單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)方案

1、引言隨著現(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(shí)現(xiàn)能夠獨(dú)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(hào)處理電路，而且可靠性相對(duì)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(jì)相比，這里設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)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(diǎn)。選用AT89C51型單片機(jī)作為主控制器件，DSI8B20作為測溫傳感器通過 4位共陽極LED數(shù)碼管串口傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫度顯示。通過DSI8B20直接讀取被測溫度值，進(jìn)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0C100C最大線性偏差小于 0.1

2、C。該器件可直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)處理及控制。另外，該溫度計(jì)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。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案根據(jù)系統(tǒng)功能要求，構(gòu)造圖1所示的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖?？撮T狗報(bào)警電路AT89C51DS18B20溫度數(shù)據(jù)采集圖1系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖2.1單片機(jī)的選擇AT89C51作為溫度測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心器件。該器件是 INTEL公司生產(chǎn)的MCS 5I系列單片機(jī)中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，采用了可靠的 CMOS工藝制造技術(shù)，具有高性能的8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS 51的234CMOS產(chǎn)品。不僅結(jié)合了 HMOS的高速和高密度技術(shù)及 CHMOS的低功耗特征，而且繼承和擴(kuò)展了MCS 4

3、8單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。單片機(jī)小系統(tǒng)的電路圖如圖2所示。U1O T- (N CO 寸 9 V X X X X X X T d d d d d d QVCCP00/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0 5/AD540239338437536635734圖2 單片機(jī)小系統(tǒng)電路AT89C51單片機(jī)的主要特性：(1與MCS-51兼容，4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器；(2靈活的在線系統(tǒng)編程，掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性；(3壽命為 1 000次寫/擦周期，數(shù)據(jù)保留時(shí)間可 10年以上；(4 全靜態(tài)工作模式： 0Hz-33Hz ；(5三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；(6128*

4、8 位內(nèi)部 RAM ， 32 可編程 I/O 線；(7兩個(gè) 16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器， 6個(gè)中斷源；(8全雙工串行 UART 通道，低功耗的閑置和掉電模式；(9看門狗WDT )及雙數(shù)據(jù)指針；(9片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；2.2 溫度傳感器介紹DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為).5 C?？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(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EPROM 中，掉電后依然保存。溫度傳感器 DS 1 8B2 )引腳如圖 3所示。87655fNC NC NC GNBDS18B20NC NCVDD BQjt12348引腳封裝 TO 92封裝圖3溫度傳感器引腳功能說明：N

5、C :空引腳，懸空不使用；VDD :可選電源腳，電源電壓范圍 35.5V。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，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(bào)警觸發(fā)器 TH 和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號(hào)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(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8 位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC=X8+X5+X4+1 ）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B

6、20都各不 相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20的目的。DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測量，以 12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀 數(shù)形式提供，以0.0625C /LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是 符號(hào)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(shí)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(shí)際溫度。例如+125C的數(shù)字輸 出為07D0H，+25.0625C的數(shù)字輸出為0191H，-

7、25.0625C的數(shù)字輸出為FF6FH，-55C的數(shù)字輸出為 FC90H。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)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(chǔ)器包含了 8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第 九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)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

8、，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(shí)該位被設(shè)置為0,用戶不要去改動(dòng)。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如表1所示：DS18B20 出廠時(shí)被設(shè)置為12位）表1 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間00993.750110187.510113751112750根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制 DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)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(duì) DS18B20進(jìn)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，

9、DS18B20收到信號(hào)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(hào)表示復(fù)位成功。2.3溫度傳感器與單片機(jī)的連接溫度傳感器的單總線（1-Wire與單片機(jī)的P2. 0連接，P2. 0是單片機(jī)的高位地址線 A8。P2端口是 一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O,其輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì) 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(shí)可作為輸入口使用，這是因?yàn)閮?nèi)部存在上 拉電阻，某一引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)。如執(zhí)行MOVX DPTR指令，則表示P2端口送出高8位

10、的地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器時(shí)，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(gè)訪 問期間不改變。在Flash編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P2端口也接收高位地址和其他控制信號(hào)。圖 4為DSI8820內(nèi) 部結(jié)構(gòu)。圖5為DSl8820與單片機(jī)的接口電路。圖4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖5 DS18B20和單片機(jī)的接口連接2.4復(fù)位信號(hào)及外部復(fù)位電路單片機(jī)的P1.6端口是MAX813看門狗電路中喂狗信號(hào)的輸入端，即單片機(jī)每執(zhí)行一次程序就設(shè)置一次喂狗信號(hào)，清 零看門狗器件。若程序出現(xiàn)異常，單片機(jī)引腳RST將出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，使其復(fù)位。該復(fù)位信號(hào)

11、高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù) 24個(gè)振蕩脈沖周期即兩個(gè)機(jī)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(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過2ys才完成復(fù)位操作。2.5單片機(jī)與報(bào)警電路系統(tǒng)中的報(bào)警電路是由發(fā)光二極管和限流電阻組成，并與單片機(jī)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(yàn)期間，P1接收低8位地址數(shù)據(jù)。2.6電源電路由于該系統(tǒng)需要穩(wěn)定的5V電源，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須采用能滿足電壓、電流和穩(wěn)定性要求的電源。該電 源采用三端集成穩(wěn)壓器LM7805它僅有輸入端、輸出端及公共端 3個(gè)引腳，其內(nèi)部設(shè)有過流保護(hù)、過熱 保護(hù)及調(diào)整管安全保護(hù)電路由于所需外接元件少，

12、使用方便、可靠，因此可作為穩(wěn)壓電源。圖6為電源電路連接圖。+12VO470p F上LM70O5V t n VoulGND _ 470# FGND+ ZZO沙侔1)3-OVciIkQ圖6電源電路連接圖2.7顯示電路采用技術(shù)成熟的74HCI64實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。LED顯示分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。這里采用靜態(tài)顯示， 系統(tǒng)通過單片機(jī)的串行口來實(shí)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(shí)，數(shù)據(jù)便開始從 RXD端發(fā)送。在 寫信號(hào)有效時(shí)，相隔一個(gè)機(jī)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(shí)允許從TXD端

13、輸出移位脈沖。圖7為顯示電路的連接圖。U1 74HC164LED169麗8CL卅B63U3 74HC164LED39MR8LI 2 74HC164872765131211 To圖7顯示電路的連接圖GNDhLED4ONE)ch/1 3GNDPJI& r312dp21cc1e410gd56bfu廣S5GNDb9T&103QMRLKB A c7 6 5 4 3 2 1 o Q Q Q Q Q Q Q QU4 74HC164/?plhGNDcPedpeg dbGNDfcabaLEi)24 r r r ToQ7Q6Q5Q4Q3Q2QIQOf e d c b a24左FFToL2iTTo6 3 3Q?Q6

14、Q5Q4Q3Q2QIQOCLKb71331221141056S594103Q7 MRQbQ5匚居Q4Q3Q2 B QIAQO2.8看門狗電路系統(tǒng)中把P1.6作為看門狗的 喂狗”信號(hào)；將MAX813的RESET與單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)RST連接。由 于單片機(jī)每執(zhí)行一次程序，就會(huì)給看門狗器件一個(gè)復(fù)位信號(hào)，這樣也可以用手工方式實(shí)現(xiàn)復(fù)位。當(dāng)按鍵按 下時(shí)，SW SPST就會(huì)在MAX813引腳產(chǎn)生一個(gè)超過200 ms的低電平，其實(shí)看門狗器件在1.6 s時(shí)間內(nèi)沒 有復(fù)位，使7引腳輸出一個(gè)復(fù)位信號(hào)的作用是相同的，其連接圖如圖8所示。U6MRVccRESETGNDWDTPFIPFOR5 t/cc _ 210k2 二M

15、AX813LJ 10kQ圖8看門狗器件的MAX813的連接圖3軟件設(shè)計(jì)DSI8820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。DSBI820可以從單總線獲取電源，當(dāng)信號(hào)線為高電平時(shí)，將能量貯存在內(nèi)部電容器中；當(dāng)單信號(hào) 線為低電平時(shí)，將該電源斷開，直到信號(hào)線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳娙?電源為止。此外，還可外接5V電源，給DSl8820供電。DSl8820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。圖 9為讀取數(shù)據(jù)流程圖。開始DS18B20的初始化*RET圖9讀取數(shù)據(jù)的流程圖讀出溫度數(shù)據(jù)后，LOW的低四位為溫度的小數(shù)部分，可

16、以精確到0.0625C, 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(fù)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(gè)部分：小數(shù)部分、整數(shù)部分和符號(hào)部分。小數(shù)部分進(jìn)行四舍五入處理：大于0.5C的話，向個(gè)位進(jìn)1;小于0.5C的時(shí)候，舍去不要。當(dāng)數(shù)據(jù)是個(gè)負(fù)數(shù)的時(shí)候，顯示之前要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將其整數(shù) 部分取反加一。還因?yàn)?DS18B20最低溫度只能為-55E，所以可以將整數(shù)部分的最高位換成一個(gè)-”，表示為負(fù)數(shù)。圖10為溫度數(shù)據(jù)處理程序的流程圖。圖10溫度數(shù)據(jù)處理流程圖4數(shù)據(jù)測試將溫度傳感器與冰水混合物接觸，經(jīng)過充分?jǐn)嚢柽_(dá)到熱平衡后調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使顯示讀數(shù)為0.00

17、（標(biāo)定0c ;利用氣壓計(jì)讀出當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)，并根據(jù)大氣壓強(qiáng)和當(dāng)?shù)刂亓铀俣扔?jì)算出當(dāng)時(shí)的實(shí)際壓強(qiáng)；根據(jù)沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系查出沸點(diǎn) 溫度。把溫度傳感器放入沸水中，待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后重新調(diào)節(jié)，使顯示器顯示讀數(shù)等于當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)沸點(diǎn)溫度后工作結(jié)束。該溫度計(jì)的量程為-50 C150 C,讀數(shù)精度為 0.1 C，實(shí)際使用一般在 0C100C。采用0C50 C和50C100C的精 密水銀溫度計(jì)作檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)的溫度計(jì)進(jìn)行測試，其結(jié)果表明能達(dá)到該精度要求。5總結(jié)與體會(huì)作為一名電子信息工程的大四學(xué)生，我覺得做單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是很有意義的，而且也是必要的。在做 這次課程設(shè)計(jì)的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)資料了

18、。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，查閱這 方面的實(shí)際資料是十分必要的，也是必不可少的。其次，在這次課程設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用了以前學(xué)過的專業(yè)課知識(shí)，如：proteus仿真、匯編語言、模擬和數(shù)字電路知識(shí)等。雖然過去我從未獨(dú)立應(yīng)用過他們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高， 這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲。最后，要做好一個(gè)課程設(shè)計(jì)，就必須做到：在設(shè)計(jì)程序之前，對(duì)所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)系統(tǒng)的 了解，知道該單片機(jī)有哪些資源；要有一個(gè)清晰的思路和一個(gè)完整的軟件流程圖；在設(shè)計(jì)程序時(shí)，不能妄 想一次將整個(gè)程序設(shè)計(jì)好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是程序設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，這樣 為資料的保留和交流提供

19、了方便；在設(shè)計(jì)中遇到的問題要記錄，以免下次遇到同樣的問題。在這次的課程設(shè)計(jì)中，我真正的意識(shí)到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實(shí)際，把我們所學(xué)的理論知識(shí) 用到實(shí)際當(dāng)中，學(xué)習(xí)單片機(jī)更是如此，程序只有在經(jīng)常寫與讀的過程中才能提高，這就是這次課程設(shè)計(jì)的 最大收獲。附錄 1 仿真圖09022ZNP甲yKH-rHIM222KI8R4Q2co40DDG ND9 Q DNG Qu7R5冷1 k 42p3 2Q Nin* 52p2Q Po=hq-ef gbd04 ZJ= E GAKC Aftr2bbonAsoloD1UCUVCCVCQR- BR51413121 1J.O3PCn-3PQIN BtxQR5 3p2OC

20、90&IA51P4VP3VP2VPx_b?JAId pC2OVP2340 p1 p2 p3 pIIII 65cqkcaop-urt-q-r6ZH705zh604zh503zh42ZH30Z106T2206TAE elaQyDTlHAh/ 06T olAh/ 06TOA-2P0OSAD2Pr-QA- opHup5UA op4uam/- op3UA op2UA opt-QO- op cQ opNEPTSR2LAmlx2U03922r3Cro 081nM2yo+附錄2程序源代碼DATA_BUSBITP3.3FLAGBIT00H。標(biāo)志位TEMP_LEQU30H。溫度值低字節(jié)TEMP_HEQU31H。溫

21、度值高字節(jié)TEMPDPEQU32H。溫度小數(shù)TEMP_INTEQU 33H。溫度值整數(shù)TEMP_BAIEQU 34H。溫度百位數(shù)TEMP_SHIEQU 35H。溫度十位數(shù)TEMP_GEEQU 36H。溫度個(gè)位數(shù)DIS_BAIEQU 37H。顯示百位數(shù)DIS_SHIEQU 38H。顯示十位數(shù)DIS_GEEQU 39H。顯示個(gè)位數(shù)DIS_DPEQU 3AH。顯示小數(shù)位DIS_ADDEQU 3BH。顯示地址ORG0000HAJMPSTARTORG0050H。初始化START:MOV SP,#40HMAIN:LCALLREAD_TEMP。調(diào)讀溫度程序LCALLPROCESS。調(diào)數(shù)據(jù)處理程序AJMP M

22、AIN。讀溫度程序READ_TEMP:LCALLRESET_PULSE 。調(diào)用復(fù)位脈沖程序MOV A,#0CCH。跳過 ROM 命令LCALLWRITEMOV A,#44H。讀溫度LCALLWRITELCALLDISPLAY。顯示溫度LCALLRESET_PULSE。調(diào)用復(fù)位脈沖程序MOV A,#0CCH。跳過 ROM 命令LCALLWRITEMOV A,#0BEH。讀緩存命令LCALLWRITELCALLREADRET。復(fù)位脈沖程序RESET_PULSE:RESET: SETB DATA_BUSNOPNOPCLR DATA_BUSMOV R7, #255DJNZ R7, $SETB DATA

23、_BUSMOV R7, #30DJNZ R7,$JNB DATA_BUS, SETB_FLAGCLR FLAGAJMP NEXTSETB_FLAG:SETB FLAGNEXT: MOV R7, #120DJNZ R7, $SETB DATA_BUSJNB FLAG, RESETRET。寫命令WRITE: SETB DATA_BUSMOV R6, #8CLR CWRITING:CLR DATA_BUSMOV R7, #5DJNZ R7, $RRC AMOVDATA_BUS, CMOVR7,#30HDJNZR7,$SETBDATA_BUSNOPDJNZR6,WRITINGRET循環(huán)顯示段位DISP

24、LAY:MOVR4,#200DIS_LOOP:MOVA,DIS_DPMOVP2,#0FFHMOVP0,ACLRP2.7LCALLDELAY2MSMOVA,DIS_GEMOVP2,#0FFHMOVP0,ASETBP0.7CLRP2.6LCALLDELAY2MSMOVA,DIS_SHIMOVP2,#0FFHMOVP0,ACLRP2.5LCALLDELAY2MSMOVA,DIS_BAIMOVP2,#0FFHMOVP0,AMOVA,TEMP_BAICJNE A,AJMP NEXT#0,SKIPrSKIP: CLRP2.4LCALLDELAY2MSNEXTT:NOPDJNZR4,DIS_LOOPRET。讀命令READ:SETBDATA_BUSMOVR0,#TEMP_LMOVR6,#8MOVR5,#2CLRCREADING:CLRDATABUSNOPNOPSETB DATA_BUSNOPNOPNOPNOPMOVC,DA