數(shù)字溫度計的設計與仿真

1、基于AT89C51的數(shù)字溫度計設計與仿真 硬件電路設計單片機原理與應用設計課程綜述設計項目 數(shù)字溫度計 任課教師 班級 姓名 學號 日期 基于AT89C51的數(shù)字溫度計設計與仿真摘 要：隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度的檢測、控制應用于許多行業(yè)，數(shù)字溫度計就是其中一例，它的反應速度快、操作簡單，對環(huán)境要求不高，因此得到廣泛的應用。傳統(tǒng)的溫度測量大多使用熱敏電阻，但熱敏電阻的可靠性差，測量溫度準確率低，而且必須經(jīng)過專門的接口電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能由單片機進行處理。本課題采用單片機作為主控芯片，利用DS18B20來實現(xiàn)測溫，用LCD液晶顯示器來實現(xiàn)溫度顯示。溫度測量范圍為0119，精確度0.

2、1?？梢允謩釉O置溫度上下限報警值，當溫度超出所設報警值時將發(fā)出報警鳴叫聲，并顯示溫度值，該溫度計適用于人們的日常生活和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度計；DS18B20；AT89C51； LCD1602一、緒 論1.1 前言 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，但人們對它的要求也越來越高，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單片機技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(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),單片機已經(jīng)在測控領(lǐng)

3、域中獲得了廣泛的應用。1.2 課題的目的及意義數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)溫度計相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低、測量范圍廣、體積小、功耗低、顯示直觀等特點。該設計使用AT89C51，DS18B20以及通用液晶顯示屏1602LCD等。通過本次設計能夠更加了解數(shù)字溫度計工作原理和熟悉單片機的發(fā)展與應用，鞏固所學的知識，為以后工作與學習打下堅實的基礎。數(shù)字溫度計主要運用在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，如電力、化工、機械制造、糧食存儲等領(lǐng)域。溫度是表征其對象和過程狀態(tài)的重要參數(shù)之一。比如：發(fā)電廠鍋爐溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)，許多化學反應必須在適當?shù)臏囟认虏拍苓M行。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設備就不能正常工作。

4、因此，溫度的測量和控制是非常重要的。1.3 該論文研究的內(nèi)容通過對目前各種溫度傳感器的分析與研究，對溫度傳感器做出合理選擇，并根據(jù)實際需要選擇合適的主芯片和顯示器，達到優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，提高溫度檢測精度，同時使系統(tǒng)具有測溫范圍廣、體積小、功耗低、精度高、顯示直觀等優(yōu)點，并保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔。本課題的研究重點將放在元器件介紹、硬件電路和程序設計這三個方面?？傊?，本課題研究出一套簡潔實用、精確穩(wěn)定、使用直觀的便攜式數(shù)字溫度計。二、設計方案2.1 方案1：使用電阻元件由于本設計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件，利用其感溫效應將被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)

5、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(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。2.2 方案2：使用數(shù)字溫度傳感器在單片機電路設計中，大多都是使用傳感器3，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(zhuǎn)換，就可以滿足設計要求。方案二，電路比較實用，軟件設計也比較簡單，故采用了方案二。2.3 方案2的總體設計框圖溫度計電路設計總體方框圖如圖2.1所示，控制器采用單片機AT89C51，溫度傳感器采用DS18B20，用LCD液晶顯示屏以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示8。圖2.1 總體設計框圖2.3.1 溫度傳感器DS18B2

6、0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，是一線式數(shù)字式溫度計芯片，體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟。它具有結(jié)構(gòu)簡單，不需外接元件等特點。與傳統(tǒng)的熱敏電阻測溫元件相比，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)912位的數(shù)字值，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。1. DS18B20的性能特點如下6l 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；l 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；l 無須外部器件；l 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5V；l 零待機功耗；l 溫度用9或12位數(shù)字；l 用戶可定義報警設置；l 報警搜索命令識別并

7、標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；l 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。2. DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2.2所示。圖2.2 DS18B20外形圖引腳定義： (1)    DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端； (2)    GND為電源地； (3)    VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.

8、3所示：圖2.3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)64位ROM的結(jié)構(gòu)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11，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，可通過軟件寫入用戶報警上下限。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(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖2.3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(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B2

9、0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。該字節(jié)各位的定義如圖2.4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(zhuǎn)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2.4 DS18B20字節(jié)定義DS18B20溫度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)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

10、，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(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)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0.0625LSB形式表示5。當符號位S0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當符號位S1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2.1是一部分溫度值對應的二進制溫度數(shù)據(jù)。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(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法

11、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(chǎn)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(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)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(chǎn)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(guān)閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度

12、值。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)表2.1 一部分溫度對應值表溫度/二進制表示十六進制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000

13、 10000000H 2.3.2 1602LCD模塊顯示特性4單5V電源電壓，低功耗、長壽命、高可靠性內(nèi)置192種字符（160個5×7點陣字符和32個5×10點陣字符）具有64個字節(jié)的自定義字符RAM，可定義8個5×8點陣字符或四個5×11點陣字符顯示方式：STN、半透、正顯驅(qū)動方式：1/16DUTY，1/5BIAS視角方向：6點背光方式：底部LED通訊方式：4位或8位并口可選標準的接口特性，適配MC51和M6800系列MPU的操作時序1. 1602LCD模塊接口定義圖2.5 1602LCD引腳外形圖1602LCD采用標準的14腳（無背光）接口，各引腳接

14、口說明如表2.2所示。表2.2 1602LCD接口定義表管腳定義符號功能1Vss電源地（GND）2Vdd電源電壓（5V）3VEELCD驅(qū)動電壓（可調(diào)）4RS寄存器選擇輸入端，輸入MPU選擇模塊內(nèi)部寄存器類型號；RS=0，當MPU行進寫模塊操作，指向指令寄存器；當MPU進行讀模塊操作，指向地址計數(shù)器；RS=1，無論MPU讀操作還是寫操作，均指向數(shù)據(jù)寄存器5R/W讀寫控制輸入端，輸入MPU選擇讀/寫模塊操作操作信號：R/W0 讀操作；R/W1 寫操作6E使能信號輸入端，輸入MPU讀/寫模塊操作使能信號：讀操作時，高電平有效；寫操作時，下降沿有效7DB0數(shù)據(jù)輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通

15、道8DB1數(shù)據(jù)輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道9DB2數(shù)據(jù)輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道10DB3數(shù)據(jù)輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道11DB4數(shù)據(jù)輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道12DB5數(shù)據(jù)輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道13DB6數(shù)據(jù)輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道14DB7數(shù)據(jù)輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道2.1602LCD液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表2.3所示。表2.3 控制命令表序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回0000000

16、01*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明:1為高電平、0為低電平）三、硬件電路設計3.1 電路原理圖本溫度計大體分三個工作過程。首先，由DS18B20溫度傳感器芯片測量當前溫度，并將結(jié)果送入

17、單片機。然后，通過AT89C51單片機芯片對送入的測量溫度讀數(shù)進行計算和轉(zhuǎn)換，并將此結(jié)果送入液晶顯示模塊。最后，LCD 1602模塊將送來的值顯示于顯示屏上。從圖中可以看到，本電路主要由DS18B20溫度傳感器芯片、通用LCD 1602 液晶顯示模塊和AT89C51單片機芯片組成。其中，DS18B20溫度傳感器芯片采用“一線制”與單片機相連9，它獨立地完成溫度測量并將結(jié)果送到單片機進行處理。本系統(tǒng)測溫范圍為0119，精度達0.1 。3.2 LCD1602顯示器與單片機的接口電路由于液晶顯示數(shù)字溫度使用方便、功耗低、顯示直觀、壽命長且便于實現(xiàn)小型化設計，另外該模塊顯示字符數(shù)量比以前的七段數(shù)碼管L

18、ED（Light Emitting Diode）顯示器要多得多。因此選用通用1602LCD顯示模塊10。圖3.2 LCD1602與單片機接口電路3.3 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路本設計中DS18B20溫度傳感器與單片機接口電路采用外接電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。如圖3.3所示?；贏T89C51的數(shù)字溫度計設計與仿真 附錄四、軟件設計初始化 DS18B20存在? 顯示DS18B20 ERROR 發(fā)報警搜索命顯示溫度 數(shù)據(jù)處理 讀DS18B20 顯示DS18B20 OK DS18B20 溫度超限? 鳴報警器有鍵按下嗎? 按鍵處理 N N

19、 Y Y Y N 圖4.1 主程序流程圖本設計使用硬件描述語言Keil C51進行設計開發(fā)，采用Vision2的綜合軟件設計程序12。主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示.4.1 讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的字節(jié)，其程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2 讀溫度流程圖4.2 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圖4.3所示圖4.3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖4.3 計算溫度子程序計算溫度子程序從RAM中讀取值進行BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，其程序

20、流程圖如圖4.4所示。圖4.4 計算溫度流程圖4.4 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4.5所示。圖4.5 顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖4.5電路仿真本課題電路運用Proteus進行仿真2，畫好電路圖，單擊Play按鈕，進入仿真狀態(tài)，出現(xiàn)如圖所示仿真圖。五、總結(jié)在設計過程中，主要介紹了數(shù)字溫度計的設計過程，主要從元器件開始談起，介紹了兩個主要器件溫度傳感器DS18B20以及LCD1602顯示屏，這兩個元器件在生活和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。然后從硬件和軟件兩個方面來介紹，硬件電路主要介紹DS18B2

21、0與單片機的接口電路，顯示屏LCD1602與單片機的接口電路。軟件方面，主要闡述了程序流程圖，溫度子程序流程圖，溫度轉(zhuǎn)換命令流程，溫度計算子程序流程以及數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖。設計的具體功能也在仿真結(jié)果中得到現(xiàn)實的體現(xiàn)。通過這次畢業(yè)設計也使我對單片機技術(shù)有了更進一步的了解，實際操作和課本上的知識有很大的聯(lián)系，一個看似很簡單的電路，要動手做出來就比較困難了，因為是設計讓我們在以后的學習中要注意這點，要把課本上所學的知識跟實際聯(lián)系起來。有好多的東西，只有我們?nèi)ピ囍隽耍拍苷嬲恼莆?，只學習理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握，同時本次電路的設計鞏固了所學知識，增強了學習的興趣，為以后從事電子電路

22、設計、研制電子產(chǎn)品方面的工作奠定了一定的基礎.六、程序#include "18B20.h"void delayms(unsigned int m)unsigned int x,y;for(x=m;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void ds_reset() /18B20復位unsigned int i=100;ds=0;while(i>0) i-;ds=1;i=4;while(i>0) i-;bit temp_read_bit() /讀1位數(shù)據(jù)unsigned int i;bit dat;ds=0,i+;ds=1,i+,i+;da

23、t=ds;i=8;while(i>0)i-;return dat;unsigned char temp_read() /讀1字節(jié)數(shù)據(jù)unsigned char i,j,dat;dat=0;for(i=1;i<=8;i+)j=temp_read_bit();dat=(j<<7)|(dat>>1);return dat;void temp_write_byte(unsigned char dat) /寫1字節(jié)數(shù)據(jù)unsigned int i;unsigned char j;bit b;for(j=1;j<=8;j+)b=dat&0x01;dat=d

24、at>>1;if(b) ds=0;i+,i+;ds=1;i=8;while(i>0)i-;else ds=0;i=8;while(i>0)i-;ds=1;i+,i+;unsigned int get_temp()unsigned char a,b;unsigned int temp;float ftemp;ds_reset();delayms(1);temp_write_byte(0xcc);temp_write_byte(0x44); /溫度轉(zhuǎn)換命令ds_reset();delayms(1);temp_write_byte(0xcc);temp_write_byte(

25、0xbe);/讀RAM中的溫度數(shù)據(jù)a=temp_read();b=temp_read();temp=b;temp=temp<<8;temp=temp|a;ftemp=temp*0.0625;temp=ftemp*100+0.5;return temp;#include "18B20.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/這三個引腳參考資料sbit E=P32;/1602使能引腳sbit RW=P31;/1602讀寫引腳sbit RS=P30;/1602數(shù)據(jù)/命令選擇引腳uint wendu=

26、0; /* 名稱 : Delay()* 功能 : 延時,延時時間為 10ms * del。這是通過軟件延時，有一定誤差。* 輸入 : del* 輸出 : 無*/void Delay(uint del)uint i,j;for(i=0; i<del; i+)for(j=0; j<1827; j+) /這個是通過軟件仿真得出的數(shù) /* 名稱 : delay()* 功能 : 延時,延時時間大概為140US。* 輸入 : 無* 輸出 : 無*/void delay()int i,j;for(i=0; i<=100; i+)for(j=0; j<=20; j+);/* 名稱 :

27、enable(uchar del)* 功能 : 1602命令函數(shù)* 輸入 : 輸入的命令值* 輸出 : 無*/void enable(uchar del)P0 = del;RS = 0;RW = 0;E = 0;delay();E = 1;delay();/* 名稱 : write(uchar del)* 功能 : 1602寫數(shù)據(jù)函數(shù)* 輸入 : 需要寫入1602的數(shù)據(jù)* 輸出 : 無*/void write(uchar del)P0 = del;RS = 1;RW = 0;E = 0;delay();E = 1;delay();/* 名稱 : L1602_init()* 功能 : 1602初始化，請參考1602的資料* 輸入 : 無* 輸出 : 無*/void L1602_init(void)enable(0x01);enable(0x38);enable(0x0c);enable(0x06);enable(0xd0);/* 名稱 : L1602_char(uchar hang,uchar li