數(shù)字式溫度計的設計課程設計

/數(shù)字式溫度計的設計［摘要］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一,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)字溫度測量系統(tǒng)測溫范圍從—10℃到85℃，測量精度為±0。5度，并且采用LED顯示。該設計控制器使用單片AT89C2051,測溫傳感器使用DS18B20，用4位共陽極LED數(shù)碼管實現(xiàn)溫度顯示，能準確達到以上要求。［關鍵詞]數(shù)字式溫度計DS18B20AT89C2051數(shù)碼管

Thedesignofthedigitalthermometer[Abstract]Withpeople’slivingstandardrisesceaselessly,undoubtedlySCMcontrolisoneofthegoalsofthepeople’stopursue，butpeopledemandmoreandmoreofitformodernjob，scientificresearch,life,providingmoreconvenientfacilitiesthatneedsmicrocontrollertech—nologydevelopingfromseveralofalltowardsdigitalcontrolsystem，intelligentcontroldirection.Thedesignofthedigitaltemperaturemeasuringsystemmeasuringrangesfromminus10degreesCelsiusto85degreesCelsius，themeasurementaccuracyis0.5degreesCelsius，anduseingofLEDdirectreading。ThisdesignusesAT89C2051assingle—chipmicrocomputercontroller,astemperaturesensorDS18B20，andatotalof4cathodetubetorealizeLEDdigitaltemperaturedisplay。Soitcan［KeyWords］DigitalthermometerDS18B20AT89C2051Digitaltube目錄TOC\o"1—3"\h\z\uHYPERLINK\l”_Toc309064203”引言 1_Toc309064205”1。1溫度測量系統(tǒng)設計方案 2HYPERLINK\l”_Toc309064206"1。2顯示部分設計方案 2HYPERLINK\l”_Toc309064207”1.3總體設計框圖 2HYPERLINK\l”_Toc309064208”第2章系統(tǒng)硬件電路設計 32.1單片機模塊 3HYPERLINK\l”_Toc309064210”2。1.1AT89C2051功能及特性 4_Toc309064212”2.2溫度采集部分硬件 6HYPERLINK\l”_Toc309064213"2。2.1溫度傳感器DS18B20 62.2.2DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路 8HYPERLINK\l”_Toc309064215”2.3顯示部分電路設計 10_Toc309064217"第3章系統(tǒng)軟件部分設計 12_Toc309064219”3。2讀出溫度子程序 123.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序 13HYPERLINK\l”_Toc309064221"3.4計算溫度子程序 14HYPERLINK\l”_Toc309064222”3。5顯示數(shù)據(jù)刷新子程序 14HYPERLINK\l”_Toc309064223”3.6程序代碼 15HYPERLINK\l”_Toc309064224"總結(jié) 19HYPERLINK\l”_Toc309064225"致謝 20HYPERLINK\l”_Toc309064226”參考文獻 21HYPERLINK\l”_Toc309064227”附錄電路圖 22引言十七世紀是溫度計誕生和發(fā)展的最初階段，這個物理儀器幾乎比任何其他儀器都得到更廣泛的應用，現(xiàn)代的歷史研究認為最早發(fā)明溫度計的科學家是伽利略，他于1592年發(fā)明了最早的氣體溫度計，最早的液體溫度計是荷蘭科學家華倫海特制造出來。溫度是科學技術中最基本的物理量之一，物理、化學、生物等學科都離不開溫度。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食存儲、酒類生產(chǎn)等領域內(nèi),溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi);許多化學反應的工藝過程必須在適當?shù)臏囟认虏拍苷＿M行；煉油過程中,原油必須在不同的溫度和壓力條件下進行分餾才能得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品.沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設備就不能正常工作,糧倉的儲糧就會變質(zhì)霉爛，酒類的品質(zhì)就沒有保障。因此，各行各業(yè)對溫度控制的要求都越來越高?？梢?溫度的測量和控制是非常重要的。單片機在電子產(chǎn)品中的應用已經(jīng)越來越廣泛,在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制.隨著溫度控制器應用范圍的日益廣泛和多樣,各種適用于不同場合的智能溫度控制器應運而生，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要意義。溫度測量在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等行業(yè)有著廣泛的應用，而且隨著科學技術的發(fā)展對溫度測量的應用范圍愈來愈廣。利用單片機技術的溫度測控系統(tǒng)以其體積小，可靠性高而被廣泛采用。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,該設計控制器使用單片機AT89C2051，測溫傳感器使用DS18B20，用4第1章總體方案設計通過本次課題設計，應用《單片機原理及應用》等所學相關知識及查閱資料，完成數(shù)字溫度計的設計，以達到理論與實踐更好的結(jié)合、進一步提高綜合運用所學知識和設計的能力的目的。通過本次設計的訓練,可以使我們在基本思路和基本方法上對基于MCS-51單片機的嵌入式系統(tǒng)設計有一個比較感性的認識，并具備一定程度的設計能力。1.1溫度測量系統(tǒng)設計方案在單片機電路設計中,大多都是使用傳感器，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，就可以滿足設計要求.1.2顯示部分設計方案顯示部分采用數(shù)碼管直讀顯示，此方案的最大優(yōu)點就是成本較低,缺點是電路相對復雜，需要驅(qū)動電路,在軟件上也需要做出處理.但是此方案完全可以滿足本報警系統(tǒng)的功能和要求，軟件處理上也不是特別的復雜，驅(qū)動電路也相對簡單。1。3總體設計框圖整個系統(tǒng)由測溫電路、主控制器、驅(qū)動電路和數(shù)碼管四個模塊組成.段選段選LED數(shù)碼管顯示HC244AT89C2051主控制器LED數(shù)碼管顯示HC244AT89C2051主控制器位選三極管位選三極管DS18B20DS18B2018B20圖1-1總體設計框圖第2章系統(tǒng)硬件電路設計系統(tǒng)整體硬件電路包括單片機控制器、溫度采集部分硬件和顯示部分。本設計采用AT89C2051為控制器、DS18B20為溫度傳感器與單片機的接口電路以及LED數(shù)碼顯示管。2.1單片機模塊AT89C2051主要特點是采用Flash存儲器技術,降低了制造成本,其軟件、硬件與DS18B20完全兼容。AT89C2051片內(nèi)含有2K字節(jié)的Flash程序存儲器，128字節(jié)的片內(nèi)RAM。允許工作的時鐘為0-24MHz。AT89C2051不允許構造外部總線來擴充程序/數(shù)據(jù)存儲器,所以它不需要ALE、PSEN、RA、WR一類的引腳。AT89C2051共有20個引腳,體積小巧易于操作.引腳圖及內(nèi)部結(jié)構圖如下:圖2-12051單片機引腳圖及內(nèi)部結(jié)構框圖2.1。1AT89C2051功能及特性1.串口P1口共8腳，準雙向端口。P3。0～P3.6共7腳,準雙向端口，并且保留了全部的P3的第二功能，如P3。0、P3。1的串行通訊功能,P3.2、P3。。3的中斷輸入功能，P3.4、P3.5的定時器輸入功能。在引腳的驅(qū)動能力上面，89C2051具有很強的下拉能力，P1,P3口的下拉能力均可達到20mA.89C2051驅(qū)動能力的增強，使得它可以直接驅(qū)動LED數(shù)碼管.為了增加對模擬量的輸入功能，AT89C2051在內(nèi)部構造了一個模擬信號比較器，其輸入端連到P1.0和P1。1口,比較結(jié)果存入P3.6對應寄存器,對于一些不大復雜的控制電路我們就可以增加少量元件來實現(xiàn)。2。電源AT89C2051有很寬的工作電源電壓，可為2.7～6V,當工作在3V時，電流相當于6V工作時的1/4。工作于12Hz時，動態(tài)電流為5。5mA，空閑態(tài)為1mA，掉電態(tài)僅為20nA.這樣小的功耗很適合于電池供電的小型控制系統(tǒng).3.存儲器AT89C2051片內(nèi)含有2k字節(jié)的Flash程序存儲器,128字節(jié)的片內(nèi)RAM。由于2051內(nèi)部設計全靜態(tài)工作，所以允許工作的時鐘為0~20MHz，也就是說,允許在低速工作時,不破壞RAM內(nèi)容.相比之下,一般8031對最低工作時鐘限制為3.5MHz，因為其內(nèi)部的RAM是動態(tài)刷新的。4.內(nèi)部I/O控制89C2051在內(nèi)部I/O口為5路2級優(yōu)待中斷，2路定時器/計數(shù)器。單片機模塊功能該模塊由以下幾個部分組成：1。復位電路:為確保微機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作,復位電路是必不可少的一部分，復位電路的第一功能是上電復位。一般微機電路正常工作需要供電電源為5V±5％，即4。75～5.25V。由于微機電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當VCC超過4。75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復位信號才被撤除，微機電路開始正常工作。圖2-1復位電路目前為止,單片機復位電路主要有四種類型：微分型復位電路;積分型復位電路；比較器型復位電路;看門狗型復位電路。2.振蕩電路:晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡,電工學上這個網(wǎng)絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振,較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當?shù)慕咏?在這個極窄的頻率范圍內(nèi),晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄,所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化,震蕩電路的電路圖如圖2-2所示.圖2—2晶振電路晶振有一個重要的參數(shù),那就是負載電容值,選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。

一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應該等于負載電容,請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。2。2溫度采集部分硬件2.2.1溫度傳感器DS18B20DS18B20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)9-12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3.0～5。5Ｖ;5.零待機功耗；6。溫度以9或12位數(shù)字;7.用戶可定義報警設置；8。報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；9.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.DS18B20采用3腳PR－35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構框圖如圖2—3所示：I/OCI/OC64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Vdd圖2—3DS18B20內(nèi)部結(jié)構64位ROM的結(jié)構開始8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8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ＴＨ和ＴＬ，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RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM.高速暫存RAM的結(jié)構為8字節(jié)的存儲器。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5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)換為相應精度的溫度數(shù)值.低5位一直為1，TM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0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù),來設置分辨率.另外,由于DS18B20單線通信功能是分時完成的,它有嚴格的時隙概念，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)。2。2.2DS18B20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，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管來完成對總線的上拉。DS18B20與單片機的接口電路如圖2—4圖2—4DS18B20與單片機的接口電路當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。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù),因此,對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求.DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始,如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收.數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20的復位時序圖2-5DS18B20復位時序DS18B20的讀時序?qū)τ贒S18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18B20的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個讀時序過程,至少需要60us才能完成。圖2—6DS18B20讀時序DS18B20的寫時序?qū)τ贒S18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線.圖2-7DS18B20寫時序2。3顯示部分電路設計LED數(shù)碼管是一種常見的顯示數(shù)字量的元器件，其有兩種連接方式，即共陰極連接、共陽極連接.此次數(shù)字溫度計系統(tǒng)的顯示部分采用的是共陽極7段LED數(shù)碼管,其主要原因是不用上拉電阻，從而節(jié)省了電的使用。另外在焊接的過程中比較簡單,出現(xiàn)的誤差幾率較小。圖2-8數(shù)碼管的原理圖以及電路連接圖74HC244內(nèi)部集成8路非門，由兩路使能信號控制.主要用于數(shù)碼管功率驅(qū)動。圖2—974HC244管腳圖74HC244芯片內(nèi)部共有兩個四位三態(tài)緩沖器,使用時可分別以1C和2G作為它們的選通工作信號。當1/OE和2/OE都為低電平時，輸出端Y和輸入端A狀態(tài)相同；當1/OE和2/OE都為高電平時，輸出呈高阻態(tài)，所以在使用芯片時一定要注意。設計實物圖圖2-10設計實物圖第3章系統(tǒng)軟件部分設計系統(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。開始3.1主程序開始DS18B20DS18B20初始化讀取溫度子程序讀取溫度子程序溫度轉(zhuǎn)換子程序溫度轉(zhuǎn)換子程序計算溫度子程序計算溫度子程序顯示子程序顯示子程序圖3—1主程序流程圖3.2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3-2所示:YY發(fā)DS18B20復位命令發(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3—2讀溫度流程圖3.3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,當采用12位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設計中采用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3-3所示:發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令結(jié)束圖3—3溫度轉(zhuǎn)換流程圖3.4計算溫度子程序計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進行BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖3—4所示：開始開始溫度零下?溫度值取補碼置“—”標志計算小數(shù)位溫度BCD值計算整數(shù)位溫度BCD值結(jié)束置“+”標志NY圖3-4計算溫度流程圖3。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顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作，當最高顯示位為0時將符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖3-5：數(shù)據(jù)移入顯示寄存器數(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)結(jié)束NNYY圖3-5顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖3.6程序代碼＃include〈reg52.h>＃include〈intrins.h>＃defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuchark;sbitDS=P3^7;//定義DS18B20通訊端口sbitD1=P3^0；sbitD2=P3^1; //數(shù)碼管位選sbitD3=P3^2;sbitD4=P3^3;ucharcodeLED［］={0xc0,0xf9,0xa4，0xb0，0x99，0x92,0x82，0xf8，0x80,0x90｝;ucharcodeditab［16]=｛0x00，0x01,0x01,0x02,0x03,0x03，0x04，0x04，0x05，0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09，0x09｝；//查小數(shù)表uchardatatemp_data［4]={0x00，0x00,0x00,0x00｝; //高低位臨時數(shù)據(jù)uchardatadisplay［5］={0x00,0x00，0x00,0x00，0x00}；//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換voiddelay_ms(uintms){uintx，y；for（x=ms；x〉0；x--）for(y=110；y>0;y--）；｝voiddelay_us(ucharus）｛while(—-us)；}ReadChar（void)//讀一個字節(jié)｛uchari； uchardat=0； for(i=8；i>0；i-—) { DS=1； delay_us（1）； dat>〉=1； DS=0； delay_us（1);//4us DS=1； delay_us（1）；//4us if（DS)dat｜=0x80; delay_us(30）;//66us｝ DS=1； return（dat)；｝WriteChar(uchardat)//寫一個字節(jié) ｛uchari； for（i=8；i>0；i--） ｛DS=1; delay_us(1）; DS=0； delay_us(1); DS=dat＆0x01； delay_us(30）； dat=dat/2；} DS=1; delay_us（3）;}Init_18B20(void)//初始化18B20{DS=1；delay_us（1)； DS=0；delay_us（250);//單片機將DQ拉低545us DS=1;delay_us（30)； delay_us（250）；//延時500us DS=1;｝Read_18B20（)//讀取溫度｛Init_18B20();//初始化 WriteChar(0xCC）；//跳過讀序號列號的操作 WriteChar(0xBE)；//讀取溫度寄存器 temp_data[0]=ReadChar(）;//溫度低8位 temp_data［1］=ReadChar（);//溫度高8位 Init_18B20();//初始化 WriteChar(0xCC)；//跳過讀序號列號的操作 WriteChar(0x44）;//開始溫度轉(zhuǎn)換 display[4］=temp_data［0]＆0x0f； //低8位 display[0]=ditab[display［4］］;//查表得小數(shù)位的值 display[4］=（(temp_data[0］＆0xf0）>>4）｜(（temp_data［1]&0x0f）〈<4）；//高8位 display[3］=display[4]/100; display［1］=display[4］%100; display［2]=display[1]/10； display[1]=display［1］％10；｝voidDisp（）//顯示{D1=0; P1=LED[display[0]]; //小數(shù)位 delay_ms(3); D1=1; delay_ms(1); D2=0； P1=LED[display［1］]; //各位 delay_ms（3); D2=1; delay_ms（1); D2=0; //小數(shù)點 P1=0x7f; delay_ms(3）; D2=1; delay_ms(1）； D3=0; P1=LED［display[2]］; //十位 delay_ms（3）; D3=1； delay_ms（1)； if(display［3］！=0x00)//百位 {D4=0； P1=LED［display［3]］； delay_ms（3)； D4=1； delay_ms(1）;}}voidmain（void）｛ while(1) { DS=1； Init_18B20（); Read_18B20()； for(k=30;k〉0；k-—) { Disp();//顯示函數(shù) ｝ }總結(jié)此次課程設計是利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫