單片機數(shù)字溫度計設計方案報告文件

PAGEPAGE2單片機課程設計報告數(shù)字溫度計學號班級姓名指導教師2010年9月3日數(shù)字溫度計摘要：隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術已經普及到我們生活，工作,科研，各個領域，已經成為一種比較成熟的技術,本文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。關鍵詞：單片機，數(shù)字控制，溫度計,DS18B20,STC89C511引言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，該設計控制器使用單片機STC89C51，測溫傳感器使用DS18B20,用3位共陽極LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù),實現(xiàn)溫度顯示,能準確達到以上要求。2總體設計方案2.1數(shù)字溫度計設計方案論證2.1。1方案一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。2.1。2方案二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.從以上兩種方案,很容易看出，采用方案二,電路比較簡單，軟件設計也比較簡單，故采用了方案二.2。2方案二的總體設計框圖溫度計電路設計總體設計方框圖如圖1所示,控制器采用單片機AT89S51，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。主控制器主控制器LED顯示溫度傳感器單片機復位時鐘振蕩報警點按鍵調整圖1總體設計方框圖2。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)的設計需要，很適合便攜手持式產品的設計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。2。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。2.2。3溫度傳感器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)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;●多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網功能；●無須外部器件；●可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3。0～5.5Ｖ；●零待機功耗;●溫度以９或１２位數(shù)字；●用戶可定義報警設置；●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；●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,其內部結構框圖如圖2所示.C64C64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/OI/O圖2DS18B20內部結構64位ROM的結構開始８位是產品類型的編號，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的結構為８字節(jié)的存儲器，結構如圖3所示.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3DS18B20字節(jié)定義由表1可見，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ＲＡＭ的第６、７、８字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯１。第９字節(jié)讀出前面所有８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１、２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0.0625℃／LSB形式表示。當符號位Ｓ＝０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Ｓ＝１時，表示測得的溫度值為負值，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的二進制溫度數(shù)據(jù)。表1DS18B20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、TＬ字節(jié)內容作比較。若Ｔ＞TH或T＜TL，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，用于產生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,所產生的信號作為減法計數(shù)器２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１、溫度寄存器中，計數(shù)器１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１對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行減法計數(shù),當減法計數(shù)器１的預置值減到０時，溫度寄存器的值將加１，減法計數(shù)器１的預置將重新被裝入,減法計數(shù)器１重新開始對低溫度系數(shù)晶振產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０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2一部分溫度對應值表溫度/℃二進制表示十六進制表示+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100000191H+10。125000000001010000100A2H+0。500000000000000100008H000000000000010000000H-0。51111111111110000FFF8H—10。1251111111101011110FF5EH—25。06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H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)。

圖4DS18B20與單片機的接口電路2.3DS18B20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時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。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。2.4系統(tǒng)整體硬件電路2.4.1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,上下限報警調整電路，單片機主板電路等，如圖5所示。圖5中有三個獨立式按鍵可以分別調整溫度計的上下限報警設置，圖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。 圖5中的按健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，就可以實現(xiàn)復位.2.4。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右移寄存器驅動，顯示比較清晰。圖6溫度顯示電路3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。3.1主程序主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值,溫度測量每1s進行一次.這樣可以在一秒之內測量一次被測溫度,其程序流程見圖7所示。初始化調用顯示子程序初始化調用顯示子程序1S到？初次上電讀出溫度值溫度計算處理顯示數(shù)據(jù)刷新發(fā)溫度轉換開始命令NYNY 圖7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8示發(fā)DS18B20復位命令發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉換開始命令結束圖9溫度轉換流程圖3.3溫度轉換命令子程序溫度轉換命令子程序主要是發(fā)溫度轉換開始命令,當采用12位分辨率時轉換時間約為750ms，在本程序設計中采用1s顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度轉換命令子程序流程圖如上圖，圖9所示3。4計算溫度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10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值結束置“+”標志NY溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器溫度數(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）結束NNYY 圖10計算溫度流程圖圖11顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖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11。4總結與體會經過將近三周的單片機課程設計,終于完成了我的數(shù)字溫度計的設計，雖然沒有完全達到設計要求，但從心底里說，還是高興的,畢竟這次設計把實物都做了出來,高興之余不得不深思呀！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，顯示處理時在用除法去刪分，感覺效果比較好，有好多的東西，只有我們去試著做了，才能真