溫度計控制系統(tǒng)設(shè)計論文

1、武漢大學(xué)自考本科段畢業(yè)設(shè)計論文溫度計控制系統(tǒng)設(shè)計單片機(jī)以其體積小、重量輕、輕干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求不高、高可靠性、 高性能價格比、開發(fā)較為容易，在工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器儀 表、辦公自動化等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。因此，單片機(jī)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的水平已經(jīng)逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使人們對溫度計測量技術(shù)指標(biāo)要求越來越高。回顧傳統(tǒng)的溫度計我們發(fā)現(xiàn)它們有反應(yīng)速度慢、測量精度不高、誤差很大、讀數(shù)麻煩等缺點；同時51單片機(jī)在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用以及其技術(shù)已經(jīng)非常成熟， 溫度傳感器DS18B2具有性能穩(wěn)定、線性優(yōu)良、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、使用 方便等

2、優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于冰箱、空調(diào)器、糧倉等日常生活中溫度的測量和控制。 基于以上問題我們就利用溫度傳感器DS18B2和單片機(jī)STC89C52R設(shè)計了一款 具有顯示功能的電子溫度計?；?1單片機(jī)和DS18B2數(shù)字溫度傳感器來進(jìn)行溫 度測量的方法，包括溫度傳感器芯片的選取、單片機(jī)與溫度傳感器接口電路的設(shè) 計，以及實現(xiàn)溫度信息采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計。DS18B2數(shù)字溫度傳感器是單總線器件，與51單片機(jī)組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單、體積小等特點，而 且在一根通信線上，可以掛接很多這樣的測溫系統(tǒng)，十分方便。由于采用較多的 集成電路和功能模塊化設(shè)計，所以系統(tǒng)硬件電路簡單，便于實現(xiàn)。本課題研究的內(nèi)容就是以單

3、片機(jī)為主要控制元件，通過溫度傳感器實現(xiàn)對溫 度的測量，并通過數(shù)碼管直接顯示所測溫度。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，溫度傳感器，數(shù)碼管1引言 12方案設(shè)計與論證 12.1 總體設(shè)計方案 12.2 方案二的總體設(shè)計框圖 22.3系統(tǒng)整體硬件電路 63系統(tǒng)軟件算法分析 83.1主函數(shù) 83.2 單總線初始化函數(shù) 93.3 字節(jié)讀操作函數(shù) 103.4 字節(jié)寫操作函數(shù) 103.5 溫度計算函數(shù) 114總結(jié)與體會 12參考文獻(xiàn) 121引言目前單片機(jī)已經(jīng)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域， 幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單 片機(jī)的足跡，而在單片機(jī)的世界里，單片機(jī) 8051系列是既具有經(jīng)典性，又不乏 生命力的一種單片機(jī)系列，因此許多的單片

4、機(jī)學(xué)習(xí)書籍和公司都相續(xù)推出了單片 機(jī)入門開發(fā)板或單片機(jī)教學(xué)開發(fā)平臺，單片機(jī)實驗系統(tǒng)主要是利用現(xiàn)成的單片機(jī) 和外圍一些接口電路進(jìn)行實驗，其工作主要集中在編輯和調(diào)試單片機(jī)的軟件，控制其外圍接口設(shè)備的工作，學(xué)生所獲得的知識也主要是單片機(jī)的軟件編程能力， 使學(xué)生硬件設(shè)計方面得到鍛煉。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)的溫度檢測都是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)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)的溫度計不同的是，本次設(shè)計的數(shù)字溫度計使用的是美國 DALLAS半 導(dǎo)體公司

5、推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器一一 DS18B2C溫度傳感器，它能直接 讀出被測溫度信息，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。2方案設(shè)計與論證2.1 總體設(shè)計方案方案一: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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn) 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)計需要很好 地解決引線誤差補(bǔ)償和放大電路零點漂移等問題。 在接口上需要A/D轉(zhuǎn)換，因而 結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高，調(diào)試繁瑣，測量溫度的精度也很低。進(jìn)而考慮到用數(shù)字集成溫度傳感器 DS18B20可以用單

6、片機(jī)直接讀出溫度信 息，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，另外 現(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。這 種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，成本低，調(diào)試方便，測量準(zhǔn)確度可達(dá)土0.5 °C。綜上所述，選用方案二，利用數(shù)字可編程溫度傳感器測量溫度。2.2 方案二的總體設(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(jī)STC89C52RC溫度傳感器采用 DS18B20經(jīng)譯碼器CD4511輸出給3位LED數(shù)碼 管實現(xiàn)溫度顯示。單片機(jī)復(fù)位LED顯示度 傳 感 器圖1總體設(shè)計方框圖2.2.1 主控制器單片機(jī)STC89C52R具有低電壓供電、

7、體積小、速度快、壽命長、價格低等 特點，可以完成ISP在線編程功能。222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(jìn)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勺性能特點如下：獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信；多個DS18B2C可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；無須外部器件；可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 3.05.5 V;零待機(jī)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)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；負(fù)

8、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;本設(shè)計中使用的DS18B20采用3腳TO-92封裝，引腳排序如圖2所示，其內(nèi) 部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。DALLAS DS1820O O QQBOTTOM VIEWDS1SB20 To-92Package£圖2 DS18B20的引腳排序圖3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖64位ROM中開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的唯一的序號， 共有48位，最后8位是前面56位的CRC僉驗碼，這也是多個DS18B2C可以采用 一線進(jìn)行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器

9、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勺結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 DS18B20存儲器由圖4可知，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。DS18B2C工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為 相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖5所示。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設(shè)置 DS18B2C在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該 位被設(shè)置為0, R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率，具體設(shè)置如

10、表1所示。TMR1R011111圖5配置寄存器字節(jié)定義表1 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時間/ms00993.750110187.510113751112750由表1可見，DS18B2C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(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CR（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)DS18B2C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(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲

11、器的第1、2字節(jié)。 單片機(jī)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 C/LSB形式表示。當(dāng)符號位S = 0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為 十進(jìn)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(bǔ)碼變成原碼， 再計算十進(jìn)制數(shù)值。表2是一部分溫度值對應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。表2 一部分溫度對應(yīng)值表溫度/C進(jìn)制表示十八進(jìn)制表示+ 1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+ 10.1250000 0000 1010

12、 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 0000FC90HDS18B2C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。在室 溫數(shù)顯溫度計中，DS18B20采用第一種電源供電方式。另外，由于DS18B20單線通信功

13、能是分時完成的，它有嚴(yán)格的時序關(guān)系，因此讀寫時序很重要。2.2.2 顯示電路溫度信息由單片機(jī)讀出并進(jìn)行處理，然后經(jīng) CD4511輸出段碼，驅(qū)動3位共 陰LED數(shù)碼管顯示所測的溫度數(shù)值。CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極LED （數(shù)碼管）顯示器的BCD碼段碼譯碼器，特點如下：具有 BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的 CMO電路，能提供較大的拉電流，可直接驅(qū)動 LED顯示器。CD4511的引腳排列 如圖6所示。Vccfg bcd1L11161514 J13【211ID)CD4511123 <1 101a11T11111Al A2 CT n IE h3 M GNDDAOADBOBD

14、COCDDODOEELOFBIOGLT1312U101514圖6 CD4511的引腳排列引腳功能如下：BI: 4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段 數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT: 3腳是測試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0時，譯碼輸出全為1,不管輸入DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“ 8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。LE:鎖定控制端，當(dāng)LE=0時，允許譯碼輸出。LE=1時譯碼器是鎖定保持 狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。A1、A2、A3 A4: 8421BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效CD4

15、511的真值表如下表所示輸入輸出LEBILIDCBAabcdefg顯示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000哨隱"cT110lj0亍1111100110001011000101100101101101201100111111001 13011Q養(yǎng)聲禺十也 'kJ-冶k ii fl” "Q.,磁1140110il-T00 ui Ah 1j110115011011000111116011011111100007011100011111118111c011110011901110100000000消隱01110110000000肖隱0111100000

16、0000肖隱0111101J00000肖隱0111110000000肖隱0111111000000抬隱111XXXX8421 BCD碼對應(yīng)的顯示如下所示。0:e3L518S+52.3系統(tǒng)整體硬件電路系統(tǒng)整體硬件電路包括單片機(jī)主板電路、傳感器數(shù)據(jù)采集電路和溫度顯示電路。制作完成的室溫數(shù)顯溫度計如圖 7所示。圖7室溫數(shù)顯溫度計2.3.1主板電路單片機(jī)主板電路如圖8所示。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(jī)電源，就可以實現(xiàn) 復(fù)位。USBVBUSD-D+GND402C1叼22pFC2EA/VPU1VCC 二1 9X12 2pF1 1.0 59

17、2 MHzX2ccvVCCDR110KIN T0 1 2IN T1 13T0V4T11 5P1 0 1P12P12 3P13 4P1 4 5P1盯6P16 7P17 8RESETINTO INT1 TOT1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7PO.OPO.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7RD WR psen ALE/P"TXDRXD39 P0 0P0 1 P0 236 P0 3'35 P0 434 P0 533 P0 6P0 721 P2 0P2 123 P2 224

18、 P2 32 P2 426 P2 527 P2 628 P2 717 RD16 W R29 PSEN30 ALE11 TXD10 RXD8 9C51圖8單片機(jī)主板電路圖2.3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集電路硬件連接非傳感器數(shù)據(jù)采集電路如圖9所示。與單片機(jī)間采用單總線連接,常簡單VCCOR35.1 KVCCDQGND32a1DS1 8B2 0 =WD1P10圖9 DS18B20與單片機(jī)的接口電路2.3.3 顯示電路顯示電路是采用3片CD4511驅(qū)動3位共陰極七段數(shù)碼管顯示溫度數(shù)值，顯示非常清晰穩(wěn)定，如圖10所示。VCC3001f1 R9 300R10 300a2 R12f2 R17 3006a389b2

19、 R13f3 R252345dp3 R2710b1dp1com1com1f1d1g1e1b2dp2a2c2com2com2f2d2g2e2e3g3d3f3c3a3dp3b3U6THR7SEGR11dp1c1R19 1027dp226e2g3R22c3R24 300e322212524d2c2R15 300R14 300R23 30032313029R8 300 e1R7 300d圖10顯示電路3系統(tǒng)軟件算法分析室溫數(shù)顯溫度計程序采用 C51編寫，主要由主函數(shù)、單總線初始化函數(shù)、字 節(jié)讀操作函數(shù)、字節(jié)寫操作函數(shù)、溫度計算函數(shù)等組成。3.1 主函數(shù)主函數(shù)的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的采集、計算和顯示。溫度

20、測量每1s進(jìn)行-次。其程序流程見圖11所示初始化圖11主函數(shù)流程圖3.2單總線初始化函數(shù)單總線初始化函數(shù)代碼如下所示。static void On eWirenit(void) DQ = 1;NOP();DQ = 0;Delay_Xus(125);Delay_Xus(125);DQ = 1;Delay_Xus(15); while(DQ)NOP();Delay_Xus(60);DQ = 1;3.3 字節(jié)讀操作函數(shù)字節(jié)讀操作函數(shù)代碼如下所示。static in t8u On eWire_ReadByte(void) in t8u i;in t8u tmp = 0;DQ = 1;NOP();for

21、(i=0;i<8;i+)tmp >>= 1;DQ = 0;NOP();DQ = 1;Delay_Xus(2);NOP();if(DQ) tmp |= 0x80; Delay_Xus(30); DQ = 1; NOP(); return tmp;3.4 字節(jié)寫操作函數(shù)字節(jié)寫操作函數(shù)代碼如下所示。static void On eWire_WriteByte(i nt8u cmd) in t8u i;for(i=0;i<8;i+)if(cmd & 0x01)DQ = 0;NOP();NOP(); NOP();DQ = 1; elseDQ = 0;NOP();NOP()

22、;NOP(); DQ = 0; Delay_Xus(30);DQ = 1;NOP(); cmd >>= 1;3.5溫度計算函數(shù)溫度計算函數(shù)的功能是將讀取值進(jìn)行 BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，并進(jìn)行溫度值正負(fù) 的判定，其流程圖如圖12所示。圖12溫度計算流程圖4總結(jié)與體會（總結(jié)與體會中最好不要有時間相關(guān)的文字）2010年11月，我開始了我的畢業(yè)論文工作，時至今日，論文基本完成。從 最初的茫然，到慢慢的進(jìn)入狀態(tài)，再到對思路逐漸的清晰，整個寫作過程難以用 語言來表達(dá)。歷經(jīng)了幾個月的奮戰(zhàn)，緊張而又充實的畢業(yè)設(shè)計終于落下了帷幕。 回想這段日子的經(jīng)歷和感受，我感慨萬千， 在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我擁有了

23、 無數(shù)難忘的回憶和收獲。11月底，我們是以團(tuán)隊的形式進(jìn)行分工合作。在與指導(dǎo)老師的交流討論中 我的題目定了下來，題目為室溫數(shù)顯溫度計。 當(dāng)選題、畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書定下來的 時候，我們當(dāng)時便立刻著手資料的收集工作中，當(dāng)時面對浩瀚的書海真是有些茫然，不知如何下手。我們將這一困難告訴了指導(dǎo)老師，在指導(dǎo)老師細(xì)心的指導(dǎo)下， 終于使我們對自己現(xiàn)在的工作方向和方法有了掌握。在搜集資料的過程中，我們分工合作。在學(xué)校圖書館搜集資料，還在網(wǎng)上查 找各類相關(guān)資料，將這些寶貴的資料全部整理出來，盡量使我們的資料完整、精確、數(shù)量多，這有利于論文的撰寫。然后我們將收集到的資料仔細(xì)整理分類，及 時拿給指導(dǎo)老師進(jìn)行溝通。12月初，

24、我們開始對之前學(xué)習(xí)過的知識進(jìn)行系統(tǒng)地復(fù)習(xí)，課余時間，我們 積極地溫習(xí)單片機(jī)，C語言，微機(jī)接口技術(shù)與原理，電子 CAD，EDA技術(shù)，智能儀器，傳感器等有關(guān)科目。由于指導(dǎo)老師李瓊老師， 曾經(jīng)帶過我們上述科目的絕大多數(shù)的課程， 所以我們的溝通很方便，在有利的情 況下，我們快速過了一遍前面的技術(shù)上面的障礙。12月中旬，開始進(jìn)行相關(guān)圖形的繪制工作和電路的設(shè)計工作。為了畫出自 己滿意的電路圖，圖表等，我仔細(xì)回顧了 Protel 99 SE軟件的應(yīng)用，在繪制初 期，由于沒有設(shè)計經(jīng)驗，覺得無從下手，空有很多設(shè)計思想，卻不知道應(yīng)該選哪 個，經(jīng)過指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，我的設(shè)計漸漸有了頭緒，通過查閱資料，逐漸確立系 統(tǒng)方案。12月底，資料已經(jīng)查找完畢了，我開始著手論文的寫作。在寫作過程中遇 到困難我就及時和指導(dǎo)老師聯(lián)系，并和同學(xué)互相交流，請教專業(yè)課老師。在大家的幫助下，困難一個一個解決掉，論文也慢慢成型。1月初，論文的文字?jǐn)⑹鲆呀?jīng)完成。當(dāng)我終于完成了所有打字、繪圖、排版、校對的任務(wù)后整個人都很累，但同時看著電腦熒屏上的畢業(yè)設(shè)計稿件我的心里是甜的，我覺得這一切都值了。這次畢