片机课程设计--数字温度计的设计

太原理工大学现代科技学院

单片机原理与接口技术 课程设计

设计名称 数字温度计的设计 专业班级 自动化10-4班 学 号 2010101276 姓 名 成婷 指导教师 李晓林

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……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………专业班级 自动化10-4班 学号 2010101276 姓名 成婷 成绩

前 言

随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同种类的传感器，可实现诸如电压、湿度、温度、速度、硬度、压力等的物理量的测量。

随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑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，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 摘要：

温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常用到的一个物理量。测量温度的基本方法是使用温度计直接读取温度。最常见到得测量温度的工具是各种各样的温度计，例如：水银玻璃温度计，酒精温度计，热电偶或热电阻温度计等。它们常常以刻度的形式表示温度的高低，人们必须通过读取刻度值的多少来测量温度。利用单片机和温度传感器构成的电子式智能温度计就可以直接测量温度，得到温度的数字值，既简单方便，有直观准确。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。本文主要介绍了一个基于ATC51单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，该系统可以方便的是实现温度采集和显示，并可以根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合我们日常生

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活和工农业生产中的温度测量，也可以当做温度处理模块嵌入其他系统中，作为其他主系统的辅助扩展。DS18B20和ATC51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合与恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。

本设计首先是确定目标，气候是各个功能模块的设计，再在Proteus软件上进行仿真，修改，仿真。

本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。

关键词：单片机，数字控制，温度计， DS18B20，ATC51

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目录

前 言 ................................................................................................................................................................... I 一、单片机简介 ......................................................................................................................................................... 1

1.1单片机的应用 ............................................................................................................................................... 1 二、设计方案 ............................................................................................................................................................. 1

2.1设计务任和要求 ........................................................................................................................................... 1 2.2方案论证 ....................................................................................................................................................... 1 三、系统设计原理 ..................................................................................................................................................... 2

3.1系统组成 ....................................................................................................................................................... 2 3.2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路 ............................................................................................... 3 3.3主控电路 ....................................................................................................................................................... 3 3.4时钟电路 ....................................................................................................................................................... 4 3.5复位电路 ....................................................................................................................................................... 4 3.6显示电路 ....................................................................................................................................................... 5 3.7温度传感器及DS18B20测温原理 .............................................................................................................. 5 四、系统软件算法设计 ............................................................................................................................................. 7

4.1主程序设计 ................................................................................................................................................... 7 4.2读出温度子程序 ........................................................................................................................................... 7 4.3 温度转换命令子程序................................................................................................................................... 7 4.4计算温度子程序 ........................................................................................................................................... 7 五、软件仿真 ............................................................................................................................................................. 8

5.1系统仿真结果 ............................................................................................................................................... 8 5.2系统原理图 ................................................................................................................................................... 8 六、总结与体会 ......................................................................................................................................................... 9 附录 ........................................................................................................................................................................... 10

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一、单片机简介

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中

央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者实现规定的任务。

1.1单片机的应用

1、在家用电器领域的应用

现在在家用电器的更新、市场开拓等方面，单片机的应用越来越广泛，比如电子玩具或者高级的电视游戏机中，会应用单片机实现其控制功能;而洗衣机可以利用单片机识别衣服的种类与脏污程度，从而自动选择洗涤强度与洗涤时间;在冰箱冷柜中采用单片机控制可以识别食物的种类与保鲜程度，实现冷藏温度与冷藏时间的自动选择;微波炉也可以通过单片机识别食物种类从而自动确定加热温度与加热时间等等，这些家用电器在应用单片机技术后，无论是性能还是功能，与传统技术相比均有长足的进步。 2、在医用设备领域的应用

现代医疗条件越来越发达，人们对医疗灭菌消毒技术也越来越重视，但是一些偏远地区的小医院、小诊所其消毒灭菌设备还十分简陋，无法有效的控制消毒质量。随着单片机技术的发展，其体积较小、功能强大、具有灵活的扩展性、应用方便的特点也越来越突出，因此在医用呼吸机、分析仪与监护仪、超声诊断设备、病床呼叫系统等设备中得到了广泛的应用。 3、在工业控制领域的应用

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其实最早的单片机正是从工业领域开始兴起的，至今其在工业控制领域的应用仍然十分广泛，利用单片机技术构成多种多样的数据采集系统与智能控制系统，比如工厂流水线的智能化管理、智能化电梯、报警系统等等，均是通过单片机技术与计算机联网构成二级控制系统。 4、在仪器仪表领域的应用

单片机具备集成度高、体积小、较强的控制功能与扩展的灵活性等特点，并且处理速度快，具有较高的可靠性，所以在智能仪器仪表领域其应用也十分广泛。从某种程度而言，单片机带动了传统测量、控制仪器仪表技术的一项，通过单片机技术实现了仪器仪表技术的数字化、智能化、综合化以及多功能化，与传统的电子电路或者数字电路相比，其功能更强大，综合性更突出。

二、设计方案

2.1设计务任和要求

1、基本范围-50℃——110℃

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2、精度偏差小于0.5℃ 3、LED 数码管显示

4、可以任意设定温度的上下限报警功能. 5. 实现报警提示。

2.2方案论证

1.方案一

本设计是测温电路，采用热敏电阻传感器。利用热敏电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化，进而制成温度计。在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。 2.方案二

在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用DS18B20温度传感器。DS18B20的内部3脚（或8脚）封装；使用特有的温度测量技术，将被测温度转换成数值信号；3.0～5.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式；ROM由位二进制数字组成，共分为8个字节；RAM由9个字节的高速暂存器和非易失性电擦写ROM组成。此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。 综上所述：温度传感器选取智能测温器件DS18B20。 3．确定设计方案：

对此次课设的方案选定: 选用方案二：采用ATC51作为主控制系统; 1602液晶显示模块芯片作为温度数据显示装置;而智能温度传感器DS18B20器件作为测温电路主要组成部分。本设计显示电路采用1602液晶显示模块芯片。

三、系统设计原理

利用温度传感器DS18B20可以直接读取被测温度值，进行转换的特性，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。

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3.1系统组成

本课题以是80C51单片机为核心设计的一种数字温度控制系统，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，单片机主板电路等组成。

系统框图如图所示。温度计电路设计总体设计方框图如图所示，控制器采用单片机ATS51，温度传感器采用DS18B20，用6位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。此外，还添加了报警系统，对温度实施监控。

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图 数字温度计框图

1. 主控制器

单片机ATC51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。

2. 显示电路

显示电路采用LED液晶显示数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。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口资源比较少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用74LS1右移寄存器驱动，显示比较清晰。

3. 温度传感器

温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20温度传感器。DS18B20输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，在0—100 摄氏度时，最大线形偏差小于1 摄氏度，采用单总线的数据传输，可直接与计算机连接。

用ATS51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。

3.2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图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10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。

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图3-3 DS18B20与单片机的接口电路

3.3主控电路

单片机ATC51 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。晶振采用12MHZ。复位电路采用上电加自动复位。AT51的管脚如下图所示：

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各管脚功能：

VCC：供电电压。 GND：接地。 P0~P3：为输入/输出口线，其各有的功能，而P3口每一位还有特殊功能。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3.4时钟电路

80C51时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式。80C51中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。本次采用内部震荡电路,瓷片电容采用22PF,晶振为12MHZ。

图 震荡电路图

3.5复位电路

单片机系统的复位电路在这里采用的是上电+按钮复位电路形式，其中电阻R采用10KΩ的阻

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值 ，电容采用10μF的电容值。

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图 复位电路

3.6显示电路

对于数字温度的显示，我们采用6位LED数码管。足够显示0~100中各位数，并且还能显示一位小数部分。

3.7温度传感器及DS18B20测温原理

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现９～１２位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下： ●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； ●无须外部器件；

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●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ； ●零待机功耗；

●温度以９或１２位数字； ●用户可定义报警设置；

●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； ●负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；

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DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其引脚排列及内部结构框图如图及测温原理图如下图1、图2、图3所示：

图 1引脚排列

图 2内部结构框图

预置 斜率累加器 低温度系数振荡T1 Tx 计数器1 预置 比较 加1 高温度系数振荡=0 停止 计数器2 T2 -0 温度寄存器 h

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图3 DS18B20测温原理图

DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将最低温所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在最低温所对应的一个基数值。 减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。

四、系统软件算法设计

4.1主程序设计

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1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度。

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图4.1 主程序流程

4.2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，检验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图4.2所示。

发DS18B20复位命令 发跳过ROM命令 发读取温度命令 移入温度暂存器 结束 h

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图4.2 读出温度子程序流程图

4.3 温度转换命令子程序

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。

4.4计算温度子程序

计算温度子程序将RAM值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图4.3所示。

温度零下？ 开始 N Y 温度值取补码 置“+”标志

置“－”标志 计算小数位温度BCD h

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计算整数位温度BCD h

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结束

图4.3 计算温度子程序流程图

五、软件仿真

5.1系统仿真结果

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5.2系统原理图

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六、总结与体会

在此次课程设计的进程中，遇到了很多问题，例如，一开始在确定课设题目后，在编写

程序时，由于思路不太清晰，而且设计要求中需要使用新器件DS18B20智能测温，而其相关知识我们很模糊甚至可以说一无所知，不过后来，我们通过查找一些相关的资料书以及寻求辅导老师的帮助，又经过我们的主动思考，理清思路，终于将程序修改正确。在仿真时，由于我们有了之前的数模电课设仿真经验，所以此时我们课设进行的很顺利，并没有受到什么大的阻碍。单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，举个例子，以前写的那几次，数据加减时，我用的都是BCD码，这一次，我全部用的都是16进制的数直接加减，显示处理时在用除法去删分,感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。

从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。

附录

程序清单 DQ FLAG FLAG_NEG TEMP_L

BIT P3.0 ;从DS18B20向8051传送的数据端口 BIT 00H

BIT 01H ;温度正负值标志位

EQU 30H ;所设报警最低值温度值

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TEMP_H TEMP_INT TEMP_DP TEMP_100 TEMP_10 TEMP_1 C0

EQU 31H ;所设报警最高值温度值 EQU 32H EQU 33H

EQU 34H ; EQU 35H EQU 36H

BIT P3.1 ;负温度标志位

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C1 BIT P3.2 ;超过100 标志位 C2 BIT P3.3 ;超过10 标志位 C3 BIT P3.4 ;超过1 标志位 C4 BIT P3.5 ;超过0 标志位 ;******************************* ;************主函数************* ORG 0000H LJMP START ORG 1000H START: MOV SP,#60H

MAIN: LCALL READ_TEMP ;调用函数读DS18B20所示温度 LCALL PROC_TEMP ;调用函数对温度进行处理 LJMP MAIN

;********************************* ;********************************* READ_TEMP:

LCALL INI_DQ JB FLAG,RE_0 RET

RE_0: MOV A,#0CCH

LCALL WRITE_DQ ;读出传感器所示温度 MOV A,#44H LCALL WRITE_DQ

LCALL DISP_LED ;调用LED显示程序 LCALL INI_DQ MOV A,#0CCH LCALL WRITE_DQ MOV A,#0BEH LCALL WRITE_DQ LCALL READ_DQ RET

;************DS18B20初始化程序*************** INI_DQ:

SETB DQ

NOP ;

NOP ;空操作 PC值加2 CLR DQ

MOV R1,#3

INI_0: MOV R0,#80 DJNZ R0,$ DJNZ R1,INI_0 SETB DQ

NOP ; NOP ;

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NOP ;空操作 PC值加3 MOV R7, #25

INI_1: JNB DQ,INI_2 ;DQ为0则转 DJNZ R7,INI_1 ;延时 LJMP INI_3

INI_2: SETB FLAG ;标志位 LJMP INI_4

INI_3: CLR FLAG LJMP INI_5

INI_4: MOV R0,#80

DJNZ R0,$ ;时序要求延时一段时间 INI_5: SETB DQ RET

;**************DS18B20写命令****************** WRITE_DQ:

MOV R6, #8 CLR C Tloop: CLR DQ MOV R2,#6 DJNZ R2,$

RRC A ;最低位移到C中 MOV DQ,C MOV R2,#23 DJNZ R2,$ SETB DQ NOP

DJNZ R6,Tloop SETB DQ RET

;**************读DS18B20数据函数************* READ_DQ:

MOV R5, #2 MOV R0, #30H

READ_0: MOV R6, #8 READ_1: CLR C SETB DQ NOP NOP CLR DQ NOP NOP NOP

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NOP

SETB DQ MOV R2,#9 DJNZ R2,$ MOV C,DQ MOV R3,#23 DJNZ R3,$ RRC A

DJNZ R6, READ_1 MOV @R0,A INC R0

DJNZ R5,READ_0 SETB DQ RET

;***************温度数据处理程序****************

PROC_TEMP: CLR FLAG_NEG MOV A,TEMP_L

SWAP A ; A中高低四位互换 ORL A,#0F0H MOV TEMP_INT,A MOV A,TEMP_H SWAP A ORL A,#0FH ANL TEMP_INT,A MOV A,TEMP_H CLR P3.6 CLR P3.7

JB ACC.7,BAOJING1 ;低于零度亮红灯报警 ; JB ACC.7,NEGTIVE MOV A,TEMP_L ANL A,#0FH MOV DPTR,#TAB3 MOVC A,@A+DPTR MOV TEMP_DP,A LJMP PRO_0

;***********报警函数******************** BAOJING1: SETB P3.6 RET

;NEGTIVE: ;温度值为负时处理程序，按实际情况，处理过程比较复杂 ; SETB FLAG_NEG ; MOV A,TEMP_L ; CPL A

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; ANL A,#0FH ; MOV R1,A

; CJNE R1,#0FH,PRO_1

; ;低于0°则调用报警函数 ; PUSH ACC

; MOV A,TEMP_INT ; SUBB A,#1

; MOV TEMP_INT,A ; POP ACC

; MOV TEMP_DP,#00H ; LJMP PRO_2 PRO_1: ADD A,#1 MOV DPTR,#TAB3 MOVC A,@A+DPTR MOV TEMP_DP,A

PRO_2: MOV A,TEMP_INT CPL A

MOV TEMP_INT,A PRO_0: MOV A,TEMP_INT MOV B,#100 DIV AB

MOV TEMP_100,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB

MOV TEMP_10,A MOV TEMP_1,B RET

;**************LED初始化******************** CLR_LED: CLR C0 CLR C1 CLR C2 CLR C3 CLR C4

RET ;**************LED显示*********************** DISP_LED: LCALL CLR_LED SETB C0

JNB FLAG_NEG,DL_0 MOV P1,#0BFH LCALL DELAY_10MS LJMP DL_1 DL_0:

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MOV P1,#0FFH LCALL DELAY_10MS

DL_1: LCALL CLR_LED

SETB C1 ;显示百位 MOV A,TEMP_100 MOV DPTR,#TAB4

MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A

CJNE A,#0F9H,CESHI

LCALL BAOJING2 ;超过一百启动扬声器报警 CESHI: LCALL DELAY_10MS LCALL CLR_LED

SETB C2 ;显示十位 MOV A,TEMP_10 MOV DPTR,#TAB4 MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A

LCALL DELAY_10MS LCALL CLR_LED SETB C3

MOV A,TEMP_1 ;显示 个位 MOV DPTR,#TAB5 MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A

LCALL DELAY_10MS LCALL CLR_LED

SETB C4 ;显示小数点后的数 MOV A,TEMP_DP MOV DPTR,#TAB4 MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A

RET ;****************** BAOJING2: SETB P3.7

RET ;*********延时函数************* DELAY_10MS:

MOV R3,#20 DEL_1: MOV R4,#248 DJNZ R4,$ DJNZ R3,DEL_1 RET

;**********小数位转换******************** TAB3: DB 00H,01H,01H,02H

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DB 02H,03H,04H,04H DB 05H,06H,06H,07H DB 07H,08H,09H,09H

;************无小数点位的段码******************

TAB4: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H ;*****************有小数点********************** TAB5: DB 40H,79H,24H,30H,19H,12H,02H,78H,00H,10H END

参考文献

[1] [2] [3] [4]

李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，1998 李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1994 阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，19 廖常初.现场总线概述［J］.电工技术，1999.

资料仅供参考!!!

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