数字温度计设计

1 目录 第第 1 1 章章 绪绪 论论 2 1 1 数字温度 计 2 1 2 设计介 绍 2 第第 2 2 章章 设计任设计任 务务 4 2 1 课程设计题 目 4 2 2 本次课程设计应达到的目 的 4 2 3 本次课程设计任务的主要内容和要 求 4 2 3 1 主要内 容 4 2 3 2 成果要 求 4 第第 3 3 章章 芯片介芯片介 绍绍 5 3 1 单片机 AT89C2051 5 3 1 1 内部结 构 5 2 3 1 2 程序保 密 5 3 1 3 软件开 发 5 3 1 4 软硬件开 发 6 3 1 5 引脚说 明 6 3 1 6 主要性 能 7 3 2 DS1620 温度传感 器 8 3 2 1 摘 要 8 3 2 2 引脚功能 说 8 第第 4 4 章章 系统设系统设 计计 9 4 1 系统硬件设 计 9 4 1 1 系统硬件电 路 9 4 1 2 AT89C2051 在系统中的应 用 9 4 1 3 DS1620 温度传感器在系统中的应 用 9 4 1 4 LED 驱动及显 示 10 3 4 2 系统软件设 计 11 4 2 1 主程序流程 图 11 4 2 2 显示子程序流程 图 12 4 2 3 温度测量子程序流程 图 13 4 3 程序清 单 14 第第 5 5 章章 总总 结结 17 第第 6 6 章章 参考文参考文 献献 19 附录附录 1 1 糸统硬件电路糸统硬件电路 图图 20 4 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1数字温度计数字温度计 数字温度计 digital thermometer 可以准确的判断和测量温度 以数字 显示 而非指针或水银显示 故称数字温度计或数字温度表 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3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 温度数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 2设计介绍设计介绍 本文介绍了利用单片机AT89C2051 DS1620温度传感器 DC DC电源设计便 携式数字温度计的方法 并给出了具体的电路和软件设计的流程图 温度是工 5 业生产和科学实验中的重要参数之一 在化工 冶金 医药 航空等领域里 温度的高低直接影响到许多产品的质量及使用寿命 研究和设计高性能的温度 控制系统具有非常重要的意义 本文利用单片机技术设计了一种数字温度计 所采用的单片机为 AT89C2051 测温传感器使用DS1620 用4位共阳极LED 数码管显示温度值 实 现对温度的准确测量 显示以及报警等功能 6 第第 2 2 章章 设计任务设计任务 2 2 1 1课程设计题目课程设计题目 基于单片机 AT89C2051 的数字温度计设计 2 2 2 2本次课程设计应达到的目的本次课程设计应达到的目的 计算机过程控制课程设计是自动化专业高年级本科生的一项重要实践教学 环节 是针对本专业开设的过程控制与仪表 计算机控制技术与系统 可编程 控制器原理及应用 单片机原理及应用等专业课程设置的综合性集中实践教学 环节 通过本次设计的训练 使学生掌握控制系统工程设计的基本理论 基本 方法和基本技能在自动化及其他领域中的应用 使学生能熟练地掌握工业过程 对象自动控制系统设计的内容步骤 将本科阶段所学的专业知识应用于实际过 程的自动化设计 整合各门专业课的工程应用 缩短专业知识向实际工程设计 的时间 提高学生实践能力和动手能力 2 2 3 3本次课程设计任务的主要内容和要求本次课程设计任务的主要内容和要求 2 2 3 3 1 1 主要内容主要内容 1 测温范围 20 99 2 精度 1 3 采用 lcd 显示或 LED 数码显示 4 熟悉相关芯片 应用 protel 软件设计接口原理图 5 绘制程序流程图并进行程序调试 6 实现温度采集及显示控制 2 2 3 3 2 2 成果要求成果要求 1 撰写课程设计的技术报告 4000 6000 字 内容应包括课程设计目 的 课程设计的内容 课程设计的原理分析及实现过程 应将课程设计全部分 析 设计 调试的结果 进行系统的总结 分章节的撰写成文 报告中应书写 工整 图表齐全 对调试结果应有分析说明 2 将所绘制的图纸以 A3 幅面打印出来 7 第第 3 3 章章 芯片介绍芯片介绍 3 3 1 1单片机单片机AT89C2051AT89C2051 AT89C2051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128bytes 的随机 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 AT89C2051 单片机在电子类产品中有广泛的应用 3 3 1 1 1 1 内部结构内部结构 AT89C2051 是一带有 2K 字节闪速可编程可擦除只读存储器 EEPROM 的 低电压 高性能 8 位 CMOS 微处理器 它采用 ATMEL 的高密非易失存储技术制 造并和工业标准 MCS 51 指令集和引脚结构兼容 通过在单块芯片上组合通用 的 CPLI 和闪速存储器 ATMEL 的 AT89C2051 是一强劲的微型处理器 它对许多 嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法 AT89C2051 提供以下标准功能 2K 字节闪速存储器 128 字节 RAM 15 根 I O 口 两个 16 位定时器 一个五向量两级中断结构 一个全双工串行口 一 个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式 空闲方停止 CPU 工作 但允许 RAM 定时器 计数器 串行工作口和中断系统继续工作 掉电方式保 存 RAM 内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位 3 3 1 1 2 2 程序保密程序保密 AT89C2051 设计有 2 个程序保密位 保密位 1 被编程之后 程序存储器不 能再被编程除非做一次擦除 保密位 2 被编程之后 程序不能被读出 3 3 1 1 3 3 软硬件开发软硬件开发 AT89C2051 可以采用下面两种方法开发应用系统 1 由于 89C2051 内部程序存贮器为 Flash 所以修改它内部的程序十分方 便快捷 只要配备一个可以编程 89C2051 的编程器即可 调试人员可以采用程 序编辑 编译 固化 插到电路板中试验这样反复循环的方法 对于熟练的 MCS 51 程序员来说 这种调试方法并不十分困难 但是做这种调试不能够了解片内 RAM 的内容和程序的走向等有关信息 2 将普通 8031 80C31 仿真器的仿真插头中 P1 0 P1 7 和 P3 0 P3 6 引出 8 来仿真 2051 这种方法可以运用单步 断点的调试方法 但是仿真不够真实 比如 2051 的内部模拟比较器功能 P1 口 P3 口的增强下拉能力等等 3 3 1 1 4 4 软硬件开发软硬件开发 AT89C2051 可以采用下面两种方法开发应用系统 1 由于 89C2051 内部程序存贮器为 Flash 所以修改它内部的程序十分方 便快捷 只要配备一个可以编程 89C2051 的编程器即可 调试人员可以采用程 序编辑 编译 固化 插到电路板中试验这样反复循环的方法 对于熟练的 MCS 51 程序员来说 这种调试方法并不十分困难 但是做这种调试不能够了解片内 RAM 的内容和程序的走向等有关信息 2 将普通 8031 80C31 仿真器的仿真插头中 P1 0 P1 7 和 P3 0 P3 6 引出 来仿真 2051 这种方法可以运用单步 断点的调试方法 但是仿真不够真实 比 如 2051 的内部模拟比较器功能 P1 口 P3 口的增强下拉能力等等 3 3 1 1 5 5 引脚说明引脚说明 AT89C2051 芯片引脚图 AT89C2051 的引脚图如右图 1 所示 1 VCC 电源电压 2 GND 地 3 P1 口 P1 口是一个 8 位双向 I O 口 口引脚 P1 2 P1 7 提供内部上 拉电阻 P1 0 和 P1 1 要求外部上拉电 阻 P1 0 和 P1 1 还分别作为片内精密 模拟比较器的同相输入 ANI0 和反相输 入 AIN1 P1 口输出缓冲器可吸收 20mA 电流并能直接驱动 LED 显示 当 P1 口引脚写入 1 时 其可用作输入 端 当引脚 P1 2 P1 7 用作输入并被外 部拉低时 它们将因内部的写入 1 时 其可用作输入端 当引脚 P1 2 P1 7 用作输入并被外部拉低时 它们将因内部的上拉电阻而流出电流 4 P3 口 P3 口的 P3 0 P3 5 P3 7 是带有内部上拉电阻 的七个双向 I O 9 口引脚 P3 6 用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用 I O 引脚 而不可访问 P3 口缓冲器可吸收 20mA 电流 当 P3 口写入 1 时 它们被内 部上拉电阻拉高并可用作输入端 用作输入时 被外部拉低的 P3 口脚将用上拉 电阻而流出电流 P3 口还用于实现 AT89C2051 的各种第二功能 如下表所列 引脚口功 能 P3 0RXD 串行输入端口 P3 1TXD 串行输出端口 P3 2INT0 外中断 0 P3 3INT1 外中断 1 P3 4 T0 定时器 0 外部输 入 P3 5 T1 定时器 1 外部输 入 P3 口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号 5 RST 复位输入 RST 一旦变成高电平所有的 I O 引脚就复位到 1 当 振荡器正在运行时 持续给出 RST 引脚两个机器周期的高电平便可完成复位 每一个机器周期需 12 个振荡器或时钟周期 6 XTAL1 作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入 7 XTAL2 作为振荡器反相放大器的输出 3 3 1 1 6 6 主要性能主要性能 1 和 MCS 51 产品兼容 2 2KB 可重编程 FLASH 存储器 10000 次 3 2 7 6V 电压范围 4 全静态工作 0Hz 24MHz 5 2 级程序存储器保密锁定 6 128 8 位内部 RAM 7 15 条可编程 I O 线 10 8 两个 16 位定时器 计数器 9 6 个中断源 10 可编程串行通道 11 高精度电压比较器 P1 0 P1 1 P3 6 12 直接驱动 LED 的输出端口 3 3 2 2 DS1620DS1620温度传感器温度传感器 3 3 2 2 1 1 摘要摘要 DS1620 是一种半导体温度测控芯片 9 位温度数据值 测温范围 55 125 0 5 分辨率 通过三线串行接口与 CPU 连接 可作为热传感器使 用 用三个温控触发端控制加热或制冷装置 可用作热继电器 DS1620 是 Dallas 公司推出的数字温度测控器件 2 7 5 0V 供电电压 测 量温度范围为 55 125 9 位数字量表示温度值 分辨率为 0 5 在 0 70 精确度为 0 5 40 0 和 70 85 精确度为 1 55 40 和 85 125 精确度为 2 TH 和 TL 寄存器中的温度报警限设定值存放在非易失性存 储器中 掉电后不会丢失 通过三线串行接口 完成温度值的读取和 TH TL 的 设定 3 3 2 2 2 2 引脚功能说明引脚功能说明 DS1620 采用 8 脚 DIP 封装或 8 脚 SOIC 封装 引脚排列如图 1 所示 引 脚功能说明如表 1 所列 表 1 DS1620 引脚功能说明 引 脚名 称功 能 1DQ 三线制的数据输入 输出 2CLK CONV 三线制的时钟输入和标准转换输入 3RST 三线制的复位输入 4GND 地 5TCOM 温度高 低限触发输出 6TLOW 温度低限触发输出 7THIGH 温度高限触发输出 11 8VDD 3 5V 电源 12 第第 4 4 章章 系统设计系统设计 4 4 1 1糸统硬件设计糸统硬件设计 4 4 1 1 1 1 糸统硬件电路糸统硬件电路 C3 20P C420P C7 0 1uF Y1 12MHZ C1 22uF R1 4 7K R2 1K S1 S4 S2 S3 1 1 VCC 16 2 2 15 15 3 3 14 14 4 4 13 13 5 5 12 12 6 6 11 11 7 7 10 10 GND 8 9 9 U3 MC1413 RST 1 P3 0 2 P3 1 3 XTAL2 4 XTAL1 5 P3 2 6 P3 3 7 P3 4 8 P3 5 9 GND 10 P3 7 11 P1 0 12 P1 1 13 P1 2 14 P1 3 15 P1 4 16 P1 5 17 P1 6 18 P1 7 19 VCC 20 U2 89C2051 a bf c g d e DPY LEDgn a 7 b 6 e 1 dp 5 c 4 d 23 g 10 8 f 9 DS1 a bf c g d e DPY LEDgn a 7 b 6 e 1 dp 5 c 4 d 23 g 10 8 f 9 DS2 a bf c g d e DPY LEDgn a 7 b 6 e 1 dp 5 c 4 d 23 g 10 8 f 9 DS3 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U4 74HC164 5V Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 VDD 8 THIGH 7 TLOW 6 TCOM 5 DQ 1 CLK 2 RST 3 GND 4 U1DS1620 5V R3 1K Q1 9012 SP D1 R4 470 Vin 1 GND 2 Vout 3 U5 DC DC 3V BATTERY C6 68uF C5 10uF L122uH S5 5V C2 0 1uF C8 0 1uF C9 0 1uF a bf c g d e DPY LEDgn a 7 b 6 e 1 dp 5 c 4 d 23 g 10 8 f 9 DS4 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 图3 糸统硬件电路 4 4 1 1 2 2 AT89C2051AT89C2051 在系统中的应用在系统中的应用 AT89C2051是一个功能强大的单片机 但它只有20个引脚 15个双向输入 输出 I O 端口 其中P1是一个完整的8位双向I O口 两个外中断口 两个16 位可编程定时计数器 两个全双向串行通信口 一个模拟比较放大器 在图3 的AT89C2051外围电路中 复位电路采用上电复位加S1开关手动复 位的方式 使用比较方便 在程序跑飞时可以手动复位 S2 S3 S4 3个独立式开关组成键盘电路 可以分别调整温度计的上下限 报警设置 当被测温度不在上下限范围内 从P1 0口输出信号加到Q1 9012三极 管 和扬声器 发出报警声 4 4 1 1 3 3 DS1620DS1620 温度传感器在系统中的应用温度传感器在系统中的应用 DS1620输出的是9位二进制数码 数据的级差为0 5 负数用补码表示 如表2 给出了部分温度所对应的输出数据 13 表2 DS1620温度输出数据 温度二进制数据十六进制数据 551100100100192H 2511100111001CEH 0 511111111101FFH 00000000000000H 0 50000000010001H 250001100100032H 12501111101000FAH DS1620有三线串行通信接口 即RST CLK DQ 在通信时 RST脚必须输入高 电平 而DS1620通过DQ脚输入数据时 每一位数据必须在CLK脉冲的上升沿保持 有效 当DS1620输出时 在CLK脉冲的下降沿开始输出 一直保持到脉冲的上升 沿 3脚RST输入低电平时 结束通信 DQ脚呈高阻抗 通信时 数据输入 输出 的顺序是先低位后高位 4 4 1 1 4LED4LED 驱动及显示驱动及显示 本设计中 温度显示是采用4位共阳LED数码管 DS1 DS2 DS3 DS4 的动态显示方式 AT89C2051单片 机将要显示的字形代码分别送入串并转换电路74LS164 和驱动电路MC1413输入端 其中 MC1413是7路达林顿 驱动器 本设计仅采用了其中4路分别控制 DS1 DS2 DS3 DS4四个LED数码管的位显示 74LS164是一个8位串入并出的移位寄存器 其功能是 将C2051串行通信口输出的串行数据译码为8位并行输 出 其8位输出分别控制DS1 DS2 DS3 DS4四个LED 数码管的段显示 MC1413引脚功能如图4所示 74LS164引脚功能如图5所示 当清除端 CLEAR 为低电平 时 输出端 QA QH 均为低 14 电平 串行数据输入端 A B 可控制数据 当 A B任意一个为 低电平 则禁止新数据输入 在时钟端 CLOCK 脉冲上升沿作用下Q0 为低电平 当 A B 有一个为高电平 则另一个就允许输入数据 并在CLOCK 上升沿作用 下决定Q0 的状态 4 4 2 2系统软件设计系统软件设计 糸统软件主要由主程序 显示子程序 温度测量子程序组成 4 4 2 2 1 1 主程序流程图主程序流程图 初始化 调用子程序 读出温度值 温度计算处理 显示数据刷新 到 初次上电 发温度转换 开始命令 图6 15 4 4 2 2 2 2 显示子程序流程图显示子程序流程图 显示子程序 的入口 查的字模并输出 置的片选为高并显示 延时后并关显示 查的字模并将最 高位清零 置的片选为高并显示 延时后并关显示 查的字模并输出 置的片选为高并显示 延时后并关显示 返回 图7 显示子程序流程图 16 4 4 2 2 3 3 温度测量子程序流程图温度测量子程序流程图 测量温度 关显示并设串行口工作方式0 初始化并 与通信 启动 发出读工作寄存器的指令 显示1次 串行口接收允许并读出工作寄存器 转换完成 发出读温度指令并刷新显示1次 串行口接收允许并读出数据低8位 读出数据高8位 计算温度值并送显示缓冲区 显示1次 图8 温度测量子程序流程图 17 4 4 3 3 程序清单程序清单 RST DATA P3 2 L1 BIT P3 3 L2 BIT P3 4 L3 BIT P3 5 MO DATA P1 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030H MAIN CLR RST MOV SP 60H LCALL CLEAR MOV 20H 00H MOV 21H 00H MOV 22H 00H MOV SCON 00H CLR ES MOV R0 09H SETB RST WD1 CLR A MOVC A A DPTR LCALL SONG 18 LCALL DSS10ms LCALL DSS10ms INC DPTR DJNZ R0 WD1 WD2 WD3 RUFFER MOV A 41H JNZ BUF1 MOV A 40H CJNE A 200 WD4 WD4 JC WD6 WD5 WD6 WD7 MOV 22H 5 WD8 BUF2 JNC WD5 MOV 20H 10 CLR C RRC A JC BUF3 MOV 22H 0 SJMP BUF4 19 BUF3 MOV 20H 5 BUF4 MOV 21H A RET SONG MOV SBUF A JNB T1 CLR T1 TABLE DB 0CH 02H 01H 50H 00H 02H 14H 00H 0EEH END 20 第第 5 5 章章 总结总结 通过此次课程设计 使我更加扎实的掌握了单片机方面的知识 也掌握了单片机和传感器在计算机过程控制中的应用 在设计过程 中虽然遇到了一些问题 但经过一次又一次的查找资料 问题成功 解决 这暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足 实践出 真知 通过亲自动手制作 使我们掌握的知识不再是纸上谈兵 过而能改 善莫大焉 在课程设计过程中 我们不断发