數(shù)顯溫度計實驗報告

1、.wd.wd.wd.工程編號：大學生課外開放實驗校級普通工程實驗報告立項時間：工程名稱：數(shù)顯溫度計的設計與制作 學生姓名： 指導教師：學 院： 完成時間：2014.5設備與實驗室管理處制0. 引言單片機技術作為計算機技術的一個分支，廣泛地應用于工業(yè)控制，智能儀器儀表，機電一體化產(chǎn)品，家用電器等各個領域?！皢纹瑱C原理與應用在工科院校各專業(yè)中已作為一門重要的技術根基課而普遍開設。學生在課程設計，畢業(yè)設計,科研工程中會廣泛應用到單片機知識，而且，進入社會后也會廣泛接觸到單片機的工程工程。鑒于此，提高“單片機原理及應用課的教學效果，讓學生參與課程設計實習甚為重要。單片機應用技術涉及的內(nèi)容十分廣泛，如何

2、使學生在有限的時間內(nèi)掌握單片機應用的 基本原理及方法，是一個很有價值的教學工程。為此，我們進展了“單片機的學習與應用方面的課程設計，鍛煉學生的動腦動手以及協(xié)作能力。單片機課程設計是針對模擬電子技術，數(shù)字邏輯電路，電路，單片機的原理及應用課程的要求，對我們進展綜合性實踐訓練的實踐學習環(huán)節(jié)，它包括選擇課設任務、軟件設計，硬件設計，調(diào)試和編寫課設報告等實踐內(nèi)容。通過此次課程設計實現(xiàn)以下三個目標:第一，讓學生初步掌握單片機課程的試驗、設計方法，即學生根據(jù)設計要求和性能約束，查閱文獻資料，收集、分析類似的相關題目，并通過元器件的組裝調(diào)試等實踐環(huán)節(jié)，使最終硬件電路到達題目要求的性能指標；第二，課程設計為后

3、續(xù)的畢業(yè)設計打好根基，畢業(yè)設計是系統(tǒng)的工程設計實踐，而課程設計的著眼點是讓學生開場從理論學習的軌道上逐漸引向?qū)嶋H運用，從已學過的定性分析、定量計算的方法，逐步掌握工程設計的步驟和方法，了解科學實驗的程序和實施方法。第三，培養(yǎng)學生勤于思考樂于動手的習慣，同時通過設計并制作單片機類產(chǎn)品，使學生能夠自己不斷地學習承受新知識如在本課設題目中存在智能測溫器件DS18B20，就是課堂環(huán)節(jié)中不曾提及的“新器件，通過多人的合作解決現(xiàn)實中存在的問題，從而不斷地增強學生在該方面的自信心及興趣，也提高了學生的動手能力，對學生以后步入社會參加工作打下一定良好的實踐根基。1.設計意義在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常要用到

4、溫度的檢測及控制，傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應的溫度，需要比較多的外部硬件支持。其缺點如下：硬件電路復雜；軟件調(diào)試復雜；制作成本高。本數(shù)字溫度計設計采用美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后推出的一種改進型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，測溫范圍為-55125，最高分辨率可達0.0625。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用三線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的熱點。實驗目的了解DS18B20數(shù)字式溫度傳感器的工作原理。利用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器和微機實驗平臺實現(xiàn)數(shù)字溫度計。學習并掌握

5、單片機編程原理。設計并制作出數(shù)字溫度計測溫范圍在-55125，誤差在0.5以內(nèi)，采用LED數(shù)碼管直接讀顯示。3.實驗原理3.1 DS18B20測溫原理3.1.1 DS18B20構(gòu)造簡介DS18B20是一種新型的“一線器件，其體積更小、更適用于多種場合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟。DALLAS 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持“一線總線接口的溫度傳感器。溫度測量范圍為-55+125 攝氏度，可編程為9位12 位轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625攝氏度，分辨率設定參數(shù)以及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM 中，掉電后依然保存。被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出

6、；其工作電源既可以在遠端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3 根或2 根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。3.1.2 DS18B20性能特點獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫；DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換

7、電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電;；溫范圍55125，在-10+85時精度為0.5；零待機功耗；可編程的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫；在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快；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；測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；圖 1 外部

8、封裝形式 圖 2 傳感器電路圖負電壓特性，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。以上特點使DS18B20非常適用與多點、遠距離溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20內(nèi)部構(gòu)造主要由四局部組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置存放器。DS18B20的管腳排列、各種封裝形式如圖 1 所示，DQ 為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源；GND為地信號；VDD為可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。其電路圖 2 所示。3.1.3 DS18B20使用中本卷須知較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進展補償

9、，由于DS18B20溫度傳感器與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS18B20進展讀寫編程時，必須嚴格地保證讀寫時序，否那么將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進展系統(tǒng)程序設計時，對DS18B20操作局部最好采用匯編語言實現(xiàn)。在DS18B20溫度傳感器的有關資料中均未提及單總線上所掛DS18B20數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS18B20，在實際應用中并非如此。連接DS18B20溫度傳感器的總線電纜是有長度限制的。在采用DS18B20進展長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。在DS18B20溫度傳感器測溫程序設計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命

10、令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一對線接VCC和地線，屏蔽層在源端單點接地。3.2 AT89S51簡介AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4k BytesISPIn-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳構(gòu)造，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Fl

11、ash存儲單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。圖3 AT89S51引腳圖AT89S51的引腳圖如圖3所示，其主要性能特點如下：1、4k Bytes Flash片內(nèi) HYPERLINK :/baike.baidu /view/421016.htm t _blank 程序存儲器；2、128 bytes的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3049530.htm t _blank 隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3558.htm t _blank RAM；3、32個外部雙向輸入/輸出I/O口；4、2個

12、HYPERLINK :/baike.baidu /view/1206615.htm t _blank 中斷優(yōu)先級、2層 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1206639.htm t _blank 中斷嵌套中斷；5、5個 HYPERLINK :/baike.baidu /view/600195.htm t _blank 中斷源；6、2個16位可編程 HYPERLINK :/baike.baidu /view/281961.htm t _blank 定時器/ HYPERLINK :/baike.baidu /view/259701.htm t _blank 計數(shù)器；7、2

13、個全雙工 HYPERLINK :/baike.baidu /view/716175.htm t _blank 串行通信口；8、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/280158.htm t _blank 看門狗 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1008973.htm t _blank WDT電路；9、片內(nèi) HYPERLINK :/baike.baidu /view/429391.htm t _blank 振蕩器和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2246970.htm t _blank 時鐘電路；10、與MCS-5

14、1兼容；11、全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz；12、三級 HYPERLINK :/baike.baidu /view/421016.htm t _blank 程序存儲器保密鎖定；13、可編程串行通道；14、低功耗的閑置和掉電模式。AT89S51具有完整的輸入輸出、控制端口、以及內(nèi)部程序存儲空間。與我們通常意義上的微機原理類似，可以通過外接A/D，D/A轉(zhuǎn)換電路及運放芯片實現(xiàn)對傳感器傳送信息的采集，且能夠提供以點陣或LCD液晶及外接按鍵實現(xiàn)人機交互，能對內(nèi)部眾多I/O端口連接步進電機對外圍設備進展準確操控，具有強大的工控能力。4.實驗內(nèi)容本設計采用單片機對溫度信息進展采集、處理并以數(shù)字形式顯示，

15、以其測量精度高，測溫范圍廣，操作簡單、運行性強，價格低廉等優(yōu)點，特別適用于生活，醫(yī)療，工業(yè)生產(chǎn)等方面的溫度測量。根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，選擇DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片機AT89S51為測溫系統(tǒng)的核心來完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等功能。硬件系統(tǒng)由DS18B20組成的測溫模塊、雙電源供電的信號調(diào)理放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、AT89S51控制模塊、液晶顯示模塊和供電模塊組成。實驗原理圖如圖4。圖4 實驗原理圖該系統(tǒng)的總體設計思路如下：溫度傳感器DS18B20組成的測溫電路把所測得的溫度信息經(jīng)過放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)送到AT89S51單片機上，經(jīng)過51單片機處理，將把溫度信息在顯示電路上顯示

16、，本系統(tǒng)顯示器為點陣字符LCD1602液晶模塊。檢測范圍200.0攝氏度到+200.0攝氏度。5.實驗步驟5.1硬件設計與制作5.1.1硬件系統(tǒng)概述本實驗硬件系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)，溫度傳感器，顯示電路等組成，以AT89S51作為主控系統(tǒng)。顯示電路采用LCD1602液晶顯示模塊芯片組成，可進展多行顯示。溫度傳感器由DS18B20測溫器件組成，該器件主要功能有：采用單線總技術；每只DS18B20具有獨立的不可修改的64位序列號；低壓供電，電壓范圍為35V，測溫范圍為-20-125，誤差為0.5。復位電路是由10K電阻構(gòu)成的上電自動復位。5.1.2主控電路主控系統(tǒng)由AT89S51，晶振電路如圖5，復

17、位電路如圖6等組成。其中AT89S51的2128管腳連接1602液晶顯示器的714管腳。AT89S51的18,19管腳接晶振電路，管腳9接復位電路，管腳17接測溫電路。圖5 晶振電路圖6 復位電路5.1.3顯示電路圖7 液晶顯示電路本實驗顯示電路采用LCD1602液晶顯示模塊芯片，該芯片克實現(xiàn)16x2個字符，比以前的七段數(shù)碼管LED顯示器在顯示字符上的數(shù)量要多得多，另外，由于1602芯片編程比較簡單，界面直觀，更加易于使用和觀測。5.1.4溫度傳感器本實驗溫度傳感器采用的是DS18B20,DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應用場合

18、的不同而改變其外觀。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進展通信，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；DS18B20可以使用外部電源VDD，也可以使用內(nèi)部的寄生電源。當VDD端口接3.0V5.5V的電壓時是使用外部電源；當VDD端口接地時使用了內(nèi)部的寄生電源。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5K左右的上拉電阻。圖8 DS18B20引腳圖低溫度系數(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計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震

19、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，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門翻開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進展計數(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所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度存放器中，減法計數(shù)器1和溫度存放器被預置在-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(chǎn)生的脈沖信號進展減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度存放器的值將加1，減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開場對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進展計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停頓溫度存放器值的累加

20、，此時溫度存放器中的數(shù)值即為所測溫度。圖9 DS18B20測溫電路5.1.5實驗器材DS18B20，AT89S51，12MHz晶振，5.1K排阻，4.7K電阻，10K電阻，LED1602,40座IC座，10F電容各一個，30pF電容2個。5.1.6硬件制作根據(jù)實驗原理圖，進展合理的排版，把以上實驗器材通過焊錫焊接在電路板上，使用導線連接，硬件實物做好后，將程序燒入單片機。制作實物圖參見附頁。5.2軟件設計整個系統(tǒng)是由硬件配合軟件來實現(xiàn)的，在硬件確定后，編寫的軟件的功能也就 基本定型了。所以軟件的功能大致可分為兩個局部：一是監(jiān)控，這也是系統(tǒng)的核心局部，二是執(zhí)行局部，完成各個具體的功能。系統(tǒng)程序主

21、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。5.2.1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進展一次。主程序流程如以下列圖圖10 主程序流程圖5.2.2 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)，在讀出時需進展CRC校驗，校驗有錯時不進展溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖示：圖11 子程序流程5.2.3 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)換開場命令，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。5.2.4

22、 計算溫度子程序計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進展BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，并進展溫度值正負的判定。圖12 計算溫度流程圖和顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖5.2.5 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)進展刷新操作，當最高顯示位為0時將符號顯示位移入下一位。流程如上圖所示。5.2.6 1602液晶顯示圖13 1602溫度顯示流程6.實驗結(jié)果 6.1軟件仿真 6.1.1 系統(tǒng)仿真結(jié)果本設計是在Proteus環(huán)境下進展仿真的，仿真所用到的器件有：單片機AT89S51，DS1820溫度傳感器，LCD1602液晶顯示器，一些電阻，電容等。仿真結(jié)果如下：詳細程序見附頁圖14 仿真結(jié)果圖6.2

23、 實物展示實物展示如圖15所示：圖15 實物圖6.3實物調(diào)試運行結(jié)果經(jīng)調(diào)試后運行，顯示的溫度為27.3攝氏度，與當前實際溫度一致，如圖16所示：圖16 實物顯示結(jié)果7.討論與分析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，進展A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進展數(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(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。方案設計框圖如下：圖17 方案設計框圖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

24、容易直接讀取被測溫度值，進展轉(zhuǎn)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。通過方案二設計的溫度計總體電路如圖15所示，控制器采用單片機AT89S51，溫度傳感器采用DS18B20，用LCD1602液晶顯示器以串口并行輸出方式傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示。8.心得體會從這次的課程設計中，我們真真正正的意識到，在以后的學習中，要理論聯(lián)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(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我們在這次課程設計中的最大收獲。通過這次對數(shù)字溫度計的設計與制作，讓我們了解了設計電路的程序，也

25、讓我們了解了關于數(shù)字溫度計的原理與設計理念，要設計一個電路總要先用仿真仿真成功之后才實際接線的。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法，在實際中因為芯片本身的特性而能夠成功。所以，在設計時應考慮兩者的差異，從中找出最適合的設計方法。在這次綜合實驗中，我們通過查找大量資料，請教教師，以及不懈的努力，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。之前以為有了圖，應該就是焊電路板而已，應該不難，然而在實踐中，我們還要去了解各種芯片的管腳接法，還有線路布置，尤其布局在焊接過程中尤為重要，一個合理的布局不僅

26、使電路板更加美觀，而且便于檢查和分析問題。焊接時也要盡量小心，尤其在要焊接較長線路時，防止虛焊，因為在檢查的過程中虛焊很難被檢查出來，這就要求我們有較為熟練的焊接技術。在調(diào)試的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)問題或調(diào)試不成功，不要緊張，先從電路圖開場檢查，看看電路和引腳是否接錯，在有可能虛焊的地方多焊幾遍，還檢查不出錯誤就跟同學討論。通過這次綜合性實驗我們不僅提高了焊接技術，還學到很多知識。這些知識和學習方法正是我們平時學習中沒有理解和掌握的，在學習理論知識的同時也要注重科學實踐，而這種實驗正好為我們提供了實踐的時機，所以我們要好好珍惜每一次的實驗。在每一次的試驗中有所收獲，通過每一次的實驗充實自己。9.對學

27、校建議在這次開放實驗中，學校為我們提供了充分的實驗條件，讓我們得以順利的完成了此次實驗。在實驗中教師也很耐心的為我們講解和指導，對很多不懂的知識都得到了了解，在此次實驗中，體會到了團隊合作的重要性，并且鍛煉了實踐動手能力和客服困難的勇氣，讓我們提前了解了焊接技術和單片機的相關知識，為以后的學習打下了良好的根基。我們覺得學校應該多多開展這樣的實驗活動，為鍛煉學生的動手能力提供一個良好的平臺，激發(fā)學生學習的潛能，提升其對于專業(yè)知識學習的興趣，營造一種良好的學習氣氛。10.參考文獻1李朝青.單片機原理及接口技術簡明修訂版.杭州：北京航空航天大學出版社，19982李廣弟.單片機根基.北京：北京航空航天

28、大學出版社，19943閻石.數(shù)字電子技術根基第三版.北京：高等教育出版社，19894廖常初.現(xiàn)場總線概述J.電工技術，1999附錄程序代碼#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P37;/ds18b20與單片機連接口sbit RS=P30;sbit RW=P31;sbit EN=P32;unsigned char code str1=temperature: ;unsigned char code str2=;uchar data disdata5;uint tvalue;/溫度值uchar tfl

29、ag;/溫度正負標志/*lcd1602程序*/void delay1ms(unsigned int ms)/延時1毫秒不夠準確的unsigned int i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j0;i-) DQ = 0; /給脈沖信號 dat=1; DQ = 1; /給脈沖信號 if(DQ) dat|=0 x80; delay_18B20(10); return(dat);void ds1820wr(uchar wdata)/*寫數(shù)據(jù)*/unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0 x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata=1; read_temp()/*讀取溫度值并轉(zhuǎn)換*/uchar