數(shù)字溫度計課程設(shè)計

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文檔簡介

1、　　摘要　　在這個信息化高速發(fā)展的時代，單片機作為一種最經(jīng)典的微控制器，單片機技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù)，作為自動化專業(yè)的學(xué)生，我們學(xué)習(xí)了單片機，就應(yīng)該把它熟練應(yīng)用到生活之中來。本文將介紹一種基于單片機控制的數(shù)字溫度計，本溫度計屬于多功能溫度計，可以設(shè)置上下報警溫度，當(dāng)溫度不在設(shè)置范圍內(nèi)時，可以

2、報警。本文設(shè)計的數(shù)字溫度計具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫精確，數(shù)字顯示，適用范圍寬等特點。　　關(guān)鍵詞：單片機，數(shù)字控制，數(shù)碼管顯示，溫度計，DS18B20，AT89S52。　　目錄　　1概述5&

3、lt;b>　　1.1設(shè)計目的5　　1.2設(shè)計原理5　　1.3設(shè)計難點5　　2 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計5　　2.1數(shù)字溫度計設(shè)計方案論證5

4、　　2.2.1 主控制器6　　2.4 系統(tǒng)整體硬件電路設(shè)計10　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計12　　3.1初始化程序12　　3.2讀出溫度子程序13　　3.3讀、寫時序子程序14<p

5、>　　3.4 溫度處理子程序16　　3.5 顯示程序17　　3.6延時程序18　　4 Proteus軟件仿真19　　5課程設(shè)計體會21　　附錄1：22

6、　　附錄2：27　　1概述　　1.1設(shè)計目的　　隨著人們生活水平的不斷提高,單片機控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計就是一個典型的例子，

7、但人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)單片機技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。本設(shè)計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準(zhǔn)確的場所，或科研實驗室使用，可廣泛用于食品庫、冷庫、糧庫、溫室大棚等需要控制溫度的地方。目前,該產(chǎn)品已在溫控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

8、　　1.2設(shè)計原理 　　本系統(tǒng)是一個基于單片機AT89S52的數(shù)字溫度計的設(shè)計，用來測量環(huán)境溫度，測量范圍為-50℃—110℃度。整個設(shè)計系統(tǒng)分為4部分：單片機控制、溫度傳感器、數(shù)碼顯示以及鍵盤控制電路。整個設(shè)計是以AT89S52為核心，通過數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)環(huán)境溫度的采集和A/D轉(zhuǎn)換，同時因其輸出為數(shù)字形式，且為串行輸出，這就方便了單片機進

9、行數(shù)據(jù)處理，但同時也對編程提出了更高的要求。單片機把采集到的溫度進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，使之能夠方便地在數(shù)碼管上輸出。LED采用四位一體共陰的數(shù)碼管。　　1.3設(shè)計難點 　　此設(shè)計的重點在于編程，程序要實現(xiàn)溫度的采集、轉(zhuǎn)換、顯示和上下限溫度報警，其外圍電路所用器件較少，相對簡單，實現(xiàn)容易。<

10、p>　　2 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計　　2.1數(shù)字溫度計設(shè)計方案論證由于本設(shè)計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想

11、到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求。2.2總體設(shè)計框圖溫度計電路設(shè)計總體設(shè)計方框圖如圖1所示，控制器采用單片機AT89S52，溫度傳感器采用DS18B20，用4位共陽LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示。　　圖1 總體設(shè)計框圖　　2.2.1 主控制器單片機AT89

12、S52具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用。　　AT89S52單片機芯片具有以下特性：　　1）指令集合芯片引腳與Intel公司的8052兼容；　　2）4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程FLASH程序存儲器；　　3）

13、時鐘頻率為0~33MHZ；　　4）128字節(jié)片內(nèi)隨機讀寫存儲器（RAM）；　　5）6個中斷源，2級優(yōu)先級；　　6）2個16位定時/記數(shù)器；　　7）全雙工串行通信接口；　　8）監(jiān)視定時器；<

14、;/p>　　9）兩個數(shù)據(jù)指針；2.2.2 顯示電路顯示電路采用4位共陰LED數(shù)碼管，從P0口輸出段碼，P2.0—P2.3作片選端。但在焊電路板的時候發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管亮度不夠，所以在P2.0—P2.3端口接四個10K的電阻和四個NPN的三極管，以使數(shù)碼管高亮顯示。2.2.3溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出

15、被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點如下：●獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信，無須經(jīng)過其它變換電路；●多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；●內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM；●可通過數(shù)據(jù)線供電，內(nèi)含寄生電源，電壓范圍為3.0~5.5Ｖ；●零待機功耗；●溫度以９或１２位數(shù)字；●用戶可定義報警設(shè)置； ●報警搜索命令識別并標(biāo)志

16、超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；●負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；●測溫范圍為-55℃-+125℃，測量分辨率為0　　圖2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)　　64位ROM的結(jié)構(gòu)開始８位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后８位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進

17、行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器ＴＨ和ＴＬ，可通過軟件寫入用戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為８字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。頭２個字節(jié)包含測得的溫度信息，第３和第４字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第５個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度

18、數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖3所示。低５位一直為１，ＴＭ是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設(shè)置為０，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。　　圖3 DS18B20字節(jié)定義　　由下面表1可見，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，

19、在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。高速暫存ＲＡＭ的第６、７、８字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯１。第９字節(jié)讀出前面所有８字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第１、２字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃／LSB形式表示。當(dāng)符號位

20、Ｓ＝０時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)符號位Ｓ＝１時，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。表2是一部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度數(shù)據(jù)。　　表1 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表　　DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、TＬ字節(jié)內(nèi)容作比較。若Ｔ＞TH或T＜TL，則將該器件內(nèi)的報警標(biāo)

21、志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進行報警搜索。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（CRC）。主機ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。 DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶振隨

22、溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器２的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器１、溫度寄存器中，計數(shù)器１和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器１對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器１的預(yù)置<

23、;/p>　　表2　一部分溫度對應(yīng)值表　　2.3 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路　　圖4 DS18B20與單片機的接口電路　　DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖

24、4 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉，多個DS18B20可以將2口串接到一條總線上，而本設(shè)計只用了一個DS18B20。當(dāng)DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。

25、;　　2.4 系統(tǒng)整體硬件電路設(shè)計2.4.1 主板電路系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調(diào)整電路，單片機主板電路等，單片機主板電路如圖5 所示：　　圖5 單片機主板電路　　圖5 中包括時鐘振蕩電路和按鍵復(fù)位電路，按鍵復(fù)位電路是上電復(fù)位加手動復(fù)位，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復(fù)位，這樣就不用在重起單片機電源

26、，就可以實現(xiàn)復(fù)位。另外擴展電路中，蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內(nèi)時，發(fā)出報警鳴叫聲音，同時LED數(shù)碼管將沒有被測溫度值顯示，這時可以調(diào)整報警上下限，從而測出被測的溫度值。2.4.2 顯示電路顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優(yōu)點就是使用口資源比較少，只用P0和P3口,串口的發(fā)送和接收，采用4位共陰LED數(shù)碼管，從P0口輸出段碼，P2.0—P2.3作片選端。但在焊電路板的時候發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管亮度不夠，所以在P2.0—P2

27、.3端口接四個10K的電阻和四個NPN的三極管，期望增加驅(qū)動電流，以使數(shù)碼管高亮顯示。　　圖6 溫度顯示電路　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。　　3.1復(fù)位初始化程序

28、　　、　　圖7 初始化程序流程圖　　3.2讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的2字節(jié)，讀出溫度的低八位和高八位，其程序流程圖如圖8示　　圖8 讀溫度程序流程圖　　3.3寫時序子程

29、序　　讀寫的程序是本次設(shè)計中的重點和難點，通過我們對其時序的分析，從而寫出高效的程序。　　圖9 寫時序子程序流程圖 　　3.4 溫度處理子程序計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進行BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，最后存儲到定義好的存儲單元DIS_1，DIS_2，

30、DIS_3，DIS_4中。　　3.5 顯示程序此函數(shù)實現(xiàn)的對數(shù)碼管顯示的處理，其亮點在于可以直接對數(shù)碼管進行操作，其本身是個兩變量函數(shù)，第一個變量是要開通的位選，第二個變量是要顯示的數(shù)據(jù)，這樣我們可以直接方便而又簡單直觀的對數(shù)碼管進行操作。　　N　　Y&l

31、t;/b>　　圖12　顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖　　3.6延時程序　　為保證DS18B20的嚴(yán)格I/O時序，需要做較精確的延時。在DS18B20操作中，用到的延時有15 μs，90 μs，270 μs，540 μs。因這些延時均為15 μs的整數(shù)倍，因此可編寫一個DELAY15

32、（n）函數(shù)。　　DELAY:　　LOOP: MOV R1,#06H　　LOOP1: DJNZ R1,LOOP1　　DJNZ R0,LOOP　　RET</b&g

33、t;　　顯示延時　　DEL:　　MOVR6,#25H　　DEL1:MOVR7,#20H　　DJNZR7,$&

34、lt;/p>　　DJNZR6,DEL1　　RET　　4 Proteus軟件仿真　　5課程設(shè)計體會　　經(jīng)過將兩周的單片機課程設(shè)計，終于完成了我們的數(shù)字溫度計的設(shè)計，雖然

35、沒有完全達(dá)到設(shè)計要求，但從心底里說，還是高興的，畢竟這次設(shè)計把實物都做了出來，高興之余不得不深思呀！在本次設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，雖然以前還做過這樣的設(shè)計但這次設(shè)計真的讓我長進了很多，單片機課程設(shè)計重點就在于軟件算法的設(shè)計，需要有很巧妙的程序算法，雖然以前寫過幾次程序，但我覺的寫好一個程序并不是一件簡單的事，舉個例子，以前寫的那幾次，數(shù)據(jù)加減時，我用的都是BCD碼，這一次，我全部用的都是16進制的數(shù)直接加減，顯示處理時

36、在用對不同的位，求商或求余，感覺效果比較好。還有時序的問題，通過這次的設(shè)計我明白了時序才真正是數(shù)字芯片的靈魂，所有的程序我們都可以通過對其時序的理解來實現(xiàn)對其操作，同時體會到了單總線結(jié)構(gòu)的魅力。從這次的課程設(shè)計中，我真真正正的意識到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)的理論知識用到實際當(dāng)中，學(xué)習(xí)單機片機更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次課程設(shè)計中的最大收獲。<

37、p>　　最重要的是本次設(shè)計是兩個人一組，讓我們有種組隊做單片機開發(fā)項目的感覺，畢竟一個項目只靠一個人是很難完成的，今后我們做的項目肯定要多人協(xié)作。在這次設(shè)計過程中培養(yǎng)了我們的團隊協(xié)作精神，便于我們走到工作崗位后能很快適應(yīng)工作環(huán)境。　　參考文獻　　[1]DS18b20數(shù)據(jù)手冊。<p&

38、gt;　　[2] 求是科技編著8051系列單片機C程序設(shè)計完全手冊北京: 人民郵電出版社, 2006　　[3] 余發(fā)山，王福忠.單片機原理及應(yīng)用技術(shù).徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003　　附錄1：　　源程序代碼：&

39、lt;p>　　#include <reg52.h>　　#include<intrins.h>　　#include<math.h>　　#define uchar unsigned char　　#define uint unsi

40、gned int　　#define duaP2　　#define max36　　//#define min 0　　sbit DQ=P1^7;　　sbit din=P0^7;

41、sbit beep=P3^0;　　/*uchar tab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xB0,0x99,　　//"0" "1" "2" "3""4";　　0x92,0x82,0xF8,0x80,0

42、x90,0xff,0xbf,0xc6}; //共陽； 　　// "5" "6""7""8""9" "滅""-" 'c' */　　uchar tab[]={0x3f,0x

43、06,0x5b,0x4f,　　0x66,0x6d,0x7d,0x07,　　0x7f,0x6f,0x00,0x40}; 　　uchar tab2[16]={0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,　　0x05,0x06,0x06,

44、0x07,0x08,0x08,0x09,0x09};　　uchar d1,d2,ht,bai,b,shi,ge;　　uint tem;　　//近乎精確的短延時，采用標(biāo)準(zhǔn)庫里的_nop_()函數(shù)，此函數(shù)一個延時為22微秒左右；　　vo

45、id delay15(uint n)　　{ 　　do　　{　　_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

46、_nop_();　　_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();　　n--;　　}　　while(n);&

47、lt;/p>　　}　　//長延時，用于不太嚴(yán)格的延時　　void delay(uint z)　　{　　uint x,y;</

48、p>　　for(x=z;x>0;x--)　　for(y=50;y>0;y--);　　}　　//初始化函數(shù)　　void init()&

49、lt;p>　　{　　uchar x=1;　　while(x)　　{　　DQ=1;<p

50、>　　_nop_();　　DQ=0;　　delay15(23); //最小480us；　　DQ=1;　　delay15(2);//存在檢測高電平最小15

51、us； 　　x=DQ;　　delay15(22);// 存在檢測低電平最小240us；　　x=~DQ;　　}&

52、lt;b>　　DQ=1; 　　}　　void write(uchar dat)　　{　　uchar i;&

53、lt;p>　　for(i=8;i>0;i--)　　{　　DQ=1;　　_nop_();_nop_(); 　　DQ=0;&

54、lt;p>　　DQ=dat&0x01;　　_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();　　delay15(3);　　dat>>=1;　　}</

55、b>　　DQ=1;　　_nop_();　　}　　//讀一個字節(jié)；<

56、b>　　read()　　{　　uchar i;　　uchar dat=0;　　for(i=8;i>0;i--)<b&

57、gt;　　{　　DQ=1;　　dat>>=1;　　_nop_();　　DQ=0;<

58、/p>　　_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();　　_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//十五微秒不變；　　DQ=1;

59、　　_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();　　if(DQ)　　dat|=0x80;　　delay15(3);　　}&l

60、t;p>　　DQ=1;　　return(dat);　　} 　　//讀溫度函數(shù) 　　readT()

61、;　　{　　init();　　delay15(20);　　write(0xcc);　　write(0x44);　　delay15(9

62、00);//yanshi20ms　　init();　　write(0xcc);　　write(0xbe);　　d1=read();　　d2=read();<p&g

63、t;　　ht=d2<<4; 　　ht+=(d1&0xf0)>>4;　　}　　//顯示函數(shù)，n，m可以實現(xiàn)對任意的管子賦值；　　//n為第幾位數(shù)碼管，m為送的數(shù)值；

64、;　　void display(uchar n,uchar m)　　{　　uchar temp=0x01;//根據(jù)板子的硬件連接圖賦值；　　temp=_crol_(temp,n);　　dua=temp;

65、 //////////////　　P0=tab[m];　　delay(1);　　if(n==2)　　{　　din=1

66、;//根據(jù)數(shù)碼管的陰陽顯示選值；　　} 　　delay15(50);　　dua=0x00;/////////////////　　}　　//溫度處理函數(shù)

67、，此函數(shù)先判斷正負(fù)，對于讀取的兩個字節(jié)，高字節(jié)的前五位是//符號位，高位的剩余三位和低字節(jié)的前四位為整數(shù)位，低字節(jié)的最后四位是　　//小數(shù)位　　work_temp()　　{ 　　uchar f

68、lag=0;　　if(ht>128) // 溫度值正負(fù)判斷 ;　　{　　ht=255-ht;　　d1=16-(d1&0x0f);　　fla

69、g=1;　　} // 負(fù)溫度求補碼,標(biāo)志位置1　　else　　d1&=0x0f;　　/*if(ht>50)<p&

70、gt;　　{beep=1;} */　　bai=ht/100; //百位；　　b=ht%100;　　shi=b/10; //十位；　　ge=b%10; //個位;　　/****

71、**************顯示判斷**************************/　　if(!bai) 　　{　　if(!shi)

72、　{　　display(0,10);　　display(1,10); //次高位為0時不顯示 ;　　}　　else

73、　　{display(1,shi);}　　}　　else　　{　　display(0,bai);　　display(

74、1,shi);　　}　　if(flag)　　{　　display(0,11);　　} //負(fù)溫度時最高位顯示&qu

75、ot;-"　　display(2,ge);　　display(3,tab2[d1]);　　} 　　void main()　　{ </p

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