數(shù)字溫度計設(shè)計大學(xué)論文

1、目 錄1 設(shè)計目的12.設(shè)計要求13.總體設(shè)計方案13.1數(shù)字溫度計設(shè)計方案論證13.2方案一的總體設(shè)計框圖13.3 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路53.4 系統(tǒng)整體硬件電路63.5系統(tǒng)軟件算法分析103.6讀出溫度子程序103.7溫度轉(zhuǎn)換命令子程序123.8 計算溫度子程序133.9 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序144.總結(jié)與體會15參考文獻16附錄171 設(shè)計目的1.學(xué)會掌握0809單片機.A/D轉(zhuǎn)換芯片的用法；2.學(xué)會掌握8051單片機用法；3.學(xué)會單片機的程序設(shè)計；4.培養(yǎng)查閱資料的能力。 2.設(shè)計要求1基本范圍0-1002精度誤差小于0.53 LED數(shù)碼直讀顯示3.總體設(shè)計方案3.

2、1數(shù)字溫度計設(shè)計方案論證3.1.1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)，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(shè)計需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。3.1.2 方案二 進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設(shè)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，進行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求。根據(jù)單片機課程設(shè)計的要求與學(xué)習(xí)目的，學(xué)習(xí)A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用與實現(xiàn)和單片機的接口連接，故采用方案一來實現(xiàn)數(shù)字溫度計的控制。3.2方案一的總體

3、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AT89S51，A/D轉(zhuǎn)換器采用0809傳輸，溫度傳感器采用DS18B20，用3位LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示，并用蜂鳴報警器來監(jiān)視溫度的值不超過量程范圍。 主 控 制 器LED顯 示溫 度 傳 感 器單片機復(fù)位時鐘振蕩報警點按鍵調(diào)整圖1總體設(shè)計方框圖3.2.1 主控制器單片機AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。3.2.2 顯示電路顯示電路采用3位共陽LED數(shù)碼管，從P3口RXD,TXD串口輸出段碼。3.2.3溫度

4、傳感器DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)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)位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點如下：（1）獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；（2）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；（3）無須外部器件；（4）可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5；（5）零待機功耗；（6）溫度以9或12位數(shù)字；（7）用戶可定義報警設(shè)置；（8）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；（9）負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會

5、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所示。 C64 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VddI/O圖2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)64位ROM的結(jié)構(gòu)開始位是產(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)器和，可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為字節(jié)

6、的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。頭個字節(jié)包含測得的溫度信息，第和第字節(jié)和的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第個字節(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(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試模式，DS18B20出廠時該位被設(shè)置為，用戶要去改動，R1和0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。由表1可見，DS18B20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。高速暫存的第、字節(jié)保留未用，表

7、現(xiàn)為全邏輯。第字節(jié)讀出前面所有字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(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、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形式表示。當(dāng)符號位時，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(dāng)符號位時，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。表2是一部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度數(shù)據(jù)。表1 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表 DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與RAM中

8、的TH、T字節(jié)內(nèi)容作比較。若TH或TTL，則將該器件內(nèi)的報警標(biāo)志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同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。DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就

9、對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器、溫度寄存器中，計數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器的預(yù)置值減到時，溫度寄存器的值將加，減法計數(shù)器的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫

10、度值。表2一部分溫度對應(yīng)值表溫度/二進制表示十六進制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 11

11、00 1001 0000FC90H另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴(yán)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(fù)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)。圖4 DS18B20與單片機的接口電路3.3 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路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，如圖4 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完

12、成對總線的上拉。當(dāng)DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。3.4 系統(tǒng)整體硬件電路3.4.1 主板電路系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調(diào)整電路，單片機主板電路，A/D轉(zhuǎn)換器等，如圖5 所示。 圖5 數(shù)字溫度計控制電路（1）單片機80518051單片機有5個存儲器空間，分別用來安排4種不同功用的存儲器：一內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器；二特殊功能寄存器；三內(nèi)部程序存儲器；四外部程序存儲器五/外部數(shù)據(jù)存儲器。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和特殊功能寄存器以及內(nèi)部程序存儲器集成于片內(nèi)，外部程序存儲

13、器和外部數(shù)據(jù)存儲器則安排在片外，用接口電路與單片機連接。4種存儲器中，除內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和特殊功能寄存器是統(tǒng)一編址的除外，各存儲器均分開編址，并用不完全相同的尋址方式來訪問它們。A）RAM，共128字節(jié)，地址范圍為00H一7FH，見下圖2。前32個單元(地址00H一1FH)稱為寄存器區(qū)。其中，每8個寄存器形成-個寄存器組。具體說來： 寄存器0組 地址00H一07H寄存器1組 地址08H一0FH寄存器2組 地址10H一17H寄存器3組 地址18H一1FHB）程序存儲器MCS-51單片機具有64K字節(jié)的程序存儲器空間。其中，8051或8751在片內(nèi)各有4K字節(jié)的程序存儲器ROM或EPROM，并處于這

14、一空間的最低地址區(qū)。8031片內(nèi)沒有程序存儲器，必須在外部擴展程序存儲器才能構(gòu)成單片機應(yīng)用電路。擴展容量可為64K字節(jié)中的任一容量，并且常用EPROM或E2PROM的形式，程序存儲器中的某些地址被固定地用于特定程序的入口地址：地址 用途0000H 復(fù)位操作后的程序入口0003H 外部中斷0服務(wù)程序入口000BH 定時器0中斷服務(wù)程序入口0013H 外部中斷1服務(wù)程序入口001BH 定時器1中斷服務(wù)程序入口0023H 串行IO中斷服務(wù)程序入口在編程時，通常在這些入口地址開始的二三個地址單元中，放入一條轉(zhuǎn)移類指令，以使相應(yīng)的程序在指定的程序存儲器區(qū)域中生成。程序存儲器用來存放固化了的用戶程序，取指

15、地址由程序計數(shù)器PC給出，PC具有自動加l的功能，從而在無轉(zhuǎn)移類指令的條件下，指令被逐一執(zhí)行。轉(zhuǎn)移類指令可改變PC值，使程序得以轉(zhuǎn)移。程序存儲器中也可固化一片數(shù)據(jù)區(qū)，存放被查閱的表格和參數(shù)等。圖5中有三個獨立式按鍵可以分別調(diào)整溫度計的上下限報警設(shè)置，圖中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內(nèi)時，發(fā)出報警鳴叫聲音，同時LED數(shù)碼管將沒有被測溫度值顯示，這時可以調(diào)整報警上下限，從而測出被測的溫度值。圖5 中的按健復(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電源，就可以實現(xiàn)復(fù)位。（2）直流穩(wěn)壓電源 按設(shè)計要求需加直流穩(wěn)壓電源用來對溫度控制系統(tǒng)進行供電。

16、如圖： 圖5.1 直流穩(wěn)壓電源（3）A/D轉(zhuǎn)換部分A/D轉(zhuǎn)換部分采用ADC0809，A/D轉(zhuǎn)換器0809的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,它是模擬信號和數(shù)字儀器的接口。其內(nèi)部原理圖如下所示主要部件的功能： 256R電阻梯形網(wǎng)絡(luò)。即R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)。 比較器。將輸入模擬量與逐次逼近值進行比較。 多路開關(guān)。選擇不同通道的模擬量。 圖5.2 A/D轉(zhuǎn)換器0809內(nèi)部邏輯圖內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖引腳意義： ALE：地址鎖存信號。選擇8個模擬通道之一 。 OE：輸出允許信號，高電平有效。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 IN0IN7：8路模擬電壓輸入端。 D0D7：8位數(shù)據(jù)輸出端。 AD0、AD1、AD2：3位地址線，選擇

17、8路模擬輸入量之一引腳圖如下： 圖3.4.2 0809引腳圖圖 0809引腳圖3.4.2 顯示電路顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優(yōu)點就是使用口資源比較少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的發(fā)送和接收，四只數(shù)碼管采用74LS164右移寄存器驅(qū)動，顯示比較清晰。3.5系統(tǒng)軟件算法分析系統(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，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。3.5.1主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當(dāng)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7所示。初始化調(diào)用顯示子程序1S到？初

18、次上電讀出溫度值溫度計算處理顯示數(shù)據(jù)刷新發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令NYNY圖7 主程序流程圖 3.6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8示Y發(fā)DS18B20復(fù)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NNY圖8讀溫度流程圖讀出溫度轉(zhuǎn)換的子程序：EMPER: SETB P2.0 ; 定時入口 LCALL INIT_1820 JB 20H.1,TSS2 RET ; 若DS18B20不存在則返回TSS2: MOV A,#0CCH ; 跳過ROM匹配

19、 LCALL WRITE_1820 MOV A,#44H ; 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令 LCALL WRITE_1820 LCALL INIT_1820 MOV A,#0CCH ; 跳過ROM匹配 LCALL WRITE_1820 MOV A,#0BEH ; 發(fā)出讀溫度命令 LCALL WRITE_1820 LCALL READ_18200 MOV 37H,A ; 將讀出的溫度數(shù)據(jù)保存 RET3.7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位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設(shè)計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如上圖，圖9所示發(fā)DS1

20、8B20復(fù)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9 溫度轉(zhuǎn)換流程圖溫度命令子程序：TEMPER_COV: MOV A,#0F0H ANL A,36H ; 舍去溫度低位中小數(shù)點 SWAP A MOV 37H,A MOV A,36H JNB ACC.3,TEMPER_COV1 ; 四舍五入去溫度值 INC 37HTEMPER_COV1:MOV A,35H ANL A,#07H SWAP A ADD A,37H MOV 37H,A ; 保存變換后的溫度數(shù)據(jù) LCALL BIN_BCD RET3.8 計算溫度子程序其程序流程圖如圖10所示。 開始溫度零下?溫度值取補碼置“”標(biāo)志計算小數(shù)位溫

21、度BCD值 計算整數(shù)位溫度BCD值 結(jié)束置“+”標(biāo)志NY 圖10 計算溫度流程圖計算機溫度子程序： BIN_BCD:MOV 39H,37H MOV A,37H MOV B,#100 DIV AB MOV 38H,A MOV 37H,B XCH A,B MOV B,#10 DIV AB MOV 37H,A MOV 36H,B RET 3.9 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顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作，當(dāng)最高顯示位為0時將符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖11。溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器十位數(shù)0？百位數(shù)0？十位數(shù)顯示符號百位數(shù)不顯示百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)（不顯示符號） 結(jié)束NNYY 圖11顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖顯示數(shù)據(jù)子程序：READ_18200: MOV R4,#2 ; 將溫度高位和低位DS18B20中讀 RE00:MOV R2,#8RE01:CLR C SETB P2.0 NOP NOP CLR P2.0 NOP NOP NOP SETB P2