数字温度计的设计与实现.doc

内蒙古化工职业学院毕业设计（论文）基于单片机的数字温度计的设计摘要随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。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AT89S52单片机的数字温度计的设计，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。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，该设计控制器采用单片机8051，温度传感器采用DS18B20，以边沿D触发器7474、移位寄存器74LS164和共阴极LED数码管为主体设计了一款简易数字式温度计实现温度显示。关键词：数字温度计；单片机；传感器；DS18B20；目录第一章 绪论1第二章 数字温度计的总体设计2.1总体设计方案92.2 重要性能指标92.3系统主要模块方案论证与比较92.3.1控制模块的选用92.4 设计要求和实现的功能103.1 主要芯片介绍113.1.1 AT89S52的介绍113.2温度检测模块143.2.1 DS18B20的简介143.2.2DS18B20的引脚功能163.2.3 DS18B20的两个表格173.2.4 DS18B20的测温原理183.2.5 DS18B20的时序设置193.2.6DS18B20硬件电路设计204.1系统主程序224.3 计算温度子程序流程图234.4显示数据子程序244.5系统初始化程序244.6温度转换段码子程序255.1 Proteus软件介绍275.1.2 工作界面285.2 仿真结果图29参考文献33第一章 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。随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,单片机已经在测控领域中获得了广泛的应用。本次设计的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，价格低廉，测温范围广，测温准确等优点，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AT89C51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阴极LED数码管以串口传送数据，实现温度显示,能准确达到以上要求。第0页内蒙古化工职业学院毕业设计（论文） 第1页第二章 数字温度计的总体设计2.1总体设计方案本设计是测温电路，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温度是非电量模拟信号，数字显示温度就必须将这一非电量信号转换成电量（电压或电流），然后将模拟电信号经A/D转换器转换成数字信号，最后经译码显示器显示温度值。由论述可知，所设计的这种温度计的功能是传统的物理温度计无法完成的。在分析之后决定采用单片机8051为核心，加上AD590测温电路、ADC模数转换电路、4位温度数据显示电路以及外围电源、时钟电路等组成。2.2 重要性能指标本电路旨在将AD590（0时为273.2uA）因温度变化，导致电流变化（1uA / ），经OPA转换为电压变化输入ADC0804，输入电压Vin(0-5V之间)经AD转换后，其值由8751处理，最后显示在D4,D3,D2,D1共4各七段显示器。 该温度计所显示测量范围0-100。2.3系统主要模块方案论证与比较2.3.1控制模块的选用方案一：采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为控制器。单片机运算能力强，软件编程灵活，自由度大。AT89C51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。方案二：采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统主控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系统。内蒙古化工职业学院毕业设计（论文）方案比较，以上两种方案中，方案一的四个端口只需要两个就能满足设计需要，资源比较适中。而方案二将使FPGA的高速处理能力得不到充分发挥，故选择方案一。2.3.2温度测量模块选用方案一：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，就可以将被测温度值显示出来，但这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较复杂、成本高。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，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。方案比较，从以上两种方案，很容易看出，方案一中感温电路比较麻烦，而方案二中电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用方案二。2.4 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.能进行仿真第三章 硬件电路设计3.1 主要芯片介绍3.1.1 AT89S52的介绍选用的AT89S52与同系列的AT89C51在功能上有明显的提高，最突出是的可以实现在线的编程。用于实现系统的总的控制。其主要功能列举如下：（1）为一般控制应用的 8 位单片机（2）晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至 33MHz）（3）内部程式存储器（ROM）为 4KB（4）内部数据存储器（RAM）为 128B（5）外部程序存储器可扩充至 64KB（6）外部数据存储器可扩充至 64KB（7）32 条双向输入输出线，且每条均单独做 I/O 的控制（8）5 个中断向量源（9）2 组独立的 16 位定时器（10）1 个全双工串行通信端口（12）8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能（13） 单芯片提供位逻辑运算指令3.1.2 AT89S52各引脚功能介绍VCC：ATAT89S52 电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反向放大器输入端XTAL2：系统时钟的反向放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两个引脚与地之间加入一个 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RESET：AT89S52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S52便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。EA/Vpp：EA为英文External Access的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。ALE/PROG：ALE是英文Address Latch Enable的缩写，表示地址锁存器启用信号。ATAT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0A7）锁进锁存器中，因为ATAT89S51是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。PSEN：此为Program Store Enable的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。ATAT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一个8位宽的开路电极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当作I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7）。设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一组完整的16位地址总线，而定位地址到64K的外部存储器空间。PORT2（P2.0P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当作一般I/O端口使用外，若是在ATAT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8A15，这个时候P2便不能当作I/O来使用了。PORT1（P1.0P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地，若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发引脚。PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。 P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。3.2温度检测模块 温度检测电路采用的是DS18B20温度传感器。DS18B20是美国DALLAS公司生产的一种改进型的智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它具有结构简单，能直接读出被测温度，采用一根I/O数据线既可供电又可传输数据、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。3.2.1 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3-1所示。 图3-1 DS18B20的内部结构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3-2所示。图3-2 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。3.2.2DS18B20的引脚功能DS18B20采用3脚封装，VDD：主电源；GND：逻辑地；DQ：数据线引脚，如图3-3所示。图3-3DS18B20引脚分布图3.2.3 DS18B20的两个表格由表3-1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。 表3-1 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3-2是一部分温度值对应的二进制温度数据。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 0000FC90H表3-2 一部分温度对应值表3.2.4 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。3.2.5 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。 1.2 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。 1.3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。3.2.6DS18B20硬件电路设计DS18B20与单片机通信，电路连接简单。温度检测模块电路如图3-4所示。图3-4温度检测模块电路其中，VCC和GND分别接电源和接地，DQ与单片机P1.0口相连接.它以串行通信的方式与单片机进行通信，读出或写入数据仅需一根I/O接口线。3.3指示灯模块指示灯模块由两个发光二极管组成，如图3-5所示。D1是系统指示灯，D2是锁存指示灯，当系统开始工作时，D1亮。当开关置低电平时D2亮起，表示此时在锁存状态。图3-5指示灯电路第4章 软件系统设计本系统程序主要包括主程序、读取温度子程序、计算温度子程序、显示数据子程序、系统初始化程序、温度转换段码子程序流程图。4.1系统主程序主程序的主要功能是负责整体调度，读出并处理DS18B20测量的当前温度值,处理读取温度值，显示当前温度值，判断是否锁存当前显示值。温度测量每1s进行一次，流程图如图4-1所示。图4-2主函数流程图4.2读取温度子程序温度转换命令子程序主要是向DS18B20发复位命令、操作ROM命令、温度转换开始命令等，然后读取DS18B20的暂存器。当采用12位分辨率时,转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s等待转换的完成。流程图如图4-3所示。图4-3读取温度子程序流程图4.3 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4-4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4-4 计算温度子程序流程图4.4显示数据子程序显示数据程序主要是通过P3口的RXD脚和TXD脚，以方式0同步发送数据以刷新LS74164D锁存器来刷新LED显示器。流程图如图4-5所示。4.5系统初始化程序主要功能是初始化串行口与触发器。流程图如图4-6所示。 图4-5显示数据子程序 图4-6系统初始化子程序4.6温度转换段码子程序温度转换段码子程序的主要功能是把十进制整数形式的温度值转换为共阴极LED数码管的段码并储存在51的RAM中定义的暂存器中。流程图如图4-7所示。图4-7温度转换段码子程序第五章 系统仿真调试5.1 Proteus软件介绍Proteus软件10是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，它组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。 其功能模块:个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARES PCB设计。PROSPICE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM:便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型。支持许多通用的微控制器,如PIC，AVR，HC11以及8051。最新支持ARM。交互的装置模型包括：LED和LCD显示，RS232终端，通用键盘，I2C，SPI器件。强大的调试工具，包括寄存器和存储器，断点和单步模式。IAR C-SPY 和Keil uVision2等开发工具的源层调试。应用特殊模型的DLL界面-提供有关元件库的全部文件。5.1.1 进入Protues ISIS双击桌面上的ISIS 6 Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”“程序”“Proteus 6 Professional” “ISIS 6 Professional”，出现如图5-1所示屏幕，表明进入Proteus ISIS集成环境。 图5-1启动时的屏幕 5.1.2 工作界面Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图5-2所示。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。图5-2 Proteus ISIS的工作界面5.1.3 Proteus界面介绍 Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图5-3所示。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。图5-3 Proteus 窗口界面图5.2 仿真结果图当Vin+=0V时，温度计显示0。 当Vin+=2.5V时，温度计显示50。第六章 创新与体会第25页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