基于单片机的数字温度计设计

沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 0 页 基于单片机的数字温度计设计 摘要 本文设计了一种基于单片机控制的数字温本设计度计 本设计所介绍的数字温度 计与传统温度计相比 具有读数方便 测温范围广 输出温度采用数字显示 该设计控 制器使用单片机 AT89S51 测温传感器使用 DS18B20 用共阳极 LED 数码管显示 能够 准确达到要求 温度计电路设计控制器采用单片机 AT89S51 具有低电压供电和体积小等特点 温 度传感器采用 DS18B20 DS18B20 温度传感器是美国最新推出的一种温度传感器 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读数方式 仅需要一个端 口引脚进行通信 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 显示电路采用 LED 动态显示方式 关键词 单片机 DS18B20 超限报警 LED 显示 前言 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 温度是日常生活 工业 医学 环境保护 化工 石油等领域最常用到的一个物理 量 测量温度的基本方法是使用温度计直接读取温度 最常见到得测量温度的工具是各 种各样的温度计 例如 水银玻璃温度计 酒精温度计 热电偶或热电阻温度计等 它 们常常以刻度的形式表示温度的高低 人们必须通过读取刻度值的多少来测量温度 利 用单片机和温度传感器构成的电子式智能温度计就可以直接测量温度 得到温度的数字 值 既简单方便 有直观准确 1总体方案设计 1 1设计方案论证 针对本课题的设计任务 进行分析得到 本次设计用温度传感器进行温度的测量 转化了的温度信号由传感器直接得到了数字信号 该数字温度计的设计 在总体上大致 可分为以下几个部分组成 1 单片机控制电路 2 温度传感器 3 开关控制电路 4 LED 显示电路 方案一 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 1 页 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 方案二 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 从以上两种方案 很容易看出 采用方案二 电路比较简单 软件设计也比较简单 故采用了方案二 系统原理框图如图 1 所示 图 1 系统原理框图 1 2 硬件构成 1 21 主控制器 AT89C51 具有以下标准功能 8K 字节 FLASH 256 字节 RAM 32 位 I O 总线 看门狗定时器 2 个数据指针 3 个 16 位定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据存储器时 P0 也被作为低 8 位地址 数据使用 在这种模式下 P0 具有内部上拉电阻 在 FLASH 编 程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令字节 程序校验时 需要外部 主 控 制 器 LED 显 示温 度 传 感 器 单片机复 位 时钟振荡 报警点按键调 整 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 2 页 上拉电阻 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入 口使用 作为输入口使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口输出缓冲器驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使 用 作为输入口使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 1 22 数码管显示 显示电路采用共阳 LED 数码管 从 P3 口 RXD TXD 串口输出段码 1 23 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 位的数字值读数方式 DS18B20 的性能特点如下 a 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信 b 多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上 实现多点组网功能 c 无须外部器件 d 可通过数据线供电 电压范围为 3 0 5 5 e 零待机功耗 f 温度以 或 位数字 g 用户可定义报警设置 h 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 i 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 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 和一个非易失性的可电 擦除的 EERAM 高速暂存 RAM 的结构为 字节的存储器 结构如图 3 所示 头 个字 节包含测得的温度信息 第 和第 字节 和 的拷贝 是易失的 每次上电复位 时被刷新 第 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 位一直为 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 用户要去改动 R1 和 0 决定温度转换的精 度位数 来设置分辨率 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 3 页 图 2 DS18B20 字节定义 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 的第 字节保留未用 表现为全逻辑 第 字节读出前 面所有 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 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 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 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 T 字节内容作比较 若 TH 或 T TL 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 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 的脉冲输入 器件中还有一个计数门 温度 LSB 温度 MSB TH 用户字节 1 TL 用户字节 2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 4 页 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 温度寄存器中 计数器 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 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 的 预置值减到 时 温度寄存器的值将加 减法计数器 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 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 2硬件电路设计 2 1 主控制器 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 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 AT89C51 是一种低功耗 高性能的 8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 FLASH 存 储器 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 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 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 5 页 图 3 主控制器电路 2 2 显示电路 显示电路采用集成的数码管 为共阳极结构 采用动态显示 P1 口作为输出编码端 P2 0 到 P2 7 作为位选控制端 其中 P1 做输出端口需要上拉电阻 通过设置不同的段码 可以显示温度 可以对温度进行实时检测 图 4 显示电路 2 3 数据采集电路 DS18B20 的内部结构主要包括 寄生电源 温度传感器 64 位激光 ROM 和单总线接 口 存放中间数据的高速暂存器 RAM 用于存储用户设定温度上下限值得 TH 和 TL 触发器 存储和逻辑控制 8 位循环冗余码发生器等七部分 DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术 将被测温度转换成数值信号 测量结 果将存入温度寄存器中 图 5 数据采集电路 P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10 P27 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20 P30 1 2 R1 10k 4 0 DQ 2 VCC 3 GND 1 U2 DS18B20 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 6 页 2 4 报警电路 当温度超过设定的上下限温度时 蜂鸣器会发出声响 下图为报警电路 图 6 报警电路 3 软件设计 3 1 主程序设计 系统的主程序主要用来初始化一些参数 对 DS18B20 的配置数据进行一系列的设定 另外对 DS18B20 的状态不断的查询 以读取当前的温度值 并对温度进行处理 温度值 的 BCD 码处理后 将其段码送显示缓冲区 以备定时扫描服务程序处理 R2 10k Q1 2N2926 LS1 SOUNDER 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 7 页 发 DS18B20 复位 命令 发跳过 ROM 命令 发温度转换开始命 令 结束 调用显示子程序 读取温度 转换温度 初始化 温度显示 温度比较 检测返回 图 7 主程序流程图 3 2 温度转换程序 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 其程序流程图如下所示 图 8 温度转换流程图 3 3 温度显示程序和报警电路程序 此程序是将采集到得数据用 LED 数码管显示 然后将实际温度与设置的报警上下限 进行比较 决定是否发出报警信号 由于 T 为实际温度的绝对值 TH TL 也是温度的绝 对值 因此判断大小关系时 要通过正负号来确定 开始 数据采集 接收数据 温度转换 LED 显示 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 8 页 图 9 温度显示流程图 开始 T 0 TH 0 T 0 报警 报警 结束 T TL 结束 T TL TL 0 T TH TH 0 N N N Y Y Y Y N N Y N Y N Y N Y Y YN 图 10 报警程序流程图 4 调试分析 4 1 软件调试 本次设计采用的是 keil 仿真器进行软件调试 此系统可以开发应用软件 以及对硬 件电路进行诊断 调试等 它的具体功能是可以进行 CPU 仿真 可以单步 跟踪 断点 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 9 页 和全速运行 而且 程序的编译过程中 可以对设计软件进行自诊断 并自动给出故障 原因 同时用户调试程序时 可以通过窗口观察寄存器的工作状况 以便及时发现和排 除编程中可能出现的错误 软件的调试是利用 keil 软件 模块化调试 通过观察存储单元数据的变化 查找并 解决程序的语法和逻辑错误 具体的调试步骤如下 1 把系统的各个模块在仿真软件中逐个调试 如数据采集模块 显示模块等 2 对各个需要赋值模块调试时 赋入初值 单步调试 观察数据窗口 看输出结果 是否为设计时想要的结果 3 把各个模块组合起来 全速运行 看程序是否能流畅的 是否能实现设计的系统 的所有功能 4 1 软硬联调 本设计是采用 Proteus 软件实现电路图设计和仿真的 Proteus 软件与 Keil 软件联合 使用 实现设计要求 在 Keil 软件中创建新文件 输入所编写的 c 语言程序并保存 在编译源程序无误后 会产出相应的 HEX 文件 将所生成的 HEX 文件加载到已绘制好的 Proteus 原理图中 使 Proteus 与 Keil 真正连接起来 实现联合调试 调试结果下 15 所示 P30 P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10 P27 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P17 P16 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P30 88 11 22 33 44 55 66 77 1 2 3 4 5 6 7 8 R1 10k 18 0 DQ 2 VCC 3 GND 1 U2 DS18B20 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 R2 10k Q1 2N2926 R3 200 LS1 SOUNDER 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 10 页 图 11 仿真测试图 5结论及进一步设想 根据实验结果 本设计基本完成了设计要求 但上下限阈值的设置过于繁琐 在原 有结构的基础上 可以更简化 本课程设计的主要任务是设计一个 89C51 单片机为核心 的数字温度计 从确定课设题目 到查阅质料确定总体方案设计 硬件电路仿真的设计 硬件电路的优化 软件的设计 软件的优化 检验仿真电路 调试软件程序 到最后的 软硬件联调 都是我努力去完成的 在最后的仿真电路图中达到了我想要的结果 并且 对串口通讯有了更一步的认识 对单片机也有了更加深刻的了解 对以后很好的应用单 片机打下了深刻的基础 参考文献 1 刘复华 单片机及其应用系统 北京 清华大学出版社 1992 2 韩志军 单片机系统设计与应用实例 北京 机械工业出版社 2010 3 余永全 ATMEL89 系列单片机应用技术 北京 北京航空航天大学出版社 2002 4 马中梅 单片机的 C 语言程序设计 北京 北京航空航天大学出版社 1999 5 胡汗才 单片机原理及系统设计 北京 清华大学出版社 2002 6 李华 MCS 51 单片机实用接口技术 北京 北京航空航天出版社大学 1999 7 方彦军 孙建 智能仪器技术及其应用 北京 化学工业出版社 2003 8 孙传友 测控系统原理与设计 北京 北京航空航天大学出版社 2002 9 刘守义等 单片机应用技术 西安 西安电子科技大学出版社 2002 10 何立民 单片机高级教程 北京 北京航空航天大学出版社 2000 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 11 页 课设体会 经过了两个星期的课设 让我对以前学的理论知识有了较深的体会 要用理论指导 实践 在实践中发现自己的不足之处 不断完善自己 这一周的课程设计让我体会到很 多东西 不仅仅是知识本身的 更多的是自己动手能力和逻辑思维能力的锻炼 同时 也知道自己还有许多要学的东西 在社会实践中 单片机是一个热门的话题 所以我要认真学习单片机的知识 这对 我们找工作是很有帮组的 遇到问题并不可怕关键是我们要找到方法去解决问题 一定 要勤于动手 这样自己才会有提高 当然在这次宝贵的课程设计活动中 经验才是对于 我们最大的收获 而且还增强了自身对未知问题以及对知识的深化认识的能力 用受益 匪浅这个词语来概括这次难忘的活动我觉得再合适不过了 但是 光是完成了作品还是 不可以自我满足的 在从一开始的时候就怀着将作品制作得更加人性化 更加令人满意 更加地使功能完美又方便地被应用领域这个最终目的下 随着对单片机这门学科的认识 加深 到达了拓展的程度 我想这个目的将在不远的时期内被实现 最后感谢老师及同学在这两个星期对我的帮助 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 12 页 附录 1 1 电路原理图 P30 P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10 P27 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P17 P16 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P30 88 11 22 33 44 55 66 77 1 2 3 4 5 6 7 8 R1 10k 18 0 DQ 2 VCC 3 GND 1 U2 DS18B20 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 R2 10k Q1 2N2926 R3 200 LS1 SOUNDER 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 13 页 附录 2 元件清单 元件名称型号数量 单片机AT89C511 温度传感器DS18B20 数码管7SEG MPX8 CA1 按键BUTTON16 电阻RES10 三极管2N29261 蜂鸣器SOUNDER1 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 14 页 附录 3 程序源 include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar code table 0 xfc 0 x60 0 xda 0 xf2 0 x66 0 xb6 0 xbe 0 xe0 0 xfe 0 xf6 0 xee 0 x3e 0 x9c 0 x7a 0 x9e 0 x8e uchar code address 0 xfe 0 xfd 0 xfb 0 xf7 0 xef 0 xdf 0 xbf 0 x7f sbit DQ P3 0 sbit dot P1 0 sbit fm P3 5 uchar a i temp1 temp2 c t1 t2 yz1 yz2 bit flag flag1 uint temp void delay uint m while m void Init uchar i 0 DQ 1 delay 8 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 15 页 DQ 0 delay 80 DQ 1 delay 14 i DQ delay 20 uchar read byte uchar byte 0 for i 0 i 1 DQ 1 if DQ byte 0 x80 delay 4 return byte void write byte uchar byte for i 0 i 1 DQ CY 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 16 页 delay 5 DQ 1 void read temp Init write byte 0 xcc Skip ROM write byte 0 x44 启动温度转换 delay 10 Init write byte 0 xcc Skip ROM write byte 0 xbe 读取温度寄存器 temp1 read byte 低位 temp2 read byte 高位 void ds read temp temp temp1 if temp2 127 flag 1 temp1 temp1 temp2 temp2 temp temp1 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 17 页 temp 0 x01 temp temp 625 temp1 temp1 取整数部分 temp1 temp1 16 temp2 temp2 16 temp1 temp2 if flag temp1 0 x01 void xs for i 0 i 4 i 显示小数部分 P2 address i P1 table temp 10 delay 750 temp 10 P2 0 xef 显示整数部分 P1 table temp1 10 dot 1 delay 750 if temp1 100 temp1 10 高位去 0 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 18 页 P2 0 xdf P1 table temp1 10 10 delay 750 if temp1 100 高位去 0 P2 0 xbf P1 table temp1 100 10 delay 800 if flag 加负号 P2 0 x7f P1 0 x02 delay 750 flag 0 void bj fm 1 delay 100 fm 0 delay 100 void jp 沈阳航空航天大学课程设计论文 基于单片机的数字温度计设计 第 19 页 uchar t tempt p P0 0 xfe tempt P0 tempt tempt if tempt 0 xf0 switch tempt case 0 xe0 flag1 0 flag 0 p 1 break shangxian case 0 xd0 flag1 0 flag 1 p 2 break xiaxian case 0 xb0 flag1 0 a t 1 break case 0 x70 flag1 0 a t 2 break while