毕业设计（论文）-基于单片机的数字式温度计的设计.doc

装订线长 春 大 学 课程设计纸数字式温度计的设计【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与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原件。热敏电阻的成本低，需要外加信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，监测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比，这次设计的是基于ds18b20的数字温度计。它具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。在本设计中选用at89c系列单片机为核心器件，采用ds18b20数字传感器为测温元件，通过led数码管显示并进行传送数据，实现温度显示。本设计的内容主要分为两部分，一是对系统硬件部分的设计，包括温度采集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，对温度的采集与实现进行编程，通过ds18b20直接读取被测温度值，送入单片机进行数据处理，之后进行输出显示，最终完成了数字温度计的总体设计。其系统构成简单，信号采集效果好，数据处理速度快，便于实际检测使用。【关键词】：单片机at89c2051；温度传感器ds18b20；led数码管；数字温度计digital thermometer design summaryabstract ：with the rapid development of modern information technology and traditional industrial transformation gradually realize, able to work independently temperature detection and display system applied to many fields. the traditional temperature testing to thermistors for temperature sensitive parts. fortement low cost, require additional signal processing circuits are relatively poor, and reliability, low temperature measurement accuracy, monitoring system also has the certain error. compared with the traditional thermometer, this design is based on digital thermometer. the chip ds18b20 it has readings convenient, measuring temperature range, temperature measurement precision, the digital display characteristics, wide application scope. in this design chooses at89c2051 series microcontroller as the core component, using ds18b20 digital sensors for temperature measuring element, through led digital pipe display and transmit data, realize temperature display. the main content of this design can be divided into two parts, one is the design of system hardware parts, including the temperature acquisition circuit and display circuit; 2 it is the design of system software part of the collection of temperature, and implement programming, through ds18b20 directly read temperature being measured data processing, into scm, output shown after, eventually completed the overall design of digital thermometer. the system structure is simple, signal acquisition effect is good, data processing speed, facilitate practical detection using. keywords: scm at89c2051; temperature sensor ds18b20; led digital tube; digital thermometerii装订线长 春 大 学 课程设计纸数字式温度计的设计idigital thermometer design summaryii引 言1第1章 总体方案论证21.1 温度测量系统设计方案论证21.1.1 方案一21.1.2 方案二21.1.3 总体设计框图21.2 显示部分设计方案论证31.2.1 方案一31.2.2 方案二31.2.3 显示部分的整体框图3第2章 系统硬件电路设计52.1 单片机模块52.1.1 at89c2051功能及特性52.2 温度采集部分硬件72.2.1 温度传感器ds18b2072.2.2 ds18b20温度传感器与单片机的接口电路92.3 显示部分电路设计11第3章 系统软件部分设计133.1 主程序133.2 读出温度子程序133.3 温度转换命令子程序143.4 计算温度子程序153.5 显示数据刷新子程序153.6 程序代码16总 结21参考文献22附录电路图23装订线长 春 大 学 课程设计纸引 言十七世纪是温度计诞生和发展的最初阶段，这个物理仪器几乎比任何其他仪器都得到更广泛的应用，现代的历史研究认为最早发明温度计的科学家是伽利略，他于1592年发明了最早的气体温度计，最早的液体温度计是荷兰科学家华伦海特制造出来。温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生，因此研究温度的测量方法和装置具有重要意义。温度测量在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用，而且随着科学技术的发展对温度测量的应用范围愈来愈广。利用单片机技术的温度测控系统以其体积小，可靠性高而被广泛采用。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机at89c2051，测温传感器使用ds18b20，用共阳极led数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。第1章 总体方案论证通过本次课题设计，应用单片机原理及应用等所学相关知识及查阅资料，完成数字温度计的设计，以达到理论与实践更好的结合、进一步提高综合运用所学知识和设计的能力的目的。 通过本次设计的训练，可以使我们在基本思路和基本方法上对基于mcs-51单片机的嵌入式系统设计有一个比较感性的认识，并具备一定程度的设计能力。1.1 温度测量系统设计方案论证完成同一目的方案有很多种，下面我就尽可能多的提出完善的方案并介绍原理框图和工作原理，然后比较其优点及缺点，最终根据设计的要求选择最适合的方案来实现数字式温度计的设计。1.1.1 方案一由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行a/d转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到a/d转换电路，感温电路比较麻烦。1.1.2 方案二在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以可以采用一只温度传感器ds18b20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。1.1.3 总体设计框图整个系统由主控制器、测温电路和显示电路三个模块组成 图1-1 数字温度计系统结构框图1.2 显示部分设计方案论证1.2.1 方案一 采用1602液晶显示模块，本方案的优点是电路相对简单，显示字符内容较为丰富，考虑到本报警系统只需要显示测量的温度，不需要过多的复杂功能，实用1602液晶显示会增加系统的成本，此方案的缺点也在于此。1.2.2 方案二 采用数码管显示，此方案的最大优点就是成本较低，缺点是电路相对复杂，需要驱动电路，在软件上也需要做出处理。但是此方案完全可以满足本报警系统的功能和要求，软件处理上也不是特别的复杂，驱动电路也相对简单。从以上两种方案，综合考虑，采用方案二，虽然电路相对复杂一点，但在成本上却占了很大的优势，并可以完全实现本系统的要求，选择方案二。1.2.3 显示部分的整体框图除去主控制器之外，测温和显示模块同样是这款温度计的主要亮点所在。测温模块我们采用的是现在比较通用的ds18b20芯片，其突出的特点是显而易见的，无论是稳定性还是其内部的存储方式都比较适合我们设计的这个系统，所以我们才采用它作为我们的采温元件。显示部分是经典的led数码管，它耗电量低，稳定性突出等一些列优点受到大家的一致好评，故我们也采用了此显示方式，显示模块电路原理图如下图1-2 数字温度计系统显示模块电路原理图第2章 系统硬件电路设计2.1 单片机模块at89c2051主要特点是采用flash存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与ds18b20完全兼容。at89c2051片内含有2k字节的flash程序存储器，128字节的片内ram。允许工作的时钟为024mhz。at89c2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它不需要ale、psen、ra、wr一类的引脚。at89c2051共有20个引脚，体积小巧易于操作。其管脚图如上：2.1.1 at89c2051功能及特性1.串口p1口共8脚，准双向端口。p3.0p3.6共7脚，准双向端口，并且保留了全部的p3的第二功能，如p3.0、p3.1的串行通讯功能，p3.2、p3.3的中断输入功能,p3.4、p3.5的定时器输入功能。在引脚的驱动能力上面，89c2051具有很强的下拉能力，p1,p3口的下拉能力均可达到20ma。89c2051驱动能力的增强，使得它可以直接驱动led数码管。为了增加对模拟量的输入功能，at89c2051在内部构造了一个模拟信号比较器，其输入端连到p1.0和p1.1口，比较结果存入p3.6对应寄存器，对于一些不大复杂的控制电路我们就可以增加少量元件来实现。2 电源at89c2051有很宽的工作电源电压，可为2.76v,当工作在3v时，电流相当于6v工作时的1/4。工作于12hz时，动态电流为5.5ma，空闲态为1ma,掉电态仅为20na。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。3 存储器at89c2051片内含有2k字节的flash程序存储器，128字节的片内ram。由于2051内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为020mhz,也就是说，允许在低速工作时，不破坏ram内容。相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5mhz，因为其内部的ram是动态刷新的。4内部i/o控制89c2051在内部i/o口为5路2级优待中断，2路定时器/计数器。单片机模块功能该模块由以下几个部分组成：复位电路：为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5v5%，即 4.755.25v。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当vcc超过4.75v低于5.25v以及晶体振荡器 稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。图2-1 复位电路目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：微分型复位电路；积分型复位电路；比较器型复位电路；看门狗型复位电路。振荡电路：晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低 的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶 振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄， 所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化,震荡电路的电路图如图2-2所示.图2-2 晶振电路晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般ic的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。2.2 温度采集部分硬件2.2.1 温度传感器ds18b20ds18b20温度传感器是美国dallas半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。 ds18b20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个ds18b20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；零待机功耗；温度以9或12位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作； ds18b20采用3脚pr35封装或8脚soic封装，其内部结构框图如图2-3所示。i/oc64位rom和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器th低温触发器tl配置寄存器8位crc发生器vdd 图2-3 ds18b20内部结构64位rom的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的crc检验码，这也是多个ds18b20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。ds18b20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ram和一个非易失性的可电擦除的eeram。高速暂存ram的结构为8字节的存储器，结构如图3-4所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。ds18b20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3-5所示。低5位一直为1，tm是工作模式位，用于设置ds18b20在工作模式还是在测试模式，ds18b20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，r1和r0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。另外，由于ds18b20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对ds18b20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化ds18b20（发复位脉冲）发rom功能命令发存储器操作命令处理数据。图2-4 ds18b20与单片机的接口电路2.2.2 ds18b20温度传感器与单片机的接口电路ds18b20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时ds18b20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的ds18b20时钟周期内提供足够的电流，可用一个mosfet管来完成对总线的上拉。当ds18b20处于写存储器操作和温度a/d转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时vdd端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。由于ds18b20是在一根i/o线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。ds18b20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。ds18b20的复位时序 图2-5 ds18b20复位时序ds18b20的读时序对于ds18b20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于ds18b20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让ds18b20把数据传输到单总线上。ds18b20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。图2-6 ds18b20读时序ds18b20的写时序对于ds18b20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于ds18b20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证ds18b20能够在15us到45us之间能够正确地采样io总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。图2-7 ds18b20写时序2.3 显示部分电路设计led数码管是一种常见的显示数字量的元器件，其有两种连接方式，即共阴极连接、共阳极连接。此次数字温度计系统的显示部分采用的是共阳极7段led数码管，其主要原因是不用上拉电阻，从而节省了电的使用。另外在焊接的过程中比较简单，出现的误差几率较小。 图2-8数码管的不同方式连接图74hc244内部集成8路非门，由两路使能信号控制。主要用于数码管功率驱动。图2-9 74hc244管脚图74hc244芯片内部共有两个四位三态缓冲器，使用时可分别以1c和2g作为它们的选通工作信号。当1/oe和2/oe都为低电平时，输出端y和输入端a状态相同；当1/oe和2/oe都为高电平时，输出呈高阻态，所以在使用芯片时一定要注意。第3章 系统软件部分设计系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。3.1 主程序，初始化调用显示子程序1s到？初次上电读出温度值温度计算处理显示数据刷新发温度转换开始命令nyny图3-1 主程序流程图3.2 读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出ram中的9字节，在读出时需进行crc校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图3-2所示y发ds18b20复位命令发跳过rom命令发读取温度命令读取操作，crc校验9字节完？crc校验正？确？移入温度暂存器结束nny图3-2 读温度流程图3.3 温度转换命令子程序 温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如下图所示 发ds18b20复位命令发跳过rom命令发温度转换开始命令结束3.4 计算温度子程序计算温度子程序将ram中读取值进行bcd码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图3-4所示。开始温度零下?温度值取补码置“”标志计算小数位温度bcd值 计算整数位温度bcd值 结束置“+”标志ny图3-4 计算温度流程图3.5 显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图3-5。数据移入显示寄存器十位数0？百位数0？十位数显示符号百位数不显示百位数显示数据 结束nnyy图3-5 显示数据刷新流程图3.6 程序代码#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar k;sbit ds =p37; /定义ds18b20通讯端口 sbit d1=p30;sbit d2=p31; /数码管 位选 sbit d3=p32;sbit d4=p33;uchar code led=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;uchar code ditab16 = 0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;/查小数表 uchar data temp_data4 = 0x00,0x00,0x00,0x00;/高低位临时数据 uchar data display5 = 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/数据转换 void delay_ms(uint ms) uint x,y; for(x=ms;x0;x-) for(y=110;y0;y-);void delay_us(uchar us)while(-us); readchar(void)/读一个字节 uchar i;uchar dat = 0;for (i=8;i0;i-)ds=1;delay_us(1);dat=1;ds = 0; delay_us(1); /4us ds = 1;delay_us(1); /4us if(ds)dat|=0x80;delay_us(30); /66us ds=1;return(dat);writechar(uchar dat) /写一个字节 uchar i;for (i=8; i0; i-) ds=1;delay_us(1); ds = 0;delay_us(1); ds = dat&0x01; delay_us(30); dat=dat/2; ds = 1;delay_us(3); init_18b20(void)/初始化18b20 ds=1; delay_us(1);ds=0; delay_us(250); /单片机将dq拉低545us ds=1; delay_us(30); delay_us(250); /延时500us ds = 1; read_18b20()/ 读取温度 init_18b20(); /初始化 writechar(0xcc); /跳过读序号列号的操作