(精品)单片机课程设计温度采集显示系统

课程名称： 单片机课程设计 论文题目： 温度采集显示系统 学 院 物理与光电工程学院 专业班级 学 号 姓 名 指导教师 2010 年 12 月 12 日功能要求：（1） 温度测量范围 0 - 99。（2） 温度分辨率1。（3） 选择合适的温度传感器。（4） 使用键盘输入温度的最高点和最低点，温度超出范围时候报警。（报警温度不需要保存）一、系统设计方案方案论证方案一采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成（热电偶的构成如图），热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有A/D 通道的单片机，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。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。 热电偶电路图系统主要包括对A/D0809 的数据采集，自动手动工作方式检测，温度的显示等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。还有复位电路，晶振电路，启动电路等。故现场输入硬件有手动复位键、A/D 转换芯片，处理芯片为51 芯片，执行机构有4 位数码管、报警器等。系统框图如 3.2所示： 图 2.2热电偶温差电路测温系统框图方案二采用数字温度芯片DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0100 摄氏度时，最大线形偏差小于1 摄氏度。DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S52构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。采用52 单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。该系统利用AT89S52芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方便的采集和整理时间温度数据。系统框图如图 3.3所示图 3.3 DS18B20温度采集显示系统框图从以上两种方案，容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单，故本次设计采用了方案二。其工作过程为：单片机定时采集温度传感器所感应到的被测对象的表面温度，并将采集到温度数据显示在数码管上，同时通过串口传送到计算机。计算机收到单片机传送来的温度数据，在显示屏上显示，同时与计算机软件设置的告警温度值相比较，若高出，则在屏幕上进行告警提示，同时通过串口向单片机发送告警指令，单片机收到指令后，控制蜂鸣器发音，进行告警提示。二、系统硬件电路设计原理框图温度采集显示系统电路设计总体设计框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，用四位LED数码管以并口传送数据实现温度显示。 复位电路 单 数码管显示 片 时钟电路机温度传感器 图 1功能模块连接简介 温度传感器的接口2连接单片机P3.6，用于传送数据，接口3连接电源，接口1接地；数码管的段码输入端连接单片机的P2端口, P3.7接蜂鸣器,P3.6接温度传感器DS18B20。采用12MHZ晶振。电源采用5V为单片机，LED，蜂鸣器供电时钟电路连接XTAL,复位电路连接RST。单片机的选择单片机AT89S52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。AT89S52主要特性 与MCS-51单片机产品兼容 4K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态工作：0Hz33MHz 32个可编程I/O口线 2个16位定时器/计数器 6个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 灵活的ISP编程 4.0-5.5V电压工作范围单片机AT89S52的内部结构总框图。它可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个部分。 AT89S52外部引脚功能如图所示。本次设计需要注意的几个端口：P3口（1017）：是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输出端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除可作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如图2-3所示： 图2-3/Vpp(31):内部和外部程序存储器选择线。=0时访问外部ROM 0000HFFFFH；=1时，地址0000H0FFFH空间访问内部ROM，地址1000HFFFFH空间访问外部ROM。本次设计接高电平。XTAL1（19）和XTAL2（18）：使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。RST/VPD（9）：复位信号输入端。AT89S52接能电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期以上的高电平，使内部复位。第二功能是VPD，即备用电源输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，VPD将为RAM提供备用电源，发保证存储在RAM中的信号不丢失。时钟电路设计AT89S52时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式。（如图2-4所示）AT89C51中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器一起构成自激震荡器震荡电路如图。外接石英晶体（或陶瓷震荡器）及电容C1、C2接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有非常严格的要求，但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、起震的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用30pF10pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF10pF。用户还可以采用外部时钟，采用外部时钟如图所示。在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，既内部时钟发生器的输入端，XTAL2悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频的触发器后作为内部时钟信号的所以外部时钟的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续的时间和最大低电平持续的时间应符合产品技术条件的要求。本次设计采用内部震荡电路,瓷片电容采用30P,晶振采用12MHZ。内部震荡电路 外部震荡电路复位电路设计单片机系统的复位电路在这里采用的是上电+按钮复位电路形式，其中电阻R采用10K的阻值，电容采用电容值为10的电解电容。具体连接电路如图2-5所示： 图2-5温度显示电路四位共阳极数码管，能够显示小数。温度传感器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3.05.5V； 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； 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VddDS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2-6所示。 图2-664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TH和TL，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2.3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL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2-7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。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRCTMR1R011111 图2-7DS18B20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。温度传感器18B20汇编程序,采用器件默认的12位转化,最大转化时间750微秒 ，可以将检测到的温度直接显示到AT89C52的两个数码管上 表1 DS18B20温度转换时间表R1R0分辨率/位温度最大转换时间/MS00993.750110187.510113751112750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字节读出前面所有8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，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB式表示。当符号位S0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S1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、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做出响应。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。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。分别说明如下：1、初始化 单总线的所有处理均从初始化开始。初始化过程是主机通过向作为从机的DS18B20芯片发一个有时间宽度要求的初始化脉冲实现的。初始化后，才可进行读写操作。2 、ROM操作命令 总线主机检测到DS18B20的存在 便可以发出ROM操作命令之一 这些命令表.2：表2 ROM操作命令指 令代 码Read ROM(读ROM)33HMatch ROM(匹配ROM)55HSkip ROM(跳过ROMCCHSearch ROM(搜索ROM)F0HAlarm search(告警搜索)ECH 3、存储器操作 命令如表.3： 表.3 存储器操作命令指令代码Write Scratchpad(写暂存存储器)4EHRead Scratchpad(读暂存存储器)BEHCopy Scratchpad(复制暂存存储器)48HConvert Temperature(温度变换)44HRecall EPROM(重新调出)B8HRead Power supply(读电源)B4H三、 软件设计软件部分由主程序，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。程序设计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3-1所示。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所示读出温度转换的子程序：EMPER: SETB P2.0 ; 定时入口 LCALL INIT_1820 JB 20H.1,TSS2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NNYY RET ; 若DS18B20不存在则返回TSS2: MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配 LCALL WRITE_1820 MOV A,#44H ; 发出温度转换命令 LCALL WRITE_1820 LCALL INIT_1820 MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配 LCALL WRITE_1820 MOV A,#0BEH ; 发出读温度命令 LCALL WRITE_1820 LCALL READ_1820 MOV 37H,A ; 将读出的温度数据保存 RET读出温度子程序流程二进制转换BCD码命令子程序 二进制转换BCD码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。二进制转换BCD码命令子程序流程图，如图3-3二进制转换BCD码流程图温度命令子程序：发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令结束TEMPER_COV: MOV A,#0F0H ANL A,36H ; 舍去温度低位中小数点 SWAP A MOV 37H,A MOV A,36H JNB ACC.3,TEMPER_COV1 ; 四舍五入去温度值 INC 37HTEMPER_COV1:MOV A,35H ANL A,#07H SWAP A ADD A,37H MOV 37H,A ; 保存变换后的温度数据 LCALL BIN_BCD RET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?NY温度值取补码置“-”标志置“+”标志计算小数位温度BCD值 计算整数位温度BCD值 结束图3-4 测量温度流程图 计算机温度子程序： BIN_BCD:MOV 39H,37H MOV A,37H MOV B,#100 DIV AB MOV 38H,A MOV 37H,B XCH A,B MOV B,#10 DIV AB MOV 37H,A MOV 36H,B RET温度数据显示子程序显示数据子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，查表送段码至LED，开位码显示，采用动态扫描方式。调试结果分析： 本次数字温度计能够比较精确的测量一般温度，测量范围是-55128，并且能够测出小数。显示数据子程序：READ_1820: MOV R4,#2 ; 将温度高位和低位DS18B20中读 RE00:MOV R2,#8RE01:CLR C SETB P2.0 NOP NOP CLR P2.0 NOP NOP NOP SETB P2.0 NOP NOP MOV C,P2.0 MOV R3,#35RE20: DJNZ R3,RE20 RRC A DJNZ R2,RE01 MOV R1,A DEC R1 DJNZ R4,RE00 RET温度采集显示系统电路设计原理图四、系统调试 根据方案设计的要求，调试过程共分3大部分：硬件调试、软件调试和软硬联调。 单片机的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，在和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础。如果硬件调试不通过，软件设计就是无从说起。1硬件调试硬件调试比较简单首先检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。排除逻辑故障 这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。只要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其他信号线短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。排除元器件失效 造成这类错误的原因有2个：一是元器件买来时就已坏了；另一个是安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和要求是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。排除电源故障 在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易