單片機課程設計報告數(shù)字溫度計設計

1、河南理工大學單片機課程設計報告 數(shù)字溫度計 姓 名： 惠水豐 陳鶴澎 學 號： 310608040309 310608040307 專業(yè)班級： 電科 063班 指導老師： 楊俊起 胡治國 所在學院：電氣工程與自動化學院 2009年 9月 15日摘要本設計是一款簡單實用的小型數(shù)字溫度計，所采用的主要元件有傳感器18b20，單片機at89s52，四位共陰極數(shù)碼管一個，電容電阻若干。18b20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍-55c+125c。在-10+85c范圍內(nèi),精度為0.5c。18b20的精度較差為 2c ?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的

2、現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。本次數(shù)字溫度計的設計共分為五部分，主控制器，led顯示部分，傳感器部分，復位部分，時鐘電路。主控制器即單片機部分，用于存儲程序和控制電路；led顯示部分是指四位共陰極數(shù)碼管，用來顯示溫度；傳感器部分，即溫度傳感器，用來采集溫度，進行溫度轉(zhuǎn)換；復位部分，即復位電路。測量的總過程是，傳感器采集到外部環(huán)境的溫度，并進行轉(zhuǎn)換后傳到單片機，經(jīng)過單片機處理判斷后將溫度傳遞到數(shù)碼管顯示。本設計能完成的溫度測量范圍是-55c+128c，由于能力有限，不能實現(xiàn)報警功能。 隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個領域，已

3、經(jīng)成為一種比較成熟的技術,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，可以設置上下報警溫度，當溫度不在設置范圍內(nèi)時，可以報警。 關鍵詞：單片機，數(shù)字控制，溫度計， ds18b20，at89s52目錄1概述. 1.1 課程設計的目的和意義. 1.2 任務及要求2 系統(tǒng)總體方案及硬件設計2.1系統(tǒng)總體方案設計2.2系統(tǒng)硬件電路設計53 軟件設計123.1系統(tǒng)總體方案設計123.2程序設計124實驗仿真155課程設計體會16參考文獻17附1： 源程序代碼附2 ：系統(tǒng)原理圖 1 概述1.1 課程設計的目的和意義 通過課程設計使我進一步熟悉了單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握了單片

4、機應用系統(tǒng)設計的基本方法和步驟；通過利用mcs-51單片機，理解單片機在自動化裝置中的作用以及掌握單片機的編程調(diào)試方法；通過設計一個簡單的實際應用輸入控制及顯示系統(tǒng)，掌握protues和keil以及各種仿真軟件的使用。目前溫度計的發(fā)展很快，從原始的玻璃管溫度計發(fā)展到了現(xiàn)在的熱電阻溫度計、熱電偶溫度計、數(shù)字溫度計、電子溫度計等等，溫度計中傳感器是它的重要組成部分，它的精度、靈敏度基本決定了溫度計的精度、測量范圍、控制范圍和用途等。傳感器應用極其廣泛，目前已經(jīng)研制出多種新型傳感器。但是，作為應用系統(tǒng)設計人員需要根據(jù)系統(tǒng)要求選用適宜的傳感器，并與自己設計的系統(tǒng)連接起來，從而構(gòu)成性能優(yōu)良的監(jiān)控系統(tǒng)。1

5、.2 任務及要求設計一個簡單數(shù)字溫度計，能夠測量通常環(huán)境下的溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)零下溫度的測量，能夠測量小數(shù)。 2 系統(tǒng)總體方案及硬件設計2.1系統(tǒng)總體方案設計2.1.1 方案論證方案一： 由于本設計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，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，這種設計需要用到a/d轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。方案二：考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設計中，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，

6、進行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設計要求。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設計也比較簡單，故采用了方案二。2.1.2原理框圖溫度計電路設計總體設計框圖如圖2-1所示，控制器采用單片機at89s52，溫度傳感器采用ds18b20，用四位led數(shù)碼管以并口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示。 單 片 機 復位電路數(shù)碼管顯示 溫度傳感器時鐘電路 圖2-1 2.1.3功能模塊連接簡介 溫度傳感器的接口2連接單片機p3.4，用于傳送數(shù)據(jù)，接口3連接電源，接口1接地；數(shù)碼管的段碼輸入端連接單片機的p0端口，公共端接p2.4-p2.7,單片機的p2.0-p2.3接控制鍵盤，時鐘電路連接xtal,復位電路連接

7、rst。2.2系統(tǒng)硬件電路設計2.2.1單片機的選擇單片機at89s52具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要三個口就能滿足電路系統(tǒng)的設計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電，此處我們采用usb接口供電，省去了大量空間，更適合于便攜式產(chǎn)品的應用。at89s52主要特性： 與mcs-51單片機產(chǎn)品兼容 4k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器 1000次擦寫周期 全靜態(tài)工作：0hz33mhz 32個可編程i/o口線 2個16位定時器/計數(shù)器 6個中斷源 全雙工uart串行通道 低功耗空閑和掉電模式 掉電后中斷可喚醒 看門狗定時器 雙數(shù)據(jù)指針 靈活的isp編程 4.0-5.5

8、v電壓工作范圍單片機at89s52的內(nèi)部結(jié)構(gòu)總框圖。它可以劃分為cpu、存儲器、并行口、串行口、定時/計數(shù)器和中斷邏輯幾個部分。 at89s52外部引腳功能如圖2-2所示。 圖2-2 本次設計需要注意的幾個端口：p0口（3932）：是一組8位漏極開路行雙向i/o口，也既地址/數(shù)據(jù)總線復用口?？勺鳛檩敵隹谑褂脮r，每位可吸收電流的方式驅(qū)動8個ttl邏輯電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，po口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求接上拉電阻。p3口（10

9、17）：是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1的輸入緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對p3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。作輸出端口時，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流。p3口除可作為一般的i/o口線外，更重要的用途是它的第二功能，如圖2-3所示： 圖2-3部分控制總線的功能：/vpp(31):內(nèi)部和外部程序存儲器選擇線。=0時訪問外部rom 0000hffffh；=1時，地址0000h0fffh空間訪問內(nèi)部rom，地址1000hffffh空間訪問外部rom。本次設計接高電平。xtal1（19）和xtal2（18）：使用內(nèi)部振蕩電路時，

10、用來接石英晶體和電容；使用外部時鐘時，用來輸入時鐘脈沖。rst/vpd（9）：復位信號輸入端。at89s52接能電源后，在時鐘電路作用下，該腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平，使內(nèi)部復位。第二功能是vpd，即備用電源輸入端。當主電源vcc發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，vpd將為ram提供備用電源，發(fā)保證存儲在ram中的信號不丟失。2.2.2時鐘電路設計at89s52時鐘有兩種方式產(chǎn)生，即內(nèi)部方式和外部方式。（如圖2-4所示）at89c51中有一個構(gòu)成內(nèi)部震蕩器的高增益反向放大器，引腳xtal1和xtal2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英或陶瓷震蕩器一起構(gòu)成自激

11、震蕩器震蕩電路如圖。外接石英晶體（或陶瓷部時鐘，采用外部時鐘如圖所示。在這種情況下，外部時鐘脈沖接到xtal1端，既內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，xtal2懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻的觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的所以外部時鐘的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)的時間和最大低電平持續(xù)的時間應符合產(chǎn)品技術條件的要求。本次設計采用內(nèi)部震蕩電路,瓷片電容采用30p,晶振采用12mhz 內(nèi)部震蕩電路 外部震蕩電路 圖2-42.2.3復位電路設計單片機系統(tǒng)的復位電路在這里采用的是上電+按鈕復位電路形式，其中電阻r采用10k的阻值，電容采用電容值為10的電解電容。具體連接電路如圖3-5所示： 圖2-5

12、2.2.4 溫度顯示電路四位共陰極數(shù)碼管，能夠顯示小數(shù)和負溫度。零下時，1和2分別顯示負號。當溫度超過99.9時，四個數(shù)碼管全部亮。2.2.5溫度傳感器ds18b20溫度傳感器是美國dallas半導體公司最新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，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912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； 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； 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5v； 溫度以9或12位數(shù)字； 用戶可定義報警設置； 報警搜索命令識

13、別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； 負電壓特性，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； ds18b20采用3腳pr35封裝或8腳soic封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2-6所示。i/oc64位rom和單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器th低溫觸發(fā)器tl配置寄存器8位crc發(fā)生器vdd 圖2-664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可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器th和tl，可通過軟件寫入戶報警上下限。ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器

14、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2.3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)換為相應精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖2-7所示。低5位一直為1，tm是工作模式位，用于設置ds18b20在工作模式還是在測試模式，ds18b20出廠時該位被設置為0，用戶要去改動，r1和r0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設置分辨率。溫度 lsb溫度 msbth用戶字節(jié)1tl用戶

15、字節(jié)2配置寄存器保留保留保留crctmr1r011111 圖2-7ds18b20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，在實際應用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權衡考慮。溫度傳感器18b20匯編程序,采用器件默認的12位轉(zhuǎn)化,最大轉(zhuǎn)化時間750微秒 ，可以將檢測到的溫度直接顯示到at89c52的兩個數(shù)碼管上。 表1 ds18b20溫度轉(zhuǎn)換時間表r1r0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)換時間/ms00993.750110187.510113751112750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)

16、據(jù)的正確性。當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0.0625lsb式表示。當符號位s0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；當符號位s1時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。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tth或ttl，則將該器件內(nèi)的報警標志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令做出響應。因此，可用多只ds18b20同

17、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。另外，由于ds18b20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對ds18b20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化ds18b20（發(fā)復位脈沖）發(fā)rom功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。分別說明如下：1、初始化 單總線的所有處理均從初始化開始。初始化過程是主機通過向作為從機的ds18b20芯片發(fā)一個有時間寬度要求的初始化脈沖實現(xiàn)的。初始化后，才可進行讀寫操作。2

18、、rom操作命令 總線主機檢測到ds18b20的存在 便可以發(fā)出rom操作命令之一 這些命令表.2：表2 rom操作命令指 令代 碼read rom(讀rom)33hmatch rom(匹配rom)55hskip rom(跳過romcchsearch rom(搜索rom)f0halarm search(告警搜索)ech3、存儲器操作 命令如表.3： 表.3 存儲器操作命令指令代碼write scratchpad(寫暫存存儲器)4ehread scratchpad(讀暫存存儲器)behcopy scratchpad(復制暫存存儲器)48hconvert temperature(溫度變換)44hr

19、ecall eprom(重新調(diào)出)b8hread power supply(讀電源)b4h 3 軟件設計3.1系統(tǒng)總體方案設計 本次課程設計采用的是protues軟件仿真，用keil軟件進行編譯。protues軟件是英國labcenter electronics公司出版的eda工具軟件。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。 開 始 軟件部分由主程序，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，判斷程序，按鍵檢測等。 初 始 化 調(diào)顯示子程序 得出溫度總子程序 判斷數(shù)據(jù)是否在控制范圍內(nèi) 是否報警

20、返回 圖3-1 主程序流程3.2程序設計3.2.1 主程序主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理ds18b20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見圖3-1所示。3.2.2 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9字節(jié)，在讀出時需進行crc校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖3-2所示發(fā)ds18b20復位命令發(fā)跳過rom命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，crc校驗9字節(jié)完？crc校驗正？確？移入溫度暫存器結(jié)束nnyy 圖3-2 讀出溫度子程序流程3.2.3二進制轉(zhuǎn)換bcd碼命令子程序 二進制轉(zhuǎn)換bcd碼

21、命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當采用12位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。二進制轉(zhuǎn)換bcd碼命令子程序流程圖，如圖3-3發(fā)ds18b20復位命令發(fā)跳過rom命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令結(jié)束 圖3-3二進制轉(zhuǎn)換bcd碼流程圖3.2.4 計算溫度子程序?qū)am中讀取進行bcd碼的轉(zhuǎn)換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖4-4所示。開始溫度零下?ny溫度值取補碼置“-”標志置“+”標志計算小數(shù)位溫度bcd值 計算整數(shù)位溫度bcd值 結(jié)束圖3-4 測量溫度流程圖 3.2.5溫度數(shù)據(jù)顯示子程序 顯示數(shù)據(jù)子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行

22、刷新操作，查表送段碼至led，開位碼顯示，采用動態(tài)掃描方式4 實驗仿真 圖4-1系統(tǒng)仿真圖如圖4-1所示，加上復位電路和時鐘電路，在protues構(gòu)成了完整的仿真圖，輸入程序后就能夠進行仿真。調(diào)試結(jié)果分析： 本次數(shù)字溫度計能夠比較精確的測量一般溫度，測量范圍是-55128，并且能夠測出小數(shù)。 5 課程設計體會 本次的課程設計使我們進一步鞏固了書本上的知識，做到了學以致用。這是我們第二次自己動手設計的電路，通過系統(tǒng)仿真軟件protues和編譯軟件keil，使我們進一步了解了單片機的設計制作過程，其中最為困難的是軟件部分，即編程部分，我們上網(wǎng)找了好多資料，雖然經(jīng)過自己的修改，但還是有很多功能不能實

23、現(xiàn)，如報警和溫度上下限設置。由于protues并不是很熟練，在使用的過程中有很多原件的名稱不知道，從而花費了大量的時間在網(wǎng)上查找，今后應該在這方面多多努力。最后一步的焊接硬件也遇到了不少麻煩，數(shù)碼管引線太多容易弄混，三級管放大電路中，三極管容易接反?？偨Y(jié)經(jīng)驗的時候我們得出這樣的結(jié)論，學習應該學以致用，有目的的去學習，如果學了不用等于沒學。其次，要學以致用，就要理論聯(lián)系實際，這樣才會取得事半功倍的效果。參考文獻1 康華光，陳大欽，張林.電子技術基礎 模擬部分(第五版).高等教育出版社.2006.103-1082余發(fā)山.單片機原理及應用技術.中國礦業(yè)大學出版社，2003.31-323 51單片機學

24、習網(wǎng) /test/xl1000/xl1000623.htm附1 源程序代碼#include#include#define h 125 #define l -55unsigned int zhengshu=0;/溫度值 int dingyih=h,dingyil=l,n;/溫度上下限uint m=0,i;/按鍵標志位uchar temp;bit biaozhi_1=0,biaozhi_2=0,biaozhi_3=0;sbit gw=p24;sbit sw=p25;sbit bw=p26;sbit qw=p27;sbit k1=p20;sbit k2=p21;s

25、bit k3=p23;sbit k4=p22;sbit bj=p32;sbit led=p31;uchar ge,shi,bai,qian;/顯示位定義uchar table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40,0x76,0x38,0x00;/0/1/2/3/4/5/6/7/8/9/ - / h / lvoid delay(z) uint i,j;for(i=0;i0;j-);void xianshi1(uchar ge, shi, bai, qian) gw=0;sw=1;bw=1;qw=1; p0=tablege;d

26、elay(1); gw=1;sw=0;bw=1;qw=1; p0=tableshi;delay(1);gw=1;sw=0;bw=1;qw=1; p0=0x80;delay(1); gw=1;sw=1;bw=0;qw=1; p0=tablebai;delay(1); gw=1;sw=1;bw=1;qw=0; p0=tableqian;delay(1);void xianshi2(uchar ge, shi, bai, qian) if(bai=0) bai=13; if(shi=0) shi=13; gw=0;sw=1;bw=1;qw=1; p0=tablege;delay(1); gw=1;s

27、w=0;bw=1;qw=1; p0=tableshi;delay(1); gw=1;sw=1;bw=0;qw=1; p0=tablebai;delay(1); gw=1;sw=1;bw=1;qw=0; p0=tableqian;delay(1);void init() /初始化函數(shù) tmod=0x01; th0=(65536-20000)/256; tl0=(65536-20000)%256; ea=1; et0=1; tr0=1;void main() gw=0; sw=0; bw=0; qw=0; bj=0; led=1; p0=0xff; delay(2000); p0=0x00; p2

28、=0xff; ge=shi=bai=qian=10; init(); while(1) /正負顯示 if(m=0) zhengshu=gettemp(); n=zhengshu; if(neg_flag=0) qian=zhengshu/1000; bai=zhengshu%1000/100; shi=zhengshu%100/10; ge=zhengshu%10; if(qian=0) qian=13; if(bai=0) bai=13; if(neg_flag=1) qian=10; bai=zhengshu%1000/100; shi=zhengshu%100/10; ge=zhengshu%10; if(bai=0) qian=13; bai=10; /上下限比較 if