基于51單片機(jī)的電子溫度計(jì)設(shè)計(jì)硬件部分

1、專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：基于51單片機(jī)的電子溫度計(jì)設(shè)計(jì)-硬件部分所在學(xué)院 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 提交日期 2013年12月 22日 電氣工程學(xué)院專業(yè)課程設(shè)計(jì)評(píng)閱表學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 同組隊(duì)員 專業(yè)班級(jí) 題目名稱 基于51單片機(jī)的電子溫度計(jì)設(shè)計(jì)-硬件部分 一、學(xué)生自我總結(jié) 此次課程設(shè)計(jì)令我有效地復(fù)習(xí)了單片機(jī)的知識(shí)，但畢竟離上一次接觸單片機(jī)有一段時(shí)間了，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到遺忘和不懂的地方也挺多的。為了能順利完成設(shè)計(jì)，在重新看書(shū)翻閱資料里也花了挺多時(shí)間，一定程度上拖慢了設(shè)計(jì)進(jìn)度。不過(guò)在老師和同學(xué)們的幫助下，設(shè)計(jì)還算順利完成。當(dāng)然我必須從中吸取到教訓(xùn)，提前主動(dòng)復(fù)習(xí)好相關(guān)科目知識(shí)，

2、避免在接下來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)同樣的情況。 學(xué)生簽名： 年 月 日二、指導(dǎo)教師評(píng)定評(píng)分項(xiàng)目平時(shí)成績(jī)報(bào)告（答辯）綜合成績(jī)權(quán) 重5050單項(xiàng)成績(jī) 教師簽名： 年 月 日一、設(shè)計(jì)目的1二、設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)12.1、系統(tǒng)功能要求1采用AT89C2051單機(jī)，設(shè)計(jì)一個(gè)電子溫度計(jì)硬件部分。12.2設(shè)計(jì)指標(biāo)1三、設(shè)計(jì)內(nèi)容23.1總體電路結(jié)構(gòu)框圖23.2 硬件選用23.2.1主控制器33.2.2總線驅(qū)動(dòng)器 74LS24443.2.3顯示電路 4三極管85505溫度傳感器5四、本次設(shè)計(jì)改進(jìn)建議10五、總結(jié)11六、 主要參考文獻(xiàn)11一、設(shè)計(jì)目的在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常要用到溫度的檢測(cè)及控制，正如在大冬天里大

3、家都想洗個(gè)痛快的熱水澡，喝壺?zé)岵?。這時(shí)候我們就很需要對(duì)水溫有個(gè)了解了，從而對(duì)加熱情況驚醒控制。為了熟悉單片機(jī)課程，鞏固所學(xué)知識(shí)與加強(qiáng)理論與實(shí)際聯(lián)系，決定設(shè)計(jì)出一款基于單片機(jī)的電子溫度計(jì)。而傳統(tǒng)的測(cè)溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度，需要比較多的外部硬件支持。其缺點(diǎn)如下： 硬件電路復(fù)雜； 軟件調(diào)試復(fù)雜； 制作成本高。進(jìn)而考慮到用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)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(cè)溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計(jì)要求。本電子溫度計(jì)設(shè)計(jì)采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)

4、體公司繼DS1820之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測(cè)元件，測(cè)溫范圍為-55125，最高分辨率可達(dá)0.0625。DS18B20可以直接讀出被測(cè)溫度值，而且采用三線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的熱點(diǎn)。 二、設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)2.1、系統(tǒng)功能要求采用AT89C2051單機(jī)，設(shè)計(jì)一個(gè)電子溫度計(jì)硬件部分。2.2設(shè)計(jì)指標(biāo)1. 實(shí)時(shí)顯示所測(cè)量溫度，溫度范圍0-99攝氏度；2. 用數(shù)碼管顯示。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1總體電路結(jié)構(gòu)框圖按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，確定系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成：主控制器、測(cè)溫電路和顯示電路。數(shù)字溫度計(jì)總體電路結(jié)構(gòu)框圖如3.1圖所示：AT89C20

5、51主控制器DS18B20顯示電路掃描驅(qū)動(dòng) 圖3.13.2 硬件選用溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)原理圖如下圖3.2所示，控制器使用單片機(jī)AT89C2051，溫度傳感器使用DS18B20，使用四位共陽(yáng)LED數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)溫度顯示。 圖3.2 電子溫度計(jì)電路圖3.2.1主控制器 單片機(jī)AT89C2051具有低電壓供電和小體積等特點(diǎn)，兩個(gè)端口剛好滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用。系統(tǒng)可用兩節(jié)電池供電。AT89C2051的引腳圖如下圖3.3所示： 圖3.3 AT89C2051引腳圖1、VCC：電源電壓。2、GND：地。 3、P1口：P1口是一個(gè)8位雙向I/O口。口引腳P1.2P1.7提

6、供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(ANI0)和反相輸入(AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收 20mA電流并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示。當(dāng)P1口引腳寫(xiě)入“1”時(shí)，其可用作輸入端，當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時(shí)，它們將因內(nèi)部的寫(xiě)入“1”時(shí)，其可用作輸入端。當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時(shí)，它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流。 4、P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻 的七個(gè)雙向I/O口引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問(wèn)。P3口緩沖器可

7、吸收20mA電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí)，被外部拉低的P3口腳將用上拉電阻而流出電流。 P3 口還接收一些用于閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 P3 口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051 的一些特殊功能，這些特殊功能定義如下： 口線 特殊功能 P3.0 RXD(串行口輸入端) P3.1 TXD(串行口輸出端) P3.2 /INT0(外部中斷0) P3.3 /INT1(外部中斷1) P3.4 T0(定時(shí)器0外部輸入) P3.5 T1(定時(shí)器1外部輸入)5、RST：復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，持續(xù)給

8、出RST引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需12個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。 6、XTAL1：作為振蕩器反相器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 7、XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 總線驅(qū)動(dòng)器 74LS24474LS244為3態(tài)8位緩沖器，一般用作總線驅(qū)動(dòng)器。引腳圖見(jiàn)上圖。3.2.3顯示電路 顯示電路采用4位共陽(yáng)極LED數(shù)碼管，從P1口輸出段碼，列掃描用P3.0P3.3口來(lái)實(shí)現(xiàn)，列驅(qū)動(dòng)用8055三極管。三極管8550是一種常用的普通三極管。 它是一種低電壓，大電流，小信號(hào)的PNP型硅三極管集電極-基極電壓Vcbo：-40V工作溫度：-55 to +150溫度傳感器 DS18B2

9、0DS18B20采用腳PR35封裝或腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。C64 位ROM和單線接口高速緩存存儲(chǔ)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 I/O圖4-1 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖4-1DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖64位ROM的結(jié)構(gòu)開(kāi)始位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48位，最后位是前面56位的CRC檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。溫度報(bào)警觸發(fā)器和，可通過(guò)軟件寫(xiě)入戶報(bào)警上下限。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存和一個(gè)非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的

10、結(jié)構(gòu)為字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。頭個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第和第字節(jié)和的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第個(gè)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(shí)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3所示。低位一直為，是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式，DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為，用戶要去改動(dòng)，R1和0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來(lái)設(shè)置分辨率。溫度 LSB溫度 MSBTH用戶字節(jié)1TL用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留CRC圖4-2 DS18B20字節(jié)定義由表4-1可見(jiàn)，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比

11、較長(zhǎng)，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存的第、字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯。第字節(jié)讀出前面所有字節(jié)的CRC碼，可用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第、字節(jié)。單片機(jī)可以通過(guò)單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625LSB形式表示。當(dāng)符號(hào)位時(shí)，表示測(cè)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(hào)位時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。表

12、4-2是一部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。表4-1 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表 DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值與RAM中的TH、T字節(jié)內(nèi)容作比較。若TH或TTL，則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行報(bào)警搜索。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼（CRC）。主機(jī)ROM的前56位來(lái)計(jì)算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。DS18B20 的測(cè)溫原理如圖52 所示. 圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器1；高

13、溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯變，所以產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2 的脈沖輸入。圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，DS18B20 對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定，每次測(cè)量前，首先將55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1、溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。圖5-2 DS18B20 測(cè)溫原理圖減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1 重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)

14、行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測(cè)溫度值。圖中的斜 率累加器用于溫度補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線形性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直到溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值。 表4-2一部分溫度對(duì)應(yīng)值表溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00

15、100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H另外，由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲(chǔ)器操作命令處理數(shù)據(jù)。圖4-3 DS18B20與單片機(jī)的接口電路DS18B20可以采用兩種方式供電，一

16、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4-3 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(lái)完成對(duì)總線的上拉。當(dāng)DS18B20處于寫(xiě)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，上拉開(kāi)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。DS18B20的性能特點(diǎn)：1、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 2、獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要

17、一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 3、 DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。 4、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 5、溫范圍55+125，在-10+85時(shí)精度為±0.5。 6、可編程 的分辨率為912位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。 7、在9位分辨率時(shí)最多在 93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。8、測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)

18、，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。9、負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。DS18B20與單片機(jī)的接口電路（引腳圖見(jiàn)右圖）DS18B20可以采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的第1 腳接地，第2腳作為信號(hào)線，第3腳接電源。四、本次設(shè)計(jì)改進(jìn)建議 由于本次設(shè)計(jì)指標(biāo)要求測(cè)量溫度范圍為0-99攝氏度，而市面上傳感器及本次所選用的溫度傳感器測(cè)量溫度范圍-55-125攝氏度，這表明在指標(biāo)范圍外的一定溫度范圍也是傳感器所能測(cè)試溫度。為此，對(duì)本次設(shè)計(jì)提出兩點(diǎn)改進(jìn)意見(jiàn)。1. 在本次設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的軟件部分要加以注意，即在編程時(shí)要注意溫度顯示范圍，對(duì)指標(biāo)要求外的溫度范圍應(yīng)考慮排除，不予顯示。2. 改進(jìn)設(shè)計(jì)硬件部分，考慮在加裝溫度上限報(bào)警器，從而加強(qiáng)設(shè)計(jì)的安全性能，提高穩(wěn)定性與保障使用者安全。五、總結(jié)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了自己動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間用去很多。我知道做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固，并且對(duì)于傳感器與單片機(jī)在電路中的使用有了更多