单片机课程设计报告-数字温度计设计.doc

河南理工大学本科课程设计报告XX理工大学单片机课程设计报告数字温度计姓 名： 学 号： 专业班级： 指导老师： 所在学院： 20XX年X月X日摘要环境温度对工业、农业、商业和人们的日常生活都有很大的影响，而温度的测量也就成为人们生产生活中一项必不可少的工作。传统的测温仪测量费时，准确度也较低，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。随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度传感器DS18B20具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便等优点，广泛应用于冰箱、空调器、粮仓等日常生活中温度的测量和控制。本设计所介绍的数字温度计使用单片机8051，测温传感器使用DS18B20，用4位共阴极LED数码管以动态方式实现温度显示,分时轮流通电，从而大大简化了硬件线路，节省了I/O口。DS18B20数字温度传感器是单总线器件与51单片机组成的测温系统，具有线路简单、体积小等特点，而且在一根通信线上，可以挂接多个DS18B20，因此可以构成多点温度测控系统。关键词：单片机 DS18B20 共阴极 LED显示 数字温度计目录1 概述41.1 设计题目41.2 设计目的41.3 设计要求41.4 设计任务52 系统总体方案及硬件设计52.1 总体方案说明52.2 总体方框图52.3 系统各部分硬件电路设计63 系统软件设计113.1 主程序113.2 主程序流程图123.3 DS18B20的软件设计134 Proteus系统仿真164.1 系统仿真环境164.2 器件参数选取：164.3 仿真结果分析165 心得体会18参考文献19附1 源程序代码20附2 系统原理图281 概述1.1 设计题目数字温度计1.2 设计目的使用单片机AT89S52和温度传感器DS18B20实现基本范围-50-110的测量，显示精度误差小于0.5，用4位LED数码直接读出温度。可以任意设置温度的上下限，当所设置的温度高于所设置的上限或低于所设置的下限时可通过蜂鸣器和发光二极管报警。1.3 设计要求1综合运用课程中所学到的理论知识完成一个设计课题2通过查阅手册和文献资料，培养分析和解决实际问题的能力3进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则4学会单片机电路的设计和焊接5学会撰写课程设计总结报告,并附有整体电路图6. 培养严肃认真的工作作风1.4 设计任务1.掌握单片机AT89S52的基本结构及工作原理 2了解温度传感器DS18B220的工作原理3. 实现温度的测量，设置温度的上下限和报警功能4掌握单片机系统的分析和设计方法5掌握仿真软件与编译软件的使用方法2 系统总体方案及硬件设计2.1 总体方案说明 该数字温度计由电源电路、晶振电路、复位电路、下载电路、单片机、数字显示电路、温度测量电路、报警电路和控制电路组成。可以实现基本范围-50-110的测量和任意设置温度的上下限，当所设置的温度高于所设置的上限或低于所设置的下限时可通过蜂鸣器和发光二极管报警。当开关处于开的状态时才可实现上述功能，否则不可实现。2.2 总体方框图 单片机控制系统复位电路LED显示电路时钟电路报警显示电路按键控制电路温度传感电路 图12.3 系统各部分硬件电路设计D2.3.1 AT89S52单片机简介与最小系统设计AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。AT89S52使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，AT89S52拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。2.3.2 复位电路设计MCS-52单片机通常采用上电自动复位、按钮电平复位、外部脉冲复位、上电+按钮电平复位、程序运行监视复位等方式。AT89S52需要外加复位电路，本设计采用按键+上电复位，上电复位是利用电容充电来实现的，即上电瞬间RST/Vpd端的电位与Vcc相同，随着充电电流的减少，最后被嵌位在0V,采用10uF的C3和10K的R2可以保证加在引脚上的高电平持续2个机器周期，即使单片机有效地复位。按键可以随时使电路复位，当键按下时1K的R1和10K的R2串联分压使RST为高电平，即复位。图22.3.3 时钟晶振电路MCS-51内部有一个用于构成震荡器的高增益反向放大器，此放大器的输入端和输出端分别是XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接晶振可构成时钟电路。时钟电路在单片机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢。本次设计采用内部方式的外部时钟接法。为达到振荡周期是12MHZ的要求，这里要采用12MHZ的晶振，电容C1、C2对频率有微调作用，故外接晶振时，C1和C2在本设计中选择30pF，振荡频率取12MHz。晶振的两个引脚分别连到XTAL1和XTAL2振荡脉冲输入引脚。具体连接图如图3所示：图32.3.4 显示电路 本次设计中采用共阴极数码管作为显示器。LED的驱动电路简单，使用方便，具有耗电少、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、使用寿命长等优点。LED显示器与单片机的接口一般有动态显示与静态显示接口两种电路。1、静态显示方式：是指当显示器显示某一字符时，发光二极管的位选始终被选中。在这种显示方式下，每一个LED数码管显示器都需要一个8位的输出口进行控制，显示稳定，提高了CPU的工作效率。其不足之处是占用硬件资源较多，每个LED数码管需要独占8条输出线。随着显示器位数的增加，需要的I/O口线也将增加。2、动态显示方式：动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器（称为扫描），即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。对于每一位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关, 由于扫描速度极快，显示效果与静态驱动相同。通过调整电流和时间参数，可以既保证亮度，又保证显示。本次设计中，由于单片机本身提供的I/O口有限，本次设计采用动态显示，数码管采用的是共阴极接法。用AT89S52的P0口作段码输出时, 驱动能力相当大，但由于输出极为漏极开路电路，驱动拉电流负载，引脚上应外接上拉电阻。因此，在本次设计中我们将数码管各段加上拉电阻后接单片机P0口。我们把P2口的输出信号直接接到数码管的位选端作为位选信号，低电平有效。 图42.3.5 数字温度传感器DS18B20本次设计的硬件电路简单，关键的地方在DS18B20,也是最复杂难懂的。由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。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，测量分辨率最小为0.0625 内含64位经过激光修正的只读存储器ROM DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 适配各种单片机或系统机 测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线“串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 用户可分别设定各路温度的上、下限 适应电压范围宽，3.05.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电DS18B20的管脚排列如图5所示。引脚功能如表1所示 图5序号名称引脚功能描述1Vcc可选择的Vcc引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。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。3GND地信号。 表1 DS1820主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分内部，其内部结构框图如图6所示。C64 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6 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。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，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。本实验采用第一种。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。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1、温度寄存器中，计数器1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1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1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，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。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致等于被测温度值。由于DS18B20的单线通讯功能是分时完成的，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：初始化DS18B20发复位脉冲-写ROM功能指令-发存储器操作命令-处理数据。DS18B20有六条控制命令指 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 3 系统软件设计3.1 主程序系统程序主要包括延时子程序、外部中断0服务子程序、外部中断1服务子程序、显示温度子程序、报警子程序、主程序等。主程序的功能为：刚开机时显示电路显示“- - - -”，过一小段时间后，显示电路自动关闭，此后若按下开关键，使处于开的状态后，则可实现4位LED数码直接读出温度。若按一下设置键，则可设置温度的上限，此时按一下增加键可使上限值加1，按一下减少键可使上限值减1，（处于调整上限状态时，温度值闪烁显示，并且最后一位显示H）。 若再按一下设置键，则可设置温度的下限，此时按一下增加键可使下限值加1，按一下减少键可使下限值减1，（处于调整下限状态时，温度值闪烁显示，并且最后一位显示L）。 若再按一下设置键,则恢复显示所测温度状态，当所测的温度高于所设置的上限，红色发光二极管闪烁亮，蜂鸣器滴滴滴报警，当所测的温度低于所设置的下限，白色发光二极管闪烁亮，蜂鸣器滴滴滴报警。3.2 主程序流程图YNYNY开始开机显示state=1?Nset_st状态显示温度温度在上下限间？0YN温度大于上限？beep-st=1?红灯亮，蜂鸣器响beep-st=1?白灯亮，蜂鸣器响YN增加键是否按下？上限值加1减少键是否按下？上限值减1显示上限温度增加键是否按下？下限值加1减少键是否按下？下限值减1显示下限温度YNNNNYYY21注：state代表开关键的状态，为1时表示处于开的状态，按一下开关键此状态转换一次beep_st代表蜂鸣器状态，每隔10s状态转换一次3.3 DS18B20的软件设计DS18B20器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲，应答脉冲时隙；写0，写1时隙；读0，读1时隙。与DS18B20的通信，是通过操作时隙完成单总线上的数据传输。发送所有的命令和数据时，都是字节的低位在前，高位在后。DS18B20的初始化（1） 先将数据线置高电平“1”。（2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）（3） 数据线拉到低电平“0”。（4） 延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。（5） 数据线拉到高电平“1”。（6） 延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。（7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。（8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。DS18B20初始化程序为：void Init_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ复位 Delay_DS18B20(8); /稍做延时 DQ = 0; /单片机将DQ拉低 Delay_DS18B20(80); /精确延时，大于480us DQ = 1; /拉高总线 Delay_DS18B20(14); x = DQ; /稍做延时后，如果x=0则初始化成功，x=1则初始化失败 Delay_DS18B20(20);DS18B20的写操作（1） 数据线先置低电平“0”。（2） 延时确定的时间为15微秒。（3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。（4） 延时时间为45微秒。（5） 将数据线拉到高电平。（6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。（7） 最后将数据线拉高。DS18B20的写程序为void WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; Delay_DS18B20(5); DQ = 1; dat=1; DS18B20的读操作（1）将数据线拉高“1”。（2）延时2微秒。（3）将数据线拉低“0”。（4）延时15微秒。（5）将数据线拉高“1”。（6）延时15微秒。（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。（8）延时30微秒。DS18B20的读程序为unsigned char ReadOneChar(void) unsigned char i=0; unsigned char dat = 0; for (i=8;i0;i-) DQ = 0; / 给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; / 给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; Delay_DS18B20(4); return(dat);4 Proteus系统仿真4.1 系统仿真环境本设计采用Proteus仿真软件进行仿真，Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。首先在Proteus的元件库中找到所需的元件，按照硬件设计中的说明把各部件连接起来组成一个数字式温度计硬件系统。然后把在Keil环境调试下生成的.HEX文件导入到AT89S52里，点击运行符号就可以使软硬件的配套设施在Proteus的环境下仿真实现，以检查是否存在错误。4.2 器件参数选取：单片机采用AT89C52,时钟频率为12MHz。时钟产生电路的晶振为12MHz，接地电容为30pF。复位电路的电解电容为10uF，与电容并联的电阻为1K，接地的电阻为10K。蜂鸣器的工作电压为5V。4.3 仿真结果分析 图a 此图为开机显示画面，显示一段时间后自动熄灭。此图为开机显示后，开关键处于关的状态时的画面。 图b此图为调整下限时的显示画面。 图c此图为温度超过上限时的显示画面。 图d5 心得体会课程设计是培养我们综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题的能力。通过这次单片机课程设计，使我们对单片机的结构、基本工作原理、单片机应用系统开发有了进一步的了解，特别是在硬件设计和软件编程方面有了很大提高。温度计的硬件设计电路简单，但由于DS18B20，软件设计复杂，需要搞清其工作原理，时序。在设计的过程中，通过请教老师和同学，上网或上图书馆查资料将这些问题解决。这样不仅巩固了以前所学过的知识，加深了我对所学知识的理解，而且学到了很多在书本上未涉及的知识，锻炼了搜集有用信息的能力。软件编程过程中，由于采用C语言编程，而我们以前从未涉足，所以参考了别人的设计思路，琢磨研究弄懂后，又试着修改程序，在不满足要求时反复思考，究竟出错在哪里，经过不懈努力，找出错误所在，最终满足了要求。在编译仿真时对软件Keiv uVision3.0和Proteus认识更多，发现了Proteus的很多优点，同时也发现它的不足之处，过于理想化，如果完全依赖，则硬件有可能无法工作。在硬件设计过程中，需要考虑很多问题，例如元器件参数的选取，单片机的实际驱动能力。在实际电路的设计时，必须软硬件相结合，使布局合理且软件设计的简单。本次设计由两人共同完成，也培养了我们的团队合作精神。总的来说，这次课程让我们收获很大。参考文献1 余发山主编.单片机原理及应用技术.徐州：中国矿业大学出版社.2003.122 白泽生. 用MCS-51单片机实现温度的检测J.现代电子技术.2005.103 李玉梅编著.基于MCS-51系列单片机原理的应用设计.国防工业出版社4 余小平、奚大顺编著.电子系统设计基础篇.北京：北京航空航天大学出版社，2007.35 郭爱芳主编.传感器原理及应用.西安电子科技大学出版社.2007.56 http//post/322.html7 谭浩强著.C语言程序设计.清华大学出版社.2005.7附1 源程序代码#include #includemath.h#include DS18B20.h #define uint unsigned int#define uchar unsigned char /宏定义#define ON P3_0 /定义控制显示的开关键#define SET P3_1 /定义调整键#define DEC P3_2 /定义减少键#define ADD P3_3 /定义增加键#define HB P3_6 /定义超过上限的报警灯#define LB P3_7 /定义低于下限的报警灯#define BEEP P3_5 /定义蜂鸣器bit shanshuo_st; /闪烁间隔标志bit beep_st; /蜂鸣器间隔标志sbit DIAN = P07; /小数点uchar x=0; /计数器uchar set_st=0; /状态标志uchar state=0; /开关状态标志signed char m; /温度值全局变量uchar n; /温度值全局变量signed char shangxian=33; /上限报警温度，默认值为33signed char xiaxian=-5; /下限报警温度，默认值为-5uchar code LEDData=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;/*延时子程序*/void Delay(uint num) while( -num );/*初始化定时器0*/void InitTimer(void) TMOD=0x1; TH0=0x3c; TL0=0xb0; /50ms（晶振12M）/*定时器0中断服务程序*/void timer0(void) interrupt 1 TH0=0x3c; TL0=0xb0; x+;/*外部中断0服务程序*/void int0(void) interrupt 0 EX0=0; /关外部中断0 if(DEC=0&set_st=1) shangxian-; if(shangxianxiaxian)shangxian=xiaxian; else if(DEC=0&set_st=2) xiaxian-; if(xiaxian110)shangxian=110; else if(ADD=0&set_st=2) xiaxian+; if(xiaxianshangxian)xiaxian=shangxian; /*读取温度*/void check_wendu(void) int c; c=ReadTemperature(); /获取温度值 m=c/10; /计算得到整数 n=abs(c)%10 ; /计算得到小数 /*显示开机初始化等待画面*/Disp_init() P0 = 0x40; /显示- P2 = 0xf7; Delay(200); P2 = 0xfb; Delay(200); P2 = 0xfd; Delay(200); P2 = 0xfe; Delay(200); P2 = 0xff; /关闭显示/*显示温度子程序*/Disp_Temperature() /显示温度 P0 =LEDDatan; /显示个位 P2 = 0xfe; Delay(300); P0 =LEDDataabs(m)%10; /显示十位 DIAN = 1; /显示小数点 P2 = 0xfd; Delay(300); P0 =LEDDataabs(m)/10-abs(m)/100*10; /显示百位 P2 = 0xfb; Delay(300); if(m0)P0=0x40; else if(m/100)P0=LEDDatam/100; else P0=0x00; P2=0xf7; Delay(300); P2 = 0xff; /关闭显示/*显示报警温度子程序*/Disp_alarm(signed char baojing)if(baojing=10)beep_st=beep_st;x=0; if(m=shangxian&beep_st=1)HB=0;BEEP=0; else if(mxiaxian&beep_st=1)LB=0;BEEP=0; else BEEP=1;HB=1;LB=1;/*主函数*/void main(void) uint z; InitTimer(); /初始化定时器 EA=1; /全局中断开关 TR0=1; ET0=1; /开启定时器0 IT0=1; IT1=1; check_wendu(); for(z=0;z1)state=0; if(SET=0&state=1) Delay(2000); dowhile(SET=0); set_st+;x=0;shanshuo_st=1; if(set_st2)set_st=0; if(set_st=0&state=1) EX0=0; /关闭外部中断0 EX1=0; /关闭外部中断1 check_wendu(); Disp_Temperature(); Alarm(); /报警检测 else if(set_st=1&state=1) BEEP=1;HB=1;LB=1; /关闭蜂鸣器与灯 EX0=1; /开启外部中断0 EX1=1; /开启外部中断1 if(x=10)shanshuo_st=shanshuo_st;x=0; if(shanshuo_st) Disp_alarm(shangxian); else if(set_st=2&state=1) BEEP=1;HB=1;LB=1; /关闭蜂鸣器与灯 EX0=1; /开启外部中断0 EX1=1; /开启外部中断