單片機課程設計數字溫計的設計

1、太原理工大學現代科技學院單片機原理與接口技術 課程設計 設計名稱 數字溫度計的設計 專業(yè)班級 自動化10-4班 學 號 2010101276 姓 名 成婷 指導教師 李曉林 裝訂線專業(yè)班級 自動化10-4班 學號 2010101276 姓名 成婷 成績 前 言 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,單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同種類的傳感器，可實現諸如電壓、濕度、溫度、速度、硬度、壓力等的物理量的測量。 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

2、標之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數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，要為現代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施就需要從數單片機技術入手，一切向著數字化控制，智能化控制方向發(fā)展。摘要： 溫度是日常生活、工業(yè)、醫(yī)學、環(huán)境保護、化工、石油等領域最常用到的一個物理量。測量溫度的基本方法是使用溫度計直接讀取溫度。最常見到得測量溫度的工具是各種各樣的溫度計，例如：水銀玻璃溫度計，酒精溫度計，熱電偶或熱電阻溫度計等。它們常常以刻度的形式表示溫度的高低，人們必須通過讀取刻度值的多少來測量溫度。利用單片機和溫度傳感器構成的電子式智能溫度計就可以直接測量溫度，得到溫度的數

3、字值，既簡單方便，有直觀準確。本設計所介紹的數字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用。本文主要介紹了一個基于AT89C51單片機的測溫系統(tǒng)，詳細描述了利用數字溫度傳感器DS18B20開發(fā)測溫系統(tǒng)的過程，該系統(tǒng)可以方便的是實現溫度采集和顯示，并可以根據需要任意設定上下限報警溫度，它使用起來方便，具有精度高、量程寬、靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)點，適合我們日常生活和工農業(yè)生產中的溫度測量，也可以當做溫度處理模塊嵌入其他系統(tǒng)中，作為其他主系統(tǒng)的輔助擴展。DS18B20和AT89C51結合實現最簡溫度檢測系

4、統(tǒng)，該系統(tǒng)結構簡單，抗干擾能力強，適合與惡劣環(huán)境下進行現場溫度測量，有廣泛的應用前景。 本設計首先是確定目標，氣候是各個功能模塊的設計，再在Proteus軟件上進行仿真，修改，仿真。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，數字控制，溫度計， DS18B20，AT89C51目錄前 言I一、單片機簡介11.1單片機的應用1二、設計方案12.1設計務任和要求12.2方案論證1三、系統(tǒng)設計原理23.1系統(tǒng)組成23.2 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路33.3主控電路33.4時鐘電路43.5復位電路43.6顯示電路53.7溫度傳感器及

5、DS18B20測溫原理5四、系統(tǒng)軟件算法設計74.1主程序設計74.2讀出溫度子程序74.3 溫度轉換命令子程序74.4計算溫度子程序7五、軟件仿真85.1系統(tǒng)仿真結果85.2系統(tǒng)原理圖8六、總結與體會9附錄10一、單片機簡介 單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者實現規(guī)定的任務。1.1

6、單片機的應用1、在家用電器領域的應用現在在家用電器的更新、市場開拓等方面，單片機的應用越來越廣泛，比如電子玩具或者高級的電視游戲機中，會應用單片機實現其控制功能;而洗衣機可以利用單片機識別衣服的種類與臟污程度，從而自動選擇洗滌強度與洗滌時間;在冰箱冷柜中采用單片機控制可以識別食物的種類與保鮮程度，實現冷藏溫度與冷藏時間的自動選擇;微波爐也可以通過單片機識別食物種類從而自動確定加熱溫度與加熱時間等等，這些家用電器在應用單片機技術后，無論是性能還是功能，與傳統(tǒng)技術相比均有長足的進步。2、在醫(yī)用設備領域的應用現代醫(yī)療條件越來越發(fā)達，人們對醫(yī)療滅菌消毒技術也越來越重視，但是一些偏遠地區(qū)的小醫(yī)院、小診所

7、其消毒滅菌設備還十分簡陋，無法有效的控制消毒質量。隨著單片機技術的發(fā)展，其體積較小、功能強大、具有靈活的擴展性、應用方便的特點也越來越突出，因此在醫(yī)用呼吸機、分析儀與監(jiān)護儀、超聲診斷設備、病床呼叫系統(tǒng)等設備中得到了廣泛的應用。3、在工業(yè)控制領域的應用其實最早的單片機正是從工業(yè)領域開始興起的，至今其在工業(yè)控制領域的應用仍然十分廣泛，利用單片機技術構成多種多樣的數據采集系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)，比如工廠流水線的智能化管理、智能化電梯、報警系統(tǒng)等等，均是通過單片機技術與計算機聯網構成二級控制系統(tǒng)。4、在儀器儀表領域的應用單片機具備集成度高、體積小、較強的控制功能與擴展的靈活性等特點，并且處理速度快，具有較

8、高的可靠性，所以在智能儀器儀表領域其應用也十分廣泛。從某種程度而言，單片機帶動了傳統(tǒng)測量、控制儀器儀表技術的一項革命，通過單片機技術實現了儀器儀表技術的數字化、智能化、綜合化以及多功能化，與傳統(tǒng)的電子電路或者數字電路相比，其功能更強大，綜合性更突出。二、設計方案2.1設計務任和要求1、基本范圍-501102、精度偏差小于0.53、LED 數碼管顯示4、可以任意設定溫度的上下限報警功能.5. 實現報警提示。2.2方案論證1.方案一本設計是測溫電路，采用熱敏電阻傳感器。利用熱敏電阻隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫度的變化轉換為能量的變化，進而制成溫度計。在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行

9、A/D轉換后，就可以用單片機進行數據的處理，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.方案二 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DS18B20溫度傳感器。DS18B20的內部3腳（或8腳）封裝；使用特有的溫度測量技術，將被測溫度轉換成數值信號；3.05.5V的電源供電方式和寄生電源供電方式；ROM由64位二進制數字組成，共分為8個字節(jié)；RAM由9個字節(jié)的高速暫存器和非易失性電擦寫ROM組成。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。 綜上所述：溫度傳感器選取智能測溫器件DS

10、18B20。3確定設計方案：對此次課設的方案選定: 選用方案二：采用AT89C51作為主控制系統(tǒng); 1602液晶顯示模塊芯片作為溫度數據顯示裝置;而智能溫度傳感器DS18B20器件作為測溫電路主要組成部分。本設計顯示電路采用1602液晶顯示模塊芯片。三、系統(tǒng)設計原理利用溫度傳感器DS18B20可以直接讀取被測溫度值，進行轉換的特性，模擬溫度值經過DS18B20處理后轉換為數字值，然后送到單片機中進行數據處理，并與設置的溫度報警限比較，超過限度后通過揚聲器報警。同時處理后的數據送到LED中顯示。3.1系統(tǒng)組成本課題以是80C51單片機為核心設計的一種數字溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器

11、數據采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調整電路，單片機主板電路等組成。系統(tǒng)框圖如圖所示。溫度計電路設計總體設計方框圖如圖所示，控制器采用單片機AT89S51，溫度傳感器采用DS18B20，用6位LED數碼管以串口傳送數據實現溫度顯示。此外，還添加了報警系統(tǒng)，對溫度實施監(jiān)控。 圖 數字溫度計框圖1. 主控制器單片機AT89C51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. 顯示電路顯示電路采用LED液晶顯示數碼管，從P3口RXD,TXD串口輸出段碼。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

12、比較少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的發(fā)送和接收，四只數碼管采用74LS164右移寄存器驅動，顯示比較清晰。3. 溫度傳感器溫度傳感器采用美國DALLAS半導體公司生產的DS18B20溫度傳感器。DS18B20輸出信號全數字化。便于單片機處理及控制，在0100 攝氏度時，最大線形偏差小于1 攝氏度，采用單總線的數據傳輸，可直接與計算機連接。用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度檢測并顯示，能夠實現快速測量環(huán)境溫度，并可以根據需要設定上下限報警溫度。獲得的數據可以通過MAX232芯片與計算機的RS232接口進行串口通信，方便的采集和整理時間溫度數據。3.2 DS18B

13、20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。圖3-3 DS18B20與單片機的接口電路3.3主控電路單片機AT89C51 具有低電壓供電和體積小等特點，

14、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。晶振采用12MHZ。復位電路采用上電加自動復位。AT8951的管腳如下圖所示：各管腳功能：VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0P3：為輸入/輸出口線，其各有的功能，而P3口每一位還有特殊功能。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSE

15、N有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.4時鐘電路80C51時鐘有兩種方式產生，即內部方式和外部方式。80C51中有一個構成內部震蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。本次采用內部震蕩電路,瓷片電容采用22PF,晶振為12MHZ。圖 震蕩電路圖3.5復位電路單片機系統(tǒng)的復位電路在這里采用的是上電+按鈕復位電

16、路形式，其中電阻R采用10K的阻值 ，電容采用10F的電容值。圖 復位電路3.6顯示電路對于數字溫度的顯示，我們采用6位LED數碼管。足夠顯示0100中各位數，并且還能顯示一位小數部分。3.7溫度傳感器及DS18B20測溫原理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，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現位的數字值讀數方式。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可以并聯在惟一的三線上，實現多點組網功能；無須外部器件；可通過數據線供電，電壓范圍為3

17、.05.5；零待機功耗；溫度以或位數字；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PR35封裝或8腳SOIC封裝，其引腳排列及內部結構框圖如圖及測溫原理圖如下圖1、圖2、圖3所示：圖 1引腳排列圖 2內部結構框圖預置斜率累加器比較低溫度系數振蕩器計數器1溫度寄存器Tx預置=0高溫度系數振蕩器-0計數器2T1加1停止T2圖3 DS18B20測溫原理圖DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數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

18、計數器1；高溫度系數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器2的脈沖輸入。器件中還有一個計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將最低溫所對應的一個基數分別置入減法計數器1、溫度寄存器中，計數器1和溫度寄存器被預置在最低溫所對應的一個基數值。減法計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，減法計數器1的預置將重新被裝入，減法計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環(huán)直到減法計數

19、器計數到0時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數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。四、系統(tǒng)軟件算法設計4.1主程序設計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。圖4.1 主程序流程4.2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，檢驗有錯時不進行溫度數據的改寫。其程序流程圖如圖4.2所示。發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令移入溫度暫存器結束

20、 圖4.2 讀出溫度子程序流程圖4.3 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。4.4計算溫度子程序計算溫度子程序將RAM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4.3所示。開始溫度零下？置“+”標志NY溫度值取補碼置“”標志計算小數位溫度BCD計算整數位溫度BCD結束圖4.3 計算溫度子程序流程圖五、軟件仿真5.1系統(tǒng)仿真結果5.2系統(tǒng)原理圖六、總結與體會 在此次課程設計的進程中，遇到了很多問題，例如，一開始在確定課設題目后，在編寫程序時，由于思路不

21、太清晰，而且設計要求中需要使用新器件DS18B20智能測溫，而其相關知識我們很模糊甚至可以說一無所知，不過后來，我們通過查找一些相關的資料書以及尋求輔導老師的幫助，又經過我們的主動思考，理清思路，終于將程序修改正確。在仿真時，由于我們有了之前的數模電課設仿真經驗，所以此時我們課設進行的很順利，并沒有受到什么大的阻礙。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，數據加減時，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

22、，只有我們去試著做了，才能真正的掌握，只學習理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。 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。附錄 程序清單DQ BITP3.0 ;從DS18B20向8051傳送的數據端口FLAG BIT00HFLAG_NEGBIT01H ;溫度正負值標志位TEMP_LEQU 30H ;所設報警最低值溫度值TEMP_HEQU31H ;所設報警最高值溫度值TEMP_INTEQU 32HTEMP_DPEQU 33HTEM

23、P_100EQU34H ;TEMP_10EQU35HTEMP_1EQU36HC0BIT P3.1 ;負溫度標志位C1BIT P3.2 ;超過100 標志位C2BIT P3.3 ;超過10 標志位C3BIT P3.4 ;超過1 標志位C4BIT P3.5 ;超過0 標志位;*;*主函數*ORG 0000HLJMP STARTORG 1000HSTART:MOV SP,#60HMAIN: LCALL READ_TEMP ;調用函數讀DS18B20所示溫度 LCALL PROC_TEMP ;調用函數對溫度進行處理 LJMP MAIN;*;*READ_TEMP:LCALL INI_DQJB FLAG,

24、RE_0 RETRE_0:MOV A,#0CCHLCALL WRITE_DQ ;讀出傳感器所示溫度MOV A,#44HLCALL WRITE_DQLCALL DISP_LED;調用LED顯示程序LCALL INI_DQMOV A,#0CCHLCALL WRITE_DQMOV A,#0BEHLCALL WRITE_DQLCALL READ_DQRET;*DS18B20初始化程序*INI_DQ:SETBDQNOP ;NOP ;空操作 PC值加2CLRDQMOV R1,#3INI_0: MOV R0,#80 DJNZ R0,$ DJNZ R1,INI_0SETB DQNOP ;NOP ;NOP ;空

25、操作 PC值加3MOVR7,#25INI_1: JNB DQ,INI_2 ;DQ為0則轉 DJNZ R7,INI_1 ;延時 LJMP INI_3INI_2: SETB FLAG ;標志位 LJMP INI_4INI_3: CLR FLAG LJMP INI_5INI_4: MOV R0,#80 DJNZ R0,$ ;時序要求延時一段時間INI_5: SETB DQ RET;*DS18B20寫命令*WRITE_DQ:MOVR6,#8 CLR CTloop:CLRDQMOV R2,#6DJNZ R2,$RRCA;最低位移到C中MOV DQ,CMOV R2,#23DJNZ R2,$SETB DQN

26、OPDJNZ R6,TloopSETB DQRET;*讀DS18B20數據函數*READ_DQ:MOV R5,#2MOV R0,#30HREAD_0:MOV R6,#8READ_1:CLRCSETB DQNOPNOPCLRDQNOPNOPNOPNOPSETBDQMOV R2,#9DJNZ R2,$MOV C,DQMOV R3,#23DJNZ R3,$RRCADJNZR6,READ_1MOV R0,AINC R0DJNZ R5,READ_0SETB DQRET;*溫度數據處理程序*PROC_TEMP:CLR FLAG_NEGMOV A,TEMP_LSWAP A ; A中高低四位互換ORL A,#

27、0F0HMOV TEMP_INT,AMOV A,TEMP_HSWAP AORL A,#0FHANL TEMP_INT,AMOV A,TEMP_H CLR P3.6 CLR P3.7 JB ACC.7,BAOJING1 ;低于零度亮紅燈報警;JBACC.7,NEGTIVEMOV A,TEMP_LANL A,#0FHMOV DPTR,#TAB3MOVC A,A+DPTRMOV TEMP_DP,ALJMP PRO_0;*報警函數*BAOJING1: SETB P3.6 RET;NEGTIVE: ;溫度值為負時處理程序，按實際情況，處理過程比較復雜;SETB FLAG_NEG;MOV A,TEMP_L

28、;CPL A;ANL A,#0FH;MOV R1,A;CJNE R1,#0FH,PRO_1 ; ;低于0°則調用報警函數;PUSH ACC;MOV A,TEMP_INT;SUBB A,#1;MOV TEMP_INT,A;POP ACC;MOV TEMP_DP,#00H ; LJMP PRO_2PRO_1: ADD A,#1MOV DPTR,#TAB3MOVC A,A+DPTRMOV TEMP_DP,APRO_2:MOV A,TEMP_INTCPL AMOV TEMP_INT,APRO_0:MOV A,TEMP_INT MOV B,#100DIV ABMOV TEMP_100,AMOV A,BMOV B,#10DIV ABMOV TEMP_10,AMOV TEMP_1,B RET;*LED初始化*CLR_LED:CLR C0CLR C1CLR C2CLR C3CLR C4RET ;*LED顯示*DISP_LED:LC