單片機(jī)數(shù)字溫度計(jì)課設(shè)

1、引言1.1 選題的背景隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)各種信息參數(shù)的準(zhǔn)確度和精確度的要求都有了幾 何級(jí)的增長，而如何準(zhǔn)確而又迅速的獲得這些參數(shù)就需要受制于現(xiàn)代信息基礎(chǔ)的發(fā)展水 平。在三大信息信息采集 （即傳感器技術(shù) ）、信息傳輸 （通信技術(shù) ）和信息處理 （計(jì)算機(jī)技術(shù) ） 中，傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在我國各領(lǐng)域已經(jīng) 引用的非常廣泛，可以說是滲透到社會(huì)的每一個(gè)領(lǐng)域，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相 關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實(shí)時(shí)測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研 究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)

2、展階段： 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器 模擬集成溫度傳感器 智能集成溫度傳感器。目前的智能溫度傳感器 （亦稱數(shù)字溫度傳感器 ）是在 20 世紀(jì) 90 年代中期問世的，它是微電 子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù) （ATE） 的結(jié)晶，特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度 控制量，適配各種微控制器 （MCU） 。1.2 課題的主要工作本課題的研究重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一種基于 MCS-51 系列單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)控制系統(tǒng)。 利用數(shù)字溫度傳感 器 DS18B20 ，此傳感器可讀取被測量溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。主要工作如下：1設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng) （電路包括復(fù)位、 晶振電路、外擴(kuò) 3個(gè) 2764共 24KROM 、3個(gè) 6264共

3、24KRAM 等）2設(shè)計(jì)鍵盤 /顯示器接口電路。3設(shè)計(jì)溫度測量接口電路25.8 C)4通過軟件編程實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測量和顯示（溫度顯示：5通過鍵盤可預(yù)置溫度報(bào)警值，實(shí)現(xiàn)溫度越限報(bào)警功能。1.3 設(shè)計(jì)思路單片機(jī)的接口信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。要想用單片機(jī)獲取溫度這類非電信號(hào)的信息，必須使 用溫度傳感器，將溫度信息轉(zhuǎn)換為電流或電壓輸出。如果轉(zhuǎn)換后的電流或電壓輸出是 模擬信號(hào)，還必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以滿足單片機(jī)接口的需要。、系統(tǒng)概述該系統(tǒng)主要由溫度測量和數(shù)據(jù)采集兩部分電路組成，實(shí)現(xiàn)的方法有很多種，下面將列出兩種在日常生活中和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的實(shí)現(xiàn)方案。2.1方案選擇方案一采用熱電偶溫差電路測溫，溫度檢測部分

4、可以使用低溫?zé)崤迹瑹犭娕加蓛蓚€(gè)焊接在 一起的異金屬導(dǎo)線所組成（熱電偶的構(gòu)成如圖3.1），熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測量該電壓，便 可推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度。數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有A/D通道的單片機(jī)，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。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，且體積小， 但是它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點(diǎn)， 并且這種設(shè)計(jì)需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。圖3.1熱電偶電路圖方

5、案二采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制， 省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫 元件，此元件線形較好。在0100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。DS18B20的 最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì)DS18B20和微控制器AT89C51構(gòu)成的溫度測量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，可直接與計(jì)算機(jī)連接。該系統(tǒng)利用AT89C51芯片控制溫度傳感器DS18B20進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測并顯示，能夠?qū)?現(xiàn)快速測量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報(bào)警溫度。該系統(tǒng)擴(kuò)展性非常強(qiáng)，它可 以在設(shè)計(jì)中加入時(shí)鐘芯片DS1

6、302以獲取時(shí)間數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理同時(shí)顯示時(shí)間，并可以利用 AT24C16芯片作為存儲(chǔ)器件，以此來對(duì)某些時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用鍵盤來進(jìn)行 調(diào)時(shí)和溫度查詢，獲得的數(shù)據(jù)可以通過 MAX232芯片與計(jì)算機(jī)的RS232接口進(jìn)行串口通信， 方便的采集和整理時(shí)間溫度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)框圖如圖所示單片機(jī)宸位LED顯示溫度傳感器圖1總體設(shè)計(jì)方框圏DS18B2溫度測溫系統(tǒng)框圖從以上兩種方案，容易看出方案一的測溫裝置可測溫度范圍寬、體積小，但是線性誤 差較大。方案二的測溫裝置電路簡單、精確度較高、實(shí)現(xiàn)方便、軟件設(shè)計(jì)也比較簡單，故 本次設(shè)計(jì)采用了方案二。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理利用溫度傳感器 DS18B20可以直接讀取被測

7、溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換的特性，模擬溫度值經(jīng)過DS18B20處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并與設(shè)置的溫度報(bào)警限比較，超過限度后通過揚(yáng)聲器報(bào)警。同時(shí)處理后的數(shù)據(jù)送到LED中顯示。2.3 DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)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(shí)DS18B20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖3-3所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)MOSFET管來完成對(duì)總線的上拉?！?】當(dāng)DS18B20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度 A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，

8、上拉開啟時(shí)間最 大為10US。采用寄生電源供電方式時(shí) 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。U1191SI _ _ 29303?234567e>XIAL1XTAL2RSTP£ENPl .0Pl .1Pl J pijbPl 4Pl .5 PI sPI 7.W51iEr.P0.0/AD0 po.mDi P0.2j7D2 P0.3ZAD3P0.4；AD4P0.5ZAD5P0.SZAD6P07ZAD7P2(VAe P打朋 P 2 2/A10 P2.3/A11 P 3.4/A12 P2.5/A13 P2.e/A14 P2 7/A15P3CMRXDP3.inXDP

9、3.2jlNT0P3.3/lNfrP3.4/r0P3 5/T1P胡硬P3 .柿圖2.3 DS18B20與單片機(jī)的接口電路CRYSTALU2 32DS1B 白20系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 89C52單片機(jī)數(shù)據(jù)，時(shí)鐘振蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其它功能。89C52內(nèi)置8位中央處理單元、512字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、8k片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 (ROM)32個(gè)雙向輸入/輸出(I/O) 口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全 雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。此外，89C52還可工作于低功耗模式，可通過兩種 軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維 持其功能。掉電

10、模式下，保存 RAM89C52單片機(jī)管腳圖C1VCC 22uFRESETB 一&丄C2T 30P 吉9MlP122P133C彳3 彳4ndC5P15C6/7 8P3P332-P35V1 51 4P301 0P10 1VCCRST 9XTAL112.0 MHzriOH-_1_ C330PV U189C52P10 XP11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0RXDTXDEA/VPRESETP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RDWRALE/PPSEN38P03/P 0-36P035P 034_P0_1333

11、20.21P2. 122ri c，231 2.,c-24. i'2廠2.-26 ' 2. '27' 2.'28PT.n17P3. A16PS. 1307639 PO. 0 .123.45.6701234567R11K3.1 89C52單片機(jī)管腳圖3.2 DS18B20 介紹DS18B20引腳如圖3.2所示。27.0vccIDQGND DS18B20圖3.2DS18B20引腳圖DS18B20數(shù)字溫度傳感器是一種新型的 一線器件”，其體積更小、更適用于多種場合、 且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。溫度測量范圍為-55+125攝氏度，可編程為9位12位轉(zhuǎn)換 精度，測溫分

12、辨率可達(dá) 0.0625攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EEPROM中，掉電后依然保存。被測溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可以在遠(yuǎn)端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根 或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多 DS18B20通信，占用微處理器的端口較少， 可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。VddM弘位2和單線接口圖4-7;>-、/.4存儲(chǔ)器與控制邏輯高速緩存'JZ/IZDS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)N -z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(jì)算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示子程序等。主程序

13、的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測量溫度值，溫度測量每 1s進(jìn)行一次。讀出溫度子程序可以讀出RAM中的9字節(jié)，然后通過溫度轉(zhuǎn)換命令子程序發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換開始命令，計(jì)算溫度子程序進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定,最后顯示數(shù)據(jù)刷新子程序?qū)︼@示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新。4.1主程序DS18B20 復(fù)位命令開始發(fā)跳過ROM命令初始化發(fā)讀取溫度命令報(bào)警獲取溫度值轉(zhuǎn)換并顯示讀取操作，CRC校驗(yàn)圖 4.1 主程序流程圖圖 4.2 讀溫度流程圖4.2 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(shí)需進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，校 驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)，不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其

14、程序流程圖如圖 4.2 所示4.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用12位分辨率時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為750ms,在本程序設(shè)計(jì)中采用1s顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流 程圖，如圖4.3所示.圖4.3溫度轉(zhuǎn)換子程序流程圖圖4.4計(jì)算溫度子程序流程圖4.4計(jì)算溫度子程序計(jì)算溫度子程序?qū)AM中讀取值進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定, 其程序流程圖如圖4.4所示。4.5顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對(duì)顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作。當(dāng)最高顯示位為0時(shí)，將符號(hào)顯示位移入下一位，程序流程圖如圖4.5所示。4.6主要設(shè)計(jì)程序?qū)慏S

15、18B20的程序WRITE: MOV R2,#8CLR CWR1:CLR P 2.0NOPNOPNOPNOPRRC AMOV P 2.0,CMOV R3,#35DJNZ R3,$SETB P 2.0NOPDJNZ R2,WR1SETB P 2.0RET讀DS18B20的程序READ: MOV R4,#2 ;將溫度高位和低位 DS18B20中讀RE00:MOV R2,#8RE01:CLR C3SETB P 2.0NOPNOPCLR P2.0NOPNOPNOPSETB P 2.0NOPNOPMOV C,P 2.0MOV R3,#35RE20:DJNZ R3,RE20RRC ADJNZ R2,RE01MOV R1,ADEC R1DJNZ R4,RE00五、RET設(shè)計(jì)體會(huì)溫度傳感器DS18B20外形像一個(gè)小三極管，硬件連接非常簡單，應(yīng)用非常方便。它不僅能測量溫度，而且也是一個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器，它能將測得的溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)。硬件開銷較小，相對(duì)需要復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償,DS18B20軟件編程比較復(fù)雜，但是可以把復(fù)位、讀和寫3個(gè)基本操作的子程序看成是3個(gè)固定的基本模塊?？傊?，設(shè)計(jì)中使用的溫度控制器結(jié)構(gòu)簡單、測溫準(zhǔn)確，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)