毕业设计-数字温度计.doc

摘要在这个信息化高速发展的时代，单片机作为一种最经典的微控制器，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，作为自动化专业的学生，我们学习了单片机，就应该把它熟练应用到生活之中来。本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，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。本文设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。关键词：单片机，数字控制，数码管显示，温度计，DS18B20，AT89S52。 目录1概述51.1设计目的51.2设计原理51.3设计难点52 系统总体方案及硬件设计52.1数字温度计设计方案论证52.2.1 主控制器62.4 系统整体硬件电路设计103系统软件设计123.1初始化程序123.2读出温度子程序133.3读、写时序子程序143.4 温度处理子程序163.5 显示程序173.6延时程序184 Proteus软件仿真195课程设计体会21附录1：22附录2：271概述1.1设计目的 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。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，可广泛用于食品库、冷库、粮库、温室大棚等需要控制温度的地方。目前,该产品已在温控系统中得到广泛的应用。1.2设计原理 本系统是一个基于单片机AT89S52的数字温度计的设计，用来测量环境温度，测量范围为-50110度。整个设计系统分为4部分：单片机控制、温度传感器、数码显示以及键盘控制电路。整个设计是以AT89S52为核心，通过数字温度传感器DS18B20来实现环境温度的采集和A/D转换，同时因其输出为数字形式，且为串行输出，这就方便了单片机进行数据处理，但同时也对编程提出了更高的要求。单片机把采集到的温度进行相应的转换后，使之能够方便地在数码管上输出。LED采用四位一体共阴的数码管。1.3设计难点 此设计的重点在于编程，程序要实现温度的采集、转换、显示和上下限温度报警，其外围电路所用器件较少，相对简单，实现容易。2 系统总体方案及硬件设计2.1数字温度计设计方案论证由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，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。进而考虑到用温度传感器，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，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，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。2.2总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，用4位共阳LED数码管以串口传送数据实现温度显示。图1 总体设计框图2.2.1 主控制器单片机AT89S52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，适合便携手持式产品的设计使用。AT89S52单片机芯片具有以下特性：1）指令集合芯片引脚与Intel公司的8052兼容；2）4KB片内在系统可编程FLASH程序存储器；3）时钟频率为033MHZ；4）128字节片内随机读写存储器（RAM）；5）6个中断源，2级优先级；6）2个16位定时/记数器；7）全双工串行通信接口；8）监视定时器；9）两个数据指针；2.2.2 显示电路显示电路采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2.0P2.3作片选端。但在焊电路板的时候发现数码管亮度不够，所以在P2.0P2.3端口接四个10K的电阻和四个NPN的三极管，以使数码管高亮显示。2.2.3温度传感器DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司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，无须经过其它变换电路；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；可通过数据线供电，内含寄生电源，电压范围为3.05.5；零待机功耗；温度以或位数字；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；测温范围为-55-+125，测量分辨率为0.0625采用单总线专用技术，DS18B20采用脚PR35封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。 图2 DS18B20内部结构64位ROM的结构开始位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入用户报警上下限。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的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，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3所示。低位一直为，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，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 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC图3 DS18B20字节定义由下面表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。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的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、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0.0625LSB形式表示。当符号位时，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、T字节内容作比较。若TH或TTL，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、温度寄存器中，计数器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，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加1，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器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+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H表2一部分温度对应值表2.3 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路图4 DS18B20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4 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，多个DS18B20可以将2口串接到一条总线上，而本设计只用了一个DS18B20。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。2.4 系统整体硬件电路设计2.4.1 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，单片机主板电路如图5 所示：图5 单片机主板电路图5 中包括时钟振荡电路和按键复位电路，按键复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，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。另外扩展电路中，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。2.4.2 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P0和P3口,串口的发送和接收，采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2.0P2.3作片选端。但在焊电路板的时候发现数码管亮度不够，所以在P2.0P2.3端口接四个10K的电阻和四个NPN的三极管，期望增加驱动电流，以使数码管高亮显示。图6 温度显示电路3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。3.1复位初始化程序WDDATA置1短延时WDDATA置0延时540us延时15-60us延时至少60us结束WDDATA置1DS18B20回应FLAG1=1FLAG1=0否 、 图7 初始化程序流程图3.2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2字节，读出温度的低八位和高八位，其程序流程图如图8示初始化发跳过ROM指令开始温度转换延时750um初始化复位写入跳过ROM、读取暂存器读取温度数据结束FLAG1为1否 图8 读温度程序流程图3.3写时序子程序读写的程序是本次设计中的重点和难点，通过我们对其时序的分析，从而写出高效的程序。WDDATA=0延时15usRRC AMOV WDDATA,C延时45usWDDATA=1结束 图9 写时序子程序流程图 3.4 温度处理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，最后存储到定义好的存储单元DIS_1，DIS_2，DIS_3，DIS_4中。 3.5 显示程序此函数实现的对数码管显示的处理，其亮点在于可以直接对数码管进行操作，其本身是个两变量函数，第一个变量是要开通的位选，第二个变量是要显示的数据，这样我们可以直接方便而又简单直观的对数码管进行操作。 送位选位选值左移N位送段码N=2?SUBBA,#80H延时2ms关断位选结束 N Y 图12显示数据刷新流程图3.6延时程序为保证DS18B20的严格I/O时序，需要做较精确的延时。在DS18B20操作中，用到的延时有15 s，90 s，270 s，540 s。因这些延时均为15 s的整数倍，因此可编写一个DELAY15（n）函数。DELAY:LOOP: MOV R1,#06HLOOP1: DJNZ R1,LOOP1DJNZ R0,LOOPRET显示延时DEL:MOVR6,#25HDEL1:MOVR7,#20HDJNZR7,$DJNZR6,DEL1RET4 Proteus软件仿真5课程设计体会 经过将两周的单片机课程设计，终于完成了我们的数字温度计的设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计把实物都做了出来，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，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，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，显示处理时在用对不同的位，求商或求余，感觉效果比较好。还有时序的问题，通过这次的设计我明白了时序才真正是数字芯片的灵魂，所有的程序我们都可以通过对其时序的理解来实现对其操作，同时体会到了单总线结构的魅力。 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。 最重要的是本次设计是两个人一组，让我们有种组队做单片机开发项目的感觉，毕竟一个项目只靠一个人是很难完成的，今后我们做的项目肯定要多人协作。在这次设计过程中培养了我们的团队协作精神，便于我们走到工作岗位后能很快适应工作环境。 参考文献1DS18b20数据手册。2 求是科技编著8051系列单片机C程序设计完全手册北京: 人民邮电出版社, 20063 余发山，王福忠.单片机原理及应用技术.徐州：中国矿业大学出版社，2003附录1：源程序代码：#include #include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define duaP2#define max36/#define min 0sbit DQ=P17;sbit din=P07;sbit beep=P30;/*uchar tab=0xc0,0xf9,0xa4,0xB0,0x99,/0 1 2 34; 0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff,0xbf,0xc6; /共阳； / 5 6789 灭- c */uchar tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x00,0x40; uchar tab216=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;uchar d1,d2,ht,bai,b,shi,ge;uint tem;/近乎精确的短延时，采用标准库里的_nop_()函数，此函数一个延时为22微秒左右；void delay15(uint n) do _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); n-; while(n);/长延时，用于不太严格的延时void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=50;y0;y-);/初始化函数void init()uchar x=1;while(x)DQ=1;_nop_();DQ=0;delay15(23); /最小480us；DQ=1;delay15(2);/存在检测高电平最小15us； x=DQ;delay15(22);/ 存在检测低电平最小240us；x=DQ;DQ=1; void write(uchar dat)uchar i;for(i=8;i0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0;DQ=dat&0x01;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();delay15(3);dat=1;DQ=1;_nop_();/读一个字节；read()uchar i;uchar dat=0;for(i=8;i0;i-)DQ=1;dat=1;_nop_();DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/十五微秒不变；DQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();if(DQ) dat|=0x80;delay15(3);DQ=1;return(dat); /读温度函数 readT()init();delay15(20);write(0xcc);write(0x44);delay15(900);/yanshi20msinit();write(0xcc);write(0xbe);d1=read();d2=read();ht=d24;/显示函数，n，m可以实现对任意的管子赋值；/n为第几位数码管，m为送的数值；void display(uchar n,uchar m)uchar temp=0x01;/根据板子 的硬件 连接图赋值；temp=_crol_(temp,n);dua=temp; /P0=tabm;delay(1);if(n=2)din=1;/根据数码管的阴阳显示选值； delay15(50);dua=0x00;/温度处理函数，此函数先判断正负，对于读取的两个字节，高字节的前五位是/符号位，高位的剩余三位和低字节的前四位为整数位，低字节的最后四位是/小数位work_temp() uchar flag=0;if(ht128) / 温度值正负判断 ;ht=255-ht;d1=16-(d1&0x0f);flag=1; / 负温度求补码,标志位置1else d1&=0x0f; /*if(ht50) beep=1; */ bai=ht/100; /百位； b=ht%100; shi=b/10; /十位； ge=b%10; /个位;/*显示判断*/ if(!bai) if(!shi)display(0,10); display(1,10); /次高位为0时不显示 ;elsedisplay(1,shi); else display(0,bai);display(1,shi); if(flag) display(0,11); /负温度时最高位显示- display(2,ge); display(3,tab2d1); void main() while(1)/beep=0;readT();work_temp(); if(htmax)|(htmin) beep=0; 附录2：整体原理图： 23