电子数字温度计

0 2012 届届毕业毕业生生 毕毕 业业 论论 文文 题题 目目 电子数字温度计电子数字温度计 院系名称 院系名称 电子信息工程学院电子信息工程学院 专业班级 专业班级 应用电子应用电子 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 指导教师 指导教师 教师职称 教师职称 2011 年年 10 月月 10 日日 1 摘要 本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计 就是用单片机实现温度 测量 传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器 但热敏电阻的可靠性差 测量温度准确率低 而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片 机进行处理 本次采用 DS18B20 数字温度传感器来实现基于 ST89S52 单片机的 数字温度计的设计用 LCD 数码管以串口传送数据 实现温度显示 基于 STC89C52 系列单片机的数字温度计的制作和编程思想 该数字温度计以宏晶公司的 ST89C52 单片机为主控 配以达拉斯公司的 DS18B20 数字温度传感器 采用 LCD 数码管显示 实现了对温度的测量 显示 和报警等功能 关键词 温度计 单片机 数字控制 DS18B20 2 Title Electronic digital thermomter Abstract This paper will introduce a based on single chip microcomputer control digital thermometer even with a single chip microcomputer temperature measurement the traditional temperature detection mostly with thermistors for temperature sensor but fortement poor reliability low temperature measurement accuracy and must pass special interface circuit converted into digital signals can deal with by single chip microcomputer The digital temperature sensor DS18B20 used to realize the digital thermometer AT89S52 SCM based on the design of the tube with LCD digital transmit data to a serial port realize temperature display and exactly to the requirements and can be used in the temperature of the electrical signals measured mainly used for measuring temperature is precise place or scientific research laboratory use be able to work independently of the single chip microcomputer temperature detection temperature control system has been widely used in many fields Key words Thermometer Single chip Digital Control DS18B20 3 目次目次 摘要摘要 1 1 ABSTRACTABSTRACT 2 2 1 1 绪论绪论 4 1 1 数字温度计简介 4 1 1 1 数字温度计的特征 4 1 1 2 设计实现的目标 5 2 2 数字温度计的方案设计数字温度计的方案设计 6 2 1 设计方案论证与比较 6 2 1 1 显示电路方案 6 2 1 2 测温电路方案 6 2 2 系统总体方案 6 3 3 数字温度计的硬件电路设计数字温度计的硬件电路设计 7 3 1 控制电路 7 3 1 1 MCU 简介 7 3 2 2 最小系统模块 9 3 3 温度传感器设计 9 3 3 1 DS18B20 简介 9 3 3 2 温度传感器与单片机的连接 11 3 3 3 复位信号及外部复位电路 12 4 4 软件设计软件设计 12 4 1 DS18B20 的读操作 12 4 2 DS18B20 的温度数据处理 14 5 5 数据测试数据测试 15 结语结语 15 4 致谢致谢 16 参考文献参考文献 17 附录附录 1 1 程序源代码程序源代码 18 1 1 绪论绪论 1 11 1 数字温度计简介数字温度计简介 1 1 1 数字温度计的特征 温度是我们日常生产和生活中实时在接触到的物理量 但是它是看不到 的 仅凭感觉只能感觉到大概的温度值 传统的指针式的温度计虽然能指示 温度 但是精度低 使用不够方便 显示不够直观 数字温度计的出现可以 让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少度 数字温度计采用进口芯片组装精度高 高稳定性 误差 0 5 内电 源 微功耗 不锈钢外壳 防护坚固 美观精致 数字温度计采用进口高精 度 低温漂 超低功耗集成电路和宽温型液晶显示器 内置高能量电池连续 工作 5 年无需敷设供电电缆 是一种精度高 稳定性好 适用性极强的新 型现场温度显示仪 是传统现场指针双金属温度计的理想替代产品 广泛应 用于各类工矿企业 大专院校 科研院所 数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器 如铂电阻 热电偶 半导体 热敏电阻等 将温度的变化转换成电信号的变化 如电压和电流 的变化 温度变化和电信号的变化有一定的关系 如线性关系 一定的曲线 关系等 这个电信号可以使用模数转换的电路即AD 转换电路将模拟信号转 换为数字信号 数字信号再送给处理单元 如单片机或者PC 机等 处理单 5 元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来 成为可以显示出来 的温度数值 如 25 0 摄氏度 然后通过显示单元 如 LED LCD 或者电脑屏 幕等显示出来给人观察 这样就完成了数字温度计的基本测温功能 数字温 度计根据使用的传感器的不同 AD 转换电路 及处理单元的不同 它的精 度 稳定性 测温范围等都有区别 这就要根据实际情况选择符合规格的数 字温度计 1 1 2 设计实现的目标 1 测温基本范围 55 125 2 测温精度误差小于或等于 0 5 3 超温报警 4 LCD 屏幕显示实时温度 6 2 2 数字温度计的方案设计数字温度计的方案设计 2 12 1 设计方案论证与比较设计方案论证与比较 2 1 1 显示电路方案 方案 采用数码管动态显示 使用七段 LED 数码管 采用动态显示的方法来显示各项指标 2 1 2 测温电路方案 方案一 采用模拟温度传感器测温 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 采用数字温度传感器 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 综合考虑 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 2 22 2 系统系统总体方案总体方案 根据上述方案比较 结合题目要可以将系统分为主控模块 显示模块 温 度采集模块和报警模块 其框图如下 驱动显示驱动显示 报警报警 电路电路 图 2 1 系统总体设计框图 看门狗看门狗 MCUMCU DS18B20 温度数据采集温度数据采集 7 3 数字温度计的硬件电路设计数字温度计的硬件电路设计 3 13 1 控制电路控制电路 3 1 1 MCU 简介 CPU 是整个控制部分的核心 在考虑经济性和满足需求的前提下 本系统 选用宏晶公司生产的 8 位 STC89C52 单片机作为整个系统的控制中心 STC89C52 是宏晶公司生产的低功耗 高性能 CMOS8 位单片机 片内含 4k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器 器件采用宏晶公司的高密 度 非易失性存储技术生产 兼容标准 8051 指令系统及引脚 它集 Flash 存储器既可在线编辑 ISP 也可用传统方法进行编辑及通用 8 位 微处理器于单片芯片中 功能强大 STC89C52 单片机可为您提供许多高性 价比的应用场合 器管脚图如图 3 2 图 3 1 STC89C52 管脚图 在本系统中 STC89C52 单片机内部的功能单元已经能够满足系统设计需 要 不需要系统扩展 STC89C52 具有以下的特点 8031 CPU 与 MCS 51 兼容 寿命 1000 写 擦循环 4K 字节可编程 FLASH 存储器 8 全静态工作 0 24MHz 三级程序存储器保密锁定 128 8 位内部 RAM 32 条可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟 除此之外 STC89C52RC 单片机还具有看门狗内部外设 在工业控制 汽车 电子 航空航天等需要高可靠性的系统中 为了防止 系统在异常情况下 受 到干扰 MCU CPU 程序跑飞 导致系统长时间异常工作 通常是引进看 门狗 如果 MCU CPU 不在规定的时间内按要求访问看门狗 就认为 MCU CPU 处于异常状态 看门狗就会强迫 MCU CPU 复位 使系统重新从头 开始按规律执行用户程序 系统中单片机 STC89C52RC 中自带看门狗电路 其寄存器设置相关信息如下 表 3 1 STC89C52 看门狗寄存器 STC89C52 单片机看门狗复位时间是可以自行选择和设置的 其设置方法是 表 3 2 看门狗定时器预分频值 9 3 2 2 最小系统模块 本次设计中 选用宏晶公司的 51 系列单片机 STC89C52 芯片作为电子 密码电源开关的数据处理及操作控制芯片 只有单片机芯片无法完成数 据处理及控制功能 必须有附加的电路 使单片机芯片组成一个可运行 的系统才能实现其功能 本次设计中 由 STC89C52 芯片连同附加电路构 成的单片机最小系统作为数据处理及控制模块 3 33 3 温度传感器设计温度传感器设计 3 3 1 DS18B20 简介 DS18B20 可以程序设定 9 12 位的分辨率 精度为 0 5 C 可选更小的封 装方式 更宽的电压适用范围 分辨率设定 及用户设定的报警温度存储在 EPROM 中 掉电后依然保存 温度传感器 DS18B20 引脚如图 3 4 所示 图 3 3 DS18B20TO 92 封装温度传感器 引脚功能说明 VDD 可选电源脚 电源电压范围 3 5 5V 当工作于寄生电源时 此引脚 必须接地 DQ 数据输入 输出脚 漏极开路 常态下高电平 GND 为电源地 10 图 3 4 DS18B20 内部结构图 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 配置寄存器 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的 它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码 64 位光刻 ROM 的排列是 开始 8 位 28H 是产品类型标号 接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号 最后 8 位是前面 56 位的循环冗余 校验码 CRC X8 X5 X4 1 光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相 同 这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量 以 12 位转化为例 用 16 位 符号扩展的二进制补码读数形式提供 以 0 0625 LSB 形式表达 其中 S 为符号位 这是 12 位转化后得到的 12 位数据 存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中 二进制中的前面 5 位是符号位 如果测得的温度大于 0 这 5 位为 0 只要 将测到的数值乘于 0 0625 即可得到实际温度 如果温度小于 0 这 5 位为 1 测到的数值需要取反加 1 再乘于 0 0625 即可得到实际温度 例如 125 的数字输出为 07D0H 25 0625 的数字输出为 0191H 25 0625 的数字输出为 FF6FH 55 的数字输出为 FC90H DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的 可电擦除的 E2RAM 后者存放高温度和低温度触发器 TH TL 和结构寄存器 暂存存储器包含了 8 个连续字节 前两个字节是测得的温度信息 第一个字 11 节的内容是温度的低八位 第二个字节是温度的高八位 第三个和第四个字 节是 TH TL 的易失性拷贝 第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝 这三 个字节的内容在每一次上电复位时被刷新 第六 七 八个字节用于内部计 算 第九个字节是冗余检验字节 该字节各位的意义如下 TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是 1 TM 是测试模式位 用于设置 DS18B20 在工作模式还是 在测试模式 在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0 用户不要去改动 R1 和 R0 用来设置分辨率 如表 1 所示 DS18B20 出厂时被设置为 12 位 表 3 3 DS18B20 温度转换时间表 R1R0 分辨率 位 温度最大转向时间 00993 75 0110187 5 1011375 1112750 根据 DS18B20 的通讯协议 主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步 骤 每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位 复位成功后发送一条 ROM 指 令 最后发送 RAM 指令 这样才能对 DS18B20 进行预定的操作 复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒 然后释放 DS18B20 收到信号后等待 16 60 微 秒左右 后发出 60 240 微秒的存在低脉冲 主 CPU 收到此信号表示复位成 功 3 3 2 温度传感器与单片机的连接 温度传感器的单总线 1 Wire 与单片机的 P2 0 连接 P2 0 是单片机的高 位地址线 A8 P2 端口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 其输出缓冲 级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对该端口写 1 可通 过内部上拉电阻将其端口拉至高电平 此时可作为输入口使用 这是因为内 部存在上拉电阻 某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 在访问外部 程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时 如执行 MOVX DPTR 指令 则 12 表示 P2 端口送出高 8 位的地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器时 可执行 MOVX RI 指令 P2 端口内容即为特殊功能寄存器 SFR 区中 R2 寄存 器内容 整个访问期间不改变 在 Flash 编程和程序校验时 P2 端口也接 收高位地址和其他控制信号 图 3 5 为 DSl8820 内部结构 图 3 6 为 DSl8820 与单片机的接口电路 图 3 5 DS18B20 和单片机的接口连接 3 3 3 复位信号及外部复位电路 单片机的 P1 6 端口是 MAX813 看门狗电路中喂狗信号的输入端 即单片机每 执行一次程序就设置一次喂狗信号 清零看门狗器件 若程序出现异常 单 片机引脚 RST 将出现两个机器周期以上的高电平 使其复位 该复位信号高 电平有效 其有效时间应持续 24 个振荡脉冲周期即两个机器周期以上 若 使用频率为 12 MHz 的晶体振荡器 则复位信号持续时间应超过 2 s 才完成 复位操作 图 3 6 复位电路 4 4 软件设计软件设计 4 14 1 DS18b20DS18b20 的读操作的读操作 13 DSl8B20 的主要数据元件有 64 位激光 Lasered ROM 温度灵敏元件和非 易失性温度告警触发器 TH 和 TL DSl8B20 可以从单总线获取电源 当信号线 为高电平时 将能量贮存在内部电容器中 当单信号线为低电平时 将该电源 断开 直到信号线变为高电平重新接上寄生 电容 电源为止 此外 还可外接 5 V 电源 给 DSl8B20 供电 DSl8B20 的供电方式灵活 利用外接电源还可增加 系统的稳定性和可靠性 DS18B20 读写时序如图 4 1 4 3 图 4 1 DS18B20 的复位时序图 图 4 2 DS18B20 的写数据时序图 图 4 3 DS18B20 的读数据时序图 由时序图可知 DS18B20 在复位时需要 480us 的低电平 等待 15us 后 MCU 将总线拉高 等待 DS18B20 的响应信号 DS18B20 在写数据时分为写 0 和写 1 操作 写 0 操作时 DS18B20 需要至少 60us 的总线被拉低 14 然后在 60us 内将 0 写入 DS18B20 中 持续时间至少 1us 写 1 操作是只 需将写入的 0 改为 1 即可 DS18B20 读操作也分为读 0 和读 1 操 作 读 0 操作时 总线需要 15us 被拉低 再拉高 45us 然后再 15us 内将数 据读走 读 1 操作同读 0 操作 程序流程图如图 4 4 开始 DS18B20 的初始化 启动温度转换 读取温度寄存器 跳过读序列号的操作 跳过读序列号的操作 DS18B20 的初始化 RET LOW 低八位 HIGH 高八位 图 4 4 DS18B20 读取温度的流程图 4 24 2 DS18b20DS18b20 的温度数据处理的温度数据处理 读出温度数据后 LOW 的低四位为温度的小数部分 可以精确到 0 0625 LOW 的高四位和 HIGH 的低四位为温度的整数部分 HIGH 的高四位全部为 1 表示负数 全为 0 表示正数 所以先将数据提取出来 分为三个部分 小数部 分 整数部分和符号部分 小数部分进行四舍五入处理 大于 0 5 的话 向个 位进 1 小于 0 5 的时候 舍去不要 当数据是个负数的时候 显示之前要进 行数据转换 将其整数部分取反加一 还因为 DS18B20 最低温度只能为 55 所以可以将整数部分的最高位换成一个 表示为负数 图 4 2 为温度数据处 理程序的流程图 15 开始 提取整数部分存入 HT 提取小数部分存入 LT LT 右移三位 将精度降低到 0 5 摄氏度 HT 将小数部分整数化 提取符号部分存 入 sign LT 是否大于 5 是否为负数 RET 负数标志 flag 1 YN N Y 图 4 5 温度数据处理流程图 5 5 数据测试数据测试 用手触屏温度传感器 可以发现温度大概显示为 32 度左右 将温度传感器 与塑料袋装的冰水混合物接触 观察液晶显示的温度是否为零度 16 结语结语 经过将近几周的毕业设计 终于完成了我的数字温度计的设计 虽然没有 完全达到设计要求 但从心底里说 还是高兴的 毕竟这次设计把仿真成功做 了出来 高兴之余不得不深思呀 在本次设计的过程中 我发现很多的问题 虽然以前还做过这样的设计但 这次设计真的让我长进了很多 单片机毕业设计重点就在于软件算法的设计 需要有很巧妙的程序算法 此外 本次毕业设计也使我对单片机技术有了更进 一步的了解 实际操作和课本上的知识有很大的联系 又高于课本 一个看似 很简单的电路 要动手做出来就比较困难了 因为是设计让我们在以后的学习 中要注意这点 要把课本上所学的知识跟实际联系起来 有好多的东西 只有 我们去试着做了 才能真正的掌握 只学习理论有些东西是很难理解的 更谈 不上掌握 同时本次电路的设计巩固了所学知识 也使我们把理论与实际从真 正的意义上结合起来了 增强了学习的兴趣 考验了我们借助图书馆 互联网 搜索 查阅相关资料 以及综合能力 从这次的毕业设计中 我真真正正的意识到 在以后的学习中 要理论联 系实际 把我们所学的理论知识用到实际当中 学习单机片机更是如此 程序 只有在经常的写与读的过程中才能提高 这就是我在这次毕业设计中的最大收 获 为以后从事电子电路设计 研制电子产品方面的工作奠定了一定的基础 致谢致谢 在毕业设计完成之际 我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心指导 在我毕业设计制作过程中 倾注了大量的心血和汗水 无论是在课题的选题 17 构思和资料的收集方面 还是在课题的研究方法以及成文定稿方面 我都得到 了悉心细致的教诲和无私的帮助 特别是他广博的学识 深厚的学术素养 严 谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益 在此表示真诚地感谢和深 深的谢意 写作过程中 也得到了许多同学的宝贵建议 在此一并致以诚挚的谢意 感谢所有关心 支持 帮助过我的良师益友 最后 向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表 示衷心地感谢 并祝湖工蒸蒸日上 参考文献参考文献 1 李朝青 单片机原理及接口技术 简明修订版 杭州 北京航空航天大 学出版社 1998 Li chaoqing Single chip Microcomputer Principle and Interface Technology hangzhou Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press 1998 2 李广弟 单片机基础 北京 北京航空航天大学出版社 1994 Li guang di Single chip based on Bijing Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press 1994 3 阎石 数字电子技术基础 第三版 北京 高等教育出版社 1989 Yan shi Digital Electronics Beijing Higher Education Press 1989 4 廖常初 现场总线概述 J 电工技术 1999 Liao changchu Fieldbus Overview J Electrotechnical 1999 5 谢自美 电子线路综合设计 M 武汉 华中科技大学出版社 2007 6 夏继强 单片机应用设计培训教程 实践篇 M 北京 北京航空航天大 学出版社 2008 7 何立明 MCS 51 单片机应用系统设计 系统配置与接口技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 2003 8 李广弟 朱月秀 王秀山 单片机基础 M 北京 北京航空航天大学出版 社 2001 7 9 康华光 电子技术基础 模拟部分 第五版 M 武汉 华中科技大学出 版社 2007 10 李勋 林广艳 单片微型计算机大学读本 M 北京 北京航空航天大学出版社 1998 8 18 11 付家才 单片机控制工程实践基础 M 北京 化学工业出版社 2003 2 12 A Baker s Dozen Real Analog Solutions for Digital Designers J Bonnie Baker 美 李喻奎 译 2006 8 1 13 Zharkov I Podolich V Sa onov V A Temperature ControlledSystem for Optical M icroscopy in the Temperature Range800K Instruments and Experimental Techniques 2005 48 5 686 689 附录附录 1 1 程序源代码程序源代码 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int unsigned char code table 0 xc0 0 xcf 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 void display uchar uchar uchar timecount shu uchar a