《微机原理与接口技术》课程设计-单片机数字温度传感器测温显示系统课程设计.doc

微机原理与接口技术课程设计说明书 课程名称：微机原理与接口技术设计题目：数字温度传感器测温显示系统院 系：机械与电子控制工程学院班 级：设 计 者： 学 号： 指导教师： 设计时间： 2007.7.92007.7.17机电学院微机原理与接口技术课程设计任务书 姓 名： 专 业：机械工程及自动化 班 号： 任务起至日期： 课程设计题目： 数字温度传感器测温显示系统 已知技术参数和设计要求： 1、已知技术参数：芯片：89c51（1）、8155（1）、74ls14（1）、7407（2）、75452（3）。共阴极数码管六个、 温度传感器ds18b20、0.1k电阻五个， 0.3k电阻一个， 1k电阻一个，2.2k电阻四个， 3k电阻一个， 4.7k电阻一个，8.2k电阻一个， 0.1k*8排电阻一个， 4.7uf/3.3uf 电解电容四个， 10uf电解电容两个， 47uf/33uf电解电容一个，30p/33p瓷片电容两个，0.1uf独石电容一个，0.01uf 独石电容两个。 三极管9013一个 发光二极管（红）一个 按钮开关四个 晶振 11.0592一个 单排插针/座 （3）一个 短路块一个 单排插座 （3）一个 单排插座 （30）两个 dip 40两个 dip 14三个 dip8三个 蜂鸣器一个 电源线（红、黑各一条）2、设计要求：扩展数字温度传感器ds18b20进行温度检测，显示器用六位共阴极数码管显示，设计按键4个。控制系统能够实现：1， 系统实时检测室内温度并在数码管上显示；2， 用按键对温度控制的上下限进行设定；3， 当超过温度上限时，蜂鸣器报警，低于下限时，发光二极管发光。 工作计划安排： 2007.7.9：领取元器件、查阅有关主要元件的资料、了解温度传感器ds18b20的原理、功能及应用。2007.7.10：分析电路图原理和各元器件间的连接，将元器件按要求焊在电路板上。 2007.7.112007.7.12：学习温度传感器ds18b20的软件设计方法、对系统的整体进行程序设计、完成编程。 2007.7.132007.7.14：完成编程、并进行上机调试，试试各项功能是否达到设计要求，改正程序中的错误，并对程序进行修改完善。 2007.7.152007.7.16：由组员对各元件进行市场调研。 2007.7.17：撰写任务说明书。 同组设计者及分工： 4北京交通大学光机电一体化课程设计说明书摘要随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器，模拟集成温度传感器，智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度传感器测温显示系统，可以设置上下报警温度，当所测温度超过温度上限，蜂鸣器可以报警，当温度低于温度下限，发光二极管发光显示。文章介绍了数字温度传感器ds18b20的结构特征及控制方法，并对以此传感器，89c51单片机为控制器构成的温度测量装置的工作原理及程序设计作了相关的介绍。关键词：单片机at89c51，数字温度传感器ds18b20，蜂鸣器，发光二极管，六位共阴极数码管 目 录正文总体设计方案一、主控制器 8二、温度传感器 8 1.ds18b20的特性介绍 9 2.ds18b29的内部结构 9 3.ds18b29的存储器 10 4.ds18b29的控制方法 11 5.ds18b29的测温原理 12 6.ds18b20与单片机的接口 127.系统整体硬件电路 138.系统软件算法 13三、结语 21总结与体会 22参考文献 23正 文总体设计方案如下图主控制器单片机复位报警点按键调六位数码管显示温度传感器一，主控制器 单片机at89c51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。at89c51单片机是atmel公司生产的高性能8位单片机，主要功能特性如下：兼容mcs-51指令系统；32个双向i/o口，两个16位可编程定时/计数器；1个串行中断，两个外部中断源；可直接驱动led；低功耗空闲和掉电模式；4 kb可反复擦写(1 000次)flasi rom；全静态操作o24 mhz；1288 b内部ram。该款芯片的超低功耗和良好的性能价格比使其非常适合嵌入式产品应用。二，温度传感器ds18b20 ds18b20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位的数字值读数方式。1,ds18b20特性介绍 ds18b20是dallas公司的最新单线数字温度传感器，它的体积更小、适用电压更宽、更经济，ds18b20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念，它的测量温度范围为55125，在1085范围内，精度为0.5，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等，与前一代产品不同，新的产品支持35.5v的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且新一代产品更便宜，体积更小，ds18b20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。可以选择更小的封装方式，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e2prom中，掉电后依然保存，ds18b20的性能是新一代产品中最好的，性能价格比也非常出色，继“一线总线”的早期产品后，ds18b20开辟了温度传感器技术的新概念，ds18b20和ds18b22使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。2,ds18b20的内部结构ds18b20采用脚pr35封装或脚soic封装，其内部结构框图如图2所示，主要由4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，配制寄存器。ds18b20的管脚排列如图所示。3,ds18b20温度传感器的存储器64位rom的结构开始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和一个非易失性的可电擦除的eeram。高速暂存ram的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，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所示。低位一直为，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，用户要去改动，r1和0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。由表1可见，ds18b20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的crc码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当ds18b20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第、字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625lsb形式表示。当符号位时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。ds18b20完成温度转换后，就把测得的温度值与ram中的th、t字节内容作比较。若th或ttl，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只ds18b20同时测量温度并进行报警搜索。在64位rom的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（crc）。主机rom的前56位来计算crc值，并和存入ds18b20的crc值作比较，以判断主机收到的rom数据是否正确。4,ds18b20控制方法 在硬件上，ds18b20与单片机的连接有两种方法，一种是vcc接外部电源，gnd接地，i/o与单片机的i/o线相连；另一种是用寄生电源供电，此时udd、gnd接地，i/o接单片机i/o。无论是内部寄生电源还是外部供电，i/o口线要接5k左右的上拉电阻。 ds18b20有六条控制命令，如表所示： 指 令 约定代码 操 作 说 明 温度转换 44h 启动ds18b20进行温度转换 读暂存器 beh 读暂存器9个字节内容 写暂存器 4eh 将数据写入暂存器的th、tl字节 复制暂存器 48h 把暂存器的th、tl字节写到e2ram中 重新调e2ram b8h 把e2ram中的th、tl字节写到暂存器th、tl字节 读电源供电方式 b4h 启动ds18b20发送电源供电方式的信号给主cpu cpu对ds18b20的访问流程是：先对ds18b20初始化，再进行rom操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。ds18b20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制ds18b20完成温度转换这一过程，根据ds18b20的通讯协议，须经三个步骤：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。5,ds18b20的测温原理ds18b20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，ds18b20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中，计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。 6, 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。7, 系统整体硬件电路7.1 主板电路8,系统软件算法分析 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。8.1主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理ds18b20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图7所示。8.2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8示8.3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9位分辨率时转换时间约为93.75ms，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上图，图9所示8.4 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10所示。8.5 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11。8.6 整体程序设计整体流程图设计，（如下）为实时监控1、主程序流程：2、ds18b20复位子程序(reset)：3、ds18b20暂存器设定值(reconfig)：4、往ds18b20中写入一字节的程序（write）：5、读温度值命令（gettemper）：6、从ds18b20中读取两字节温度的子程序（rdtemp）：7、将从ds18b20读出的两字节温度转换为一字节温度值（tempercov）：8、按键设置（redkey）：9、响铃与亮灯的设置（bd）：9,结 语用ds18820测量温度，在其内部就能进行a/d转换，输出数字量与单片机直接通讯，无需外加a/d转换器，转换速度快，降低了成本，而且简化了电路，提高了系统的集成度，使其满足了最简的要求。温度传感器加以改良，配合半导体制冷器还能实现高精度的温度控制功能。三,总结与体会 经过将近两周的单片机课程设计，终于完成了数字温度传感器测温现实系统的设计，虽然有些地方可能还存在一些小缺点，但从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计把实物都做了出来，高兴之余不得不深思呀！在本次设计的过程中，我们发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我们长进了很多。在调程序的时候按键一度成为我们的难点，但经过反复调整修改程序，还是实现了按键功能。单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我们觉的写好一个程序并不是一件简单的事，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。 从这次的课程设计中，我们真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。参考文献:1李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，19982李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19943阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，19894廖常初.现场总线概述j.电工技术，1999.5 胡学海.单片机原理及应用系统设计北京：电子工业出版社，2005.86 李勋.单片机实用教程.2版.北京：北京航空航天大学出版社，2006.5附 件附件一：硬件电路原理图附件二：源程序清单附件三：主要功能部件调研统计附件二：程序清单赋值th equ 30h tl equ 31h temph equ 32h templ equ 33h tempnum equ 35h dat equ p1.0 flag1 bit 00h主程序 org 0000hmain: mov th,#25h mov tl,#19h mov p1,#00hloop: lcall reset ;18b20复位程序 lcall reconfig lcall gettemper lcall tempercov lcall redkey lcall bd lcall fb lcall dir ljmp loop18b20复位程序reset: setb dat nop clr dat ；主机发出延时537微秒的复位程序 mov r1,#3tsr1: mov r0,#107 djnz r0,$ djnz r1,tsr1 mov r0,#0ffh setb dat ；然后拉高数据线tsr2: jnb dat,tsr3 ；等待ds18b20回应 djnz r0,tsr2 ljmp tsr4 ；延时tsr3: setb flag1 ；置标志位，表示ds18b20存在 ljmp tsr5tsr4: clr flag1 ；清标志位，表示ds18b20不存在 ljmp tsr7tsr5: mov r0,#117tsr6: djnz r0,tsr6 ；时序要求延时一段时间tsr7: setb dat ret重新写ds18b20暂存存储器设定值reconfig: jb flag1,reconfig1 ；若ds18b20存在，转reconfig1 retreconfig1: mov a,#0cch ；发跳过rom命令 lcall write mov a,#4eh ；发写暂存存储器命令 lcall write mov a,#00h ；th中写入00h lcall write mov a,#00h ；tl中写入00h lcall write mov a,#1fh ；选择9位温度分辨率 lcall write retds18b20写入一个字节的程序write: mov r2,#8 clr cwr1: clr dat mov r3,#6 djnz r3,$ rrc a mov dat,c mov r3,#23 djnz r3,$ setb dat nop djnz r2,wr1 setb dat ret读出转换后的温度值gettemper: setb dat ；定时入口 bcd: lcall reset jb flag1,s22 ljmp bcd ；若ds18b20不存在则返回s22: mov a,#0cch ；跳过rom匹配 lcall write mov a,#44h ；发出温度转换命令 lcall write nopcba: lcall reset jb flag1,abc ljmp cbaabc: mov a,#0cch lcall write mov a,#0beh lcall write lcall rdtemp ret读ds18b20的程序，从ds18b20中读出两个字节的温度数据rdtemp: mov r4,#2 ；将温度高位和低位从ds18b20中读出 mov r1,#templ ；地位存入templ，高位存入temphreoo: mov r2,#8reo1: clr c setb dat nop nop clr dat nop nop nop setb dat mov r3,#7 djnz r3,$ mov c,dat mov r3,#23 djnz r3,$ rrc a djnz r2,reo1 mov r1,a dec r1 djnz r4,reoo ret将从ds18b20中读出的温度数据进行转换tempercov: mov a,#0f0h anl a,templ ；舍去温度低位中小数点后的四位温度数值 swap a mov tempnum,a mov a,templtempercov1: mov a,temph anl a,#07h swap a orl a,tempnum mov tempnum,a ；保存变换后的温度数值 ret按键设置redkey: mov a,#3ch mov p1,a mov a,p1 ；读p1口的状态 jb acc.2,rp12 jb acc.3,rp13 jb acc.4,rp14 jb acc.5,rp15done: retrp12: acall dy12ms inc th ljmp donerp13: acall dy12ms dec th ljmp donerp14: acall dy12ms inc tl ljmp donerp15: acall dy12ms dec tl ljmp donedy12ms: mov r7,#0ffh ；延时程序（消抖）dy12ms1: mov r6,#0ffhdy12ms2: djnz r6,dy12ms2 djnz r7,dy12ms1 ret响铃与亮灯的设置bd: mov a,tempnum cjne a,th,ring sjmp dlhring: jnc ring1 sjmp dlhring1: setb p1.6dlh: mov a,tempnum cjne a,tl,dlh1 sjmp heredlh1: jc dlh2 sjmp heredlh2: setb p1.7here: retbcd码转换fb: mov dptr,#0100h mov a,#0eh movx dptr,a mov 5ah,tl mov 5bh,tempnum mov 5ch,th mov r1,#03h mov r0,#5chzh: mov a,r0 mov b,#0ah div ab swap a add a,b mov r