基于AT89S52單片機的數(shù)字溫度計設(shè)計

1、單片機系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用工程實習(xí)報告選題名稱: 基于at89s52單片機的數(shù)字溫度計設(shè)計 系（院）: 計算機工程學(xué)院 專 業(yè): 計算機科學(xué)與技術(shù)（嵌入式軟件設(shè)計方向）班 級: 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 學(xué)年學(xué)期: 2009 2010 學(xué)年 第 2 學(xué)期2010年 5 月 30 日摘要：隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù), 溫度作為一種最基本的環(huán)境條件參數(shù), 溫度的測量在實際的生產(chǎn)、生活中具有十分重要的意義。本設(shè)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

2、準確的場所，或科研實驗室使用，該設(shè)計控制器使用單片機at89s52，測溫傳感器使用ds18b20，用4位共陰極led數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù),實現(xiàn)溫度顯示,能準確達到要求。ds18b20是一線制智能數(shù)字溫度傳感器,它可將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號送給微處理器,電路簡單,成本低,使用方便。其測溫范圍為-55125，最高分辨率可達0.0625完全符合要求。關(guān)鍵詞：單片機 ; 溫度計 ; at89s52 ; ds18b20 ; led數(shù)碼管目錄1項目設(shè)計綜述21.1項目設(shè)計概述21.2項目設(shè)計要求21.3項目設(shè)計方案22 系統(tǒng)設(shè)計32.1 框圖設(shè)計32.2 ds18b20簡介32.3 單片機at89

3、s52簡介53 硬件設(shè)計63.1電路原理圖63.2ds18b20與單片機接口的設(shè)計63.3 顯示電路接口73.4 其他外圍電路84 軟件設(shè)計104.1 程序設(shè)計流程圖104.2 程序清單115 系統(tǒng)仿真及調(diào)試155.1硬件調(diào)試155.2 軟件調(diào)試15總 結(jié)16參考文獻171項目設(shè)計綜述1.1項目設(shè)計概述 在生活和生產(chǎn)中，經(jīng)常要用到一些測溫設(shè)備，但是傳統(tǒng)的測溫設(shè)備具有制作成本高、硬件電路和軟件設(shè)計復(fù)雜等缺點?；赼t89s52單片機的數(shù)字溫度計具有制作簡單、成本低、讀數(shù)方便、測溫范圍廣和測溫準確等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊。1.2項目設(shè)計要求基于at89s52單片機的數(shù)字溫度計設(shè)計要求如下：（1） 溫度

4、值用4位led數(shù)碼管顯示（2） 測溫范圍為-30100，且測量誤差不得大于0.5（3） 成品的體積、質(zhì)量要盡可能小。1.3項目設(shè)計方案大多單片機接口輸入的信號是數(shù)字信號,或有帶a/d轉(zhuǎn)換的高端單片機也可以輸入模擬信號。由單片機獲取非電信號的溫度信息,必須通過溫度傳感器。傳統(tǒng)的溫度測量多以熱敏電阻作為溫度傳感器。但是,熱敏電阻的可靠性較差、測量溫度精度低,而且還需經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后才能由單片機進行處理。因此,使用數(shù)字溫度傳感器ds18b20可簡化硬件設(shè)計、方便單片機讀取數(shù)據(jù)、節(jié)約成本。 2 系統(tǒng)設(shè)計 2.1 框圖設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求分析，基于at89s52單片機的數(shù)字溫度計由at89s52單

5、片機控制器、電源、顯示電路、溫度傳感器、復(fù)位電路和時鐘電路組成，系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。電源給整個電路供電，顯示電路顯示溫度值，時鐘電路為at89s52提供時鐘頻率。傳感器采用美國dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種智能溫度傳感器ds18b20，其測溫范圍為-55125，最高分辨率可達0.0625，完全符合設(shè)計要求。圖2-1基于at89s52單片機的數(shù)字溫度計設(shè)計框圖2.2 ds18b20簡介 ds18b20采用dallas公司的單總線數(shù)據(jù)通信方式專有技術(shù),單根信號線既傳輸時,又可雙向傳輸數(shù)據(jù),占用i/o口資源少,結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,便于總線擴展和維護。ds18b20采用3引腳to-92,小體積封

6、裝形式,內(nèi)部使用在板(on2board)專利技術(shù),全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。3個管腳中,gnd是地信號;dq是數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳,開漏單總線接口引腳,當被用在寄生電源下,也可以向器件提供電源;vdd是可選擇的vdd引腳,當工作于寄生電源時,此引腳必須接地。ds18b20的測量溫度范圍為-55+125,在-10+85范圍內(nèi),精度為0.5,可將程序設(shè)定912位的分辨率。ds18b20的內(nèi)部存儲器包括1個高速暫存ram和1個非易失性的、可電擦除的e2ram,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器th、tl以及結(jié)構(gòu)寄存器。根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議, mcu控制ds18b20完成

7、溫度轉(zhuǎn)換要經(jīng)過3個步驟:每一次讀寫之前都要對ds18b20進行復(fù)位,復(fù)位成功后發(fā)送一條rom指令,最后發(fā)送ram指令,對ds18b20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求mcu將數(shù)據(jù)線下拉500s,然后放,ds18b20收到信號后等待1660s,發(fā)出60240s的存在低脈沖,主cpu收到此信號表示復(fù)位成功。由于ds18b20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送,因此,在對ds18b20進行讀寫編程時,必須嚴格地保證讀寫時序,否則將無法讀取測溫結(jié)果。ds18b20的通訊協(xié)議定義了初始化時序、讀時序、寫時序的時序。所有時序都是將mcu作為主設(shè)備,ds18b20作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從mcu主動啟動寫

8、時序開始,如果要求ds18b20回送數(shù)據(jù),在進行寫命令后,mcu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。對ds18b20的讀時序分為讀0時序和讀1時序2個過程。對于ds18b20的讀時序是從主機把單總線拉低之后,在15 s之內(nèi)釋放單總線,以ds18b20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。ds18b20完成1個讀時序過程至少需要60s。ds18b20的寫時序分為寫0時序和寫1時序。ds18b20對于寫0時序和寫1時序的要求不同,當寫0時序時,單總線要被拉低至少60s,保證ds18b20能夠在1545s之間正確地采樣i/o總線上的“0”電平,當要寫1時序時,單總線被拉低之后,在15s之內(nèi)釋放單

9、總線。 圖 2-2 ds18b20 3腳pr-35封裝和8腳soic封裝外部形狀及管腳圖 2.3 單片機at89s52簡介 at89s52具有如下特點：40個引腳，8k bytes flash片內(nèi)程序存儲器，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個 全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，at89s52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數(shù)器，串行口，外中斷 系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存r

10、am的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三 種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 主要功能特性： 兼容mcs-51指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫(1000次）isp flash rom 32個雙向i/o口 4.5-5.5v工作電壓 3個16位可編程定時/計數(shù)器 時鐘頻率0-33mhz 全雙工uart串行中斷口線 256x8bit內(nèi)部ram 2個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級加密位 看門狗（wdt）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的isp字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針圖2-3 at89s52引腳圖3 硬件設(shè)計3.1

11、電路原理圖 控制器使用單片機at89s52,測溫傳感器使用ds18b20，用4位共陰極led數(shù)碼管以動態(tài)掃描法實現(xiàn)溫度顯示，電路圖如3-1所示.圖3-1基于at89s52單片機的數(shù)字溫度計電路圖3.2ds18b20與單片機接口的設(shè)計ds18b20 最大的特點是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，ds18b20 的數(shù)據(jù)i/o 均由同一條線來完成。ds18b20 的電源供電方式有2 種: 外部供電方式和寄生電源方式。工作于寄生電源方式時, vdd 和gnd 均接地, 他在需要遠程溫度探測和空間受限的場合特別有用, 原理是當1 w ire 總線的信號線dq 為高電平時, 竊取信號能量給ds18b20 供電, 同時一

12、部分能量給內(nèi)部電容充電, 當dq為低電平時釋放能量為ds18b20 供電。但寄生電源方式需要強上拉電路, 軟件控制變得復(fù)雜(特別是在完成溫度轉(zhuǎn)換和拷貝數(shù)據(jù)到e2prom 時) , 同時芯片的性能也有所降低。外部電源供電方式是ds18b20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。因此本設(shè)計采用外部供電方式。如下圖所示：at89s51單片機 p3.7ds18b204.7k+5v+5v圖3-2 ds18b20接口圖3.3 顯示電路接口本設(shè)計顯示電路采用4位共陰極led數(shù)碼管來顯示測量得到的溫度值。led數(shù)碼管能在低電壓下工作，而且體積小、

13、重量輕、使用壽命長，因次本設(shè)計選用此數(shù)碼管作為顯示器件。一個led數(shù)碼管只能顯示一位的字符，如果字符位數(shù)不止一位，可以用幾個數(shù)碼管組成，但要控制多位的顯示電路需要有字段控制和字位控制，字段控制是指控制所要顯示的字符是什么，控制電路應(yīng)將字符的七段碼通過輸出口連接到led的ag引腳，是某些段點亮，某些段處于熄滅狀態(tài)。字位控制是指控制在多位顯示器中，哪幾位發(fā)光或那幾位不發(fā)光，字位控制則需要通過字位碼作用于led數(shù)碼管的公共引腳，是某一位或某幾位的數(shù)碼管可以發(fā)光。數(shù)碼管顯示電路分為動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。 靜態(tài)顯示方式是指每一個數(shù)碼管的字段控制是獨立的，每一個數(shù)碼管都需要配置一個8位輸出口來輸出該字位的七

14、段碼。因此需要顯示多位時需要多個輸出口，通常片內(nèi)并口不夠用，需要在片外擴展。動態(tài)顯示又稱為掃描顯示方式，也就是在某一時刻只能讓一個字位處于選通狀態(tài)，其他字位一律斷開，同時在字段線上發(fā)出該位要顯示的字段碼，這樣在某一時刻某一位數(shù)碼管就會被點亮，并顯示出相應(yīng)的字符。下一時刻改變所顯示的字位和字段碼，點亮另一個數(shù)碼管，顯示另一個字符。繞后一次掃描輪流點亮其他數(shù)碼管，只要掃描速度快，利用人眼的視覺殘留效應(yīng)，會使人感覺到幾位數(shù)碼管都在穩(wěn)定的顯示。本次實驗用74ls04非門作驅(qū)動。如圖所示圖 3-3 顯示電路接口圖 3.4 其他外圍電路 復(fù)位電路：在單片機的rst引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機

15、內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作。實際應(yīng)用中，復(fù)位操作有兩種形式：一種是上電復(fù)位，另一種是上電與按鍵均有效的復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復(fù)位操作。上電瞬間rst引腳獲得高電平，隨著電容的充電，rst引腳的高電平逐漸下降。只要rst引腳保持兩個機器周期的高電平單片機就可以進行復(fù)位操作。本設(shè)計用的上電與按鍵均有效的復(fù)位。電路圖如下圖 3-4 復(fù)位電路時鐘電路：單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，在單片機內(nèi)部有一震蕩電路，只要在單片機的xtal1和xtal2腳外接石英晶體（簡稱晶振），就構(gòu)成了自己震蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。 c

16、1 c22圖3-5 時鐘電路圖中電容器的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在530pf,典型值為30pf。晶振cys的震蕩頻率范圍在1.212mhz間選擇，典型值為12mhz和6mhz。本設(shè)計采用12mhz晶振，電容值為30 pf。在電路總體設(shè)計中，eavpp腳用于是從外部程序存儲器取指還是從內(nèi)部程序存儲器取指的選擇信號。當eavpp接高電平時，先從片內(nèi)程序存儲器讀取指令，讀完4kb后，自動改為片外取指。若eavpp接低電平，則所有指令均從片外程序存儲器讀取。ale腳用于輸出允許地址所存信號。psen腳用于外部程序存儲器選通信號，在對外部程序存儲器取指操作時此引腳置低電平有效。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲

17、器取指時pesn腳無效。本設(shè)計無片外程序存儲器擴展，所以將eav pp腳接高電平，ale及psen腳懸空。 4 軟件設(shè)計4.1 程序設(shè)計流程圖主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示。讀出并處理ds18b20測量的當前溫度值，溫度測量值每1s進行一次。這樣可以在1s之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程圖如圖4-1所示圖 4-2 讀溫度流程圖圖4-1 主程序流程圖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，其流程圖如圖4-2所示。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(shè)計中采用1s顯示

18、程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。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，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。4.2 程序清單基于at89s52單片機的數(shù)字溫度計程序清單如下：#include reg51.h#include intrins.h /延時函數(shù)用#define disdata p1 /段碼輸出口#define discan p3 /掃描口#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit dq=p37; /溫度輸入口sbit

19、 din=p17; /led小數(shù)點控制uint h;uchar code ditab16=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;/溫度小數(shù)部分用查表法uchar code dis_712=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40;/* 共陰led段碼表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 不亮 - */ uchar code scan_con4=0x81,0x82,0x88,0xa0; / 列

20、掃描控制字uchar data temp_data2=0x00,0x00; / 讀出溫度暫放uchar data display5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/顯示單元數(shù)據(jù),共4個數(shù)據(jù),一個運算暫存用void delay(uint t)/11微秒延時函數(shù)for(;t0;t-);scan()/顯示掃描函數(shù)char k; for(k=0;k0; i-) /dq=1;_nop_();_nop_(); dq = 0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/5usdq = val&0x01; /最低位移出delay(6); /66usva

21、l=val/2; /右移一位dq = 1;delay(1); uchar read_byte(void)/從總線上讀取一個字節(jié)uchar i;uchar value = 0;for (i=8;i0;i-)dq=1;_nop_();_nop_();value=1;dq = 0; /_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4usdq = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4us if(dq)value|=0x80;delay(6); /66usdq=1;return(value);read_temp()/讀出溫度函數(shù)ow_reset

22、(); /總線復(fù)位write_byte(0xcc); / 發(fā)skip rom命令write_byte(0xbe); / 發(fā)讀命令temp_data0=read_byte(); /溫度低8位temp_data1=read_byte(); /溫度高8位ow_reset();write_byte(0xcc); / skip romwrite_byte(0x44); / 發(fā)轉(zhuǎn)換命令work_temp()/溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)uchar n=0; /if(temp_data1127)temp_data1=(256-temp_data1);temp_data0=(256-temp_data0);n=1;/負溫

23、度求補碼display4=temp_data0&0x0f;display0=ditabdisplay4;display4=(temp_data0&0xf0)4)|(temp_data1&0x0f)4);/display3=display4/100;display1=display4%100;display2=display1/10;display1=display1%10;if(!display3)display3=0x0a;if(!display2)display2=0x0a; /最高位為0時都不顯示if(n)display3=0x0b;/負溫度時最高位顯示-main()/主函數(shù)disdat

24、a=0xff; /初始化端口discan=0xff;for(h=0;h4;h+)displayh=8;/開機顯示8888ow_reset(); / 開機先轉(zhuǎn)換一次write_byte(0xcc); / skip romwrite_byte(0x44); / 發(fā)轉(zhuǎn)換命令for(h=0;h500;h+) scan(); /開機顯示88882秒while(1) read_temp(); /讀出18b20溫度數(shù)據(jù) work_temp(); /處理溫度數(shù)據(jù) for(h=0;h500;h+) scan(); /顯示溫度值2秒 5 系統(tǒng)仿真及調(diào)試 5.1硬件調(diào)試先排除硬件電路故障，包括設(shè)計性錯誤和工藝性故障

25、，一般原則先靜態(tài)后動態(tài)。利用萬用表或測試儀器，檢查電路中的各器件及引腳是否連接正確，是否有短路故障。 先要將單片機at89s52芯片取下，對電路板進行通電檢查，通過觀察看是否有異常，然后用萬用表測試個電源電壓，若這些都沒問題，則接上仿真機進行聯(lián)機調(diào)試觀察各接線口線路是否正常。5.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試是利用仿真工具進行再線仿真調(diào)試，我們用kell軟件調(diào)試，除發(fā)現(xiàn)和解決程序錯誤外，還可以發(fā)現(xiàn)硬件上的問題。 總 結(jié)經(jīng)過將近兩周的單片機課程設(shè)計，終于完成了我的數(shù)字溫度計的設(shè)計，雖然沒有完全達到設(shè)計要求，但從心底里說，還是高興的，畢竟這次設(shè)計把實物都做了出來，高興之余不得不深思呀！在本次設(shè)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(shè)計但這次設(shè)計真的讓我長進了很多，單片機課程設(shè)計重點就在于軟件算法的設(shè)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，在列控制位選擇調(diào)試時，我剛開始只注意到我用的是74ls04非門驅(qū)動，所以就給列控制位都送低電平過去，后來調(diào)試時發(fā)現(xiàn)并不是這樣的 數(shù)碼管并沒有顯示出我想要的數(shù)字來，后來在分析硬件是發(fā)現(xiàn)我用的是共陰數(shù)碼管要送高低平過去才行，還有我的溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)沒有用直接的加減而是用與上一為bcd碼來解決，感覺效果比較好，有好多的東西