數(shù)字溫度計課程設計[1]

1、 摘要 在這個信息化高速發(fā)展的時代，單片機作為一種最經(jīng)典的微控制器，單片機技術已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個領域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術，作為自動化專業(yè)的學生，我們學習了單片機，就應該把它熟練應用到生活之中來。這里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時，可以報警。本文設計的數(shù)字溫度計具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫精確，數(shù)字顯示，適用范圍寬等特點單片機作為一種最經(jīng)典的微控制器。在工業(yè)生產(chǎn)中溫度是常用的被控參數(shù)，而采用單片機來對這些被控參數(shù)進行控制已成為當今的主流。本文介紹了數(shù)字溫度測量及自動控制系統(tǒng)的設計。關鍵詞：單

2、片機，數(shù)字控制，數(shù)碼管顯示，溫度計。 目錄摘要第1章 概述11.1 設計目的11.2 設計原理11.3 設計難點1第2章 系統(tǒng)總體方案設計22.1數(shù)字溫度計設計方案論證22.2 主控制器2第3章 系統(tǒng)整體硬件電路設計8第4章 系統(tǒng)軟件設計114.1初始化程序114.2讀出溫度子程序124.3讀、寫時序子程序134.4 溫度處理子程序144.5 顯示程序與延時程序16第5章 系統(tǒng)仿真分析.165.1 系統(tǒng)原理圖.195.2系統(tǒng)仿真圖.20結束語.21參考文獻.21致謝.22附錄. .232第1章 概述1.1設計目的隨著人們生活水平的不斷提高,單片機控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便

3、也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計就是一個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施就需要從數(shù)單片機技術入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。本設計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，可廣泛用于食品庫、冷庫、糧庫、溫室大棚等需要控制溫度的地方。目前,該產(chǎn)品已在溫控系統(tǒng)中得到廣泛的應用。1.2設計原理本系統(tǒng)是一個基于單片機AT89S52的數(shù)字溫度計的設計，用來測量環(huán)境溫度，測量范圍為-50110度。整個設計系統(tǒng)分為4部分：單片機控制、溫度

4、傳感器、數(shù)碼顯示以及鍵盤控制電路。整個設計是以AT89S52為核心，通過數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)環(huán)境溫度的采集和A/D轉換，同時因其輸出為數(shù)字形式，且為串行輸出，這就方便了單片機進行數(shù)據(jù)處理，但同時也對編程提出了更高的要求。單片機把采集到的溫度進行相應的轉換后，使之能夠方便地在數(shù)碼管上輸出。LED采用四位一體共陰的數(shù)碼管。1.3設計難點此設計的重點在于編程，程序要實現(xiàn)溫度的采集、轉換、顯示和上下限溫度報警，其外圍電路所用器件較少，相對簡單，實現(xiàn)容易。第2章 系統(tǒng)總體硬件設計2.1數(shù)字溫度計設計方案論證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

5、電壓或電流采集過來，進行A/D轉換后，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轉換電路，感溫電路比較麻煩。進而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，進行轉換，就可以滿足設計要求。 2.2總體設計框圖 溫度計電路設計總體設計方框圖如圖2.1所示，控制器采用單片機AT89S52，溫度傳感器采用DS18B20，用4位共陰LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示。圖 2.1 總體設計框圖2.2.1 主控制器單片機AT89S52

6、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)的設計需要，適合便攜手持式產(chǎn)品的設計使用。AT89S52單片機芯片具有以下特性：1）指令集合芯片引腳與Intel公司的8052兼容；2）4KB片內在系統(tǒng)可編程FLASH程序存儲器；3）時鐘頻率為033MHZ；4）128字節(jié)片內隨機讀寫存儲器（RAM）；5）6個中斷源，2級優(yōu)先級；6）2個16位定時/記數(shù)器；7）全雙工串行通信接口；8）監(jiān)視定時器；9）兩個數(shù)據(jù)指針；2.2.2 顯示電路 顯示電路采用4位共陰LED數(shù)碼管，從P0口輸出段碼，P2.0P2.3作片選端。但在焊電路板的時候發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管亮度不夠，所以在P2.0P2.3端口接四

7、個10K的電阻和四個NPN的三極管，以使數(shù)碼管高亮顯示。2.2.3溫度傳感器 DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司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)9-12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，無須經(jīng)過其它變換電路；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；內含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM；可通過數(shù)據(jù)線供電，內含寄生電源，電壓范圍為3.05.5；零待機功耗；溫度以或位數(shù)字；用戶可定義報警設置； 報警搜索命令識別并

8、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；測溫范圍為-55-+125，測量分辨率為0.0625采用單總線專用技術，DS18B20采用腳PR35封裝或腳SOIC封裝，其內部結構框圖如圖2.2所示。 圖2.2 DS18B20內部結構64位ROM的結構開始位是產(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，可通過軟件寫入用戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的

9、EERAM。高速暫存RAM的結構為字節(jié)的存儲器，結構如圖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，每次上電復位時被刷新。第個字節(jié)，為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數(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，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設置為，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉換的精度位數(shù)，來設置分辨率。溫度 LSB溫度 MSBTH用戶字節(jié)1TL用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留CRC 圖2.3 DS18B20字節(jié)定義 由下面表2.1可

10、見，DS18B20溫度轉換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。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，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉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換為十進制；當符號位時，表示測得的溫度值為負值，要先將

11、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的二進制溫度數(shù)據(jù)。表2.1 DS18B20溫度轉換時間表DS18B20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、T字節(jié)內容作比較。若TH或TTL，則將該器件內的報警標志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應。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

12、固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1；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，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(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置在55所對應的一個基數(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)，當減法計數(shù)器的預置值減到時，溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器的預置將重新被裝入，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

13、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)器的預置值，只要計數(shù)器門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。表2.2一部分溫度對應值溫度/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 111

14、1 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H2.3 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路圖2.4 DS18B20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2.4 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉，多個DS18B20

15、可以將2口串接到一條總線上，而本設計只用了一個DS18B20。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，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。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。第3章系統(tǒng)整體硬件電路設計3.1系統(tǒng)整體硬件電路系統(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，上下限報警調整電路，單片機主板電路等，單片機主板電路如圖3.1 所示：圖3.1 單片機主板電路圖3.1 中包括時鐘振蕩電路和按鍵復位電路，按鍵復位電路是上電復位加手動復位，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復位，這樣就不用在重起單片機電源，就

16、可以實現(xiàn)復位。另外擴展電路中，蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內時，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，這時可以調整報警上下限，從而測出被測的溫度值。3.2 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P0和P3口,串口的發(fā)送和接收，采用4位共陰LED數(shù)碼管，從P0口輸出段碼，P2.0P2.3作片選端。但在焊電路板的時候發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管亮度不夠，所以在P2.0P2.3端口接四個10K的電阻和四個NPN的三極管，期望增加驅動電流，以使數(shù)碼管高亮顯示。圖3.2 溫度顯示電路第4章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉換命令子

17、程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。4.1初始化程序DQ置1短延時DQ置0延時450usDQ置1延時15-60us延時至少60usX=DQ結束X=DQ 、圖4.1 初始化程序流程圖4.2讀出溫度子程序初始化發(fā)跳過ROM指令開始溫度轉換延時2ms初始化寫入跳過ROM、讀取暫存器和CRC字節(jié)指令讀取溫度的低八位和高八位取中間八位結束讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的2字節(jié)，讀出溫度的低八位和高八位，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4.2所示 圖4.2讀溫度程序流程圖4.3讀、寫時序子程序讀寫的程序是本次設計中的重點和難點，通過我們對其時序的分

18、析，從而寫出高效的程序。寫1，0時序讀0，1時序DQ=0延時15usdat&=0x01dat>>1延時45usDQ=1結束 延時程序： DQ置1短延時DQ置0延時450usDQ置1延時15-60us延時至少60usX=DQ結束X=DQ 圖4.3延時程序4.4 溫度處理子程序計算溫度子程序將RAM中讀取值進行BCD碼的轉換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖4.4所示取反flag=1開始flag=0ht>128?求百位、十位、個位和小數(shù)位bai=0？shi=0?顯示個位和小數(shù)位顯示十位顯示百位結束NNYN N 圖4.4 溫度處理程序流程圖 4.5 顯示程序送位

19、選位選值左移n位送段碼n=2?P0.7=0延時1ms關斷位選結束此函數(shù)實現(xiàn)的對數(shù)碼管顯示的處理，其亮點在于可以直接對數(shù)碼管進行操作，其本身是個兩變量函數(shù)，第一個變量是要開通的位選，第二個變量是要顯示的數(shù)據(jù)，這樣我們可以直接方便而又簡單直觀的對數(shù)碼管進行操作。程序流程圖如圖12。 N 圖4.5顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖4.6延時程序延時程序主要分為短延時和長延時，短延時如果要求十分的精確可以采用定時器，如果要求不太高的話可以采用普通函數(shù)的疊加，可以近似時間的延時。長延時同樣的道理，不過要求不是很精確的話，可以采取語言結構的循環(huán)來實現(xiàn)延時。具體程序如下:/近乎精確的短延時，采用標準庫里的_nop_()函數(shù)

20、，此函數(shù)一個延時為22微秒左右；void delay15(uint n) do _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); n-; while(n);/長延時，用于不太嚴格的延時void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=50;y>0;y-);表4.1 delay15（）延時函數(shù)的取值采樣：n的取值1234101520222324時間17us48us69us9

21、0us216us321us426us468us489us510us第5章 系統(tǒng)仿真分析5.1仿真軟件 Protues軟件是英國公司開發(fā)的電路分析與仿真軟件，集原理圖設計，電路分析，仿真和PCB設計與一體，配有各種信號源和電路分析所需的各種儀表，它從根本上克服了傳統(tǒng)電子產(chǎn)品設計中沒有物理模型就無法對系統(tǒng)進行測試的缺點，是國內外唯一能仿真CPU的電子設計仿真軟件。5.2 輸入仿真原理圖和程序打開protues軟件，輸入仿真原理圖和程序。圖5.1總體原理圖5.3調試系統(tǒng)的調試以程序為主。硬件調試比較簡單，首先檢查電路的焊接是否正確，然后可用萬用表測試或通電檢測。軟件調試先編寫顯示程序并進行硬件的正確

22、性檢驗，然后分別進行主程序、讀出溫度子程序、溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新等子程序的編程及調試，由于DS18B20與單片機采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，我對DS18B20進行讀寫編程時嚴格地保證讀寫時序，以防無法讀取測量結果。本程序采用單片機匯編編寫，用KEIL編程調試。軟件調試到能顯示溫度值，而且在有溫度變化時（例如用手去接觸）顯示溫度能改變就基本完成。性能測試時，我用制作的溫度計和已有的成品溫度計來同時測量比較，由于DS18B20的精度很高，所以誤差指標可以限制在0.1以內，另外-55+125的測溫范圍使得該溫度計完全適合一般的應用場合，其低電壓供電特性可做成用電池供電的手持電子溫度計。在DS18B2

23、0測溫程序設計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)，所以我在進行DS18B20硬件連接和軟件設計時給與了一定的重視。5.2仿真結果仿真結果如圖5.2所示：圖5.2 仿真結果圖結束語 在本次設計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，雖然以前還做過這樣的設計但這次設計真的讓我長進了很多，單片機課程設計重點就在于軟件算法的設計，需要有很巧妙的程序算法，雖然以前寫過幾次程序，但我覺的寫好一個程序并不是一件簡單的事，舉個例子，以前寫的那幾次，數(shù)據(jù)加減時，我用的都是BCD碼，這一

24、次，我全部用的都是16進制的數(shù)直接加減，顯示處理時在用對不同的位，求商或求余，感覺效果比較好。還有時序的問題，通過這次的設計我明白了時序才真正是數(shù)字芯片的靈魂，所有的程序我們都可以通過對其時序的理解來實現(xiàn)對其操作，同時體會到了單總線結構的魅力。 從這次的課程設計中，我真真正正的意識到，在以后的學習中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，學習單機片機更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次課程設計中的最大收獲。 參考文獻1 余發(fā)山，王福忠.單片機原理及應用技術M.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，20032 張毅剛. MCS-51單片機原理及應用M. 哈爾濱：哈爾濱

25、工業(yè)大學出版社，20033 吳金戌，沈慶陽，郭庭吉.8051單片機實踐與應用M.北京：清華大學出版社，2002.4 高峰，單片微型計算機與接口技術M.北京：科學出版社，2003.7 林伸茂. 8051單片機徹底研究經(jīng)驗篇 M.北京：人民郵電出版社，2004，致謝在本次課程設計中，不僅自己付出了很多心血，也得到了很多老師和同學的支持，為我創(chuàng)造了很多有利條件，在這里，我要特別感謝我的導師彭森老師，在課程設計的開始，單老師給了我很多幫助，指導我了解了很多單片機的相關知識，并在當我設計遇到困難時，及時的給予幫助和鼓勵，同時，對我其他學科的鼓勵也滲透在課程設計的同時，給了我莫大的信心，為我順利完成設計起

26、到了非常重要的作用。同時。我還要感謝所有老師，為我的設計提供了非常便利的條件。最后還要感謝幫助我的同學，在我遇到困難時給予我耐心的幫助。再次對在本次課程設計中給予過我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W獻上我最真摯的謝意。附錄：源程序代碼：#include <reg52.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define duaP2#define max36/#define min 0sbit DQ=P17;sbit din=P07;sb

27、it beep=P30;/*uchar tab=0xc0,0xf9,0xa4,0xB0,0x99,/"0" "1" "2" "3""4" 0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff,0xbf,0xc6; /共陽； / "5" "6""7""8""9" "滅""-" 'c' */uchar tab=0x3f,0x06,0x5b,

28、0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x00,0x40; uchar tab216=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;uchar d1,d2,ht,bai,b,shi,ge;uint tem;/近乎精確的短延時，采用標準庫里的_nop_()函數(shù)，此函數(shù)一個延時為22微秒左右；void delay15(uint n) do _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

29、_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); n-; while(n);/長延時，用于不太嚴格的延時void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=50;y>0;y-);/初始化函數(shù)void init()uchar x=1;while(x)DQ=1;_nop_();DQ=0;delay15(23); /最小480us；DQ=1;delay15(2);/存在檢測高電平最小15us； x=DQ;delay15(22);/ 存在檢測低電平最小240us；x=DQ;DQ=1; void

30、 write(uchar dat)uchar i;for(i=8;i>0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0;DQ=dat&0x01;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();delay15(3);dat>>=1;DQ=1;_nop_();/讀一個字節(jié)；read()uchar i;uchar dat=0;for(i=8;i>0;i-)DQ=1;dat>>=1;_nop_();DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/十五微秒不變；DQ=1;_nop_();