数字温度计设计 精品.doc

题目: 数字温度计 信息职业技术学院（）任务书学 生姓 名学号班级专业设计（或）题目数字温度计指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注设计（）内容：用51单片机控制的数字温度计，要求：1.用温度传感器测试温度，用6位LED数码管显示温度；2.测试温度的范围为5599,温度误差为1；3.能进行仿真。进度安排：1.第6-7周：确定设计任务，查找资料，拟定设计方案；2.第8-9周：软、硬件功能划分，系统硬件电路的设计；3.第10-11周：软件结构设计、设计软件流程图并编制相应的软件；4.第12-14周：系统工作原理分析，综合调试，整理资料，拟定初稿；5.第15-16周：检查定稿，准备答辩；6.第17-18周：答辩。主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：1李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.北京航空航天大学出版社，1998.2李广弟.单片机基础M.北京航空航天大学出版社，1994.3阎石.数字电子技术基础（第三版）.高等教育出版社，1989.4王恩荣.MCS-51单片机应用技术.化学工业出版社，20XX.5楼然苗.单片机课程设计指导.北京航空航天大学出版社，20XX.审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。绪 论单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能，其数据总线的宽度不断更新，从8位、16位迅速过渡到32位、64位，并且不断提高运算速度和完善通用操作系统，以突出其高速海量数值运算的能力，在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用；单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。因此，单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速发展，成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑。随着人们生活水平的不断提高,单片机控制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，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计所介绍的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，该设计控制器使用单片机8051，测温传感器使用DS18B20，用6位共阴极LED数码管通过8279实现温度显示。能准确达到以上要求。第1章 数字温度计设计方案1.1 数字温度计设计方案论证1.1.1 方案1由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，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，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。1.1.2 方案2进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。1.2 方案2的总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如图1-1所示。图1-1 数字温度计总体设计方框图1.3 设计要求和实现的功能 1.用温度传感器测试温度，用6位LED数码管显示温度；2.测试温度的范围为5599,温度误差为1；3.能进行仿真第2章 硬件电路设计系统整体硬件电路包括单片机控制器，温度传感器。本设计采用AT89C51为控制器，DS18B20为温度传感器与单片机的接口电路。2.1 8051 单片机的基本组成图2-1 MCS-51单片机结构框图2.1.1 各部分作用或功能介绍如下：1.中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。2.内部数据存储器（内部RAM）8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。3.内部程序存储器（内部ROM）8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此称之为程序存储器，简称内部ROM。4.定时器/计数器8051共有2个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。5.并行I/O口MCS-51共有四个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入输出。在实训中我们已经使用了P1口，通过P1口连接8个发光二极管。6.串行口MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。7.中断控制系统MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。全部中断分为高级和低级共二个优先级别。2.2 显示电路由6位共阴极LED数码管、位驱动电路、端输入电路组成，采用动态扫描的方式显示。基本的半导体数码管是由八个条状发光二极管芯片按图2-3排列而成的。可实现09的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形八段式”及“单片集成式多位数字式”等。用6位共阳极LED数码管实现温度显示。能准确达到以上要求。图2-3 数码管2.3 温度传感器2.3.1 DS18B20的简介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：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可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；3无须外部器件；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；7用户可定义报警设置；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；DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2-5所示。图2-5 DS18B20内部结构64ROM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2-5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2-6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。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9字节的存储器，结构如图2-6所示。图2-6 DS18B20字节定义由图2-6可见，其中1、2字节用来存放当前温度，1为低8位，2为高8位。字节3、4用来预置报警温度的上下限，字节5用于配置寄存器，用于确定温度数据位数，字节6、7、8均为保留字节，字节9存放前8个字节循环冗余校验码（CRC）。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。2.3.2 DS18B20的两个表格由表2-7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。表2-7 DS18B20温度转换时间表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。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。如表2-8是一部分温度值对应的二进制温度数据。表2-8一部分温度对应值表温度/C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 10000000H0.51111 1111 1111 0000FFF8H10.1251111 1111 0101 1110FF5EH25.06251111 1110 0110 1111FE6FH551111 1100 1001 0000FC90H2.3.3 DS18B20的测温原理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为1接地，2接P1.0口，3接4.7K上拉电阻。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DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初始化DS1820（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储操作命令处理数据。2.3.4 DS18B20的时序设置1.1复位时序复位使用DS18B20时，首先需将其复位，然后才能执行其它命令。复位时，主机将数据线拉为低电平并保持480us960us，然后释放数据线，再由上拉电阻将数据线拉高1560us，等待DS18B20发出存在脉冲，存在脉冲有效时间为60240us，这样，就完成了复位操作。12.写时序在主机对DS18B20写数据时，先将数据线置为高电平，再变为低电平，该低电平应大于lus。在数据线变为低电平后15us内，根据写“1”或写“0”使数据线变高或继续为低。DS18B20将在数据线变成低电平后15us60US内对数据线进行采样。要求写入DS18B20的数据持续时间应大6Ous而小于120us，两次写数据之间的时间间隔应大于lus。13读时序读时隙当主机从DS18B20读数据时，主机先将数据线置为高电平，再变为低电平，该低电平应大于lus，然后释放数据线，使其变为高电平。DS18B20在数据线从高电平变为低电平的15us内将数据送到数据线上。主机可在15us后读取数据线。第3章 软件设计本数字温度计系统软件由主程序、计算温度子程序、显示温度子程序组成，其源程序清单见附录2所示。3.1 主程序流程图主程序是调用显示子程序判断后，读取温度值计算处理显示数据，最后发出温度转换开始的命令，其子程序流程图如图3-1所示。 图3-1 主程序流程图3.2 计算温度子程序流程图计算温度子程序将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，其子程序流程图如图3-2所示。开始温度零下？温度值取补码置“”标志计算整数位温度BCD值结束图3-2 计算温度子程序流程图3.3 温度显示流程图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3-3示。查表符号位送LED显示查表十位送LED显示查表个位送LED显示返回图3-3 温度显示程序流程图附 录附录1 整机电路图附录2 源程序/*DS18B20数字温度计C程序*/*MCU: AT89C51 /*MCU-crystal: 12 /*Version: 01 /*Last Updata: 20XX-11-24 /*Author: 余元昌 /*Description: /89s51通过P3.4读写DS18B20内的数据 /温度传感器DS18B20采用器件默认的12位转化 /最大转化时间750微秒,显示温度-55到+99度,显示精度/为正负1度，显示采用6位LED共阳显示测温值 /P0口为段码输出,P2.0P2.5为位选 /*/#include #include /_nop_();延时函数用#define Disdata P0 /段码输出口#define discan P2 /扫描口#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P34; /温度输入口sbit DIN=P07; /LED小数点控制sbit hold=P10;uint h; uint temp;unsigned char presence,flash=0;uchar code ditab16=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;/温度小数部分用查表法/uchar code dis_714=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf,0x9c,0xc6;/共阳LED段码表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 不亮 - o C uchar code scan_con6=0xc1,0xc2,0xc4,0xc8,0xd0,0xe0; /列扫描控制字uint data temp_data2=0x00,0x00; /读出温度暂放uint data display7=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00; /显示单元数据，共6个数据和一个运算暂用/*延时函数*/void delay(uint t) for (;t0;t-); /* 显示扫描函数1，在温度检测开始的时候显示HELLO! */scan1() discan=scan_con0; /位选 Disdata=0xf9; /数据显示 DIN=0; delay(300); /小数点显示 discan=scan_con1; /位选 Disdata=0xc0; /数据显示 delay(300); discan=scan_con2; /位选 Disdata=0xc7; /数据显示 delay(300); discan=scan_con3; /位选 Disdata=0xc7; /数据显示 delay(300); discan=scan_con4; /位选 Disdata=0x86; /数据显示 delay(300); discan=scan_con5; /位选 Disdata=0xc089; /数据显示 delay(300);/*显示扫描函数*/scan() char k; for(k=0;k0;i-) DQ=1; _nop_(); _nop_(); /从高拉倒低 DQ=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /5 us DQ=val&0x01; /最低位移出 delay(6); /66 us val=val/2; /右移1位 DQ=1; delay(1);/*DS18B20读1字节函数*/uchar read_byte(void) /从总线上取1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_(); /4 us DQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 us if(DQ)value|=0x80; delay(6); /66 usDQ=1;return(value);/*读出温度函数*/read_temp() ow_reset(); /总线复位 write_byte(0xcc); /发命令 write_byte(0x44); /发转换命令 ow_reset(); delay(1); write_byte(0xcc); /发命令 write_byte(0xbe); temp_data0=read_byte(); /读温度值的第字节 temp_data1=read_byte(); /读温度值的高字节 temp=temp_data1; temp6348) / 温度值正负判断 tem=65536-tem;n=1; / 负温度求补码,标志位置1 display6=tem&0x0f; / 取小数部分的值 dis