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测控检测技术课程设计 摘要测控检测技术课程设计题 目：单片机温度测量显示设计姓 名： 学 号： 班 级： 学 院：信息科学与工程学院 同 作 者： 指导教师 ： I课程设计（论文）任务书课程设计（论文）题目：单片机温度测量显示设计基本内容：本实验通过DS18B20进行温度采集，然后经过Max7219芯片驱动四个LED数码管，在C8051F040及Max7219的控制下实现温度的小数、负数的正确显示及对八个发光二极管亮灭的控制。课程设计（论文）专题部分：题目：单片机温度测量显示设计基本内容：本实验通过DS18B20进行温度采集，然后经过Max7219芯片驱动四个LED数码管，在C8051F040及Max7219的控制下实现温度的小数、负数的正确显示及对八个发光二极管亮灭的控制。再通过键盘来进行高温低温的报警设计。学生接受课程设计（论文）题目日期 第2周指导教师签字：2012年10月测控检测技术课程设计 摘要单片机温度测量显示设计摘 要在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，传统的测温元件有热电耦和热电阻，而热电耦和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。DS18B20是美国DALLAS半导体公司的一种改进型智能温度传感器，测温范围为55125，分辨率最大可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。本次课题应用C8051F040单片机及DS18B20和MAX7219实现温度的采集与显示， 同时通过按键进行温度上下限的设置，当出现超越限制的时候蜂鸣器报警系统会产生报警。关键字：C8051F040单片机； 独立按键II测控检测技术课程设计 目 录目 录课程设计（论文）任务书I摘 要II第1章 绪 论11.1设计要求11.2设计方案的确定1第2章 硬件设计22.1 系统芯片介绍22.1.1单片机C8052F040功能介绍22.1.2 MAX7219芯片简介52.1.3 DS18B20温度传感器72.2硬件电路设计122.2.1独立按键输入电路132.2.2 Max7219电路原理图132.2.3 蜂鸣器电路14第3章 软件设计流程及描述153.1程序流程图15第4章 原理图16第5章 程序17第6章 心得体会37参考文献38III测控检测技术课程设计 绪论第1章 绪 论1.1设计要求基本要求：本实验通过DS18B20进行温度采集，然后经过Max7219芯片驱动四个LED数码管，在C8051F040及Max7219的控制下实现温度的小数、负数的正确显示及对八个发光二极管亮灭的控制。再通过键盘来进行高温低温的报警设计。具体要求为：（1） 实现小数、负数的正确显示及对八个发光二极管亮灭的控制。（2） 数字温度计要求测温范围在30110，误差在0.0625，用LED数码管直读显示。（3） 设计功能选择界面，利用左右键选择功能（4） 利用上下左右按键和功能键进行高温低温上下限设置（5） 当温度超过上下限时，蜂鸣器报警1.2设计方案的确定这次设计我们选用单片机C8051F040作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，通过单个DS18B20数字温度计进行温度采集，然后经过单片机处理，再通过单片机C8051F040控制MAX7219驱动八个数码管实现小数、负数的正确显示及对八个发光二极管亮灭的控制。利用按键进行控制功能的选择，可以进行温度上下限的设置，当超过温度界限，蜂鸣器会报警，通过返回按键也也可以重新进行温度设置和功能的选择。2测控检测技术课程设计 硬件设计第2章 硬件设计2.1 系统芯片介绍2.1.1单片机C8052F040功能介绍Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了目前8位单片机控制系统的发展方向。芯片上有1个12位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32kB的FLASH存储器，与MCS51指令集完全兼容的高速CIP51内核，峰值速度可达25MIPS，并且还有硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器。C8051F040是高度集成的混合信号SoC级微控制器芯片，具有与8051单片机兼容的高速CIP-51微控制器内核，除了标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集与控制系统中常用的模拟部件及其它一些数字外设部件。下面对它的基本功能与特性作一介绍： C8051F040单片机系统控制器的内核采用CIP-51微控制器，它与MCS-51指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART串行接口、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8个8位宽的I/O端口。图2.1 C8051F040芯片引脚主要特性：(1) 低电压供电（2.73.6V），输入端口兼容5V电平，输出有开漏和推挽模式。在开漏模式下，逻辑1时端口为高阻态，可通过上拉电阻接至5V，使得逻辑1状态下，输出为5V电平，可集成JTAG调试器，可在线调试和下载。(2) 多复位源，有看门狗复位、电源电平监视复位、时钟失步 复位及比较器复位等，以满足各种需求。(3) 处理器最高运行时钟可达25MHz，可用片内时钟（误差2），也可用外部时钟。外部时钟也提供了多种接法，既可接入高精度晶振高速稳定运行，也可接入RC振荡。低频运行可降低功耗，且可动态改变系统时钟源。(4) 2个12位DAC模块，DAC为电压输出型，与DAC0832（电流型）不同，输出无需再接运放将电流转化为电压。(5) 1个12位ADC模块和1个8位ADC模块。12位ADC带有一个HVDA通道，可接入最大差压为60V的测量模拟信号，并3有可编程增益运放。(6) 1个芯片温度传感器，可检测芯片温度。(7) 3个史密斯比较器模块。(8) 集成CAN控制器（2.0B），带有32个消息对象，每个消息对象有独立的地址。(9) 5个定时器，其中T2，T3和T4为增强型定时器，可灵活配置成频率可调方波输出和事件捕捉。(10) 6个PCA模块，可实现PWM输出、方波输出和事件捕捉等。(11) 1个SPI串行外围设备接口控制器。(12) 1个SMBUS总线控制器，与总线完全兼容。(13) 1个带硬件地址控制的串行总线UART0和1个普通串行总线UART1。(14) 2个外部事件中断。(15) 中断源一共可达20个。(16) 64KB Flash ROM，256字节片内内存和4KB外部内存。(17) 引入交叉开关配置，可灵活将外围设备配置到P0P3口（但是各设备存在优先级，不能颠倒次序存在于P口）。2.1.2 MAX7219芯片简介一、MAX7219简介MAX7219和MCU连接有三条引线（DIN、CLK、LOAD），采用16位数据串行移位接收方式。即单片机将16位二进制数逐位发送到DIN端，在CLK上升沿到来前准备就绪，CLK的每个上升沿将一位数据移入MAX7219内移位寄存器，当16位数据移入完，在LOAD引脚信号上升沿将16位数据装入MAX7219内的相应位置，在MAX7219内部硬件动态扫描显示控制电路作用下实现动态显示。二、 MAX7219引脚说明MAX7219为24引脚芯片，引脚排列如图2.2所示，各引脚功能如下：图2.2 MAX7219引脚图DIN：串行数据输入端；DIG0DIG7：LED位线；LOAD：数据装载信号输入端；SEGASEGG、SEGDP：段码输出端；ISET：硬件亮度调节端；DOUT：串行数据输出端；CLK：移位脉冲输入端；V+：正电源；GND：地。三、 MAX7219内部组成结构MAX7219组成如图2.3所示:图2.3 MAX7219组成框图其各部分作用是：16位地址/数据移位寄存器接收串行数据，实现串/并变换。16位数据含义如下：D7D0：写入内部RAM和功能寄存器的数据；D8D11：内部RAM和功能寄存器地址；D12D15：无定义。地址译码器是一个416线译码器，用于选择数据存放单元，在LOAD信号作用下将接收数据送入指定单元；八字节双端口静态存储器存放接收数据和提供动态显示数据；B译码和不译码电路对RAM数据进行BCD译码或直接送显示；段码电流参考电路、亮度脉冲产生调制器实现对显示器的亮度控制，段码电流参考电路由硬件调节显示器亮度；动态扫描控制器实现由硬件控制动态扫描显示。LED段/位驱动器提供显示器的一段和一位点亮时的电流。各内部功能寄存器含义如下：(a) 停机寄存器（地址0CH）：当D0=0时，MAX7219处于停机状态；当D0=1时，处于正常工作状态；(b) 显示测试寄存器（地址0FH）：当D0=0时，MAX7219按设定模式正常工作；当D0=1时，处于测试状态。在该状态下，不管MAX7219处于什么模式，全部LED将按最大亮度显示；(c) 亮度寄存器（地址0AH）：亮度可以用硬件和软件两种方法调节。亮度寄存器中的D0D3位可以控制LED显示器的亮度；(d) 扫描界限寄存器（地址0BH）：该寄存器中D0D2位数据设定值为07H，设定值表示显示器动态扫描个数位18；(e) 译码方式寄存器（地址09H）：该寄存器的8位二进制数的各位分别控制8个LED显示器的译码方式。当高电平时，选择BCD-B译码模式，当低电平时选择不译码模式（即送来数据为字型码）；(f) 内部RAM地址01H08H分别对应于DIG0DIG7。2.1.3 DS18B20温度传感器一、DS18B20的性能特点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912位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点归纳如下：(1)独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；(2)多个DS18B20可以并联在唯一的3线上，实现多点组网功能；(3)无需外部器件；(4)可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V;(5)零待机功耗；(6)温度以9或12位数字量读出；(7)用户可定义的非易失性温度报警设置；(8)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；(9)负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常工作。 7二、DS18B20的引脚介绍TO92封装的DS18B20的引脚排列见图2.3，其引脚功能描述见表1.1。图2.4 底视图表2.1DS18B20详细引脚功能描述序名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 三、DS18B20的内部结构DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.6所示：图2.5 DS18B20内部结构图7测控检测技术课程设计 硬件设计64位ROM的位结构如表2.7所示，开始8位是产品类型编号，接着是每个器件的唯一序号，共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。非易失性温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入报警上下限。表2.2 64位ROM结构图8位检验CRC48位序列号8位工厂代码(10H)MSB LSBMSB LSBMSB LSBDS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速存储器RAM和一个非易失的可电擦除的E2PROM。高速暂存RAM包含8字节存储器，其结构如图2.8所示。前两个字节包含测得的温度信息。第3和第4字节是TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5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工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如图2.8所示。低5位一直为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出厂时该位置被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，定义方法见表2.9。 TM R1 R0 1 1 1 1 1图2.6 配置寄存器表2.2 DS18B20分辨率的定义规定R1R0 分辨率/位温度最大转换时间/ms00993.750110187.510113751112750由表2.9可见，DS18B20温度转换时间比较长，而且设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。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RAM的第6，7，8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面8个字节的CRC码，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1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在前，高位在后，数据格式以0.0625/LSB形式表示。温度值格式如表2.10所示。表2.3温度值格式LS字节MS字节当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制数转换为十进制数；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补，码变成原码，再计算其对应的十进制数。表2.11是部分温度值对应的二进制温度数据。DS18B20完成温度转换后，把测得的温度值与RAM中TH、TL字节内容作比较，若TTH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循环冗余校验码(CRC)。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并与存入DS18B20的CRC值作比较。以判断主机收到的ROM数据是否正确。10表2.4 DS18B20温度与测得值对应表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H四、DS18B20测温原理如图2.12所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于生产固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，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2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的计数脉冲进行计数，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，先将-55oC所对应的一个基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55oC所对应的基数值。图2.7DS18B20测温原理减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数。当其预置值减到0时，温度寄存器的值加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1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2计数到0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。图2.7中的斜率累加器用于补偿和修正被测过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复。上述过程，直到温度寄存器中的值达到被测温度值。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，有严格的时隙概念，因此读/写时序很重要，系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。2.2硬件电路设计本次设计主要由单片机、独立按键、LED 数码管和蜂鸣器等部分组成。C8051F040单片机及DS18B20和MAX7219实现温度的采集与显示， 同时通过按键进行温度上下限的设置，当出现超越限制的时候蜂鸣器报警系统会产生报警。2.2.1独立按键输入电路六个按键分别对应P50P55六个端口，分别来进行功能的选择，温度上下限的设置。图2.8 独立按键输入电路2.2.2 Max7219电路原理图图2.9 数码管显示电路2.2.3 蜂鸣器电路图2.10 蜂鸣器电路测控检测技术课程设计 软件设计流程及描述第3章 软件设计流程及描述3.1程序流程图 15测控检测技术课程设计 原理图第4章 原理图16第5章 程序/*DS18B20数字温度计测温,显示和按键控制*/#include /*数学函数库*/#include /*绝对地址访问函数*/#include /*内部函数*/#includec8051F040.h /*C8051F040头文件*/#define Decoding 0x09 /*译码模式*/#define Brightness 0x0A /*亮度*/#define BoundaryScan 0x0B /*扫描界限*/#define Brownout 0x0C /*掉电模式*/#define DisplayTest 0x0F /*显示测试*/#define Led_Dis 0x05#define Write_Lim 0x4Etypedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint;typedef unsigned long ulong;/显示部分uchar xdata dispbuff4;uchar LED7=0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01; /*7个LED等的对应代码*/uchar bit_sym=0,bit_int,bit_dec,bit_all; /*符号位，整数位,小数位及全部位数*/float part_dec; /*小数部分*/ulong xdata part_int,part_dec_int;/*整数部分和小数部分取整*/char num13=0x7E,0x30,0x6D,0x79,0x33,0x5B,0x5F,0x70,0x7F,0x7B,0x00,0xFF,0x01;/*从09及全灭,全亮和*/char Tem_lim2=0x0E,0x37;char Exit_flag=0,KEY=0,Temp_L=0,Temp_H=0,delay_num=0,flag=0;sbit dis_LOAD=P43; /*MAX7219 Load-Data Input: rising edge*/sbit dis_DIN=P42; /*MAX7219 Serial-Data Input: rising edge*/sbit dis_CLK=P41;/* 9 Serial-Clock Input: maximum 10MHz*/sbit Speaker=P44;/按键定义sbit k0=P50;sbit k1=P51;sbit k2=P52;sbit k3=P53;sbit k4=P54;sbit k5=P55;/DS18B20数据输入端定义sbit DQ=P02;char key_scan(void);/延时纳秒void delayns(void) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();/传送1字节（8位）void SendChar (uchar ch) uchar i,temp; dis_CLK=0; for (i=0;i8;i+) temp=ch&0x80; ch=ch1; if(temp) dis_DIN=1;18 delayns(); dis_CLK=1; delayns(); dis_CLK=0; else dis_DIN=0; delayns(); dis_CLK=1; delayns(); dis_CLK=0; /向MAX7219写入字（16位）void WriteWord (uchar addr,uchar num) dis_LOAD=0; delayns(); SendChar(addr); delayns(); SendChar(num); delayns(); dis_LOAD=1; delayns();/数值显示void dis_result() WriteWord(0x01,dispbuff3); WriteWord(0x02,dispbuff2); WriteWord(0x03,dispbuff1); WriteWord(0x04,dispbuff0);19/利用递归法实现指数运算ulong power(ulong number,uint index)reentrant ulong result; if(index=0) result=1; else result=number*power(number,index-1); return(result);/数值计算void disp(float f) int i,j; if(f0.0) bit_sym=1; f=-f; part_int=(long)f; part_dec=f-part_int; part_dec_int=(long)(part_dec*1000);/*小数部分取整*/ bit_dec=3;/*小数部分的最多位数*/ bit_int=1;/*整数部分的最少位数*/ bit_all=1;/*总显示的最少位数*/ /计算小数位数 for(i=1;i=3;i+) if(part_dec_int%(power(10,i)=0) bit_dec=bit_dec-1; /计算整数位数 for(i=0;i=power(10,i) bit_int=i+1; 20 /总的显示位数最多为4 if(bit_dec+bit_int+bit_sym4) bit_dec=4-bit_int-bit_sym; /总的显示位数 bit_all=bit_sym+bit_int+bit_dec; /显示小数位 if(bit_dec0) for(i=bit_dec-1,j=3;i=0,j=1;i-,j-) dispbuffi=num(part_dec_int%(power(10,j)/(power(10,j-1);/*该语句实现对各位的求取*/ /显示整数位 for(i=bit_all-bit_sym-1,j=bit_int;i=bit_dec,j=1;i-,j-) dispbuffi=num(part_int%(power(10,j)/(power(10,j-1); /显示符号位 if(bit_sym=1) dispbuffbit_all-1=num12; /小数点位置 if(bit_dec0) dispbuffbit_dec=dispbuffbit_dec+0x80; /位不足则高位不显示 if(4-bit_all0) for(i=0;i4-bit_all;i+) dispbuffbit_all+i=num10; 21/延时void Delay1us(uchar us) while(us) _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); -us; /延时15uSvoid Delay15us(void) Delay1us(15);void Delay10us(void) Delay1us(10);void delay(uint m)uint i,j;for(i=0;im;i+)for(j=0;j100;j+);Delay10us();/返回0，有设备连接；返回1，无设备连接bit RstDS18B20(void) uchar i; bit RstFlag=1; DQ=0; for(i=0;i40;i+) /*延时480us*/ Delay15us(); 22 DQ=1; for(i=0;i4;i+) /*延时1560us*/ Delay15us(); for(i=0;i16;i+) /*延时60240us*/ Delay15us(); if(DQ=0) RstFlag=0; for(i=0;i16;i+) /*240us*/ Delay15us(); return RstFlag;void WriteDS18B20(uchar val) uchar i; DQ=1; Delay1us(1); for(i=0;i8;i+) DQ=0; Delay15us(); DQ=val&0x01; Delay15us();Delay15us();Delay15us(); DQ=1; val=val/2;/左移一位 Delay1us(1); uchar ReadDS18B20(void) uchar i,value=0;23 DQ=1; Delay1us(1); for(i=0;i=1; if(DQ=1) value|=0x80; Delay15us();Delay15us();Delay15us(); return(value);/主机发送跳过读序列号的操作命令：0xCCvoid SkipROMCode(void) RstDS18B20(); WriteDS18B20(0xCC);void StartADC(void) RstDS18B20(); /*复位*/ WriteDS18B20(0xCC); /*skip ROM*/ WriteDS18B20(0x44); /*启动温度转换12位700ms*/读取温度值的程序float GetTempValue(void) uchar i,j; floa