基于单片机的数字温度计的设计-专业课程设计论文(初稿)

安阳师范学院 物理与电气工程学院课程设计报告物理与电气工程学院课程设计报告 基于单片机的数字温度计的设计基于单片机的数字温度计的设计 姓姓名名肖肖歌（歌（121154037121154037） 霍传冰（霍传冰（121154016121154016） 郭旭阳（郭旭阳（121154015121154015） 张蓉蓉（张蓉蓉（121154045121154045） 专专业业电气工程及其自动化电气工程及其自动化 指导教师指导教师李李 建建 法法 成成绩绩 日日期期2013.04.242013.04.24 安阳师范学院 第- 1 -页 基于单片机的数字温度计的设计基于单片机的数字温度计的设计 肖 歌霍传冰郭旭阳张蓉蓉 （安阳师范学院 物理与电气工程学院, 河南 安阳 455000） 摘要摘要：本设计以 STC89C52 单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温 度信号由温度芯片 DS18B20 采集，并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了 该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路、PC 机与单片机串口 通讯电路和一些接口电路 。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的 目的。 关键词关键词:STC89C52 单片机、DS18B20 温度芯片、温度控制、串口通讯 引言引言：温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、电力 电子等 ,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在工业企 业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努 力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以 建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现 象。 传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频繁 ,可能会因触点不良 而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的 PID 控制方式,但 PID 控制对象的模 型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。 而采用 数字温度传感器 DS18B20，因其内部集成了 A/D 转换器，使得电路结构更加简单， 而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器 DS18B20 只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片 机更加具有扩展性。由于 DS18B20 芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以 和主电路连接，故可以把数字温度传感器 DS18B20 做成探头，探入到狭小的地方， 增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器 DS18B20 进行范围的温度检测。 1.1.设计原理设计原理 根据系统的设计要求，选择 DS18B20 作为本系统的温度传感器，选择单片 STC89C52 为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。选用数字 温度传感器 DS18B20，省却了采样保持电路、运放、数模转换电路以及进行长 距离传输时的串并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统 的硬件成本。 安阳师范学院 第- 2 -页 该系统的总体设计思路如下：温度传感器 DS18B20 把所测得的温度发送到 STC89C52 单片机上，经过 51 单片机处理，将把温度在显示电路上显示。 2.2.元器件功能介绍元器件功能介绍 2.12.1 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、 高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统， 可直接将温度转化成串行数字信号（按 9 位二进制数字）给单片机处理，且在同一 总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚 TO-92 小体积封装形式，温度测量 范围55125，可编程为 912 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 0.0625， 被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业 可采用寄生电源方式产生，多个 DS18B20 可以并联到三根或者两根线上，CPU 只需 一根端口线就能与多个 DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引 线和逻辑电路。从而可以看出 DS18B20 可以非常方便的被用于远距离多点温度检测 系统。 综上，在本系统中我采用温度芯片 DS18B20 测量温度。该芯片的物理化学性很 稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在 0100 摄氏度时，最大线形 偏差小于 1 摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。 温度控制系统 2.22.2 中央微处理器中央微处理器 STC89C52STC89C52 STC89C52是一个低功耗， 高性能CMOS 8位单片机， 片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器， 器件采用 STC 公司的 高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80S51 引脚结构， 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 STC89C52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 STC89C52 具有 如下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据 存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套 安阳师范学院 第- 3 -页 中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路， 片内时钟振荡器。 此外，STC89C52 设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式。STC89C52 单片机综合了微型处理器的基本功能。按照实际需要，同 时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的 STC89C52 单片机作为整个系统的控制器。 3.3.总体设计框图总体设计框图 本方案设计的系统由单片机系统、数字温度传感器、LED 显示模块、按键控制 模块、温度报警模块组成，其总体架构如下图 1。 图 1 系统总体方框图 4.4.单片机单片机 目前的单片机开发系统只能够仿真单片机，却没有给用户提供一个通用的最小 系统。由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。其 应用特点是: （1）全部 I/O 口线均可供用户使用。 （2）内部存储器容量有限（只有 4KB 地址空间） 。 （3）应用系统开发具有特殊性 单单 片片 机机 测温电路 时钟、复位电路 驱动电路显示电路 安阳师范学院 第- 4 -页 图 3.1最小系统图 4.14.1 单片机最小系统的设计单片机最小系统的设计 单片机最小系统如图3.1所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、 P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控 制信号。时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在 时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。MCS-51内部有一个用于构成振荡器的 高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为 XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振 荡器。电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率 的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率为12MHz。 把 EA 脚接高电平， 单片机访问片内程序存储器， 但在 PC 值超过 0FFFH （4Kbyte 地址范围）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。 MCS-51 的复位是由外部的复位电路来实现。采用最简单的外部按键复位电路。 安阳师范学院 第- 5 -页 按键自动复位是通过外部复位电路的来实现的.我们选用时钟频率为 12MHz,C1 取 47f。 4.24.2 温度传感电路设计温度传感电路设计 DS18B20 的性能特点： 采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它 I/O 口线与微机接口， 无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9 位二进制数，含符号位） 测温范围为-55-+125，测量分辨率为 0.0625 内含 64 位经过激光修正的只读存储器 ROM 适配各种单片机或系统机 用户可分别设定各路温度的上、下限 内含寄生电源。 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,高速暂存器。DS18B20 的管脚排列如图 3.2 所示。 图 3.2DS18B20 管脚图 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.我们采用的是第一种连接方法,如图 3.3 所示:把 DS18B20 的数据线 安阳师范学院 第- 6 -页 与单片机的 13 管脚连接,再加上上拉电阻。 4 安阳师范学院 第- 7 -页 5.5. 程序如下：程序如下： #include reg51.h #include intrins.h/延时函数用 #defineDisdataP1/段码输出口 #definediscanP3/扫描口 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbitDQ=P37;/温度输入口 sbitDIN=P17;/LED 小数点控制 uinth; ucharcode ditab16=0 x00,0 x01,0 x01,0 x02,0 x03,0 x03,0 x04,0 x04,0 x05,0 x06,0 x06,0 x07,0 x08,0 x08,0 x09,0 x09; /温度小数部分用查表法 uchar code dis_712=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90,0 xff,0 xbf; /* 共阳 LED 段码表0123456789 不亮 - */ uchar codescan_con4=0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7;/ 列扫描控制字 uchar datatemp_data2=0 x00,0 x00;/ 读出温度暂放 uchar datadisplay5=0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00;/显示单元数据,共 4 个数据,一个运算暂存用 void delay(uint t)/11 微秒延时函数 for(;t0;t-); scan()/显示扫描函数 char k; for(k=0;k0; i-) / DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ = 0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/5us DQ = val/最低位移出 delay(6);/66us val=val/2;/右移一位 DQ = 1; delay(1); uchar read_byte(void)/从总线上读取一个字节 uchar i; uchar value = 0; for (i=8;i0;i-) DQ=1;_nop_();_nop_(); value=1; DQ = 0;/ _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/4us DQ = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/4us if(DQ)value|=0 x80; delay(6);/66us DQ=1; return(value); 安阳师范学院 第- 9 -页 read_temp()/读出温度函数 ow_reset();/总线复位 write_byte(0 xCC); / 发 Skip ROM 命令 write_byte(0 xBE); /发读命令 temp_data0=read_byte();/温度低 8 位 temp_data1=read_byte();/温度高 8 位 ow_reset(); write_byte(0 xCC); / Skip ROM write_byte(0 x44); / 发转换命令 work_temp()/温度数据处理函数 uchar n=0;/ if(temp_data1127) temp_data1=(256-temp_data1);temp_data0=(256-temp_data0);n=1;/负温度求补码 display4=temp_data0display0=ditabdisplay4; display4=(temp_data0/ display3=display4/100; display1=display4%100; display2=display1/10; display1=display1%10; if(!display3)display3=0 x0A;if(!display2)display2=0 x0A;/最高位为 0 时都不显示 if(n)display3=0 x0B;/负温度时最高位显示- main()/主函数 Disdata=0 xff;/初始化端口 discan=0 xff; for(h=0;h4;h+)displayh=8;/开机显示 8888 ow_reset();/ 开机先转换一次 write_byte(0 xCC); / Skip ROM write_byte(0 x44); / 发转换命令 for(h=0;h500;