室內(nèi)溫度設(shè)計系統(tǒng)課設(shè)論文.doc

目 錄0 前言11總體方案設(shè)計11.1設(shè)計方案論證11.2 硬件構(gòu)成22硬件電路設(shè)計52.1 主控制器52.2 顯示電路62.3 數(shù)據(jù)采集電路63 軟件設(shè)計73.1 主程序設(shè)計73.2 溫度轉(zhuǎn)換程序73.3 溫度顯示程序84 調(diào)試分析95結(jié)論及進一步設(shè)想10參考文獻10課設(shè)體會11附錄1 電路原理圖12附錄2 元件清單13附錄3 程序源14沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計論文 室內(nèi)溫度設(shè)計系統(tǒng)室內(nèi)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計劉野 沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院摘要：本文設(shè)計了一種基于單片機控制的室內(nèi)溫度檢測系統(tǒng)，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，輸出溫度采用數(shù)字顯示。該設(shè)計控制器使用單片機AT89S51，測溫傳感器使用DS18B20，用共陰極LED數(shù)碼管顯示，能夠準(zhǔn)確達到要求。 溫度計電路設(shè)計控制器采用單片機AT89S51，具有低電壓供電和體積小等特點，溫度傳感器采用DS18B20，DS18B20溫度傳感器是美國最新推出的一種溫度傳感器，它能直接讀出被測溫度，采用單總線協(xié)議，即與微機接口僅需占用一個端口，DS18B20的信息僅需一根總線讀寫，提高了系統(tǒng)的干擾性并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)讀數(shù)方式，顯示電路采用LED動態(tài)顯示方式。 關(guān)鍵詞：單片機 ；DS18B20 ；LED顯示；0 前言在信息高速發(fā)展的今天，科學(xué)技術(shù)日新月異，科技的進步帶來了測量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備發(fā)生了翻天覆地的變化。隨著人們生活水平的不斷提高,單片機控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中室內(nèi)溫度檢測就是一個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)單片機技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。溫度是一個永恒的話題和人們生活環(huán)境有著密切關(guān)系的物理量，是國際單位制的七個基本單位之一，作為各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換的功能器件溫度傳感器的作用日顯突出，溫度的檢測與控制是日常生活中比較典型的應(yīng)用。如在日常生活中測量并記錄室內(nèi)的溫度，可以了解室內(nèi)溫度變化情況1 總體方案設(shè)計1.1設(shè)計方案論證針對本課題的設(shè)計任務(wù)，進行分析得到：本次設(shè)計用溫度傳感器進行溫度的測量，轉(zhuǎn)化了的溫度信號由傳感器直接得到了數(shù)字信號。該數(shù)字溫度計的設(shè)計，在總體上大致可分為以下幾個部分組成：1.單片機控制電路；2.溫度傳感器；3. LED顯示電路。方案一由于本設(shè)計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。 方案二 進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案二。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。單片機LED數(shù)碼管顯示DS18B20溫傳感器數(shù)據(jù)采集圖1 系統(tǒng)原理框圖1.2 硬件構(gòu)成1.21 主控制器 AT89C51作為溫度測試系統(tǒng)設(shè)計的核心器件，該器件是INTEL公司生產(chǎn)的系列單片機的基礎(chǔ)產(chǎn)品，采用了可靠的COMS工藝制造技術(shù)，具有高性能的8位單片機，不僅結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及低功耗特征，而且繼承和擴展了MCS-48單片機的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。AT89C51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)FLASH,256字節(jié)RAM，32位I/O總線，看門狗定時器2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器、計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)使用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在FLASH編程時，P0口也用來接收指令字節(jié);在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入口使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口輸出緩沖器驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫1時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入口使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。1.22 LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)位，因此根據(jù)LED數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。1.23 溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點如下：a獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；b多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；c無須外部器件；d可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5；e零待機功耗；f溫度以或位數(shù)字；g用戶可定義報警設(shè)置；h報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；i負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作； DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。頭個字節(jié)包含測得的溫度信息，第和第字節(jié)和的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖3所示。低位一直為，是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設(shè)置為，用戶要去改動，R1和0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。溫度 LSB溫度 MSBTH用戶字節(jié)1TL用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留CRC圖2 DS18B20字節(jié)定義DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。高速暫存的第、字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯。第字節(jié)讀出前面所有字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第、字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625LSB形式表示。當(dāng)符號位時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)符號位時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。表2是一部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度數(shù)據(jù)。DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、T字節(jié)內(nèi)容作比較。若TH或TTL，則將該器件內(nèi)的報警標(biāo)志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進行報警搜索。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（CRC）。主機ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器、溫度寄存器中，計數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器的預(yù)置值減到時，溫度寄存器的值將加，減法計數(shù)器的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。2 硬件電路設(shè)計2.1 主控制器 單片機AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。AT89C51是一種低功耗，高性能的8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上FLASH允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程FLASH,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活，超有效的解決方案。圖3 主控制器電路2.2 顯示電路 顯示電路采用集成的數(shù)碼管，為共陰極結(jié)構(gòu)，采用動態(tài)顯示，P0口作為輸出編碼端，P2.0和P2.1作為位選控制端，通過設(shè)置不同的段碼可以顯示溫度，可以對溫度進行實時檢測。 圖4 顯示電路2.3 數(shù)據(jù)采集電路DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：寄生電源，溫度傳感器，64位激光ROM和單總線接口，存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器RAM,用于存儲用戶設(shè)定溫度上下限值得TH和TL觸發(fā)器，存儲和邏輯控制，8位循環(huán)冗余碼發(fā)生器等七部分。DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)，將被測溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號，測量結(jié)果將存入溫度寄存器中。圖5 數(shù)據(jù)采集電路 3 軟件設(shè)計3.1 主程序設(shè)計系統(tǒng)的主程序主要用來初始化一些參數(shù)，對DS18B20的配置數(shù)據(jù)進行一系列的設(shè)定。另外對DS18B20的狀態(tài)不斷的查詢，以讀取當(dāng)前的溫度值，并對溫度進行處理，溫度值的BCD碼處理后，將其段碼送顯示緩沖區(qū)，以備定時掃描服務(wù)程序處理。調(diào)用顯示子程序DS18B20讀取溫度 初始化 轉(zhuǎn)換溫度 溫度顯示 檢測返回圖6 主程序流程圖3.2 溫度轉(zhuǎn)換程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如下所示。發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令 結(jié)束 圖7 溫度轉(zhuǎn)換流程圖3.3 溫度顯示程序 此程序是將采集到得數(shù)據(jù)用LED數(shù)碼管顯示，然后將實際溫度與設(shè)置的報警上下限進行比較，決定是否發(fā)出報警信號。由于T為實際溫度的絕對值，TH,TL也是溫度的絕對值，因此判斷大小關(guān)系時，要通過正負號來確定。開始 數(shù)據(jù)采集接收數(shù)據(jù) 溫度轉(zhuǎn)換LED顯示圖8溫度顯示流程圖4 調(diào)試分析4.1 軟件調(diào)試本次設(shè)計采用的是keil仿真器進行軟件調(diào)試，此系統(tǒng)可以開發(fā)應(yīng)用軟件，以及對硬件電路進行診斷、調(diào)試等。它的具體功能是可以進行CPU仿真，可以單步、跟蹤、斷點和全速運行，而且，程序的編譯過程中，可以對設(shè)計軟件進行自診斷，并自動給出故障原因。同時用戶調(diào)試程序時，可以通過窗口觀察寄存器的工作狀況，以便及時發(fā)現(xiàn)和排除編程中可能出現(xiàn)的錯誤。軟件的調(diào)試是利用keil軟件，模塊化調(diào)試，通過觀察存儲單元數(shù)據(jù)的變化，查找并解決程序的語法和邏輯錯誤，具體的調(diào)試步驟如下：1. 把系統(tǒng)的各個模塊在仿真軟件中逐個調(diào)試，如數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊等。2. 對各個需要賦值模塊調(diào)試時，賦入初值，單步調(diào)試，觀察數(shù)據(jù)窗口，看輸出結(jié)果是否為設(shè)計時想要的結(jié)果。3. 把各個模塊組合起來，全速運行，看程序是否能流暢的，是否能實現(xiàn)設(shè)計的系統(tǒng)的所有功能。4.2 軟硬聯(lián)調(diào)本設(shè)計是采用Proteus軟件實現(xiàn)電路圖設(shè)計和仿真的，Proteus軟件與Keil軟件聯(lián)合使用，實現(xiàn)設(shè)計要求。在Keil軟件中創(chuàng)建新文件，輸入所編寫的c語言程序并保存，在編譯源程序無誤后，會產(chǎn)出相應(yīng)的”.HEX”文件；將所生成的”.HEX”文件加載到已繪制好的Proteus原理圖中，使Proteus與Keil真正連接起來，實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)試。調(diào)試結(jié)果下11所示。圖9仿真測試圖5 結(jié)論及進一步設(shè)想根據(jù)實驗結(jié)果，本設(shè)計基本完成了設(shè)計要求。本課程設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計一個89C51單片機為室內(nèi)溫度檢測系統(tǒng)。從確定課設(shè)題目，到查閱質(zhì)料確定總體方案設(shè)計，硬件電路仿真的設(shè)計，硬件電路的優(yōu)化，軟件的設(shè)計，軟件的優(yōu)化，檢驗仿真電路，調(diào)試軟件程序，到最后的軟硬件聯(lián)調(diào)，都是我努力去完成的。在最后的仿真電路圖中達到了我想要的結(jié)果，并且對DS18B20有了更一步的認識，對單片機也有了更加深刻的了解，對以后很好的應(yīng)用單片機打下了深刻的基礎(chǔ)。參考文獻1 劉復(fù)華.單片機及其應(yīng)用系統(tǒng).北京:清華大學(xué)出版社,19922 韓志軍.單片機系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實例.北京：機械工業(yè)出版社，20103 余永全.ATMEL89系列單片機應(yīng)用技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20024 馬中梅.單片機的C語言程序設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，19995 胡汗才.單片機原理及系統(tǒng)設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，20026 李華.MCS-51單片機實用接口技術(shù).北京：北京航空航天出版社大學(xué)，19997 方彥軍，孫建.智能儀器技術(shù)及其應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20038 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dataled=0x80;/顯示數(shù)據(jù)端口/*/ uchar temp;uchar flag_get,count,num,minute,second;uchar code tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/7段數(shù)碼管段碼表共陽uchar str3;/*/void delay1(uchar MS);unsigned char ReadTemperature(void);void Init_DS18B20(void);unsigned char ReadOneChar(void);void WriteOneChar(unsigned char dat);void delay(unsigned int i);/*/main()TMOD|=0x01;/定時器設(shè)置TH0=0xef;TL0=0xf0;IE=0x82;TR0=1;P2=0x00; count=0;while(1) str2=0x39;/顯示C符號 str0=tabtemp/10; /十位溫度 str1=tabtemp%10; /個位溫度 if(flag_get=1) /定時讀取當(dāng)前溫度 temp=ReadTemperature(); flag_get=0; void tim(void) interrupt 1 using 1/中斷，用于數(shù)碼管掃描和溫度檢測間隔TH0=0xef;/定時器重裝值TL0=0xf0;num+;if (num=50) num=0; flag_get=1;/標(biāo)志位有效 second+; if(second=60) second=0; minute+; count+;if(count=1) P2=0; dataled=str0;/數(shù)碼管掃描if(count=2) P2=1; dataled=str1;if(count=3) P2=2; dataled=str2; count=0;/*/void delay(unsigned int i)/延時函數(shù) while(i-);/*/18b20初始化函數(shù)void Init_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ復(fù)