进行初步滤波。接着，将滤波后的电压输入到LM7805稳压器的输入端，LM7805的输出端接一个小容量瓷片电容和一个电解电容进行进一步滤波，最终输出稳定的+5V直流电压。这个+5V电压将作为AT89C2051、DS18B20以及显示模块的供电电压。

2. 单片机最小系统

AT89C2051的最小系统包括电源、时钟和复位电路。

• 电源： VCC接+5V，GND接地。

• 时钟： XTAL1和XTAL2引脚外接11.0592MHz或12MHz晶振，两端分别接一个22pF~33pF的瓷片电容到地。

• 复位： RST引脚通过一个10kΩ电阻接到VCC，同时并联一个10uF电解电容到地，构成上电复位电路。也可以并联一个轻触按键，一端接RST引脚，另一端接地，实现手动复位。

3. DS18B20温度采集电路

DS18B20采用单总线接口，其DQ引脚是数据输入/输出引脚。将DS18B20的VCC引脚接+5V，GND引脚接地。DQ引脚通过一个4.7kΩ的上拉电阻连接到+5V，然后直接连接到AT89C2051的某个I/O口，例如P1.0。这个上拉电阻是单总线通信协议所必需的，因为DS18B20内部是漏极开路输出，需要外部上拉电阻才能拉高总线电平。

4. 显示电路（以7段数码管+74HC595为例）

如果使用数码管显示，为了节省AT89C2051的I/O口，通常采用动态扫描的方式配合移位寄存器74HC595。 假设使用3位数码管显示，则需要3个共阳或共阴数码管。

• 段码驱动： 74HC595的Q0-Q7输出引脚分别连接到数码管的a-g和dp段。如果使用共阳数码管，则74HC595的输出需要反相驱动，或者使用PNP三极管作为反相驱动器。这里假设是共阴数码管，74HC595的输出直接控制段码。

• 位选驱动： 3位数码管的公共端（共阴）通过NPN三极管（如9013）或ULN2003达林顿管进行位选控制，三极管的基极连接到AT89C2051的I/O口（如P1.1、P1.2、P1.3），集电极接数码管公共端，发射极接地。

• 74HC595与单片机连接：

• 74HC595的串行数据输入（DS）接AT89C2051的一个I/O口（如P1.4）。

• 74HC595的移位寄存器时钟（SHCP）接AT89C2051的一个I/O口（如P1.5）。

• 74HC595的存储寄存器时钟（STCP）接AT89C2051的一个I/O口（如P1.6）。

• 74HC595的输出使能（OE）接低电平（或通过一个开关控制）。

• 74HC595的清零端（MR）接高电平（或通过复位按键连接）。 通过单片机控制P1.4、P1.5、P1.6，可以将要显示的段码数据串行送入74HC595，然后通过位选控制三极管的通断，实现数码管的动态扫描显示。

5. 按键电路（可选）

一个轻触按键的一端接AT89C2051的I/O口（如P1.7），另一端接地。为了防止按键悬空，该I/O口需要通过一个10kΩ上拉电阻接到+5V。当按键按下时，P1.7被拉低；当按键松开时，P1.7被上拉电阻拉高。单片机通过检测P1.7的电平变化来判断按键状态。

软件设计流程

软件是实现系统功能的灵魂。本设计的软件部分主要包括DS18B20的驱动程序、温度数据处理程序、数码管/LCD显示程序以及主程序流程。

1. 主程序流程

主程序是整个软件的控制核心。

• 初始化： 系统上电后，首先进行单片机I/O口、定时器等外设的初始化。如果使用LCD，还需要对LCD进行初始化。

• 循环检测： 进入一个无限循环，在循环中周期性地执行以下操作：

• 温度采集： 调用DS18B20的读温度子程序。

• 数据处理： 对读取到的温度原始数据进行转换，得到摄氏度或华氏度值，并进行格式化处理，以便显示。

• 显示更新： 调用显示子程序，将处理后的温度值发送到显示模块（数码管或LCD）进行显示。

• 按键处理（可选）： 如果有按键，检测按键状态，并根据按键输入执行相应的操作，如切换显示单位。

• 延时： 加入适当的延时，控制温度采集和显示更新的频率，避免过于频繁的刷新，同时也可以让单片机进入低功耗模式（如果需要）。

2. DS18B20驱动程序

DS18B20的通信是基于单总线协议的，需要严格遵循时序。主要包括以下几个关键函数：

• DS18B20_Init()： 初始化DS18B20。包括总线复位、等待DS18B20响应。如果响应正确，表示DS18B20在线。

• DS18B20_WriteByte(unsigned char dat)： 向DS18B20写入一个字节的数据。需要控制数据线的时序，每个位的写入都有严格的时间要求。

• DS18B20_ReadByte()： 从DS18B20读取一个字节的数据。同样需要控制数据线的时序。

• DS18B20_ReadTemperature()： 完整的读取温度值的函数。

1. 初始化DS18B20。

2. 发送ROM指令：跳过ROM匹配（0xCC），或者根据需要发送其他ROM指令。

3. 发送功能指令：温度转换指令（0x44），DS18B20开始进行温度转换。

4. 延时：等待DS18B20完成温度转换（最大需要750ms）。可以通过查询DS18B20的总线状态来判断转换是否完成，或者简单延时。

5. 初始化DS18B20。

6. 发送ROM指令：跳过ROM匹配（0xCC）。

7. 发送功能指令：读取暂存器指令（0xBE），准备读取温度数据。

8. 连续读取9个字节的数据（包括温度高低字节、校验码等）。前两个字节是温度数据（低字节在前，高字节在后）。

9. 根据读取到的温度数据，进行符号位判断和数值计算，将其转换为实际的温度值（摄氏度）。DS18B20的温度数据是16位的有符号整数，需要进行相应的移位和除法运算（如除以16）得到实际温度。

3. 数据处理与格式化

从DS18B20读取的原始温度数据是一个16位的补码形式。需要进行以下处理：

• 符号位判断： 判断最高位是否为1，如果是1则表示负温度。

• 数据转换： 将16位数据右移4位（因为DS18B20的LSB是0.0625℃），得到整数部分。对于负温度，需要先取反加1得到其绝对值，再进行转换。

• 小数处理： 剩余的低4位表示小数部分，乘以0.0625即可得到。

• BCD码或字符串转换： 将得到的温度值（整数部分和小数部分）转换为BCD码或ASCII字符串，以便于数码管或LCD显示。例如，25.3℃需要转换为“2”、“5”、“.”、“3”等字符或相应的段码。

4. 显示驱动程序

• 数码管动态扫描显示：

• 定义数码管的段码表，用于将数字0-9和点号转换为对应的段码。

• 编写一个显示函数，接收一个温度值（浮点数或处理后的整数和小数部分），将其拆分为个位、十位、小数位等。

• 在循环中，依次点亮每个数码管位。例如，显示第一位时，将第一位的段码通过74HC595发送出去，然后打开第一位的位选三极管；延时一小段时间后，关闭第一位，发送第二位的段码，打开第二位的位选三极管，依此类推。由于人眼视觉暂留效应，快速切换即可看到稳定的显示。

• LCD显示驱动：

• 遵循1602 LCD的通信协议，编写LCD的初始化函数、写命令函数、写数据函数。

• 编写LCD显示字符串函数，将温度值对应的字符串发送到LCD进行显示。可以设置光标位置，显示温度值和单位。

总结与展望

本基于AT89C2051单片机与DS18B20温度传感器的数字温度计设计方案，充分利用了AT89C2051的经典51架构优势和DS18B20的单总线数字输出特性，实现了高精度、低成本、易于实现的温度测量功能。详细阐述了核心元器件的选择理由、功能作用，并给出了硬件电路连接和软件编程的逻辑思路。

尽管AT89C2051是一款相对老旧的单片机，但其在小型嵌入式系统教学和入门级项目中仍具有不可替代的价值，其精简的I/O口和内部资源反而能更好地帮助初学者理解单片机的工作原理和资源优化利用。DS18B20作为数字温度传感器的佼佼者，其易用性和准确性也为本设计奠定了坚实基础。

未来的改进和扩展方向可以包括：

1. 温度报警功能： 增加蜂鸣器或LED指示灯，当温度超过或低于设定阈值时发出警报。

2. 温度校准： 在软件中加入温度校准功能，提高测量精度。

3. 数据记录与存储： 增加外部EEPROM（如24C02）或Flash存储器，实现温度数据的周期性记录和存储，方便后续查看。

4. 通信接口： 增加UART、I2C或SPI等通信接口，将温度数据上传至上位机进行数据分析或远程监控。

5. 电源优化： 采用更低功耗的电源管理芯片，延长电池供电时的续航时间。

6. 显示升级： 升级为OLED显示屏，提供更美观、信息量更大的显示界面，且功耗更低。

7. MCU升级： 考虑到AT89C2051的局限性，未来可以考虑使用更现代化的单片机，如STM32系列或PIC系列，它们通常具有更强的处理能力、更丰富的片内外设和更低的功耗，能够支持更复杂的功能和更灵活的设计。

通过本设计方案的实现，不仅能够掌握数字温度计的基本工作原理，更能深入理解单片机与数字传感器的接口技术、串行通信协议以及嵌入式系统软件编程的基本方法，为进一步的电子设计打下坚实基础。