基于单片机的数字温度计优秀课程设计硬件.doc

摘要 本设计以STC89S51单片机为关键温度控制系统工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号方法传送给单片机。文中介绍了该控制系统硬件部分，包含：温度检测电路、温度控制电路。单片机经过对信号进行对应处理，从而实现温度控制目标。文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采取模块化结构，关键模块有：数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、led控制程序。关键词：STC89S51；单片机；DS18B20；温度芯片；LED目录引言11.设计概述21.1 设计目标和要求21.2 设计思绪22.系统方案及硬件设计32.1 设计方案32.2 方案硬件总体方框图32.3 温度传感器DS18B20测温原理42.4 硬件设计92.4.1主控制器电路92.4.2复位电路102.4.3时钟振荡电路102.4.4正相驱动电路112.4.5反相驱动电路112.4.6显示电路12 2.5 软件设计123.系统原理图144.proteus软件仿真结果154.1系统仿真设计154.2仿真结果分析155.结论166.参考文件17引言单片机以其体积小、功效完善、抗干扰能力强、价格低廉等优点而被广泛应用于工业控制、可编程序控制器、通信、家电等领域。89C51系列单片机经过多年发展，在性能、指令功效、运算速度、控制能力等方面全部有很大提升，已被越来越多科学工作者所关注。 现在，大学院校相关电子、机电、自动化、计算机等专业全部在开设这门课程。单片机课程设计是学生加深理论知识了解、提升实际设计能力关键步骤，从设计电路板，到程序编制和调试，最终完成一个单片机系统设计，能够使学生体验到成功愉快。Proteus虚拟单片机仿真软件能够成功地进行绝大部分单片机硬件仿真，轻松实现程序功效展示。1.设计概述1.1 设计目标和要求1.用所学单片机知识设计制作数字温度计；2.测温范围是-50-100；3.误差小于0.5；4.所测温度值能够由LCD数码管直接显示；5.深入熟悉proteus,protel,word软件功效和使用方法；1.2 设计思绪 首先确定我们所设计是一个数字温度计，由单片机、温度传感器和其它电路共同实现。 依据所要实现功效，先在proteus软件上仿真。依据所选择硬件能够将整个软件设计分为若干子程序，有初始化、查询时间、发送指令、读取数据、显示温度等组成，可将以上子程序分别设计，实现各自功效，再在子程序中调用，就能够实现预期目标。 在proteus软件里画出对应电路图，将编写好程序编译后文件下载到proteus电路图单片机里，进行仿真，对温度传感器设置不一样参数，看是否达成了我们设计所要求目标，假如不符合要求，需要检验程序算法和硬件连接是否有误。若仿真成功，就根据电路图焊接硬件。2.系统方案及硬件设计2.1 设计方案 采取数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。采取了单总线数据传输，由数字温度计DS18B20和AT89C51单片机组成温度测量装置,它直接输出温度数字信号,也可直接和计算机连接。采取AT89C51单片机控制，软件编程自由度大，可经过编程实现多种多样算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。该系统利用AT89C51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，并能够依据需要设定上下限温度。该系统扩展性很强。该测温系统电路简单、正确度较高、实现方便、软件设计也比较简单。2.2 方案硬件总体方框图 基于增强AVR RISC结构低功耗8位CMOS微控制器AT89C51，温度传感器采取DS18B20，用四位数码管显示温度。图2.2.1 硬件总体方框图2.3 温度传感器DS18B20测温原理DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体企业最新推出一个改善型智能温度传感器，和传统热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，而且可依据实际要求经过简单编程实现9-12位数字值读数方法。DS18B20性能特点以下：（1）独特单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，DS18B20在和微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器和DS18B20双向通讯。（2）DS18B20支持多点组网功效，多个DS18B20能够并联在惟一三线上，实现多点组网测温；（3）无须外部器件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管集成电路内；（4）可经过数据线供电，电压范围为3.0-5.5；（5）零待机功耗；（6）温度以9或12位数字，对应可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；（7）用户可定义报警设置；（8）报警搜索命令识别并标志超出程序限定温度（温度报警条件）器件；（9）负电压特征，电源极性接反时，温度计不会因发烧而烧毁，但不能正常工作；（10）测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，含有极强抗干扰纠错能力DS18B20采取3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其引脚排列及内部结构框图图2及图3和图4测温原理图以下所表示：图2.3.1 引脚排列图图2.3.2 内部结构框图图2.3.3 DS18B20测温原理图 64位ROM结构开始8位是产品类型编号，接着是每个器件惟一序号，共有48位，最终8位是前面56位CRC检验码，这也是多个DS18B20能够采取一线进行通信原因。温度报警触发器TH和TL，可经过软件写入户报警上下限。 DS18B20温度传感器内部存放器还包含一个高速暂存RAM和一个非易失性可电擦除EERAM。高速暂存RAM结构为8字节存放器，结构图2.3.3所表示。头2个字节包含测得温度信息，第3和第4字节TH和TL拷贝，是易失，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它内容用于确定温度值数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中分辨率转换为对应精度温度数值。该字节各位定义图2.3.4所表示。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，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换精度位数，来设置分辨率。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRCTMR1R011111图2.3.4 DS18B20字节定义图 DS18B20分辨率定义如表2-1所表示。表2-1 分辨率设置表R0R1分辨率最大温度转移时间009位96.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms 由表2-1可见，DS18B20温度转换时间比较长，而且分辨率越高，所需要温度数据转换时间越长。所以，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 主机控制DS18B20完成温度转换过程是：每一次读写之前全部要对DS18B20进行复位，立即数据总线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等候16-60us左右，以后发出60-240us存在低脉冲，主CPU收到此此信号表示复位成功；复位成功后发送一条ROM指令，然后发送RAM指令，这么才能对DS18B20进行预订读写操作。表2-2 ROM指令集指令约定代码功效读ROM33H读DS18B20中编码符合ROM55H发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上和该编辑相对应DS18B20使之做出响应，为下一步对该DS18B20读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发送温度变换指令告警搜索命令0ECH实施后，只有温度跳过设定值上限或下限片子才能做出反应表2-3 RAM指令集指令约定代码功效温度转换44H开启DS18B20进行温度转换读暂存器0BEH读暂存器9个字节内容写暂存器4EH将数据写入暂存器TH、TL字节复制暂存器48H把暂存器TH、TL字节写到E2RAM中重调E2RAM0B8H把E2RAM中TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节读供电方法0B4H开启DS18B20发送电源供电方法信号给主CPU DS18B20测温原理是这这么,器件中低温度系数晶振振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度改变其振荡频率显著改变，所产生信号作为减法计数器2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时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门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一个基数值。 减法计数器1对低温度系数晶振产生脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1预置值减到0时，温度寄存器值将加1，减法计数器1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，停止温度寄存器累加，此时温度寄存器中数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器预置值，只要计数器门仍未关闭就反复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。2.4 硬件设计2.4.1主控制器电路 AT89C51是一个带4K字节FLASH存放器低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。 AT89C51是一个带2K字节闪存可编程可擦除只读存放器单片机。单片机可擦除只读存放器能够反复擦除1000次。该器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技术制造，和工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功效8位CPU和闪速存放器组合在单个芯片中，ATMELAT89C51是一个高效微控制器，AT89C51是它一个精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价廉方案。引脚图图2.4.1所表示。图2.4.1 AT89C51引脚图2.4.2复位电路 在这里采取是按钮加上电复位，系统每次上电和每次按下复位按钮，系统就会复位。复位电路图图2.4.2所表示。图2.4.2 复位电路图2.4.3时钟振荡电路 在这里采取是1MHZ晶振频率，它和单片机硬件连接电路图2.4.3所表示。图2.4.3 晶振电路图2.4.4正相驱动电路74LS245为数码管断码驱动芯片，P0.0P0.7输出段码控制信号。正相驱动电路图图2.4.4所表示。图2.4.4 正相驱动电路图2.4.5反相驱动电路7407为反相驱动芯片，P2.0P2.3输出位扫描控制信号，经由7407反相后驱动4位共阴极数码管位选信号。反相驱动电路图图2.4.5所表示。 图2.4.5 反相驱动电路图2.4.6显示电路 显示电路采取集成四位一体数码管，为共阴极结构，经过设置不一样段码能够显示温度。图2.4.6 显示电路图2.5软件设计系统程序关键包含DS1820初始程序，向DS1820读字节程序，向DS1820写字节程序，温度读取及转换程序，计算温度子程序，温度显示程序。主程序步骤图图2.5.1所表示。图2.5.1 主程序步骤图3.系统原理图 经过Proteus进行元器件查找和电路图连接得到图3.1.1系统原理图。图3.1.1 系统原理图4. proteus软件仿真结果4.1系统仿真设计 本设计是在Proteus环境下进行仿真，仿真所用到器件有：单片机AT89C51，DS1820温度传感器，74LS245芯片，7407芯片，液晶显示器，部分电阻，电容等。4.2仿真结果分析 本设计在仿真条件下能够正确显示温度，且本设计温度显示能够正确到0.1满足设计要求，仿真时温度显示图4.2.1所表示。 图4.2.1 仿真结果分析图5.结论 单片机设计至今为止已经进入了令人鼓舞阶段，在进行了长达两周时间探索和试验，使我不仅仅是对于单片机入门软件和硬件常见设计和功效，还使我对于一项设计研究制作过程所需要具体步骤和具体实现方法力度掌握。基于此作品作为单片机课程设计设计创作结果，在当其中机器功效等方面并非处于一个成熟阶段，而且仅仅是因为余老师要求和我们初步尝试，当中缺点是无可非议地存在着。 当然在这次宝贵课程设计活动中，经验才是对于我们最大收获，而且还增强了本身对未知问题和对知识深化认识能力，用受益匪浅这个词语来概括这次难忘活动我认为再适宜不过了。不过，光是完成了作品还是不能够自我满足，在从一开始时候就怀着将作品制作得愈加人性化，愈加令人满意，愈加地使功效完美又方便地被应用领域这个最终目标下，伴随对单片机这门学科认识加深，抵达了拓展程度，我想这个目标将在不远时期内被实现。 总而言之，这次设计从软件编写、调试到软硬件联机调试，我们倾注了大量时间和心血。真是曾经为程序编写而冥思查找过，曾经为无法找犯错误而郁闷苦恼过，也曾经为某一功效不能实现而犹豫彷徨过，但最终我们成功了。所以我们不仅品味到了结果喜悦，更明白了过程弥足珍贵，最终要感谢老师给我们这次实践机会和余老师对我们实践指导。6.参考文件【1】李群芳，肖看.单片机原理接口和应用（第2版）.北京：清华大学出版社，.【2】谢瑞和等.串行技术大全.北京：清华大学出版社，.【3】陈光东，赵性初.单片微型计算机原理和接口技术.武汉：华中科技大学出版社，1999.【4】谢瑞和等.微机技术实践（修订版）.武汉：华中科技大学出版社，1995.【5】马忠梅等.单片机C语言应用程序设计.北京：北京航空航天大学出版社，.