數(shù)字溫度計的設(shè)計

1、等級:湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院課 程 設(shè) 計課程名稱 單片機原理與應(yīng)用 課題名稱 數(shù)字溫度計的設(shè)計 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 電氣 班 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 趙葵銀 2014年 5 月 12 日湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱：單片機原理與應(yīng)用 題 目：數(shù)字溫度計的設(shè)計 專業(yè)班級： 電氣 班 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 趙葵銀 審 批： 任務(wù)書下達日期 2014 年 05 月12日設(shè)計完成日期 2014 年05 月23 日設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求設(shè)計內(nèi)容：以51系列單片機為核心，以開發(fā)板為平臺；設(shè)計一個數(shù)字式溫度計，要求使用溫度傳感器（可以采用DS18B20或采用AD

2、590）測量溫度，再經(jīng)單片機處理后，由LED數(shù)碼管顯示測量的溫度值。測溫范圍為051，精度誤差在0.5以內(nèi)；并要求仿真、調(diào)試。設(shè)計要求：1）確定系統(tǒng)設(shè)計方案；2）進行系統(tǒng)的硬件設(shè)計；3）完成必要元器件選擇；4）系統(tǒng)軟件設(shè)計、仿真及調(diào)試；5）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及操作說明6）寫說明書主 要 設(shè) 計 條 件1、MCS-51單片機實驗操作臺1臺；2、PC機及單片機調(diào)試軟件，仿真軟件proteus；3、系統(tǒng)設(shè)計所需的元器件。4、實驗室提供調(diào)試條件說 明 書 格 式1. 封面2. 課程設(shè)計任務(wù)書3. 目錄4. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計5. 系統(tǒng)硬件設(shè)計6. 軟件設(shè)計（包括流程圖）7. 系統(tǒng)的安裝調(diào)試說明8、 總結(jié) 9、參考

3、文獻10、附錄11、課程設(shè)計成績評分表。 進 度 安 排第一周星期一、上午：布置課題任務(wù)，課題介紹及講課。下午：借閱有關(guān)資料，總體方案討論。星期二、確定總體方案，學(xué)習(xí)與設(shè)計相關(guān)內(nèi)容。星期三、各部分方案設(shè)計，星期四、各部分設(shè)計。星期五、設(shè)計及上機調(diào)試。星期六、設(shè)計并調(diào)試第二周星期一：設(shè)計及上機調(diào)試。星期二：調(diào)試，中期檢查。星期三：調(diào)試、寫說明書。星期四-星期五上午：寫說明書、完成電子版并打印成稿。星期五下午：答辯。參 考 文 獻參考文獻1、王迎旭編.單片機原理與應(yīng)用M.機械工業(yè)出版社.2004.2、樓然苗編.51系列單片機設(shè)計實例M.北京航空航天大學(xué)出版社.3、黃勤編.計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)實驗教程

4、M.重慶大學(xué)出版社4、劉樂善編.微型計算機接口技術(shù)及應(yīng)用M.華中科技大學(xué)出版社.5、陳光東編.單片微型計算機原理及接口技術(shù)M.華中科技大學(xué)出版社.目錄第1章 概述1第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計32.1 系統(tǒng)設(shè)計原理32.2數(shù)字溫度計設(shè)計的方案3第3章 硬件設(shè)計53.1 主控器8051 芯片53.2 時鐘電路63.2復(fù)位電路73.4 溫度傳感器73.5 顯示電路83.6 溫度報警電路9第4章 程序設(shè)計114.1 主程序114.2 DS18B20的初始化114.3 讀出溫度子程序134.4溫度轉(zhuǎn)換命令子程序144.5 計算溫度子程序14第6章 總結(jié)15附錄16附錄A 仿真接線圖16附錄B 程序清單17

5、參考文獻24第1章 概述隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們需要對各中加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進行監(jiān)測和控制。采用單片機來對他們控制不僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制，溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗中普遍而且重要的物理參數(shù)之一。在生產(chǎn)過程中，為了高效地進行生產(chǎn)，必須對它的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量等進行有效的控制。溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當大的比例。溫度測量是溫度控制的基礎(chǔ)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和二電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)

6、換成對應(yīng)的溫度，這些方法相對比較復(fù)雜，需要比較多的外部硬件支持。我們用一種相對比較簡單的方式來測量。 我們采用美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS18B20之后推出的一種改進型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，溫度范圍為-55125 ºC,最高分辨率可達0.0625 ºC。DS18B20可以直接讀出北側(cè)溫度值，而且采用三線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點。本文介紹一種基于AT89C51單片機的一種溫度測量及報警電路,該電路采用DS18B20作為溫度監(jiān)測元件，測量范圍0-+100，使用LED模塊顯示，能設(shè)置溫度報警上下限。正文著重給出了軟硬件

7、系統(tǒng)的各部分電路，介紹了集成溫度傳感器DS18B20的原理，AT89C51單片機功能和應(yīng)用。該電路設(shè)計新穎、功能強大、結(jié)構(gòu)簡單。24第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)設(shè)計原理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。采集之后，通過使用51系列的單片機，可以對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，再由LED顯示電路對其數(shù)據(jù)進行顯示。該系統(tǒng)利用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度檢測并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報警溫度。該系統(tǒng)擴展性非常強，它可以在設(shè)計中加入時鐘芯片DS1302以獲取時間數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處

8、理同時顯示時間，并可以利用AT24C16芯片作為存儲器件，以此來對某些時間點的溫度數(shù)據(jù)進行存儲，利用鍵盤來進行調(diào)時和溫度查詢，獲得的數(shù)據(jù)可以通過MAX232芯片與計算機的RS232接口進行串口通信，方便的采集和整理時間溫度數(shù)據(jù)。2.2數(shù)字溫度計設(shè)計的方案本課題以是80C51單片機為核心設(shè)計的一種數(shù)字溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調(diào)整電路，單片機主板電路等組成。系統(tǒng)框圖主要由主控制器、單片機復(fù)位、報警按鍵設(shè)置、時鐘振蕩、LED顯示、溫度傳感器組成。系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。DS18B20溫度傳感器單片機復(fù)位顯示單片機報警系統(tǒng)圖2-2 數(shù)字溫度計框圖

9、第3章 硬件設(shè)計3.1 主控器8051 芯片 對于單片機的選擇，可以考慮使用8031與8051系列，由于8031沒有內(nèi)部RAM，系統(tǒng)又需要大量內(nèi)存存儲數(shù)據(jù)，因而不適用。AT89C51 以低價位單片機可為提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，對于簡單的測溫系統(tǒng)已經(jīng)足夠。單片機AT89C51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)計需要該器件是INTEL公司生產(chǎn)的MCS一5l系列單片機中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，采用了可靠的CMOS工藝制造技術(shù)，具有高性能的8位單片機，屬于標準的MCS51的CMOS產(chǎn)品。其主要特征有如下幾個： 與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程F

10、LASH存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz 三級程序存儲器鎖定 128×8位內(nèi)部RAM 32可編程I/O線 兩個16位定時器/計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 · 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路AT8951的管腳如下圖所示：圖3.1 AT89C51芯片管腳圖3.2 時鐘電路80C51時鐘有兩種方式產(chǎn)生，即內(nèi)部方式和外部方式。80C51中有一個構(gòu)成內(nèi)部震蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。本次采用內(nèi)部震蕩電路,瓷片電容采用22PF,晶振為12MHZ。圖3.1.1

11、震蕩電路圖3.2 復(fù)位電路單片機系統(tǒng)的復(fù)位電路在這里采用的是上電+按鈕復(fù)位電路形式，其中電阻R采用10K的阻值 ，電容采用10F的電容值。圖3.1.2 復(fù)位電路3.4 溫度傳感器DS18B20 最大的特點是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，DS18B20 的數(shù)據(jù)I/O 均由同一條線來完成。DS18B20 的電源供電方式有2 種: 外部供電方式和寄生電源方式。工作于寄生電源方式時, VDD 和GND 均接地, 他在需要遠程溫度探測和空間受限的場合特別有用, 原理是當1 W ire 總線的信號線DQ 為高電平時, 竊取信號能量給DS18B20 供電, 同時一部分能量給內(nèi)部電容充電, 當DQ為低電平時釋放能量為D

12、S18B20 供電。但寄生電源方式需要強上拉電路, 軟件控制變得復(fù)雜(特別是在完成溫度轉(zhuǎn)換和拷貝數(shù)據(jù)到E2PROM 時) , 同時芯片的性能也有所降低。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。因此本設(shè)計采用外部供電方式。如下圖所示：圖3.2 DS18B20管腳圖溫度傳感器DS18B20的測量范圍為-55+125，在-10+85時精度為±0.5。因為本設(shè)計只用于測量環(huán)境溫度，所以只顯示0+51。3.5 顯示電路對于數(shù)字溫度的顯示，我們采用4位LED數(shù)碼管。足夠顯示0100中各位數(shù)，并且還能顯示

13、一位小數(shù)部分。圖3.3 4位LED數(shù)碼顯示管3.6 溫度報警電路 對于數(shù)字溫度計的設(shè)計，除了溫度的數(shù)字顯示功能外還加入了報警系統(tǒng)，如果我們所設(shè)計的系統(tǒng)用來監(jiān)控某一設(shè)備，當設(shè)備的溫度超過我們所設(shè)定的溫度值時，系統(tǒng)會產(chǎn)生報警。我們便能很好的對設(shè)備進行處理，就不會應(yīng)溫度的變化而造成不必要的損失。當溫度高于100度時，報警時由單片機產(chǎn)生一定頻率的脈沖，由P3.7引腳輸出，P3.7外接一只NPN的三極管來驅(qū)動楊聲器發(fā)出聲音，以便操作員來維護，從而達到報警的目的。其電路圖如下所示。圖3.4（a） 揚聲器報警系統(tǒng)電路圖當溫度低于0度時，亮紅燈報警，以便操作員來維護，從而達到報警的目的。其電路圖如下所示。圖3

14、.4(b) 紅燈報警系統(tǒng)電路圖 第4章 程序設(shè)計4.1 主程序主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度。初始化設(shè)置調(diào)用顯示程序溫度采集并作計算處理溫度轉(zhuǎn)換延時是否開始圖4.1 主程序流程4.2 DS18B20的初始化DS18B20的初始化： 1. 先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”。2. 延時（該時間要求的不是很嚴格，但是盡可能的短一點）。3. 數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”。4. 延時750微秒（該時間的時間范圍可以從480到960微秒）。5.數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”。6. 延時等待（如果初始化成功則在15到60

15、毫秒時間之內(nèi)產(chǎn)生一個由DS18B20所返回的低電平“0”。據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應(yīng)注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時控制7. 若CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后，還要做延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平算起（第（5）步的時間算起）最少要480微秒。8.將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“1”后結(jié)束。 DS18B20的寫操作： 1. 數(shù)據(jù)線先置低電平“0”。2. 延時確定的時間為15微秒。3. 按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位）。4. 延時時間為45微秒。 5. 將數(shù)據(jù)線拉到高電平。6. 重復(fù)上（1）到（6）的操作直到所有的字節(jié)全部發(fā)送完為止。7. 最后

16、將數(shù)據(jù)線拉高。 DS18B20的讀操作：1. 將數(shù)據(jù)線拉高“1”。2. 延時2微秒。3. 將數(shù)據(jù)線拉低“0”。4. 延時15微秒。5. 將數(shù)據(jù)線拉高“1”。6. 延時15微秒。7. 讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個狀態(tài)位，并進行數(shù)據(jù)處理。8. 延時30微秒。4.3 讀出溫度子程序溫度的讀取：DS18B20在出廠時以配置為12位，讀取溫度時共讀取16位，所以把后11位的2進制轉(zhuǎn)化為10進制后在乘以0.0625便為所測的溫度，還需要判斷正負。前5個數(shù)字為符號位，當前5位為1時，讀取的溫度為負數(shù)；當前5位為0時，讀取的溫度為正數(shù)。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，檢驗有

17、錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖4.2所示。發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令 移入溫度暫存器結(jié)束 圖4.2 讀出溫度子程序流程圖4.4 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當采用12位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設(shè)計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。4.5 計算溫度子程序計算溫度子程序?qū)AM值進行BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖4.3所示。開始溫度零下？置“+”標志NY溫度值取補碼置“”標志計算小數(shù)位溫度BCD計算整數(shù)位溫度BCD結(jié)束圖4.3 計算溫度子程序流程圖第6章 總結(jié)在這次基于80

18、C51單片機的數(shù)字溫度計控制系統(tǒng)的課程設(shè)計，對整個硬件電路和軟件程序設(shè)計做了徹底的學(xué)習(xí)，掌握了仿真軟件proteus及keil的基本知識，學(xué)習(xí)了proteus的仿真方法和步驟，加深了51單片機的知識了解，并學(xué)習(xí)了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，設(shè)計軟件仿真，更直觀的反應(yīng)設(shè)計的正確性。通過這次課程設(shè)計我才體會到老師在課堂上講學(xué)的重要性。我之前上單片機課時沒認真聽過一節(jié)課，導(dǎo)致我在做課程設(shè)計時無從下手，硬著頭皮看對單片機基礎(chǔ)知識進行了一個星期的復(fù)習(xí)，但是收益甚少，最后還是東部西湊，做出了雛形，其中一些功能還沒能達到，以后在單片機上還要下更大的功夫了。從這次的課程設(shè)計中，我真真正正的意識到，在以后的學(xué)

19、習(xí)中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)的理論知識用到實際當中，學(xué)習(xí)單機片機更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次課程設(shè)計中的最大附錄附錄A 仿真接線圖附錄B 程序清單DQ BITP3.0 ;從DS18B20向8051傳送的數(shù)據(jù)端口FLAG BIT00HFLAG_NEGBIT01H ;溫度正負值標志位TEMP_LEQU 30H ;所設(shè)報警最低值溫度值TEMP_HEQU31H ;所設(shè)報警最高值溫度值TEMP_INTEQU 32HTEMP_DPEQU 33H ;TEMP_10EQU34HTEMP_1EQU35HC0BIT P3.1 ;負溫度標志位C1BIT P3.2 ;超過10

20、標志位 C2BIT P3.3 ;超過1 標志位C3BIT P3.4 ;*;*主函數(shù)*ORG 0000HLJMP STARTORG 1000HSTART:MOV SP,#60HMAIN: LCALL READ_TEMP ;調(diào)用函數(shù)讀DS18B20所示溫度 LCALL PROC_TEMP ;調(diào)用函數(shù)對溫度進行處理 LJMP MAIN;*;*READ_TEMP:LCALL INI_DQJB FLAG,RE_0 RETRE_0:MOV A,#0CCHLCALL WRITE_DQ ;讀出傳感器所示溫度MOV A,#44HLCALL WRITE_DQLCALL DISP_LED;調(diào)用LED顯示程序LCAL

21、L INI_DQMOV A,#0CCHLCALL WRITE_DQMOV A,#0BEHLCALL WRITE_DQLCALL READ_DQRET;*DS18B20初始化程序*INI_DQ:SETBDQNOP ;NOP ;空操作 PC值加2CLRDQMOV R1,#3INI_0: MOV R0,#80 DJNZ R0,$ DJNZ R1,INI_0SETB DQNOP ;NOP ;NOP ;空操作 PC值加3MOVR7,#25INI_1: JNB DQ,INI_2 ;DQ為0則轉(zhuǎn) DJNZ R7,INI_1 ;延時 LJMP INI_3INI_2: SETB FLAG ;標志位 LJMP I

22、NI_4INI_3: CLR FLAG LJMP INI_5INI_4: MOV R0,#80 DJNZ R0,$ ;時序要求延時一段時間INI_5: SETB DQ RET;*DS18B20寫命令*WRITE_DQ:MOVR6,#8 CLR CTloop:CLRDQMOV R2,#6DJNZ R2,$RRCA;最低位移到C中MOV DQ,CMOV R2,#23DJNZ R2,$SETB DQNOPDJNZ R6,TloopSETB DQRET;*讀DS18B20數(shù)據(jù)函數(shù)*READ_DQ:MOV R5,#2MOV R0,#30HREAD_0:MOV R6,#8READ_1:CLRCSETB D

23、QNOPNOPCLRDQNOPNOPNOPNOPSETBDQMOV R2,#9DJNZ R2,$MOV C,DQMOV R3,#23DJNZ R3,$RRCADJNZR6,READ_1MOV R0,AINC R0DJNZ R5,READ_0SETB DQRET;*溫度數(shù)據(jù)處理程序*PROC_TEMP:CLR FLAG_NEGMOV A,TEMP_LSWAP A ; A中高低四位互換ORL A,#0F0HMOV TEMP_INT,AMOV A,TEMP_HSWAP AORL A,#0FHANL TEMP_INT,AMOV A,TEMP_H CLR P3.6 CLR P3.7 JB ACC.7,B

24、AOJING1 ;低于零度亮紅燈報警;JBACC.7,NEGTIVEMOV A,TEMP_LANL A,#0FHMOV DPTR,#TAB3MOVC A,A+DPTRMOV TEMP_DP,ALJMP PRO_0;*報警函數(shù)*BAOJING1: SETB P3.7 RET;NEGTIVE: ;溫度值為負時處理程序，按實際情況，處理過程比較復(fù)雜;SETB FLAG_NEG;MOV A,TEMP_L;CPL A;ANL A,#0FH;MOV R1,A;CJNE R1,#0FH,PRO_1 ;低于0°則調(diào)用報警函數(shù) ; ;PUSH ACC;MOV A,TEMP_INT;SUBB A,#1;

25、MOV TEMP_INT,A;POP ACC;MOV TEMP_DP,#00H ; LJMP PRO_2PRO_1: ADD A,#1MOV DPTR,#TAB3MOVC A,A+DPTRMOV TEMP_DP,APRO_2:MOV A,TEMP_INTCPL AMOV TEMP_INT,APRO_0:MOV A,TEMP_INT MOV B,#100DIV ABMOV A,BMOV B,#10DIV ABMOV TEMP_10,AMOV TEMP_1,B RET;*LED初始化*CLR_LED:CLR C0CLR C1CLR C2CLR C3RET;*LED顯示*DISP_LED:LCALL CLR_LEDSETB C0JNB FLAG_NEG,DL_0MOV P1,#0BFH LCALL DELAY_10MSLJMP DL_1DL_0: MOV P1,#0FFHLCALL DELAY_10MSDL_1:LCALL CLR_LED SETB C1 ;顯示十位 MOV A,TEMP_10 MOV DPTR,#TAB4MOVC A,A+DPTRMOV P1,A CJNE A,#092H,CESHI ;超過50啟動揚聲器報警 LCALL BAOJING2 CESHI:LCALL DELAY_10MSLCALL CLR_LEDSETB C2 MOV A,TEMP_1;顯