基于51單片機的電子溫度計設計硬件部分

1、專業(yè)課程設計報告題目：基于51單片機的電子溫度計設計-硬件部分所在學院 電氣工程學院 專業(yè)班級 學生姓名 指導教師 提交日期 2013年12月 22日 電氣工程學院專業(yè)課程設計評閱表學生姓名 學生學號 同組隊員 專業(yè)班級 題目名稱 基于51單片機的電子溫度計設計-硬件部分 一、學生自我總結 此次課程設計令我有效地復習了單片機的知識，但畢竟離上一次接觸單片機有一段時間了，所以在設計過程中遇到遺忘和不懂的地方也挺多的。為了能順利完成設計，在重新看書翻閱資料里也花了挺多時間，一定程度上拖慢了設計進度。不過在老師和同學們的幫助下，設計還算順利完成。當然我必須從中吸取到教訓，提前主動復習好相關科目知識，

2、避免在接下來的畢業(yè)設計中出現(xiàn)同樣的情況。 學生簽名： 年 月 日二、指導教師評定評分項目平時成績報告（答辯）綜合成績權 重5050單項成績 教師簽名： 年 月 日一、設計目的1二、設計要求和設計指標12.1、系統(tǒng)功能要求1采用AT89C2051單機，設計一個電子溫度計硬件部分。12.2設計指標1三、設計內容23.1總體電路結構框圖23.2 硬件選用23.2.1主控制器33.2.2總線驅動器 74LS24443.2.3顯示電路 4三極管85505溫度傳感器5四、本次設計改進建議10五、總結11六、 主要參考文獻11一、設計目的在日常生活及工農業(yè)生產中，經常要用到溫度的檢測及控制，正如在大冬天里大

3、家都想洗個痛快的熱水澡，喝壺熱茶。這時候我們就很需要對水溫有個了解了，從而對加熱情況驚醒控制。為了熟悉單片機課程，鞏固所學知識與加強理論與實際聯(lián)系，決定設計出一款基于單片機的電子溫度計。而傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉換成對應的溫度，需要比較多的外部硬件支持。其缺點如下： 硬件電路復雜； 軟件調試復雜； 制作成本高。進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設計中，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，進行轉換，就可以滿足設計要求。本電子溫度計設計采用美國DALLAS半導

4、體公司繼DS1820之后推出的一種改進型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，測溫范圍為-55125，最高分辨率可達0.0625。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，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熱點。 二、設計要求和設計指標2.1、系統(tǒng)功能要求采用AT89C2051單機，設計一個電子溫度計硬件部分。2.2設計指標1. 實時顯示所測量溫度，溫度范圍0-99攝氏度；2. 用數碼管顯示。三、設計內容3.1總體電路結構框圖按照系統(tǒng)設計功能的要求，確定系統(tǒng)由3個模塊組成：主控制器、測溫電路和顯示電路。數字溫度計總體電路結構框圖如3.1圖所示：AT89C20

5、51主控制器DS18B20顯示電路掃描驅動 圖3.13.2 硬件選用溫度計電路設計原理圖如下圖3.2所示，控制器使用單片機AT89C2051，溫度傳感器使用DS18B20，使用四位共陽LED數碼管以動態(tài)掃描法實現(xiàn)溫度顯示。 圖3.2 電子溫度計電路圖3.2.1主控制器 單片機AT89C2051具有低電壓供電和小體積等特點，兩個端口剛好滿足電路系統(tǒng)的設計需要，很適合便攜手持式產品的設計使用。系統(tǒng)可用兩節(jié)電池供電。AT89C2051的引腳圖如下圖3.3所示： 圖3.3 AT89C2051引腳圖1、VCC：電源電壓。2、GND：地。 3、P1口：P1口是一個8位雙向I/O口?？谝_P1.2P1.7提

6、供內部上拉電阻，P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內精密模擬比較器的同相輸入(ANI0)和反相輸入(AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收 20mA電流并能直接驅動LED顯示。當P1口引腳寫入“1”時，其可用作輸入端，當引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內部的寫入“1”時，其可用作輸入端。當引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內部的上拉電阻而流出電流。 4、P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有內部上拉電阻 的七個雙向I/O口引腳。P3.6用于固定輸入片內比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。P3口緩沖器可

7、吸收20mA電流。當P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時，被外部拉低的P3口腳將用上拉電阻而流出電流。 P3 口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 P3 口還用于實現(xiàn)AT89C2051 的一些特殊功能，這些特殊功能定義如下： 口線 特殊功能 P3.0 RXD(串行口輸入端) P3.1 TXD(串行口輸出端) P3.2 /INT0(外部中斷0) P3.3 /INT1(外部中斷1) P3.4 T0(定時器0外部輸入) P3.5 T1(定時器1外部輸入)5、RST：復位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/O引腳就復位到“1”。當振蕩器正在運行時，持續(xù)給

8、出RST引腳兩個機器周期的高電平便可完成復位。每一個機器周期需12個振蕩器或時鐘周期。 6、XTAL1：作為振蕩器反相器的輸入和內部時鐘發(fā)生器的輸入。 7、XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 總線驅動器 74LS24474LS244為3態(tài)8位緩沖器，一般用作總線驅動器。引腳圖見上圖。3.2.3顯示電路 顯示電路采用4位共陽極LED數碼管，從P1口輸出段碼，列掃描用P3.0P3.3口來實現(xiàn)，列驅動用8055三極管。三極管8550是一種常用的普通三極管。 它是一種低電壓，大電流，小信號的PNP型硅三極管集電極-基極電壓Vcbo：-40V工作溫度：-55 to +150溫度傳感器 DS18B2

9、0DS18B20采用腳PR35封裝或腳SOIC封裝，其內部結構框圖如圖4-1所示。C64 位ROM和單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器Vdd I/O圖4-1 DS18B20內部結構 圖4-1DS18B20內部結構框圖64位ROM的結構開始位是產品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器和，可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內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

10、結構為字節(jié)的存儲器，結構如圖4-2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，每次上電復位時被刷新。第個字節(jié)，為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數值。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，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設置為，用戶要去改動，R1和0決定溫度轉換的精度位數，來設置分辨率。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4-2 DS18B20字節(jié)定義由表4-1可見，DS18B20溫度轉換的時間比

11、較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。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，可用來檢驗數據，從而保證通信數據的正確性。當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉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據，讀數據時低位在先，高位在后，數據格式以0.0625LSB形式表示。當符號位時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數值。表

12、4-2是一部分溫度值對應的二進制溫度數據。表4-1 DS18B20溫度轉換時間表 DS18B20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、T字節(jié)內容作比較。若TH或TTL，則將該器件內的報警標志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應。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數據是否正確。DS18B20 的測溫原理如圖52 所示. 圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生的信號作為減法計數器1；高

13、溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯變，所以產生的信號作為減法計數器2 的脈沖輸入。圖中還隱含著計數門，當計數門打開時，DS18B20 對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數，進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器決定，每次測量前，首先將55所對應的一個基數分別置入減法計數器1、溫度寄存器中，減法計數器1和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數值。圖5-2 DS18B20 測溫原理圖減法計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，減法計數器1的預置值將重新被裝入，減法計數器1 重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進

14、行計數，如此循環(huán)直到減法計數器2計數到0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值就是所測溫度值。圖中的斜 率累加器用于溫度補償和修正測溫過程中的非線形性，其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值達到被測溫度值。 表4-2一部分溫度對應值表溫度/二進制表示十六進制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00

15、100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數據。圖4-3 DS18B20與單片機的接口電路DS18B20可以采用兩種方式供電，一

16、種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖4-3 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。DS18B20的性能特點：1、適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電。 2、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要

17、一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 3、 DS18B20支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網多點測溫。 4、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。 5、溫范圍55+125，在-10+85時精度為±0.5。 6、可編程 的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。 7、在9位分辨率時最多在 93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快。8、測量結果直接輸出數字溫度信號

18、，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。9、負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。DS18B20與單片機的接口電路（引腳圖見右圖）DS18B20可以采用電源供電方式，此時DS18B20的第1 腳接地，第2腳作為信號線，第3腳接電源。四、本次設計改進建議 由于本次設計指標要求測量溫度范圍為0-99攝氏度，而市面上傳感器及本次所選用的溫度傳感器測量溫度范圍-55-125攝氏度，這表明在指標范圍外的一定溫度范圍也是傳感器所能測試溫度。為此，對本次設計提出兩點改進意見。1. 在本次設計對應的軟件部分要加以注意，即在編程時要注意溫度顯示范圍，對指標要求外的溫度范圍應考慮排除，不予顯示。2. 改進設計硬件部分，考慮在加裝溫度上限報警器，從而加強設計的安全性能，提高穩(wěn)定性與保障使用者安全。五、總結通過這次課程設計，加強了自己動手、思考和解決問題的能力。在設計過程中，經常會遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實際接上電路，總是實現(xiàn)不了，因此耗費在這上面的時間用去很多。我知道做課程設計同時也是對課本知識的鞏固，并且對于傳感器與單片機在電路中的使用有了更多