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河南理工大学本科课程设计报告- 1 -河南理工大学河南理工大学单片机应用与仿真训练设计报告基于单片机的数字温度计设计姓 名: 学 号: 专业班级: 指导老师: 所在学院: 电气工程与自动化系 2011 年 6 月 26 日河南理工大学本科课程设计报告- 2 -基于单片机的数字温度计设计摘要随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低,但需后续信号处理电路,而且可靠性相对较差,测温准确度低,检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比,这里设计的数字温度计具有读数方便,测温范围广,测温精确,数字显示,适用范围宽等特点。选用 AT89S52 型单片机作为主控制器件, DSl8B20 作为测温传感器通过4 位共阳极 LED 数码管串口传送数据,实现温度显示。通过 DSl8B20 直接读取被测温度值,进行数据转换,该器件的物理化学性能稳定,线性度较好,在0100最大线性偏差小于 0.1。该器件可直接向单片机传输数字信号,便于单片机处理及控制。另外,该温度计还能直接采用测温器件测量温度,从而简化数据传输与处理过程。河南理工大学本科课程设计报告- 3 -目录1 概述 41.1 课题名称 41.2 课题要求41.3 设计的目的意义42 系统总体方案及硬件设计 52.1 单片机的选择52.2 温度传感器的介绍62.3 温度传感器与单片机的连接82.4 复位信号及外部复位电路82.5 单片机与报警电路92.6 显示电路93 软件设计 104 Proteus 软件仿真 124.1 仿真图 124.2 仿真结果分析135 总结体会 14参考文献 15附录 1 程序源代码 15附录 2 系统原理图231 概述1.1 课 题 名 称基 于 单 片 机 的 数 字 温 度 计 的 设 计河南理工大学本科课程设计报告- 4 -1.2 课 题 要 求1) 基 本 范 围 -50 1102) 精 度 误 差 小 于 0.53) LED 数 码 直 读 显 示4) 可 以 设 定 温 度 的 上 下 限 报 警 功 能1.3 设 计 目 的 和 意 义温 度 数 我 们 日 常 生 产 和 生 活 中 实 时 在 接 触 到 的 物 理 量 , 但 是 它 是 看 不 到的 , 仅 凭 感 觉 只 能 感 觉 到 大 概 的 温 度 值 , 传 统 的 指 针 式 的 温 度 计 虽 然 能 指 示温 度 , 但 是 精 度 低 , 使 用 不 够 方 便 , 显 示 不 够 直 观 , 数 字 温 度 计 的 出 现 可 以让 人 们 直 观 的 了 解 自 己 想 知 道 的 温 度 到 底 是 多 少 度 。数 字 温 度 计 采 用 温 度 敏 感 元 件 也 就 是 温 度 传 感 器 ( 如 铂 电 阻 , 热 电 偶 ,半 导 体 , 热 敏 电 阻 等 ) , 将 温 度 的 变 化 转 换 成 电 信 号 的 变 化 , 如 电 压 和 电 流的 变 化 , 温 度 变 化 和 电 信 号 的 变 化 有 一 定 的 关 系 , 如 线 性 关 系 , 一 定 的 曲 线关 系 等 , 这 个 电 信 号 可 以 使 用 模 数 转 换 的 电 路 即 AD 转 换 电 路 将 模 拟 信 号 转换 为 数 字 信 号 , 数 字 信 号 再 送 给 处 理 单 元 , 如 单 片 机 或 者 PC 机 等 , 处 理 单元 经 过 内 部 的 软 件 计 算 将 这 个 数 字 信 号 和 温 度 联 系 起 来 , 成 为 可 以 显 示 出 来的 温 度 数 值 , 如 25.0 摄 氏 度 , 然 后 通 过 显 示 单 元 , 如 LED,LCD 或 者 电 脑 屏幕 等 显 示 出 来 给 人 观 察 。 这 样 就 完 成 了 数 字 温 度 计 的 基 本 测 温 功 能 。数 字 温 度 计 根 据 使 用 的 传 感 器 的 不 同 , AD 转 换 电 路 , 及 处 理 单 元 的 不同 , 它 的 精 度 , 稳 定 性 , 测 温 范 围 等 都 有 区 别 , 这 就 要 根 据 实 际 情 况 选 择 符合 规 格 的 数 字 温 度 计 。 数 字 温 度 计 有 手 持 式 , 盘 装 式 , 及 医 用 的 小 体 积 的 等等 。另 外 作 为 电 气 工 程 及 其 自 动 化 的 学 生 , 通 过 基 于 单 片 机 数 字 温 度 计 的 设计 可 以 提 高 自 己 理 论 联 系 实 际 的 能 力 , 可 以 更 好 的 掌 握 所 学 的 专 业 理 论 只 是 ,也 培 养 了 自 己 的 动 手 能 力 , 同 时 , 也 培 养 了 信 息 搜 集 能 力 和 分 析 问 题 解 决 问题 的 能 力 2 系统总体设计方案及硬件设计河南理工大学本科课程设计报告- 5 -作 为 对 专 业 理 论 知 识 学 习 后 的 实 践 环 节 , 我 选 择 了 自 行 设 计 基 于AT89S52 单 片 机 的 数 字 温 度 计 。 设 计 原 理 框 图 如 ,图 1。图 1 数字温度计原理框图2.1 单片机的选择AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器,具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash,使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。Protues 仿真软件中用 AT89C51 代替 AT89S52,单片机小系统的电路图如图 2 所示。图 2 单片机小系统电路AT89S52 主要性能1、与 MCS-51 单片机产品兼容;河南理工大学本科课程设计报告- 6 -2、8K 字节在系统可编程 Flash 存储器;3、1000 次擦写周期; 4、全静态操作:0Hz-33MHz; 5、三级加密程序存储器;6、32 个可编程 I/O 口线;7、三个 16 位定时器/计数器;8、六个中断源;9、全双工 UART 串行通道; 10、低功耗空闲和掉电模式;11、掉电后中断可唤醒;12、看门狗定时器;13、双数据指针;14、掉电标识符 。2.2 温度传感器介绍DS18B20 可以程序设定 912 位的分辨率,精度为0.5C。可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。分辨率设定,及用户设定的报警温度存储在EPROM 中,掉电后依然保存。图 3 温度传感器引脚功能说明:NC :空引脚,悬空不使用;VDD :可选电源脚,电源电压范围 35.5V。当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。DQ :数据输入/输出脚。漏极开路,常态下高电平。GND :为电源地DS18B20 内部结构主要由四部分组成:64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该河南理工大学本科课程设计报告- 7 -DS18B20 的地址序列码。64 位光刻 ROM 的排列是:开始 8 位(28H )是产品类型标号,接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号,最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1) 。光刻 ROM 的作用是使每一个DS18B20 都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量,以 12 位转化为例:用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以 0.0625/LSB 形式表达,其中 S 为符号位。 这是 12 位转化后得到的 12 位数据,存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM中,二进制中的前面 5 位是符号位,如果测得的温度大于 0,这 5 位为 0,只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度;如果温度小于 0,这 5 位为 1,测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为 07D0H,+25.0625的数字输出为 0191H,-25.0625的数字输出为FF6FH,-55的数字输出为 FC90H。 DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL 和结构寄存器。 暂存存储器包含了 8 个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一个字节的内容是温度的低八位,第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是 TH、TL 的易失性拷贝,第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝,这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。 该字节各位的意义如下:TM R1 R0 1 1 1 1 1低五位一直都是 1 ,TM 是测试模式位,用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0,用户不要去改动。R1 和R0 用来设置分辨率,如表 1 所示:(DS18B20 出厂时被设置为 12 位) 表 1 DS18B20 温度转换时间表R1 R0 分辨率/位 温度最大转向时间0 0 9 93.75河南理工大学本科课程设计报告- 8 -0 1 10 187.51 0 11 3751 1 12 750根据 DS18B20 的通讯协议,主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤:每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位,复位成功后发送一条ROM 指令,最后发送 RAM 指令,这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒,然后释放,DS18B20 收到信号后等待1660 微秒左右,后发出 60240 微秒的存在低脉冲,主 CPU 收到此信号表示复位成功。2.3 温度传感器与单片机的连接DS18B20 采 用 外 部 电 源 供 电 方 式 , 在 外 部 电 源 供 电 方 式 下 , DS18B20 工 作 电源 由 VCC 引 脚 接 入 , 此 时 I/O 线 不 需 要 强 上 拉 , 不 存 在 电 源 电 流 不 足 的 问 题 ,可 以 保 证 转 换 精 度 , 同 时 在 总 线 上 理 论 可 以 挂 接 任 意 多 个 DS18B20 传 感 器 ,组 成 多 点 测 温 系 统 。 注 意 : 在 外 部 供 电 的 方 式 下 , DS18B20 的 GND 引 脚 不能 悬 空 , 否 则 不 能 转 换 温 度 , 读 取 的 温 度 总 是 85 。图 4 DS18B20 接线2.4 复 位 信 号 及 外 部 复 位 电 路该复位信号高电平有效,其有效时间应持续 24 个振荡脉冲周期即两个机器周期以上。若使用频率为 12 MHz 的晶体振荡器,则复位信号持续时间应超过 2s才完成复位操作。图 5 复位电路2.5 单片机与报警电路报警电路分为两部分,一部分是蜂鸣器声音报警,另一部分是发光二极管放光报警。河南理工大学本科课程设计报告- 9 -具体情况如下:接通电源,两个(红色,黄色)发光二极管都不亮,当温度超过上线设定值(如 38 摄氏度)时,红色二极管亮,同时蜂鸣器也报警;当温度低于下限设定值时(如 5 摄氏度)时,黄色二极管亮,同时蜂鸣器也开始报警。图 6 蜂鸣器报警 图 7 发光二极管报警 2.6 显示电路采用技术成熟的 5461AS 共阴 4 位数码管 0.56 英寸红色。LED 显示分为静态显示和动态显示。这里采用静态显示,系统通过单片机的串行口来实现静态显示。串行口为方式零状态,即工作在移位寄存器方式,波特率为振荡频率的 1/12。当器件执行任何一条将 SBUF 作为目的寄存器的命令时,数据便开始从 RXD 端发送。在写信号有效时,相隔一个机器周期后发送控制端 SEND 有效,即允许RXD 发送数据,同时允许从 TXD 端输出移位脉冲。图 8 为显示电路的连接图。图 8 数码显示连接图3 软件设计河南理工大学本科课程设计报告- 10 -DSl8820 的主要数据元件有:64 位激光 Lasered ROM,温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器 TH 和 TL。DSBl820 可以从单总线获取电源,当信号线为高电平时,将能量贮存在内部电容器中;当单信号线为低电平时,将该电源断开,直到信号线变为高电平重新接上寄生(电容)电源为止。此外,还可外接 5 V 电源,给 DSl8820 供电。DSl8820 的供电方式灵活,利用外接电源还可增加系统的稳定性和可靠性。图 9 为读取数据流程图。开始DS18B20 的初始化启动温度转换读取温度寄存器跳过读序列号的操作跳过读序列号的操作DS18B20 的初始化RETLOW-低八位 HIGH-高八位

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