毕业设计论文-数字温度计.doc

毕业设计

姓 名：
学 号：
系 部： 电气工程系
专 业： 机电一体化 　
设计题目： 数字温度计毕业设计
指导教师：
职 称：

年 月

任 务 书

系部 电气工程系 专业年级 07高职机电3班 学生姓名 江凯

任务下达日期： 年 月 日

毕业设计日期： 年 月 日至 年 月 日

毕业设计题目：数字温度计毕业设计

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

系主任签字： 指导教师签字：
江苏徐州机电工程高等职业学校毕业设计
指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 指导教师签字：

年 月 日
江苏徐州机电工程高等职业学校毕业设计
评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：

年 月 日
江苏徐州机电工程高等职业学校毕业设计
答辩及综合成绩
答 辩 情 况
提 出 问 题
回 答 问 题
正 确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答

答辩委员会评语及建议成绩

答辩委员会主任签字： 年 月 日
系部领导小组综合评定成绩

系部领导小组负责人： 年 月 日

摘 要

温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验中，有特别重要的意义。随着人们生活水平的不断提高,，人们对温度计的要求越来越高，传统的温度计功能单一、精度低，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
数字温度计（Digital Thermometer）简称D温度是许多监控系统中的一个重要参数。TM，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。采用单片机控制的数字温度计，由于精度高、可扩展性强、集成方便、抗干扰能力强，得到了广泛的应用。
本设计以单片机和温度传感器为核心，设计数字温度计。实现对温度的采集、监视和报警。在温度采集的实现中，使用了AT89C2051单片机和温度传感器DS18B20，温度监视部分利用动态驱动技术，以单片机驱动4位LED数码管。温度测量范围-55℃～+125℃，通过按键设置上下限报警温度，并用4位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示，能准确达到设计要求。
正文还介绍了集成温度传感器DS18B20的原理，AT89C2051单片机功能和应用，给出了硬件系统的各部分电路及相关程序。
关键词：单片机AT89C2051; 温度传感器DS18B20; 温度; 测量

目 录

1 引言
2 系统设计方案
2.1 系统设计要求
2.2 系统的组成结构与工作原理
3 硬件电路设计
3.1 器件选择
3.1.1 AT89C2051简介
3.1.2 DS18B20简介
3.2 系统硬件电路
3.2.1 主板电路
4 系统软件设计
4.1主程序
4.2 读出温度子程序
4.3 温度转换命令子程序
4.4 计算温度子程序
4.5 显示数据刷新子程序

总结
参考文献
致 谢

江苏徐州机电高等职业学校07届高职毕业论文

1 引言
温度是许多监控系统中的一个重要参数。温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验中，有特别重要的意义。随着人们生活水平的不断提高,，人们对温度计的要求越来越高，传统的温度计功能单一、精度低，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。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。采用单片机控制的数字温度计，由于精度高、可扩展性强、集成方便、抗干扰能力强，得到了广泛的应用。
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，该设计控制器使用单片机ATC89C2051，测温传感器使用DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。本设计用4位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示，能准确达到设计要求。

2系统设计方案
2.1 系统设计要求
本设计中计算机利用单片机对温度传感器采集到的温度数据定时采样，并在数码管上显示，同时将采集到的温度数据通过串口传送到计算机；计算机在屏幕上显示温度数据，若温度超过一定数值，在显示屏上进行警告提醒，并通过串口向单片机发送指令，单片机收到指令后控制蜂鸣器发音。设计要求：基本范围-55℃-125℃；精度误差小于0.5℃；LED数码直读显示。
2.2 系统的组成结构与工作原理
计算机
单片机
温度传感器
数码管
蜂鸣器

图1 温度测控系统结构图

其工作过程为：单片机定时采集温度传感器所感应到的被测对象的表面温度，并将采集到温度数据显示在数码管上，同时通过串口传送到计算机。计算机收到单片机传送来的温度数据，在显示屏上显示，同时与计算机软件设置的告警温度值相比较，若高出，则在屏幕上进行告警提示，同时通过串口向单片机发送告警指令，单片机收到指令后，控制蜂鸣器发音，进行告警提示。

3 硬件电路设计
3.1 器件选择
系统硬件主要包括: 单片机AT89C2051，传感器DS18B20、LED等。其中单片机主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能,传感器完成信号的采样功能,LED完成字符、数字的显示功能。

3.1.1 AT89C2051简介
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C2051是一种高效微控制器。AT89C2051单片机主要特性有(1)与MCS-51 兼容；(2)4K字节可编程闪烁存储器；(3)寿命有1000写/擦循环；（4）数据保留时间可达10年；（5）全静态工作：0Hz-24Hz；（6）三级程序存储器锁定；（7）128*8位内部RAM；（8）32可编程I/O线；（9）两个16位定时器/计数器；（10）5个中断源 ；（11）可编程串行通道（12）；低功耗的闲置和掉电模式；（13）片内振荡器和时钟电路。AT89C2051引脚图如下：

图2 AT89C2051引脚图
AT89C2051管脚说明如下：
VCC：供电电压
GND：接地
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
   P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口， P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
    P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
    P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C2051的一些特殊功能口：
P3.0 RXD：串行输入口；P3.1 TXD：串行输出口：P3.2 /INT0外部中断0；P3.3 /INT1：外部中断1；P3.4 T0：记时器0外部输入；P3.5 T1：记时器1外部输入；P3.6 /WR：外部数据存储器写选通；P3.7 /RD：外部数据存储器读选通，同时，P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
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。
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。
3.1.2 DS18B20简介
DS18B20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具有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；可通过数据线供电；温度以9或12位数字；用户可定义报警设置；电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作等性能特点。
C

64
位
ROM
和
单
线
接
口

高速缓存
存储器与控制逻辑
温度传感器
高温触发器TH
低温触发器TL
配置寄存器
8位CRC发生器
Vdd

I/O

图3 DS18B20内部结构

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图4所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图4所示。低5位一直为１，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
温度 LSB
温度 MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
保留
保留
CRC

图4 　DS18B20字节定义

由表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
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。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。

表1 DS18B20温度转换时间表
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
DS18B20的测温原理是这样的,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－55℃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－55℃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。
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000 0111 1101 0000
07D0H
+85
0000 0101 0101 0000
0550H
+25.0625
0000 0001 1001 0000
0191H
+10.125
0000 0000 1010 0001
00A2H
+0.5
0000 0000 0000 0010
0008H
0
0000 0000 0000 1000
0000H
-0.5
1111 1111 1111 0000
FFF8H
-10.125
1111 1111 0101 1110
FF5EH
-25.0625
1111 1110 0110 1111
FE6FH
-55
1111 1100 1001 0000
FC90H
表2　一部分温度对应值表

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
3.2系统硬件电路
3.2.1 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，如图5 所示。
+
图5 单片机主板电路
图5中有三个独立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，发出报警鸣叫声音，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。图5 中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序中断时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。
3.2.2 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74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。

图6 温度显示电路

4系统软件设计
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
4.1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1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图7所示。
初始化
调用显示子程序
1S到？
初次上电
读出温度值温度计算处理显示数据刷新
发温度转换开始命令
N
Y
N
Y

图7 主程序流程图
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，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图8示

Y
发DS18B20复位命令
发跳过ROM命令
发读取温度命令
读取操作，CRC校验
9字节完？
CRC校验正？确？
移入温度暂存器
结束　
N
N
Y

图8读温度流程图
4.3 温度转换命令子程序
开始
温度零下?
温度值取补码置“—”标志
计算小数位温度BCD值
计算整数位温度BCD值
结束
置“+”标志
N
Y
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。温度转换命令子程序流程图如上图，图9所示

图9 温度转换流程图
4.4 计算温度子程序
计算温度子程序将RAM中读取值进行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10所示

发DS18B20复位命令
发跳过ROM命令
发温度转换开始命令
结束

图10　计算温度流程图
4.5 显示数据刷新子程序
显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图11。
温度数据移入显示寄存器
十位数0？
百位数0？
十位数显示符号百位数不显示
百位数显示数据（不显示符号）
结束
N
N
Y
Y

图11　显示数据刷新流程图
总结
此次毕业设计是我大学生活重要的一步。从最初的选题，开题到写论文直到完成论文。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改论文，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，锻炼了设计实践能力，、此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。 这次毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的制作能力。
终于完成了我的单片机课程设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计放了很多心血进去，高兴之余不得不深思呀！
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，，比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。由于时间有限，未能完成全部安装与调试工作，对设计结果没有作出最后的检验，也感到遗憾。这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很不全面。马上要毕业了，自己的求学之路还很长，以后更应该在工作实践中不断学习，努力使自己 成为一个对社会有所贡献的人。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，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。
参考文献
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[6]王明亮．关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展[Z].

致 谢
漫长的设计接近了尾声，从开始的迷茫到现在的任务的完成。走过弯路，想过放弃，最后还是坚持下来了。
开始的工作举步唯艰，只能是漫长的调研和上网查询，但是涉及到专利技术的保护，收获甚微，只好无数次的猜想和论证，走了很多弯路，感受到了什么叫万事开头难。虽然设计任务完成了，但还有很多需要改进的方面，我的努力只能说是此新课题的一个开始，希望在以后的设计中能被更多的同学去进行大胆和新思路的创新，逐步完善这个课题，吸收和借鉴国外和国内先进和时尚的理念，设计开发我们自己特色的产品。
本文是在我的导师的悉心指导下完成的,在论文的准备及撰写过程中,导师提出了许多宝贵的意见和建议。导师无论在学习上还是在日常生活中,都给予了我很大的帮助,令我受益良多。在此向导师表示深深的感谢。衷心的感谢王老师,没有他对我的指导和帮助,我的学业不可能得以顺利的完成。王老师认真的工作态度、严谨细致的工作作风、以及学习生活上的热心帮助让我感动。在此向王老师致以最真挚的谢意。在论文的撰写过程中,还得到了实验室王静、杨丽英等同学的热情帮助,与你们共度这段充实而又快乐的学习时光,将是我人生中难忘的美好回忆。最后,衷心感谢所有关心和帮助过我的同学和朋友,

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