DSB溫度計課程設(shè)計完整版

1、目 錄1前言11.1設(shè)計背景11.2設(shè)計目標11.3實施計劃12總體方案設(shè)計22.1方案比較22.1.1方案一基于熱敏電阻的溫度計設(shè)計22.1.2方案二基于SHT71的數(shù)字溫度計設(shè)計22.1.3方案三基于DS18B20的數(shù)字溫度計設(shè)計32.2方案論證32.3方案選擇43硬件設(shè)計53.1單元模塊設(shè)計53.1.1時鐘和復位電路53.1.2報警電路53.1.3數(shù)碼顯示電路63.1.4電源電路73.1.5按鍵電路73.1.6串口通信電路83.2核心器件介紹83.2.1單片機STC89C52介紹83.2.2DS18B20介紹94軟件設(shè)計114.1溫度采集模塊124.2溫度設(shè)定模塊144.3報警模塊155

2、系統(tǒng)整合調(diào)試165.1硬件調(diào)試165.2軟件調(diào)試166系統(tǒng)功能、指標參數(shù)186.1系統(tǒng)功能186.2系統(tǒng)指標參數(shù)測試186.3系統(tǒng)功能及指標參數(shù)分析197結(jié)論208總結(jié)與體會219參考文獻2210附錄一：基于DS18B20數(shù)字溫度計的設(shè)計原理圖2311附錄二：基于DS18B20數(shù)字溫度計的設(shè)計PCB圖2412附錄三：基于DS18B20數(shù)字溫度計的設(shè)計的實物圖2513附錄四：基于DS18B20數(shù)字溫度計的設(shè)計C語言程序261 前言自動控制領(lǐng)域中，溫度檢測與控制占有很重要的地位。溫度檢測在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研和在人們的生活中得到廣泛的運用。目前，溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字集成式方向飛速發(fā)出，單片機也是

3、人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計就是一個典型的例子，人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好更方便的設(shè)施就需要從單片機技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。本文就是基于此目的介紹基于單片機和數(shù)字溫度傳感器的溫度計設(shè)計。1.1 設(shè)計背景隨著現(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與顯示系統(tǒng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻的成本低，需要外加信號處理電路，而且可靠性相對較差，測溫準確度低，檢測系統(tǒng)也有一定的誤差。與傳統(tǒng)的溫度計相比，這次設(shè)計的是基于DS18B20的數(shù)字溫度計，它具

4、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。1.2 設(shè)計目標在本設(shè)計中選用AT89C52型單片機作為主控制器件，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為測溫元件，通過8位共陽極LED數(shù)碼顯示管并行傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示。本設(shè)計的內(nèi)容主要分為三部分，一是系統(tǒng)硬件設(shè)計，包括溫度采集電路和顯示電路；二是對系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計，應(yīng)用C語言實現(xiàn)溫度的采集與顯示；三是通過與設(shè)定溫度比較，不在此范圍內(nèi)時實現(xiàn)報警功能。通過DS18B20直接讀取被測溫度值，送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，之后進行輸出顯示，最終完成了數(shù)字溫度計的總體設(shè)計。其系統(tǒng)構(gòu)成簡單，信號采集效果好，數(shù)據(jù)處理速度快，便于實際檢測使用。1.

5、3 實施計劃 首先查閱相關(guān)資料確定其方向?qū)φ麄€設(shè)計有整體的規(guī)劃、構(gòu)思。然后選擇三種方案，簡述其實現(xiàn)原理，分別對三種方案進行論證比較，確定一種方案。緊接著對選定方案進行單元模塊設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)總體調(diào)試、系統(tǒng)功能指標分析驗證。最后得出結(jié)論，完成報告。2 總體方案設(shè)計通過查閱大量相關(guān)技術(shù)資料，并結(jié)合自己的實際知識，我們主要提出了三種技術(shù)方案來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面我首先對這三種方案的實現(xiàn)原理分別進行說明，并分析比較它們的特點，然后再選擇方案并闡述我選擇方案的原因。2.1 方案比較 我設(shè)計了三種方案：方案一基于熱敏電阻的溫度計設(shè)計；方案二為基于SHT71的數(shù)字溫度計設(shè)計；方案三是基于DS18B20的數(shù)

6、字溫度計設(shè)計。2.1.1 方案一基于熱敏電阻的溫度計設(shè)計方案一主要由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路、數(shù)碼顯示電路組成。采用合肥三晶電子有限公司生產(chǎn)的SJMFE-347-103F型熱敏電阻。采集的模擬溫度值輸入A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換采用LM331型U/f變換器來實現(xiàn)。U/f變換器把電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號。由熱敏電阻的電阻溫度特性表可以求出每個溫度點所對應(yīng)的UIN，再由公式FOUT=256*UIN計算出每個溫度點所對應(yīng)的輸出頻率，進而由單片機處理顯示被測量的溫度值。溫度信號處理由于熱敏電阻是非線性的器件，所以溫度與頻率輸出成非線性，需要補償溫度。單片機利用查表法實現(xiàn)溫度補償。所謂查

7、表法是把事先計算或測量的數(shù)據(jù)按一定的順序排列成表格的形式，固化在單片機內(nèi)。只要測量出LM331的頻率值，就可以通過查表法準確的得出環(huán)境的溫度值。再交由單片機驅(qū)動數(shù)碼管顯示溫度。這樣就實現(xiàn)了溫度的采集與顯示。2.1.2 方案二基于SHT71的數(shù)字溫度計設(shè)計方案二主要由數(shù)字溫度傳感器、單片機控制電路、數(shù)碼顯示電路組成。SHT71將溫度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一個芯片上。SHT11先利用傳感器產(chǎn)生溫度信號；經(jīng)放大送至A/D 轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、校準和糾錯；由2線接口將信號送至微控制器；再利用微控制器完成相對濕度的非線性補償和溫度補償。SHT71測量過程包括4 個部分

8、:啟動傳輸、發(fā)送測量命令、等待測量完成和讀取測量數(shù)據(jù)。在啟動傳輸時序之后, 微控制器可以向SHT71 發(fā)送命令，SHT71則通過在數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡?個SCK時鐘周期下降沿之后,將DATA拉低來表示正確接收到命令,并第9個SCK時鐘周期的下降沿之后釋放DATA線(即恢復高電平)，SHT71則通過拉低DATA表示測量結(jié)束,并且把測量結(jié)果存儲在內(nèi)部的存儲器內(nèi),然后自動進入空閑狀態(tài),等微控制器執(zhí)行完其他任務(wù)后再來讀取。測量數(shù)據(jù)讀取前,微控制器先重新啟動SCK,接著2字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1字節(jié)的CRC 校驗將由SHT71傳送給微控制器。2字節(jié)的測量數(shù)據(jù)是從高字節(jié)的高位開始傳送,并以CRC 校驗字節(jié)的確認為表示通

9、信結(jié)束。微控制器需要通過拉低DATA來確認接收的每個字節(jié),若不使用CRC校驗位則微控制器可以在接收完測量數(shù)據(jù)的最低位后保持DATA為高電平來終止通信。單片機只需將讀取傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過驅(qū)動數(shù)碼管顯示即可。2.1.3 方案三基于DS18B20的數(shù)字溫度計設(shè)計方案三主要也由數(shù)字溫度傳感器、單片機控制電路、數(shù)碼顯示電路組成。DS18B20 測量溫度采用了特有的溫度測量技術(shù)。它是通過計數(shù)時鐘周期來實現(xiàn)的。低溫度系數(shù)振蕩器輸出的時鐘信號通過由高溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門周期而被計數(shù)。計數(shù)器被預置在與- 55 相對應(yīng)的一個基權(quán)值。如果計數(shù)器在高溫度系數(shù)振蕩周期結(jié)束前計數(shù)到零,表示測量的溫度值高于- 55,被預置在

10、- 55 的溫度寄存器的值就增加1,然后重復這個過程,直到高溫度系數(shù)振蕩周期結(jié)為止這時溫度寄存器中的值就是被測溫度值,這個值以16 位形式存放在便箋式存貯器中,此溫度值可由主機通過發(fā)存貯器讀命令而讀出,讀取時低位在前,高位在后。斜率累加器用于補償溫度振蕩器的拋物線特性。讀出的二進制數(shù)可以直接轉(zhuǎn)換為十進制由單片機驅(qū)動數(shù)碼管顯示輸出。2.2 方案論證 方案一：熱敏電阻溫度傳感器的特點是自身的電阻值隨溫度而變化。熱敏電阻是利用半導體材料制成的敏感組件，通常所有的熱敏電阻溫度傳感器都是具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻，它的電阻率受溫度的影響很大，而且隨溫度的升高而減小。其優(yōu)點是靈敏度高，體積小，壽命長，工作穩(wěn)

11、定，易于實現(xiàn)遠距離測量；缺點是互換性差，非線性嚴重。它的測量范圍一般為-10+300，也可做到-200+10，甚至可用于+300+1200環(huán)境中作測溫用。熱敏電阻器溫度計的精度可以達到0.1，感溫時間可少至10s以下。 方案二：SHT7I是瑞士Sens on公司生產(chǎn)的具有二線串行接口的單片全校準數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器,可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數(shù),具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標定、免外圍電路及全互換的特點該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)揮出強大的優(yōu)勢互補作用。由于SHT71是I2C總線結(jié)構(gòu)的串行數(shù)據(jù)傳送，它只需要DATA和SCK兩根線完成數(shù)據(jù)的傳送過程。因此，我

12、們在進行程序設(shè)計的時候，也得按著I2C協(xié)議來對SHT71芯片數(shù)據(jù)訪問。對于STC89C52單片機本身沒有I2C硬件資源，所以必須用軟件來模擬I2C協(xié)議過程。一般使用單片機通用I/ O 口線來虛擬I2C 總線,并利用P1. 0 來虛擬數(shù)據(jù)線DATA ,利用P1. 1 口線來虛擬時鐘線,并在DATA 端接入一只4. 7k 的上拉電阻,同時,在VDD及GND 端接入一只0. 1F 的去耦電容。溫度測量范圍：-40+123.8；溫度測量精度：±0.425；響應(yīng)時間：<4s；低功耗 (typ. 30µW)。SHT71是一種全新的基于智能傳感器設(shè)計理念的新型傳感器，該傳感器將溫度

13、傳感器、信號調(diào)理、數(shù)字變換、串行數(shù)字通信接口、數(shù)字校準全部集成到一個高集成度、體積極小的芯片當中，實現(xiàn)了溫度傳感器的數(shù)字式輸出、且免調(diào)試、免標定、免外圍電路。極大方便了溫度傳感器在測控領(lǐng)域的應(yīng)用，因而該傳感器在數(shù)字式溫濕度測控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景方案三：DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導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。溫范圍55125，在-10+85時精度為±0.5；可編程 的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0

14、625，可實現(xiàn)高精度測溫，典型的轉(zhuǎn)換時間為200ms；用戶可以設(shè)定溫度的上下限；獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。DS1820具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，所以在測量領(lǐng)域得到廣泛的運用。2.3 方案選擇現(xiàn)代傳感器在原理和結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測控環(huán)境合理地選擇傳感器，是單片機測控系統(tǒng)首先要解決的問題。當傳感器選定后，與之相配套的測控電路也就可以確定了。測控結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選擇是否合理。作為單片機控制系統(tǒng)的前向通道的關(guān)鍵部件，在選擇傳感器時應(yīng)

15、考慮以下幾個方面的：根據(jù)測控對象與測控環(huán)境確定傳感器的類型；靈敏度的選擇，通常情況下，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好；頻率響應(yīng)特性，頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，頻率響應(yīng)好，可測信號的頻率范圍就越寬；線性范圍，線性范圍越寬，其量程越大，并且能保證一定的精度；穩(wěn)定性，穩(wěn)定性是指其性能保持不變化的能力；精度的選擇，傳感器的精度越高，其價格越貴，因此傳感器的精度只是滿足整個測控系統(tǒng)的精度要求就可以了，不必選得過高。方案的選擇即是傳感器的選擇。對比三種方案可以得知，方案一是采用模擬式溫度傳感器，方案二和方案三都采用數(shù)字式溫度傳感器。模擬式溫度傳感器輸出的是隨溫度變化的模擬量信號

16、。其特點是輸出響應(yīng)速度較快和MPU接口復雜。熱敏電阻精度低，靈敏度高，價格最低。數(shù)字式溫度傳感器輸出的是隨溫度變化的數(shù)字量，更直觀，與模擬輸出相比，它輸出速度響應(yīng)較慢，但容易與MPU接口。能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量；能以最簡方式構(gòu)成高性價比、多功能的智能化溫度控制系統(tǒng)；能在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件編程來實現(xiàn)測試功能。所以數(shù)字式溫度傳感器才是今后發(fā)展的方向。而SHT71與DS18B20相比，前者精度較高，轉(zhuǎn)換速度較快，但性價比不高，單片價格在一百左右，DS18B20相對而言價格較低在十塊左右?？紤]到我們設(shè)計的目的和要求不是很精密嚴格。所以我們選擇方案三以DS18B20數(shù)字溫度傳感器進行后續(xù)設(shè)計

17、。3 硬件設(shè)計本節(jié)主要介紹系統(tǒng)中單片機STC89C52外圍電路重要模塊的功能和電路原理圖分析。并對電路中的核心器件進行必要的說明。3.1 單元模塊設(shè)計3.1.1 時鐘和復位電路 圖3.1晶振電路 圖3.2 復位電路 單片機STC89C52使用的時鐘電路比較簡單，我們采用的是晶體振蕩器產(chǎn)生時鐘源。XTAL1（X1）為反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2(X2)是來自反向振蕩器的輸出，分別接到單片機的19腳和18腳。為了方便使用其他晶振，所以我們使用插座來安裝晶振，其電路原理圖如圖3.1所示。單片機復位電路的設(shè)計如圖3.2所示。該復位電路采用手動復位與上電復位相結(jié)合的方式。當按

18、下按鍵S22時，VCC通過R22電阻給復位輸入端口一個高電平，實現(xiàn)復位功能，即手動復位這樣就不用在重起單片機電源。上電復位就是VCC通過電阻R2和電容C構(gòu)成回路，該回路是一個對電容C充電和放電的電路，所以復位端口得到一個周期性變化的電壓值，并且有一定時間的電壓值高于CPU復位電壓，實現(xiàn)上電復位功能。3.1.2 報警電路圖3.3 報警電路報警電路用一個三極管驅(qū)動一只蜂鳴器組成，驅(qū)動信號由芯片的管腳IN1T控制。當顯示的溫度不在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，即不在TL與TH之間則驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲報警，其電路如圖3.3所示。3.1.3 數(shù)碼顯示電路圖3.4 數(shù)碼顯示電路數(shù)碼顯示電路主要作用是用來顯示實際的環(huán)境溫度

19、值。通過單片機控制實現(xiàn)數(shù)碼管動態(tài)顯示，即溫度值實時刷新。實際的電路中我們采用靜態(tài)驅(qū)動，這樣程序電路都比較簡單，顯示亮度也高，但占用的I/O口比較多。動態(tài)驅(qū)動需要增加譯碼驅(qū)動，增加了硬件的復雜性。P0口驅(qū)動連接數(shù)碼管的位碼，即選通8個數(shù)碼管；P2口驅(qū)動連接數(shù)碼管的段碼，即輸出要顯示的溫度值。選通數(shù)碼管是通過P0口接上拉電阻再接三極管9012。由于9012是PNP型三極管，所以單片機選通某個片選時就給對應(yīng)的三極管一個低電平，此時三極管處于飽和區(qū)，飽和導通就相當于開關(guān)開路；反之高電平處于截止區(qū)，截止可以當作開關(guān)斷開。在數(shù)碼管動態(tài)顯示中,只要掃描的時間足夠快,雖然在一個時刻只有一位數(shù)碼管發(fā)光,但卻可以

20、看到8 位數(shù)碼管“同時”顯示的效果。電路原理圖如圖3.4所示。3.1.4 電源電路 圖3.5 5V電源電路電源電路主要是為系統(tǒng)提供電源，因為單片機STC89C52需要供電5V，而外圍電路可以用5V電源。電路可以由電源變壓器T、電橋U、電容C以及芯片7805組成。電源是由電源變壓器T降壓后送入電橋U整流再經(jīng)C濾波，然后由CW7805穩(wěn)定后提供給電路工作。由于我們需要在通過計算機下載程序，而USB輸出電壓也剛好是5V，所以我們?yōu)榱朔奖悴捎肬SB供電。原理圖如圖3.5所示。3.1.5 按鍵電路圖3.6 按鍵電路按鍵電路具體電路如圖3.7所示。在本次設(shè)計中，我們只用到三個按鍵，分別為S18，S19，S

21、20，由于S21用的是單片機P3.3口，而P3.3口是按鍵和蜂鳴器的復用口，為了簡便，我們沒有用到此按鍵。S18按鍵為調(diào)整鍵，此按鍵按下一次，則為調(diào)整上限值，按下兩次則為調(diào)整下限值，按下三次則將設(shè)定的上限值和下限值寫入到傳感器中，并恢復到正常測溫模式。S19為遞增按鍵，當按下此鍵時，上限值或下限值增加1，S20為遞減鍵，按下此鍵，上限值或下限值減少1 。3.1.6 串口通信電路圖3.7 串行通信電路Max232是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。該器件包含2個驅(qū)動器、2個接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標

22、準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。3.2 核心器件介紹3.2.1 單片機STC89C52介紹單片機STC89C52RC是8位高性能MCU，超低功耗：掉電模式下典型功耗<01 LLA，空閑模式下典型功耗2 mA正常工作模式下典型功耗4 7 mA 具有8k

23、F1ash存儲器、512 kB RAM、2k E2pROM、降低EMI功能、ISP(在系統(tǒng)可編程)功能 單片機內(nèi)部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理是真正的看門狗可放心省去外部看門狗 缺省為關(guān)閉打開后無法關(guān)閉，單倍速和雙倍速可反復設(shè)置。單片機STC89C52和各個模塊的接口主要是對STC89C52的I/O口進行約束，規(guī)定其為輸出還是輸入，輸入主要是按鍵電路部分和時鐘，輸出則為報警和顯示部分，其I/O分配如下圖3.8所示。圖3.8單片機STC89C52 I/O接口電路3.2.2 DS18B20介紹DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式傳感器，具有3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測量范圍為-55攝

24、氏度到+125攝氏度，可編程為9到12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625攝氏度，被側(cè)溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用問處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH個TL、配置寄存器。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625攝氏度/LSB形式表達，其中S為符號位。例如+125攝氏度的數(shù)字輸出為07DOH，+25.0625

25、攝氏度的數(shù)字輸出為0191H,-25.0625攝氏度的數(shù)字輸出為FF6FH,-55攝氏度的數(shù)字輸出為FC90H.DS18B20采用一線通信接口。因為一線通信接口，必須在先完成ROM設(shè)定，否則記憶和控制功能將無法使用。主要首先提供以下功能命令之一：讀ROM指令0X33， ROM匹配指令0X55，搜索ROM指令0XF0， 跳過ROM指令0XCC， 報警檢查指令0XEC。這些指令操作作用在沒有一個器件的64位光刻ROM序列號。 圖3.9 DS18B20的兩種封裝形式 圖 3.10 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計關(guān)鍵在于DS18B20的使用。DS18B20屬于單線式器件，它在一根數(shù)據(jù)線上

26、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，這就需要一定的協(xié)議，來對讀寫數(shù)據(jù)提出嚴格的時序要求，而STC89C52單片機并不支持單線傳輸，因此必須采用軟件的方法來模擬單線的協(xié)議時序。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各為數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。主機操作單線器件DS18B20必須遵循一定的順序。系統(tǒng)的主程序主要通過初始化，鍵盤掃描，獲取溫度，顯示溫度，報警等子程序?qū)崿F(xiàn)。通過一個循環(huán)設(shè)置，使系統(tǒng)不斷地進行對溫度的檢測。下圖為本系統(tǒng)主程序的設(shè)計流程，各個模塊的設(shè)計見下文。軟件設(shè)計具體程序見附錄四。開始初始化鍵盤掃描溫度采集報警顯示溫度YN圖4.1主程序設(shè)計流程圖4.1 溫度采集模塊溫度采集包括初始化DS18B20子程序

27、；讀DS18B20子程序；寫DS18B20子程序；獲得溫度子程序。DS18B20初始化需要這幾個過程先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”，延時10 us；再將數(shù)據(jù)線拉到低電平“0” 延時500 us；然后再數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”，高電平保持60us，判斷DS18B20是否發(fā)出低電平信號，跟據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應(yīng)注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時控制；若CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后，根據(jù)時序要求還要做延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平算起最少要480 us時間；最后將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“1”后結(jié)束。需要注意的是每次采集溫度的時候都需要初始化。DS18B20發(fā)

28、出高電平初始化成功，返回flag=1表示DS18B20初始化成功。讀DS18B20也需要幾個流程：先將數(shù)據(jù)線拉高“1” 延時2us時間；再將數(shù)據(jù)線拉低“0” 延時10 us；然后將數(shù)據(jù)線拉高“1” 延時8us讀取1位數(shù)據(jù)，讀取1位數(shù)據(jù)后延時50us時間；最后通過讀取1位右移1位循環(huán)進行分別讀出8位即一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。程序中我們把讀取的第一字節(jié)存templ中，讀取的第二字節(jié)存temph中。如果需要讀出設(shè)定的TH和TL值用于報警，這時也需將數(shù)據(jù)讀出。我們把讀取的第3字節(jié)存tempth 即TH的值；把讀取的第4個字節(jié)存temptl即TL的值。由于讀出的數(shù)據(jù)時二進制數(shù)顯示的時候是十進制。所以必須將讀出的

29、數(shù)據(jù)進行處理。先判斷符號位將temph的高5位與0xf8相與就可以知道正負。若為負值f=1，將templ和temph取反。轉(zhuǎn)換的時候我們將小數(shù)部分和整數(shù)部分分別轉(zhuǎn)換，小數(shù)部分templ與0x0f相與后的值乘以625就是小數(shù)部分的值，需要注意的是小數(shù)部分的值是用整數(shù)形式表示的；整數(shù)部分temph左移四位和 templ右移四位合并為一個字節(jié)就是整數(shù)部分的值。獲得溫度就是在前面操作的基礎(chǔ)上調(diào)用。先初始化DS18B20，發(fā)出跳過ROM匹配命令；再向DS18B20發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令顯示溫度，等待AD轉(zhuǎn)換，發(fā)跳過ROM匹配命令；最后發(fā)出讀溫度命令將讀出的溫度數(shù)據(jù)保存到tempint和tempdf處為顯示做準備

30、。下面兩個框圖為溫度采集流程圖和讀溫度兩個主要的流程圖。開始初始化DS18B20應(yīng)答脈沖？發(fā)起Skip Rom命令發(fā)起Convert T 命令延時750ms，等待溫度轉(zhuǎn)換完成初始化DS18B20應(yīng)答脈沖？發(fā)起 Read temperature命令讀取第1，2字節(jié)即為溫度數(shù)值NoNo 圖4.2 溫度采集流程圖 溫度顯示模塊主要包括顯示溫度子程序和延遲子程序。顯示溫度即把讀出的溫度傳遞過來分別顯示。我們是將數(shù)碼分為各個位動態(tài)掃描顯示。讀溫度程序中將小數(shù)部分和整數(shù)部分的值分別存放在tempint和tempdf中，符號位存放在f中。由于是分各個位顯示，所以必須對數(shù)進行取模運算，C語言提供了整除和求余數(shù)

31、運算，兩者相結(jié)合就可以取出各個位的模。由于我們是用數(shù)碼管顯示，第一位顯示符號位，f=0表示正溫度用“0”表示，f=1表示負溫度用“-”表示，“-”值可以用0xbf送到數(shù)碼管顯示。第四個數(shù)碼管需要顯示小數(shù)位，我們采用查表的方法將要顯示的帶小數(shù)的數(shù)模放在ledmap1中，需要顯示的時候再調(diào)用；一般數(shù)模放在ledmap中。顯示的時候采用循環(huán)的方式進行，先判斷符號位顯示在第一個數(shù)碼管，之后分別為百位、十位、個位、個分位、十分位、百分位和千分位。先送位碼再送段碼，每一位顯示完后延遲2us時間。在數(shù)碼管動態(tài)顯示中,由于掃描的時間足夠快,雖然在一個時刻只有一位數(shù)碼管發(fā)光,卻可以看到8 位數(shù)碼管“同時”顯示的

32、效果。下圖為溫度顯示流程框圖。溫度為正符號位顯示“0”符號位顯示“”整數(shù)部分顯示小數(shù)部分顯示溫度數(shù)據(jù)移入寄存器結(jié)束 圖4.3 溫度顯示流程圖4.2 溫度設(shè)定模塊溫度設(shè)定模塊主要由按鍵程序和顯示程序構(gòu)成。按鍵掃描電路掃描調(diào)整鍵S18是否按下，檢測到按鍵按下時，延時1ms,再次檢測按鍵是否按下，若檢測到按下，才確定此按鍵，本設(shè)計中每個按鍵設(shè)計都運用了防抖動功能，避免抖動產(chǎn)生的誤差。當檢測到按鍵S18按下一次時，顯示為設(shè)定的上限值，此時S19和S20分別遞增鍵和遞減鍵，在上限或下限沒超過125時，每次檢測到按下時則上限值增加或減少1，并將bb標志位置1。當S18被按下兩次時，顯示為設(shè)定的下限值，此時

33、S19和S20分別遞增鍵和遞減鍵，每次檢測到按下時則下限值增加或減少1，并將bb標志位置2。當S18被第三次按下時，bb標志位置3，此時恢復到正常的測溫模式，并將設(shè)定的上限值和下限值寫入到傳感器中。顯示程序顯示設(shè)定值的變化，當bb為0時，顯示測量到的溫度的值，當bb為1時，顯示上限值，并隨S19，S20按鍵按下的時上限值的變化而變化，當bb為2是，顯示下限值，并隨S19，S20按鍵按下時下限值的變化而變化。4.3 報警模塊報警模塊主要由由單片機輸出電平來驅(qū)動蜂鳴器構(gòu)成。當所測溫度超過設(shè)定的上限（TH值）或下限溫度（TL值）時置beepflag=1，表示溫度值越界。在調(diào)用報警子程序時先判斷bee

34、pflag的值，若為1則在蜂鳴器端口輸出低電平信號beep=0，蜂鳴器報警，延時1000us，蜂鳴器報警持續(xù)，再產(chǎn)生一個高電平信號beep=1，蜂鳴器停止報警，循環(huán)此過程，則蜂鳴器間隙性報警。在蜂鳴器報警的同時，DS18B20處于正常測溫狀態(tài)，并用數(shù)碼管顯示出來，并不斷閃爍。5 系統(tǒng)整合調(diào)試調(diào)試方法：寫好一段程序后不能急于上機調(diào)試，而是先進行邏輯分析、可行性分析。用KeilVision 2軟件進行調(diào)試，不能出現(xiàn)錯誤，警告可以有，只要不影響生成HEX文件即可。理解其實現(xiàn)的功能，預想程序應(yīng)該出現(xiàn)的結(jié)果。先進行軟件仿真，出現(xiàn)錯誤馬上修改，不斷進行。先一個模塊一個模塊的仿真，準確后再連線總體仿真。仿真

35、完后出現(xiàn)預期的效果后再下載程序到硬件進行驗證，往往還有問題，還得反復修改，編譯，調(diào)試，下載，驗證?？梢砸粋€模塊一個模塊的下載調(diào)試這樣就可以知道問題的所在。采用Proteus和Keil結(jié)合仿真的可以大大簡化軟、硬件電路的設(shè)計過程。5.1 硬件調(diào)試Proteus是英國Labeenter electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件。Proteus不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路的設(shè)計與仿真平臺，更是目前世界最先進、最完整的多種型號微控制器系統(tǒng)的設(shè)計與仿真平臺。它真正實現(xiàn)了在計算機上完成從原理圖設(shè)計、電路分析與仿真、單片機代碼級調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成PCB的完整電子設(shè)計與研發(fā)

36、過程。Proteus產(chǎn)品系列也包含了革命性的VSM技術(shù)，可以對基于微控制器的設(shè)計連同所有的外圍電子器件一起仿真。由于我們的設(shè)計外圍電路比較簡單實現(xiàn)的功能葉不是很復雜，所以在Proteus仿真時我們是將主程序直接下載到芯片中仿真，主要是驗證是否采集到溫度還有溫度是否顯示正確。仿真可以在實物沒有出來前進行先期的驗證。最后加上我們的擴展功能一起仿真調(diào)試。需要說明的是仿真正確不代表最后的下載程序不會出錯。我們在下載程序的時候也遇到一點小問題。比如在仿真的時候，三極管始終處于導通狀態(tài)，后來通過努力解決了這個問題。在實物做出來之前，我們采用Proteus仿真調(diào)試，通過將軟件編譯通過的程序下載到畫好的仿真圖

37、中，這樣便于檢查軟、硬件設(shè)計的不足。但是Proteus仿真也存在不足的情況，仿真模擬的是理想的環(huán)境，不會差生誤差但是實際的測試會出現(xiàn)一定的誤差。通過硬件仿真可以查找出硬件設(shè)計的不足。5.2 軟件調(diào)試 KeilVision 2是Keil公司關(guān)于8051系列MCU的開發(fā)工具，可以用來編譯C源碼、匯編源程序、連接和重定位目標文件和庫文件、創(chuàng)建HEX文件、調(diào)試目標程序等，是一種集成化的文件管理編譯環(huán)境。它集成了文件編輯處理、編譯連接、項目管理、窗口、工具引用和軟件仿真調(diào)試等多種功能，是相當強大的開發(fā)工具。實驗中我們采用KeilVision 2來對我們編寫的程序進行編譯、鏈接和生成HEX文件。在下載程序

38、出錯時進行必要的調(diào)試，再下載驗證。同時采用Proteus和Keil結(jié)合仿真的方法對設(shè)計的單片機測溫系統(tǒng)進行了虛擬仿真和性能檢測，得到了比較好的仿真結(jié)果和分析結(jié)果。結(jié)果證明采用Proteus和Keil結(jié)合仿真的可以大大簡化硬件電路的設(shè)計過程，可以降低單片機系統(tǒng)的開發(fā)成本、提高效率和開發(fā)速度，具有很好的實際應(yīng)用和指導意義。軟件仿真的優(yōu)勢在于，可以設(shè)置斷點、單步運行等，這在用實物調(diào)試是不能實現(xiàn)的，通過軟件仿真，可以知道程序哪兒出錯了，便于及時改正。若直接下載在芯片中用實物調(diào)試，只能知道程序錯了，只能去盲目查找程序的錯誤之處。在程序的編寫之中難免會出現(xiàn)一些無法錯誤，用KeilVision 2編譯會得到

39、及時的提示，方便立即修改，大大縮短了設(shè)計的時間，提高設(shè)計效率。在設(shè)計初期，我們通過軟件仿真發(fā)現(xiàn)了很多錯誤，比如語法錯誤，亂碼，字符閃爍問題，后來這些問題都一一克服，語法錯誤一樣是缺少括號，亂碼是由于共陰、共陽譯碼的錯誤，還有就是由于人眼的“滯留”問題，必須要位選，在進行譯碼。字符閃爍一般是由于延時過短等問題。這些問題都是通過軟件調(diào)試找出來的，從而說明軟件調(diào)試的必要性。6 系統(tǒng)功能、指標參數(shù)6.1 系統(tǒng)功能本設(shè)計實現(xiàn)的主要功能是通過DS18B20溫度傳感器采集溫度并通過8位七段數(shù)碼管顯示所測溫度，可顯示零度以下溫度，溫度測量范圍為-55-128，后四位顯示小數(shù)位。可以精確到小數(shù)點后4位，測量精度

40、為0.0625， 并可以產(chǎn)生報警。通過三個按鍵的配合使用可以設(shè)定溫度報警的上限值和下限值，當所測的溫度超過所設(shè)定的上限或下限溫度時產(chǎn)生報警信號，在報警的同時，系統(tǒng)處于正常的測溫模式，當溫度回到所設(shè)定的范圍時，報警停止。 6.2 系統(tǒng)指標參數(shù)測試 下圖是采用Proteus軟件對本系統(tǒng)溫度測量范圍的仿真，仿真模擬溫度輸入為-55，系統(tǒng)8位七段顯示數(shù)碼管顯示的也為-55，由于仿真軟件不考慮測量誤差，所以測量的溫度沒有誤差，做出的實物出現(xiàn)了一點誤差，但誤差在允許的范圍內(nèi)。 圖6. 1 對系統(tǒng)測量最低溫度仿真 下圖是采用Proteus軟件對本系統(tǒng)溫度測量范圍的仿真，仿真模擬溫度輸入為127，系統(tǒng)8位七段

41、顯示數(shù)碼管顯示的為127，本系統(tǒng)的測量溫度上限為128，若測量的溫度等于128，系統(tǒng)則輸出一個負數(shù)，這是由于DS18B20傳感器的對數(shù)據(jù)的處理所引起的，當所測的溫度剛好為128時，128用二進制表示為11111111，本傳感器處理數(shù)據(jù)的高五位為符號位，當出現(xiàn)11111111時，系統(tǒng)默認所測溫度為負數(shù)。 圖6.2 對系統(tǒng)測量最高溫度仿真通過以上兩個仿真驗證了本系統(tǒng)的溫度測量范圍，由于軟件仿真對報警的仿真不容易觀察，也不太容易記錄，所以我們對報警沒有通過軟件仿真，而是通過對事物的調(diào)試來實現(xiàn)。由于對溫度上下限的設(shè)定是一個動態(tài)的實現(xiàn)，所以我們也是通過實物演示來實現(xiàn)。6.3 系統(tǒng)功能及指標參數(shù)分析本設(shè)計

42、滿足實驗要求，可以測量的溫度范圍是-55-128，并通過8位七段數(shù)碼管顯示，顯示的第一位為符號位，后四位為小數(shù)位，由于DS18B20的分辨率很高，其固有分辨率為0.5，最高可達0.0625，所以本系統(tǒng)的分辨率為0.0625。在本設(shè)計中，我們充分利用了DS18B20的具有TH、TL寄存器的優(yōu)勢，通過對TH，TL寄存器進行賦值，可以實現(xiàn)設(shè)定溫度范圍，這樣可以使本系統(tǒng)不僅具有測溫的功能，還具備超過溫度范圍報警的功能，這樣的設(shè)計在實際工程中運用更加廣泛。在設(shè)計中，我們通過鍵盤可以設(shè)定溫度的上下限報警范圍，并將設(shè)定的上下限的的值寫入到寄存器中，刷新上次寫入的值，便于隨時調(diào)節(jié)的報警上限范圍。 7 結(jié)論經(jīng)過

43、將近四周的智能化課程設(shè)計，終于完成了我們的數(shù)字溫度計的設(shè)計。不僅完全達到設(shè)計要求溫度的采集和顯示，還在此基礎(chǔ)上增加了擴展功能超溫報警，就是采集的溫度不在我們自己設(shè)定的范圍內(nèi)時驅(qū)動蜂鳴器輸出報警信號。不僅利用Proteus完成了硬件仿真，還把實物都做了出來，并下載程序驗證成功，高興之余不得不深思呀！在本次設(shè)計的過程中，我們發(fā)現(xiàn)很多的問題。比如在硬件仿真時往往出現(xiàn)亂碼的情況，原因在于共陽數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管顯示時所送的段碼是不一樣的，所以我們將段碼取反，但仍然沒有成功，網(wǎng)上查閱資料找到問題的關(guān)鍵在于如果采用動態(tài)掃描的方法,控制程序先送段碼再送位碼,由于人眼的“滯留”效應(yīng),將會產(chǎn)生亂碼現(xiàn)象;為了讓顯示

44、器不顯示亂碼,其控制程序要么在每次顯示更新前先關(guān)閉顯示器再送段位及位碼,要么先送位碼再送段碼,都可解決這一問題。所以我們采用先送位碼再送段碼的方法解決了此問題。智能化課程設(shè)計重點就在于軟件算法的設(shè)計，雖然以前還做過這樣的設(shè)計但這次設(shè)計，但都比較簡單程序也不是很長也不需要有很巧妙的程序算法。這次軟件設(shè)計中讓我充分理解到了利用子程序的好處。在設(shè)計中也遇到很多問題比如溫度轉(zhuǎn)化的時候我們的程序看起來是合乎邏輯的但始終沒有小數(shù)部分的值，經(jīng)過多次調(diào)試修改終于顯示成功。還有很多下問題則不必累述。下載程序驗證的時候也出現(xiàn)問題，并沒有顯示實際的溫度，全是“0”，究其原因在于參數(shù)傳遞并沒有傳遞到顯示程序中。在這次

45、的智能化課程設(shè)計中，雖然我們已經(jīng)做出結(jié)果，但仍然有很多問題未得到解決。一是Proteus仿真正確但下載到實際的電路板中卻存在問題。二是當我們增加了擴展功能溫度報警后，溫度的分辨率卻減小了由原來的12位減小到9位，通過修改仍沒有解決。三是小組聯(lián)合調(diào)試沒有完成。我們可以將采集的溫度放到24C02存儲，在輸出在液晶屏上顯示，還可以利用采集的溫度大小來控制電機的轉(zhuǎn)速等等。希望以后有機會再次深入學習。這次設(shè)計讓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(shè)計中的最大收獲。8 總結(jié)與體

46、會就此次設(shè)計來看，我們所設(shè)計的電子體溫計原理電路較為簡單，此電路設(shè)計用到了一個單片機STC89C52、DS18B20、電阻、電源和簡單的外圍電路，因此設(shè)計的核心就是芯片DS18B20。由于此前對此芯片缺乏了解，所以此次設(shè)計的難點在編程，通過搜集和閱讀DS18B20的資料，以及本組成員的編譯和數(shù)天調(diào)試，攻克了程序設(shè)計的難題，使此次的課程設(shè)計取得突破性的成功。DS18B20 是一種傳感器精度高、互換性好;它直接將溫度數(shù)據(jù)進行編碼,可以只使用一根電纜傳輸溫度數(shù)據(jù),通信方便,傳輸距離遠且抗干擾性好的數(shù)字溫度傳感器。所構(gòu)成的系統(tǒng)以簡單,且系統(tǒng)擴充維護十分方便。DS18B20 可以廣泛用于工廠工業(yè)過程、大

47、型糧倉、釀酒廠,食品加工廠的溫度檢測以及賓館、儀器儀表室等處的溫度檢測和控制.在軟件基本實現(xiàn)的情況下，我們做出實驗電路板，下載程序進行調(diào)試，實現(xiàn)了溫度的顯示的基本功能，后進行程序改進，擴展了功能，實現(xiàn)溫度上下線的設(shè)置和溫度報警功能。通過這次智能化設(shè)計使我學習到了很多的東西，不僅加深了對專業(yè)知識的理解，而且更好地把理論知識與實踐相結(jié)合，提高了自身的動手能力和實踐水平，增強了學習單片機系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計的興趣。 經(jīng)過近一個月的緊張忙碌，我們的課程設(shè)計也幾近結(jié)束。此次課程設(shè)計，我們不僅實現(xiàn)了軟件平臺上的仿真，而且還做出了實物，經(jīng)過調(diào)試改進，實現(xiàn)了一些硬件功能。理論聯(lián)系實際，讓我們在實踐中去更好的理解和運

48、用我們所學到的知識，獲益匪淺。在此設(shè)計期間，老師給了我們很大的幫助，衷心感謝我們的指導教師王維博老師，老師在設(shè)計和調(diào)試的各個階段給了我們很大的寶貴意見和悉心指導。同時感謝我們的小組成員，大家發(fā)揮各自所長，分工協(xié)作，使我們的設(shè)計能夠有條不紊，高效率的進行，團隊合作給了我們設(shè)計很大的推動力。9 參考文獻1 于永.51單片機C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計實例精講M.北京：電子工業(yè)出版社，20082戴永成等.基于DS18B20的數(shù)字溫度測量儀J.北華航天工業(yè)學院學報，20083甘勇等. 數(shù)字溫度傳感器DS18B20 在多點測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用. 河南農(nóng)業(yè)大學學報，20014張越等.基于DS18B20溫度傳感

49、器的數(shù)字溫度計J.微電子學，20075李朝青.單片機原理及接口技術(shù)（簡明修訂版）.杭州：北京航空航天大學出版社，19986黃河.基于DS18B20的單總線數(shù)字溫度計J.湘潭師范學院學報，20087李廣弟.單片機基礎(chǔ).北京：北京航空航天大學出版社，19948 王建強等.基于DSP控制器與DS18B20的溫度測量方法J. 儀器儀表與檢測技術(shù)，2009 9 雷建龍等.數(shù)碼管動態(tài)顯示亂碼現(xiàn)象分析J.液晶與顯示，2009 10 孫安清等.AT89S52單片機實驗與實踐教程.單片機實驗板配套教程11 趙亮等.單片機C語言編程和實例.人民郵電出版社，200312 張毅剛等.單片機原理及運用.高等教育出版社，

50、2003 10 附錄一：基于DS18B20數(shù)字溫度計的設(shè)計原理圖 11 附錄二：基于DS18B20數(shù)字溫度計的設(shè)計PCB圖12 附錄三：基于DS18B20數(shù)字溫度計的設(shè)計的實物圖實際 實際測得溫度 報警上限值 報警下限值13 附錄四：基于DS18B20數(shù)字溫度計的設(shè)計C語言程序#include <reg52.h>#include <math.h> /Keil library #include <stdio.h> /Keil library#include <INTRINS.H>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define display1 0xfe /數(shù)碼管1從左至右#define display2 0xfd /數(shù)碼管2從左至右#define display3 0xfb /數(shù)碼管3從左至右#define display4 0xf7/數(shù)碼管4從左至右#define display5 0x