电子技术课程设计(数字温度计).doc

电子技术课程设计（数字温度计）课程名称：电子技术课程设计设计题目： 院 系： 专 业： 年 级： 姓 名： 指导教师： XXXX大学XX校区XX 年 X月X日课 程 设 计 任 务 书专 业: 姓 名: 学 号: 开题日期: XX年X月X日 完成日期:XX年X月X日题 目: 数 字 温 度 计 一、设计的目的1、设计一个简易的数字温度计满足一定的测量范围并通过LED显示出来； 2、了解常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则； 3、进一步熟悉电子仪器的使用方法； 4、学会撰写课程设计总结报告；5、培养独立分析问题和解决实际问题的能力；6、培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。二、设计的内容及要求1、测温范围为30120，精度为0.5；2、LED数码管直读显示，当温度为“负”则最高位显示“”号，最低位显示单位“C”；3、当温度不在测量范围内（120）时，蜂鸣器报警且发光二极管闪烁。 三、指导教师评语 四、成 绩: 指导教师 (签章) 年 月 日摘要：本设计以AT89C51单片机为核心，DS18B20数字式温度传感器为温度传感器，7段LED数码管构成显示电路；单片机控制DS18B20进行温度采集，在接收DS18B20传回数据后进行处理，通过74LS245驱动数码管显示实时温度的动态显示。由于采用的是可编程器件作为控制核心，与传统的温度计相比该温度计具有示数直观，精度可调，功能易扩展等优点。关键词：数字温度计、AT89C51 、DS18B20 、74LS245 、LED 设计背景随着人们生活水平的不断提高,数字化无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，科学技术向着数字化、智能化控制方向发展，其中数字温度计就是一个典型的例子。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，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。温度计是常用的热工仪表，常用于工业现场作业过程的温度测量，在工业生产过程中，不仅需要了解当前温度读数，而且还希望能了解过程中的温度变化情况。随着工业现代化的发展，对温度测量仪表的要求越来越高，而数字温度计具有结构简单，抗干扰能力强，功耗小，可靠性高，速度快等特点，更加适合于工业过程中以及科学试验中对温度进行在线测量的要求。数字温度计的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表；温度计在实际生产和人们的生活中都有广泛应用，为此我选择了设计一个数字温度计。一、设计任务与要求1、测温范围为30120，精度为0.5；2、LED数码管直读显示，当温度为“负”则最高位显示“”号，最低位显示单位“C”；3、当温度不在测量范围内（120）时，蜂鸣器报警且发光二极管闪烁。二、方案设计与论证1、方案一由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件，将随被测温度变化的电压或电流采样，进行A/D转换后就可以用单片机进行数据处理，实现温度显示。这种设计需要用到A/D转换电路，增大了电路的复杂性，而且要做到高精度也比较困难。2、方案二考虑到单片机属于数字系统，容易想到数字温度传感器，可选用DS18B20数字温度传感器，此传感器为单总线数字温度传感器，体积小、构成的系统结构简单，它可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，即可实现温度显示。另外DS18B20具有3引脚的小体积封装，测温范围为-55+125，测温分辨率可达0.0625，其测量范围与精度都能符合设计要求。以上两种方案相比较，第二种方案的电路、软件设计更简单，此方案设计的系统在功耗、测量精度、范围等方面都能很好地达到要求，故本设计采用方案二。方案总体设计方框图主 控 制 器LED显 示温 度 传 感 器时钟、复位蜂鸣器发光二极管三、单元电路设计与参数计算1、电源电路本设计采用的7805稳压电源，线路简单，价格低廉、性能稳、使用方便。7805是三端稳压器件，顾名思义05就是输出电压为5v，还可以微调，7805输出波纹很小。它的样子象是普通的三极管，7805三端固定集成稳压器有三个端子：输入端UI、输出U0和公共端COM。输入端接整流滤波电路，输出端接负载；公共端接输入、输出的公共连接点。其内部由采样、基准、放大、调整和保护等电路组成；7805集成稳压器可将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显著优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。7805三端集成稳压器可直接用于各种电子设备作电压稳定器，无须外接任何元件，即可达到标准的稳压值，也可在公共端（GND）接分压元件改变输出电压值；由于内部带有过流、过热保护等电路，所以使用非常方便、可靠，电子制作中经常采用。2、主控电路主控制器采用单片机AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央 处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。单片机AT89S51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。3、时钟、复位电路 本电路选石英晶振作为时钟组件，接至AT89S51的XTAL1，XTAL2引脚组成时钟电路，如设计图所示。石英晶片所以能做振荡电路（谐振）是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，振荡器直接应用于电路中，采用内部时钟方式，选石英晶振作为时钟组件，接至AT89S51的XTAL1，XTAL2引脚组成时钟电路，如设计图所示，其中石英晶振选12MHz，C1、C2为负载电容，选C1=C2=22pF的瓷介电容。4、温度传感器电路 DS18B20管脚图DS18B20的性能特点如下： 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯； 无需外部器件； 可通过数据线供电； 零待机功耗； 测温范围-55+125，以0.5递增； 温度数字量转换时间200ms（典型值）； 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；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3所示。低5位一直为1，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CRC图3 DS18B20字节定义由表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0.0625/LSB形式表示。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。表1 DS18B20温度转换时间表 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。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。表2一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H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。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。5、数码管显示驱动电路显示电路采用两只4位共阴LED数码管和数码管的驱动芯片74LS245。74LS245用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据；74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据；当AT89C51单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器；/G=1, DIR=X(X=0或者1)，输入和输出均为高阻态；高阻态的含意就是相当于没有这个芯片；当/G低电平有效时，DIR=“0”，信号由B向A传输（接收）DI；DIR=“1”，信号由A向B传输（发送）。6、报警电路 图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。四、总原理图及元器件清单元器件清单元件型号主要参数数量备注U1AT89C511集成芯片U274LS2451集成芯片U3DS18B201集成芯片R110K1电阻R24.7K1电阻R3、R42202电阻C1、C222pF2电容C310uF1电容X112M1电抗D1、D22发光二极管LED8LED数码管LS1SOUNDER1蜂鸣器五、安装与调试六、性能测试与分析对电路用Altium Designer软件进行仿真，仿真结果如图由仿真结果可知该数字温度计测量结果还是具有一定准确度的，较大误差可能是一些参数设置不合理造成的。附：总程序 #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P36;/wendusbit BEEP=P37; /蜂鸣器驱动线sbit HI_LED=P14;sbit LO_LED=P15;/共阴数码管段码及空白显示/uchar code DSY_CODE =0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x00;/温度小数位对照表uchar code df_Table=0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9;/报警温度上下限，为进行正负数比较，此处注意设为char类型/取值范围为-128+127，DS18B20支持范围为-50+125/char Alarm_Temp_HL2=120,-30;/uchar CurrentT=0;uchar Temp_Value=0x00,0x00;uchar Display_Digit=0,0,0,0;bit HI_Alarm=0,LO_Alarm=0;bit DS18B20_IS_OK=1;uint Time0_Count=0;/延时/void Delay(uint x) while( -x );/初始化DS18B20/uchar Init_DS18B20() uchar status; DQ =1; /DQ复位 Delay(8); /稍做延时 DQ =0; /单片机将DQ拉低 Delay(90); / DQ =1; /拉高总线 Delay(8); status=DQ; / Delay(100); DQ=1; return status;/读一字节/uchar ReadOneByte() uchar i,dat = 0; DQ = 1;_nop_(); for (i=0;i=1;DQ = 1;_nop_();_nop_(); if(DQ) dat|=0x80;Delay(4);DQ = 1; return dat;/写一节/void WriteOneByte(uchar dat) uchar i; for (i=0;i=1; /读取温度值/void Read_Temperature() if( Init_DS18B20() = 1) DS18B20_IS_OK=0; else WriteOneByte(0xCC); / 跳过读序号列号的操作 WriteOneByte(0x44); / 启动温度转换 Init_DS18B20(); WriteOneByte(0xCC); /跳过读序号列号的操作 WriteOneByte(0xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度 Temp_Value0=ReadOneByte(); Temp_Value1=ReadOneByte(); Alarm_Temp_HL0=ReadOneByte(); Alarm_Temp_HL1=ReadOneByte(); DS18B20_IS_OK=1; /设置DS18B20温度报警值/void Set_Alarm_Temp_Value() Init_DS18B20(); WriteOneByte(0xCC); / 跳过读序号列号的操作 WriteOneByte(0x4E); WriteOneByte(Alarm_Temp_HL0); WriteOneByte(Alarm_Temp_HL1); WriteOneByte(0x7F); Init_DS18B20(); WriteOneByte(0xCC); WriteOneByte(0x48);/在数码管上显示温度/void Display_Temperature() uchar i; uchar t=150; uchar ng=0,np=0; char Signed_Current_Temp; /如果为负数则取反加1，并设置负号标识及负号显示位置 if (Temp_Value1&0xF8)=0xF8) Temp_Value1=Temp_Value1; Temp_Value0=Temp_Value0+1; if (Temp_Value0 = 0x00) Temp_Value1+; ng =1; np= 0xFD;/查表得到小数部分Display_Digit0 =df_TableTemp_Value0&0x0F;/获取温度整数部分（无符号）CurrentT=(Temp_Value0&0x0F)4)|(Temp_Value1&0x07)=Alarm_Temp_HL0?1:0;LO_Alarm =Signed_Current_Temp =Alarm_Temp_HL1?1:0;/Display_Digit3 =CurrentT / 100;Display_Digit2 =CurrentT % 100 / 10;Display_Digit1 =CurrentT % 10;if(Display_Digit3 =0) Display_Digit3 =10; np = 0xFB; if(Display_Digit2 =0) Display_Digit2 =10; np = 0xF7;/for (i=0;i30;i+) P0 = 0x39;P2= 0x7F; Delay(t); P2 =0xFF; P0 = 0x63;P2= 0xBF; Delay(t); P2 =0xFF; P0 =DSY_CODEDisplay_Digit0; P2 = 0xDF;Delay(t); P2 =0xFF; P0 =(DSY_CODEDisplay_Digit1)| 0x80; P2 = 0xEF;Delay(t); P2 =0xFF; P0 =DSY_CODEDisplay_Digit2; P2 = 0xF7;Delay(t); P2 =0xFF; P0 =DSY_CODEDisplay_Digit3; P2 = 0xFB;Delay(t); P2 =0xFF; if(ng)/ P0 = 0x40;P2 = np;Delay(t); P2 =0xFF; /void T0_INT() interrupt 1 TH0 =-1000 / 256; TL0 =-1000 % 256; BEEP=!BEEP ; if( +Time0_Count = 400) Time0_Count = 0; if (HI_Alarm) HI_LED = HI_LED; else HI_LED = 1; if (LO_Alarm) LO_LED = LO_LED; else LO_LED = 1; / void main(void) IE = 0X82; TMOD = 0X01; TH0 = -1000 / 256;延时一秒 TL0 = -1000 % 256; TR0 = 0; HI_LED = 1; LO_LED = 1; Set_Alarm_Temp_Value(); Read_Temperature(); Delay(50000); Delay(50000); while(1) Read_Temperature(); if( DS18B20_IS_OK ) if (HI_Alarm = 1 | LO_Alarm = 1) TR0=1; else TR0=0; Display_Temperature(); else P0 = P2 = 0x00; 七、结论与心得体会结论：通过