课程设计电子温度计.doc

目 录1、基于单片机的温度数据采集系统设计方案31.1课程设计的规定31.2课程设计目的31.3系统设计总体方案32、系统硬件介绍42.1硬件组成42.2 AT89C51单片计算机的组成原理42.2.1组成框图及内部总体结构42.2.2单片机各口及其负载能力、接口规定52.3 DS18B20数字温度传感器介绍82.3.1 功能介绍82.3.2 DS18B20温度传感器的存储器102.3.3 DS18B20的内部逻辑图122.3.4 DS18B20读写时序122.3.5存储器操作命令143、硬件电路设计153.1主控制器153.2显示电路164、软件设计164.1 主程序模块164.2 温度检测流程175、程序的编写与调试185.1 程序的编写185.2调试程序206、仿真调试207、课程设计体会228、参考文献 23附1：源程序代码23摘要现代测温应用中，温度计向数字化方向发展。传统的机遇物理方法的温度计功能单一，而数字温度计以其便携，检测精度高，功能多等优点应用的越来越广泛。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的之一，它所给人带来的方便也是不可否认的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的规定越来越高，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。本课程设计研究四位数字温度计的设计与实现，并采用Protues软件和Keil软件来对其进行仿真，通过电阻值的变化使相应电压发生改变，输出电压经A/D转换后，其值由AT89C51解决，最后将其显示在4个七段数码显示器上。随着技术的发展，一些环境比较恶劣的场合中也能觅得数字温度计的踪迹。在本文中，重要从功能组合，硬件组合，软件算法等几个方面探讨温度计的设计。数字温度计在现代测温应用方面具有诸多优势，值得进一步学习和研究。关键词：单片机AT89C51、模数转换、数码显示1、基于单片机的温度数据采集系统设计方案1.1课程设计的规定1）基本范围-501102）精度误差小于0.53）LED数码直读显示4）扩展功能5）可以任意设定温度的上下限报警功能1.2课程设计目的（1） 通过本次课程设计加深对单片机课程的全面结识复习和掌握，对单片机课程的应用进一步的了解。（2）掌握按键消抖的方法，LED的动态显示，DS18B20的使用和编程原理。（3）通过本次课程设计可以将单片机软硬件结合起来，对程序进行编辑，校验。（4）掌握Keil及proteus仿真软件的使用方法。1.3系统设计总体方案根据任务书规定，初步思绪如下：温度计电路设计总体设计方框图如下图所示，本设计是测温电路，使用热敏电阻之类的器件运用其感温效应，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解决，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。温度是非电量模拟信号，数字显示温度就必须将这一非电量信号转换成电量（电压或电流），然后将模拟电信号经A/D转换器转换成数字信号，最后经译码显示器显示温度值。控制器采用单片机AT89C51，采集到的温度模拟信号05V用一个滑动变阻器分压实现，模拟信号数字化是通过ADC0808实现的，其重要功能和规定的实现是通过可编程芯片AT89C51单片机达成的，用4位LED数码管显示温度。主 控 制 器LED显 示温 度 传 感 器单片机复位时钟振荡电源2、系统硬件介绍2.1硬件组成本系统所用的硬件有：见表2。表2系统硬件清单器件名称数量AT89C52单片机1个USB接口1个USB供电的电缆线1个0.56寸红色,5461as共阴四位数码管1个DS18B201个电容若干电阻若干导线若干2.2 AT89C51单片计算机的组成原理2.2.1组成框图及内部总体结构振荡器及时序 OSC8051CPU程序存储器4KB ROM数据存储器256B2个16位定期器/计数器64K总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口外时钟源 外部事件计数中断 控制 并 行 口 串行通信 图2-1AT89C51单片机功能结构框图 图2-1为AT89C51单片机功能结构框图 AT89C51 芯片内部集成了 CPU、RAM、ROM、定期/计数器和I/O口等各功能部件，并由内部总线把这些不见连接在一起。AT89C51单片机内部包含以下一些功能部件：(1) 一个8位CPU；(2) 一个片内振荡器和时钟电路；(3) 4KB ROM(80C51有4KB掩膜ROM，87C51有4KB EPROM，80C31片内有无ROM）；(4) 128B内RAM；(5) 可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；(6) 两个16位定期/计数器；(7) 21个特许功能寄存器；(8) 4个8位并行I/O口，共32条可编程I/O端线；(9) 一个可编程全双工串行口；(10) 5个中断源，可设立成2个优先级。2.2.2单片机各口及其负载能力、接口规定 80C51共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚 (1)P0口8位双向I/O口。 在不并行扩展外存储器(涉及并行扩展I/O口)时, P0口可用作双向I/O口。 在并行扩展外存储器(涉及并行扩展I/O口)时, P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。位结构如图2-4所示。P0口能驱动8个LSTTL门。 VCC地址/数据控制锁存器P0.XDCPQQMUXV1V2P0.X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚&1图2-2 P0口位结构(2) P1口8位准双向I/O口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。位结构如图2-5所示。 P1口能驱动为4个LSTTL门。VCC锁存器P1.XDCPQQP1.X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚内部上拉电阻图 2-3 P1口位结构 (3) P2口8位准双向I/O口。在不并行扩展外存储器(涉及并行扩展I/O口)时, P2口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(涉及并行扩展I/O口)时, P2口可用于传送高8位地址(属地址总线) 。P2口能驱动4个LSTTL门。P2口的位结构如图2-6所示，引脚上拉电阻同P1口。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。锁存器P2.XDCPQQ读锁存器写锁存器内部总线读引脚VCCP2.X引脚内部上拉电阻1地址控制MUX图 2-4 P2口位结构 (4) P3口8位准双向I/O口。可作一般I/O口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P3口驱动能力为4个LSTTL门。 图 2-5 P3口位结构上述4个I/O口,各有各的用途。 在不并行扩展外存储器(涉及并行扩展I/O口)时, 4个I/O口都可作为双向I/O口用。在并行扩展外存储器(涉及并行扩展I/O口)时, P0口专用于分时传送低8位地址信号和8位数据信号,P2口专用于传送高8位地址信号。P3口根据需要常用于第二功能,真正可提供应用户使用的I/O口是P1口和一部分未用作第二功能的P3口端线。2.3 DS18B20数字温度传感器介绍2.3.1 功能介绍DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20的“一线器件”体积更小、合用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特并且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一线总线”字化温度传感器 同DS1820同样，DS18B20也 支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55C+125C，-10+85C范围内,精度为0.5C。DS1822的精度较差为 2C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。并且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的方式，更宽的电压合用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电仍然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最佳的！性能价格比也非常杰出！ DS1822DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度减少为2C，合用于对性能规定不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继“一线总线”的初期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。DS18B20的内部结构DS18B20内部结构重要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下: DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器可完毕对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位，见表3-1。表3-1DS18B20内部温度表达形式这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，假如测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；假如温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。见表3-2表3-2DS18B20转化温度形式实际温度值数字输出（二进制）数字输出（十六进制）[phone] 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6EH-551111 1100 1001 0000FC90H2.3.2 DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器涉及一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、T和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检查字节，见表3-3。表2-3DS18B20暂存存储器的8个连续字节寄存器内容字节地址温度最低数字位0温度最高数字位1高温限值2低温限值3保存4保存5计数剩余值6每度计数值7CTR校验8该字节各位的意义如下： TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是1 ，TM是测试模式位，用于设立DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设立为0，用户不要去改动。R1和R0用来设立分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设立为12位）,见表3-4表3-4分辨率设立表 根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完毕温度转换必须通过三个环节：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才干对DS18B20进行预定的操作。复位规定主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表达复位成功。 DS1820使用中注意事项DS1820虽然具有测温系统简朴、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： (1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微解决器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序计时，对DS1820操作部分最佳采用汇编语实现。 (2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微解决器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。(3)连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。实验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况重要是由总线分布电容使信号波形产生畸变导致的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充足考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 (4)在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。2.3.3 DS18B20的内部逻辑图，见图2-3。C64 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图2-6DS18B20内部内部逻辑图2.3.4 DS18B20读写时序主机使用时间隙(time slots)来读写 DSl820 的数据位和写命令字的位2.3.4.1初始化时序见图 2-4主机总线 to 时刻发送一复位脉冲(最短为 480us 的低电平信号)接着在 tl 时刻释放总线并进入接受状态DSl820 在检测到总线的上升沿之后 等待 15-60接着 DS1820 在 t2 时刻发出存在脉冲(低电平连续 60-240 us)如图中虚线所示图2-7DS18B20初始化时序图程序：Init_DS18B20(void)/初始化ds1820 DQ = 1; /DQ复位 _nop_(); _nop_(); /稍做延时2ms DQ = 0; /单片机将DQ拉低,发出复位脉冲（规定480us960us) Delay(70); /精确延时566us DQ = 1; /拉高总线(规定1660us) Delay(5); /延时46us presence = DQ; /假如=0则初始化成功 =1则初始化失败 Delay(25); DQ = 1; return(presence); /返回信号，0=presence,1= no presence2.3.4.2写时间隙当主机总线 t o 时刻从高拉至低电平时 就产生写时间隙从 to 时刻开始 15us 之内应将所需写的位送到总线DSl820 在 t1为15-60us 间对总线采样 若低电平 写入的位是 0见若高电平 写入的位是连续写 2 位间的间隙应大于 1us ，见图2-5。 图2-8写时间隙程序：WriteOneChar(unsigned char dat)unsigned char i=0;for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; delay(5); DQ = 1; dat=1;2.3.4.3读时间隙见图 2-6 主机总线 to 时刻从高拉至低电平时总线只须保持低电平 l 7ts之后15捍 s也就是说t z 时刻前主机必须完毕读位 并在 t o 后的 60 尸 s 一 120 fzs 内释放总线读位子程序(读得的位到 C 中) 图2-9读时序程序：ReadOneChar(void)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i0;i-) DQ = 0; / 给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; / 给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; delay(4);return(dat);2.3.5存储器操作命令，见表3-5表3-5存储器操作命令指令约定代码功能读ROM33H读取DS18B20ROM中的编码（64位地址）符合ROM55H发出命令后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相同的DS18B20，使之做出反映，为下一步读写作准备。搜索ROM0F0H用于拟定挂在同一总线上DS18B20的个数，和辨认64位ROM地址，微操作各器件做准备。跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发送温度转换命令，合用于单片工作。告警搜索命令0ECH执行后只有温度值超过限度值才做出反映，温度变换命令44H启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500毫秒，结果存入内部就九字节RAM中。读暂存器0BEH读内部RA九字节内容写暂存器4EH发出向内部RAM的第3、4字节写上下限温度命令，紧随该命令之后是传送两个字节数据。复制暂存器48H将RAM中的第3、4字节内容写到EEPRAM中。重调EEPRAM0B8H将EEPRAM中的第3、4字节内容写到RAM中。读供电方式0B4H读DS18B20供电模式，寄生供电DS18B20时发送“1”，外接电源发送“1”。3、硬件电路设计温度计电路设计原理图如图所示,控制器使用单片机AT89C51,温度计传感器使用DS18B20,用LED数码管实现温度显示。本温度计大体分三个工作过程。一方面，由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度，并将结果送入单片机。然后，通过AT89C5I单片机芯片对送来的测量温度读数进行计算和转换，井将此结果送入数码管显示模块。由图1可看到，本电路重要由DSl8B20温度传感器芯片、LED数码管显示模块与AT89C51单片机芯片组成。其中，DSI8B20温度传感器芯片采用“一线制”与单片机相连，它独立地完毕温度测量以及将温度测量结果送到单片机的工作。3.1主控制器单片机AT89C51具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好满足电路系统的设计需要，很合适携手特式产品的使用。主机控制DS18B20完毕温度转换必须通过三个环节：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。3.2显示电路显示电路采用4位共阴极LED数码管，采用LED动态显示方式，从P1口输出段码，P2.0P2.3作为位选控制端。其中P1做输出口时需要加上拉电阻。4、软件设计4.1 主程序模块主程序需要调用2个子程序，分别为液晶显示程序，温度测试及解决子程序。各模块程序功能如下：液晶显示程序：向液晶显示送数，控制系统的显示部分。温度测试及解决程序：对温度芯片送过来的数据进行解决，进行判断和显示。主程序流程见图6.1：图 6.1 DS18B20初始化流程图 图 6.2主程序流程图4.2 温度检测流程DS18B20在单片机控制下分三个阶段:18B20 初始化：初始化流程图见读18B20时序：读DS18B20流程见图 6.3：写18B20时序：写18B20 流程见图6.4；图 6.3读DS18B20流程图 图 6.4写DS18B20流程图5、程序的编写与调试5.1 程序的编写 本系统软程序采用C语言编写，所用软件位keil，见图4-1。图4-1keil软件编程界面5.1.1新建工程 打开keil软件，单击project-new project输入工程名选择相应单片机，见图4-2图4-2新建工程5.1.2编写程序 根据电路编写程序，见图4-3。图4-35.2调试程序编译程序，检查错误。假如没有错误，按Ctrl+F5进行程序调试。6、仿真调试安装Protues，打开软件，选择元器件，如图4.1所示：图5.1连接电路图，如图5.2所示：图5.2给单片机下载HEX可执行程序，如下图5.3所示：图5.3调试结果：通过仿真调试，基本达成设计规定。7、课程设计体会通过一个学期的学习，我们对单片机已有了初步的结识，对于它的基本组成和结构已有了简朴的了解，这一周的课程设计让我体会到很多东西，不仅仅是有关单片机基本知识的，更多的是自己动手能力和逻辑思维能力的锻炼，同时，我更是知道了自己的局限性，有好多东西是需要好好学习的。其实要做出来做好这个课程设计是不容易的，是要付出很多心思的。一开始我主线摸不着头脑，也没有什么想法，对题目都没感觉，用汇编主线编不出大程序，后来我还是决定做相对熟悉的c语言来编写。于是，我就开始上网，去学校图书馆查询有关单片机的各种资料，天天一起来就是看书、查资料、编程、修改，写程序用了几天，还参考了好多参考书里设计实例的程序，加加减减的，还找同学指点，最后弄好了，可就是调试不出想要的结果，怎么找都找不到因素，最后还是与同学一起讨论、查找，在他们的帮助和积极引导下，才找出问题，做出很大的修改解决了问题。尚有就是画图和调试，真是一个很令人头疼的事情，要照顾好多方面的，需要细心才行。 在社会工程实践应用中，单片机开发系统的研制仍是一个热门话题，所以我想还是有必要再好好学习以下单片机的，这对我们以后的工作应是有好处的。总之，这次课程设计让我学会了很多，也收获了很多，我想我是满意的。从中我知道了任何事情都是从不懂到懂、从不纯熟到纯熟的过程，有问题并不可怕，关键是要找到方法去解决问题，思考、查资料、修改并勤于动手。最后，非常感谢在设计中给予过我帮助的老师和同学。8、参考文献 1 余发山.单片机原理及应用技术.徐州：中国矿业大学出版社，20232 谭浩强.单片机课程设计. 北京：清华大学出版社，19894陈明荧. 8051单片机课程设计实训教材.清华大学出版社5胡汉才. 单片机原理及其接口技术.清华大学出版社6 何立民. 单片机高级教程.北京航空航天大学出版社 7 肖来胜. 单片机技术实用教程.华中科技大学出版社附1：源程序代码#include reg51.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P30;sbit p20=P20;sbit p21=P21;sbit p22=P22;sbit p23=P23;code uchar tab=0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99, /09 0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90;code uchar tab1=0X40,0X79,0X24,0X30,0X19, /09 0X12,0X02,0X78,0X00,0X10;uchar a,b,t,h;uchar bai,shi,ge,xiao;void delay(unsigned int i) while(i-);/初始化函数bit int_DS18B20(void)unsigned char x=0;DQ=1; /DQ复位delay(8); /延迟半晌DQ=0; /单片机将DQ拉低delay(80); /精确延时大于480usDQ=1; /拉高总线delay(14);x=DQ; /延时半晌后，若x=0,则初始化成功，反之delay(20);return x;/读一个字节Read(void)unsigned char i=0;unsigned char dat=0;for(i=8;i0;i-) DQ=0; dat=1; DQ=1; if(DQ) dat|=0x80; delay(4); return(dat); /写一个字节 Write(unsigned char dat) unsigned char i=0; for(i=8;i0;i-) DQ=0; DQ=dat&0x01; delay(5); DQ=1; dat=1; delay(4); /启动转换 void int_(void) while(int_DS18B20(); Write(0xCC); Write(0x44); void main(void) uint count=0; P2=0X00; int_(); delay(2200); for(count=0;count127) a=a; b=b; a=a4; t=b4; t=t|a; t+=1; shi=t/10; ge=t-shi*10;for(count=0;count=10) p20=1; P0=0xBF;delay(20);p20=0;p21=1;P0=tabshi;delay(20);p21=0;p22=1;P0=tab1ge;delay(20);p22=0;p23=1;P0=0xc6;delay(20);p23=0;else p20=0; p21=1; P0=0xBF;delay(20);p21=0;p22=1;P0=tab1ge;delay(20);p22=0;p23=1;P0=0xc6;delay(20);p23=0; else count=0; a=a4; t=b4; t=t|a; bai=t/100; shi=(t-bai*100)/10; ge=t-(bai*100+shi*10); for(count=0;count123;count+) if(bai) p20=1; P0=tabbai; delay(20); p20=0; else p20=0; if(shi) p21=1; P0=tabshi; delay(20); p21=0;