畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于單片機的數(shù)字溫度計設(shè)計1 (2).doc

選題： 基于單片機的數(shù)字溫度計設(shè)計姓 名：學(xué) 號：01專 業(yè)：電器自動化指導(dǎo)教師：完成時間：2012.3.19摘要本文提出了基于mcs-51系列單片機的數(shù)字溫度計的制作電路和編程思想。該數(shù)字溫度計以宏晶公司的stc89c52 單片機為主控，配以達拉斯公司的ds18b20數(shù)字溫度傳感器，采用1602雙行英文字符液晶作顯示。實現(xiàn)了對溫度的測量，顯示，和報警等功能。關(guān)鍵詞： stc89c52單片機；數(shù)字傳感器ds18b20；顯示器lcd；目 錄摘要iabstractii1 緒論21.1 選題的背景21.2 數(shù)字溫度計簡介21.2.1 數(shù)字溫度計的特征21.2.2 設(shè)計實現(xiàn)的目標(biāo)32 數(shù)字溫度計的方案設(shè)計42.1 設(shè)計方案論證與比較42.1.1 顯示電路方案42.1.2 測溫電路方案42.2 系統(tǒng)總體方案43 數(shù)字溫度計的硬件電路設(shè)計53.1 控制電路53.1.1 mcu簡介53.2.2 最小系統(tǒng)模塊63.3 溫度傳感器設(shè)計73.3.1 ds18b20簡介73.3.2 溫度傳感器與單片機的連接93.3.3 復(fù)位信號及外部復(fù)位電路103.4 單片機與報警電路103.5 顯示電路104 軟件設(shè)計124.1 ds18b20的讀操作124.2 ds18b20的溫度數(shù)據(jù)處理134.3 1602顯示部分145 數(shù)據(jù)測試16參考文獻18附錄1 程序源代碼191 緒論1.1 選題的背景隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻的成本低，但需后續(xù)信號處理電路，而且可靠性相對較差，測溫準(zhǔn)確度低，檢測系統(tǒng)也有一定的誤差。與傳統(tǒng)的溫度計相比，這里設(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。選用stc89c52單片機作為主控制器件，dsl8b20作為測溫傳感器通過lcd1602并行傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示。通過dsl8b20直接讀取被測溫度值，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該器件的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，線性度較好，在-55125最大線性偏差小于0.1。該器件可直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。另外，該溫度計還能直接采用測溫器件測量溫度，從而簡化數(shù)據(jù)傳輸與處理過程。1.2 數(shù)字溫度計簡介1.2.1 數(shù)字溫度計的特征溫度是我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活中實時在接觸到的物理量，但是它是看不到的，僅憑感覺只能感覺到大概的溫度值，傳統(tǒng)的指針式的溫度計雖然能指示溫度，但是精度低，使用不夠方便，顯示不夠直觀，數(shù)字溫度計的出現(xiàn)可以讓人們直觀的了解自己想知道的溫度到底是多少度。數(shù)字溫度計采用進口芯片組裝精度高、高穩(wěn)定性，誤差0.5%， 內(nèi)電源、微功耗、不銹鋼外殼，防護堅固，美觀精致。數(shù)字溫度計采用進口高精度、低溫漂、超低功耗集成電路和寬溫型液晶顯示器，內(nèi)置高能量電池連續(xù)工作5年無需敷設(shè)供電電纜，是一種精度高、穩(wěn)定性好、適用性極強的新型現(xiàn)場溫度顯示儀。是傳統(tǒng)現(xiàn)場指針雙金屬溫度計的理想替代產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各類工礦企業(yè)，大專院校，科研院所。數(shù)字溫度計采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，熱電偶，半導(dǎo)體，熱敏電阻等），將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號的變化有一定的關(guān)系，如線性關(guān)系，一定的曲線關(guān)系等，這個電信號可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路即ad轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號再送給處理單元，如單片機或者pc機等，處理單元經(jīng)過內(nèi)部的軟件計算將這個數(shù)字信號和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數(shù)值，如25.0攝氏度，然后通過顯示單元，如led,lcd或者電腦屏幕等顯示出來給人觀察。這樣就完成了數(shù)字溫度計的基本測溫功能。數(shù)字溫度計根據(jù)使用的傳感器的不同，ad轉(zhuǎn)換電路，及處理單元的不同，它的精度，穩(wěn)定性，測溫范圍等都有區(qū)別，這就要根據(jù)實際情況選擇符合規(guī)格的數(shù)字溫度計。1.2.2 設(shè)計實現(xiàn)的目標(biāo)1) 測溫基本范圍-55125。2) 測溫精度誤差小于或等于0.5。3) 超溫報警。4) lcd屏幕顯示實時溫度。2 數(shù)字溫度計的方案設(shè)計2.1 設(shè)計方案論證與比較2.1.1 顯示電路方案方案一：采用數(shù)碼管動態(tài)顯示使用七段led數(shù)碼管，采用動態(tài)顯示的方法來顯示各項指標(biāo)，此方法雖然價格成本低，但是顯示單一，且功耗較大。方案二：采用lcd液晶顯示采用1602 lcd液晶顯示，此方案顯示內(nèi)容相對豐富，且價格不高。綜合上述原因，采用方案二，使用lcd液晶作顯示電路。2.1.2 測溫電路方案方案一：采用模擬溫度傳感器測溫由于本設(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。方案二：采用數(shù)字溫度傳感器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。綜合考慮，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案二。2.2 系統(tǒng)總體方案根據(jù)上述方案比較，結(jié)合題目要可以將系統(tǒng)分為主控模塊，顯示模塊，溫度采集模塊和報警模塊，其框圖如下：驅(qū)動顯示報警電路看門狗 mcu ds18b20溫度數(shù)據(jù)采集圖2-1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖3 數(shù)字溫度計的硬件電路設(shè)計3.1 控制電路3.1.1 mcu簡介cpu是整個控制部分的核心。在考慮經(jīng)濟性和滿足需求的前提下，本系統(tǒng)選用宏晶公司生產(chǎn)的8位stc89c52單片機作為整個系統(tǒng)的控制中心。stc89c52是宏晶公司生產(chǎn)的低功耗，高性能cmos8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲器，器件采用宏晶公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳，它集flash存儲器既可在線編輯（isp）也可用傳統(tǒng)方法進行編輯及通用8位微處理器于單片芯片中，功能強大stc89c52單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合。器管腳圖如圖3-2：圖3-1 stc89c52管腳圖在本系統(tǒng)中，stc89c52單片機內(nèi)部的功能單元已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計需要，不需要系統(tǒng)擴展。stc89c52具有以下的特點: 8031 cpu與mcs-51 兼容 壽命：1000寫/擦循環(huán) 4k字節(jié)可編程flash存儲器 全靜態(tài)工作：0-24mhz 三級程序存儲器保密鎖定 128*8位內(nèi)部ram 32條可編程i/o線 兩個16位定時器/計數(shù)器 6個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘除此之外，stc89c52rc單片機還具有看門狗內(nèi)部外設(shè)。在工業(yè)控制/汽車電子/航空航天等需要高可靠性的系統(tǒng)中,為了防止“系統(tǒng)在異常情況下，受到干擾，mcu/cpu程序跑飛，導(dǎo)致系統(tǒng)長時間異常工作” ,通常是引進看門狗,如果mcu/cpu 不在規(guī)定的時間內(nèi)按要求訪問看門狗,就認為mcu/cpu處于異常狀態(tài),看門狗就會強迫mcu/cpu復(fù)位,使系統(tǒng)重新從頭開始按規(guī)律執(zhí)行用戶程序。系統(tǒng)中單片機stc89c52rc中自帶看門狗電路。其寄存器設(shè)置相關(guān)信息如下：表3-1 stc89c52看門狗寄存器stc89c52單片機看門狗復(fù)位時間是可以自行選擇和設(shè)置的，其設(shè)置方法是：表3-2 看門狗定時器預(yù)分頻值3.2.2 最小系統(tǒng)模塊本次設(shè)計中，選用宏晶公司的51系列單片機stc89c52芯片作為電子密碼電源開關(guān)的數(shù)據(jù)處理及操作控制芯片。只有單片機芯片無法完成數(shù)據(jù)處理及控制功能，必須有附加的電路，使單片機芯片組成一個可運行的系統(tǒng)才能實現(xiàn)其功能。本次設(shè)計中，由stc89c52芯片連同附加電路構(gòu)成的單片機最小系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)處理及控制模塊，其中，使用p0口作為1602液晶的數(shù)據(jù)傳輸口，p2口作1602的命令數(shù)據(jù)控制、時鐘、讀寫控制、和使能控制接口，p3口作按鍵掃描接口，p1.4作ds18b20的總線接口。p1.3作報警控制接口。其電路連接圖3-3如下：圖3-2 數(shù)據(jù)處理及控制模塊3.3 溫度傳感器設(shè)計3.3.1 ds18b20簡介ds18b20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為0.5c?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在eprom中，掉電后依然保存。溫度傳感器ds18b20引腳如圖3-4所示。圖3-3 ds18b20to92封裝溫度傳感器引腳功能說明：vdd ：可選電源腳，電源電壓范圍35.5v。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。dq ：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳。漏極開路，常態(tài)下高電平。gnd ：為電源地圖3-4 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻rom、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器th和tl、配置寄存器。光刻rom中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該ds18b20的地址序列碼。64位光刻rom的排列是：開始8位（28h）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該ds18b20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（crc=x8+x5+x4+1）。光刻rom的作用是使每一個ds18b20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個ds18b20的目的。 ds18b20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/lsb形式表達，其中s為符號位。 這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18b20的兩個8比特的ram中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。 例如+125的數(shù)字輸出為07d0h，+25.0625的數(shù)字輸出為0191h，-25.0625的數(shù)字輸出為ff6fh，-55的數(shù)字輸出為fc90h。 ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存ram和一個非易失性的可電擦除的e2ram,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器th、tl和結(jié)構(gòu)寄存器。 暫存存儲器包含了8個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個字節(jié)是th、tl的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。 該字節(jié)各位的意義如下：tm r1 r0 1 1 1 1 1低五位一直都是1 ，tm是測試模式位，用于設(shè)置ds18b20在工作模式還是在測試模式。在ds18b20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。r1和r0用來設(shè)置分辨率，如表1所示：（ds18b20出廠時被設(shè)置為12位）表3-3 ds18b20溫度轉(zhuǎn)換時間表r1r0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時間00993.750110187.510113751112750根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議，主機控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對ds18b20進行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條rom指令，最后發(fā)送ram指令，這樣才能對ds18b20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主cpu將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，ds18b20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主cpu收到此信號表示復(fù)位成功。3.3.2 溫度傳感器與單片機的連接溫度傳感器的單總線(1-wire)與單片機的p20連接，p20是單片機的高位地址線a8。p2端口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io，其輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個ttl邏輯門電路。對該端口寫“1”，可通過內(nèi)部上拉電阻將其端口拉至高電平，此時可作為輸入口使用，這是因為內(nèi)部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時。如執(zhí)行movx dptr指令，則表示p2端口送出高8位的地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，可執(zhí)行movx ri指令，p2端口內(nèi)容即為特殊功能寄存器(sfr)區(qū)中r2寄存器內(nèi)容，整個訪問期間不改變。在flash編程和程序校驗時，p2端口也接收高位地址和其他控制信號。圖3-5為dsl8820內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖3-6為dsl8820與單片機的接口電路。圖3-5 ds18b20和單片機的接口連接3.3.3 復(fù)位信號及外部復(fù)位電路單片機的p1.6端口是max813看門狗電路中喂狗信號的輸入端，即單片機每執(zhí)行一次程序就設(shè)置一次喂狗信號，清零看門狗器件。若程序出現(xiàn)異常，單片機引腳rst將出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平，使其復(fù)位。該復(fù)位信號高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩脈沖周期即兩個機器周期以上。若使用頻率為12 mhz的晶體振蕩器，則復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)超過2s才完成復(fù)位操作。圖3-6 復(fù)位電路3.4 單片機與報警電路系統(tǒng)中的報警電路是由發(fā)光二極管和限流電阻組成，并與單片機的p1.2端口連接。p1端口的作用和接法與p2端口相同，不同的是在flash編程和程序校驗期間，p1接收低8位地址數(shù)據(jù)。3.5 顯示電路采用技術(shù)成熟的74hcl64實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。lcd顯示分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。這里采用靜態(tài)顯示，系統(tǒng)通過單片機的串行口來實現(xiàn)靜態(tài)顯示。串行口為方式零狀態(tài)，即工作在移位寄存器方式，波特率為振蕩頻率的1/12。當(dāng)器件執(zhí)行任何一條將sbuf作為目的寄存器的命令時，數(shù)據(jù)便開始從rxd端發(fā)送。在寫信號有效時，相隔一個機器周期后發(fā)送控制端send有效，即允許rxd發(fā)送數(shù)據(jù)，同時允許從txd端輸出移位脈沖。圖3-7為顯示電路的連接圖。圖3-7 顯示電路的連接圖4 軟件設(shè)計4.1 ds18b20的讀操作dsl8b20的主要數(shù)據(jù)元件有：64位激光lasered rom，溫度靈敏元件和非易失性溫度告警觸發(fā)器th和tl。dsl8b20可以從單總線獲取電源，當(dāng)信號線為高電平時，將能量貯存在內(nèi)部電容器中；當(dāng)單信號線為低電平時，將該電源斷開，直到信號線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳?電容)電源為止。此外，還可外接5 v電源，給dsl8b20供電。dsl8b20的供電方式靈活，利用外接電源還可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。ds18b20讀寫時序如圖4-14-3：圖4-1 ds18b20的復(fù)位時序圖圖4-2 ds18b20的寫數(shù)據(jù)時序圖圖4-3 ds18b20的讀數(shù)據(jù)時序圖由時序圖可知，ds18b20在復(fù)位時需要480us的低電平，等待15us后mcu將總線拉高，等待ds18b20的響應(yīng)信號；ds18b20在寫數(shù)據(jù)時分為寫“0”和寫“1”操作，寫“0”操作時，ds18b20需要至少60us的總線被拉低，然后在60us內(nèi)將“0”寫入ds18b20中，持續(xù)時間至少1us，寫“1”操作是只需將寫入的“0”改為“1”即可；ds18b20讀操作也分為讀“0”和讀“1”操作，讀“0”操作時，總線需要15us被拉低，再拉高45us，然后再15us內(nèi)將數(shù)據(jù)讀走，讀“1”操作同讀“0”操作。程序流程圖如圖4-4：開始ds18b20的初始化啟動溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度寄存器跳過讀序列號的操作跳過讀序列號的操作ds18b20的初始化retlow-低八位 high-高八位圖4-4 ds18b20讀取溫度的流程圖4.2 ds18b20的溫度數(shù)據(jù)處理讀出溫度數(shù)據(jù)后，low的低四位為溫度的小數(shù)部分，可以精確到0.0625，low的高四位和high的低四位為溫度的整數(shù)部分，high的高四位全部為1表示負數(shù)，全為0表示正數(shù)。所以先將數(shù)據(jù)提取出來，分為三個部分：小數(shù)部分、整數(shù)部分和符號部分。小數(shù)部分進行四舍五入處理：大于0.5的話，向個位進1；小于0.5的時候，舍去不要。當(dāng)數(shù)據(jù)是個負數(shù)的時候，顯示之前要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將其整數(shù)部分取反加一。還因為ds18b20最低溫度只能為-55，所以可以將整數(shù)部分的最高位換成一個“-”，表示為負數(shù)。圖4-2為溫度數(shù)據(jù)處理程序的流程圖。開始提取整數(shù)部分存入ht