基于单片机的数字温度计课程设计报告

目录1设计概述211设计目标和要求212设计思路22系统方案及硬件设计321设计方案322方案的硬件总体方框图323温度传感器DS18B20测温原理424硬件设计8241主控制器ATMEGA168242复位电路8243时钟振荡电8244报警点调节电路9245显示电路103软件设计1031系统分析1032各子程序及其流程图设计11321初始化子程序11322DS1820的读写字节子程序12323温度读取及转换子程序13324计算温度子程序14325温度显示子程序15326报警子程序164PROTEUS软件仿真1841系统仿真设计1842仿真结果分析185系统原理图196心得体会2011设计概述11设计目标和要求1用所学的单片机知识设计制作数字温度计；2测温范围是2070；3误差小于05；4所测的温度值可以由LCD数码管直接显示；5可以任意设置上下限温度的报警功能；6进一步熟悉PROTEUS,PROTEL,WORD软件的功能和使用方法；12设计思路首先确定我们所设计的是一个数字温度计，由单片机、温度传感器以及其他电路共同实现。根据所要实现的功能，先在PROTEUS软件上仿真。根据所选用的硬件可以将整个软件设计分为若干子程序，有初始化、查询时间、发送指令、读取数据、显示温度等构成，可将以上子程序分别设计，实现各自的功能，再在子程序中调用，就可以实现预期的目标。在PROTEUS软件里画出相应的电路图，将编写好的程序的编译后的文件下载到PROTEUS电路图的单片机里，进行仿真，对温度传感器设置不同的参数，看是否达到了我们设计所要求的目标，如果不符合要求，需要检查程序算法和硬件连接是否有误。若仿真成功，就按照电路图焊接硬件。22系统方案及硬件设计21设计方案采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和ATMEGA16单片机构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,也可直接与计算机连接。采用ATMEGA16单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。该系统利用ATMEGA16芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限温度。该系统扩展性非常强。该测温系统电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单。22方案的硬件总体方框图基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器ATMEGA16，温度传感器采用的DS18B20，用四位数码管显示温度。图1323温度传感器DS18B20测温原理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，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网测温；（3）无须外部器件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；（4）可通过数据线供电，电压范围为3055；（5）零待机功耗；（6）温度以9或12位数字，对应的可分辨温度分别为05、025、0125和00625，可实现高精度测温；（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；（9）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；（10）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线“串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其引脚排列及内部结构框图如图2及图3以及图4的测温原理图如下所示4图2引脚排列图3内部结构框图预置斜率累加器比较低温度系数振荡器计数器1温度寄存器TX预置0高温度系数振荡器0计数器2T1加1停止T2图4DS18B20测温原理图564位ROM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4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5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，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。TMR1R011111图5DS18B20的字节定义DS18B20的分辨率定义如表21所示表21分辨率设置表R0R1分辨率最大温度转移时间009位9675MS0110位1875MS温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC61011位375MS1112位750MS由表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。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。主机控制DS18B20完成温度转换过程是每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，即将数据总线下拉500US，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660US左右，之后发出60240US的存在低脉冲，主CPU收到此此信号表示复位成功；复位成功后发送一条ROM指令，然后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预订的读写操作。表22ROM指令集指令约定代码功能读ROM33H读DS18B20中的编码符合ROM55H发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编辑相对应的DS18B20使之做出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上的DS18B20个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发送温度变换指令告警搜索命令0ECH执行后，只有温度跳过设定值上限或下限的片子才能做出反应表23RAM指令集指令约定代码功能温度转换44H启动DS18B20进行温度转换读暂存器0BEH读暂存器9个字节内容写暂存器4EH将数据写入暂存器的TH、TL字节复制暂存器48H把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中重调E2RAM0B8H把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节读供电方式0B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU7DS18B20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，首先将最低温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最低温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。24硬件设计241主控制器ATMEGA16ATMEGA16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATMEGA16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元ALU相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。242242复位电路在这里采用的是按钮加上电复位，系统每次上电和每次按下复位按钮，系统就会复位。8243时钟振荡电路采用的是1MHZ的晶振频率，它与单片机的硬件连接电路如图7所示图7晶振电路244报警点调节电路可以通过微动开关，任意调节报警点的上下限，电路如图8所示9图8报警点调节电路245显示电路显示电路采用集成的四位一体的数码管，为共阴极结构，通过设置不同的段码可以显示温度。图9显示电路3软件设计31系统分析系统程序主要包括DS1820初始化程序，向DS1820读字节程序，向DS1820写字节程序，读取温度及转换程序，温度显示程序，报警程序。10初始化向DS1820读一字节向DS1820写一字节读取温度及转换显示温度图10主程序流程图32各子程序及其流程图设计321初始化子程序令P27为高电平，延迟一段时间后令P27为低电平触发DS1820的初始化，低电平持续一段时间，然后读取P27的状态，直到P27的状态回到高电平时说明初始化完成。INCLUDEDEFINEDQP2_7DEFINEDMP0SBITW0P23SBITW1P24SBITW2P25SBITW3P26SBITJIAP20SBITJIANP21SBITXUANP22/SBITP2_7P27SBITSPEAKERP10DEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARUINTMARK11UINTXIAOSHUINTTEMP10UINTH_T10,L_T5UCHARTABLE_DM0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6FUCHARTABLE_DM10XBF,0X86,0XDB,0XCF,0XE6,0XED,0XFD,0X87,0XFF,0XEFUCHARTABLE_FUHAO0X00,0X40VOIDDELAYUNSIGNEDINTIWHILEI/初始化函数P271延时P270延时P271完成NY图11初始化流程图322DS1820的读写字节子程序单片机向DS1820读写字节都是从最低位开始的。INIT_DS18B20VOIDUNSIGNEDCHARX012DQ1DELAY8DQ0DELAY80DQ1DELAY14XDQ/稍做延时后如果X0则初始化成功X1则初始化失败DELAY20/读一个字节P271延时读数据待写入字节右移一位P271延时写数据待写入字节右移一位图12读操作图13写操作323温度读取及转换子程序在读取温度值命令前，应使用温度转换命令才能保证读入的是当前温度值转换过程中DS1820会拉低总线直至转换完成，因此可以读取温度总线的状态来判断温度转换是否完成。READONECHARVOIDUNSIGNEDCHARI0UNSIGNEDCHARDAT0FORI8I0I13DQ0DAT1DQ1IFDQDAT|0X80DELAY4RETURNDAT/写一个字节初始化DS1820判断符号位转换温度读取温度图14温度读取及转换324计算温度子程序计算温度子程序将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，其程序流程图如图14所示WRITEONECHARUNSIGNEDCHARDATUNSIGNEDCHARI0FORI8I0I14DQ0DQDATDELAY5DQ1DAT1DELAY4/读取温度零下温度值取补码置“”标志YN开始置“”标志结束计算整数位温度BCD码计算小数位温度BCD码图15温度计算325温度显示子程序VOIDDELAYMSUCHARTUINTIWHILET15FORI0I4IFI0MARK0TA4|B8TT1ELSEMARK1AA4BBH_T或,L_T报警YN返回返回FANGUIRETURN图17报警4PROTEUS软件仿真41系统仿真设计本设计是在PROTEUS环境下进行仿真的，仿真所用到的器件有单片机ATMEGA16，DS1820温度传感器，蜂鸣器，液晶显示器，一些电阻，电容等。42仿真结果分析本设计在仿真的条件下可以正确的显示温度，并在温度超过所设置的最高温度或最低温度时，蜂鸣器将发出滴滴的警告声。且本设计温度显示可以精确到01满足设计要求。仿真时温度显示如图18所示图18185系统原理