課程設(shè)計(jì)基于ATS的數(shù)字溫計(jì)DSB設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、信息學(xué)院電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)報(bào)告專 業(yè)：通信工程班 級：092設(shè)計(jì)題目：數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：張慶余、陳子杰、王洪亮指導(dǎo)教師：張錚 完成日期： 目 錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)1 1.1設(shè)計(jì)任務(wù)1 1.2性能指標(biāo)1二、設(shè)計(jì)方案1三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3 3.1主控制器AT89C52.3 3.2溫度采集裝置DS18B204 3.3顯示電路的設(shè)計(jì)7 3.4溫度調(diào)節(jié)設(shè)置按鍵電路8 3.5復(fù)位電路8 3.6時(shí)鐘電路8 3.7報(bào)警電路9四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)9 4.1主程序設(shè)計(jì)9 4.2溫度檢測裝置設(shè)計(jì)10 4.3中斷設(shè)定子程序設(shè)計(jì)12 4.4報(bào)警模塊設(shè)計(jì)14五、調(diào)試及性能分析14 5.1調(diào)試步驟14 5.2性能分析1

2、5六、心得體會(huì)15參考文獻(xiàn)16附錄1 系統(tǒng)硬件電路圖16附錄2 程序清單17一、設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)以智能集成溫度傳感器DS18B20，89S52單片機(jī)為控制器構(gòu)成數(shù)字溫度測量裝置，它與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準(zhǔn)確，輸出溫度采用數(shù)字顯示。要求用Protel 畫出系統(tǒng)的電路原理圖（要求以最少組件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要求的功能），印刷電路板（要求布局合理，線路清晰），繪出程序流程圖，并給出程序清單（要求思路清晰，盡量簡潔，主程序和子程序分開，使程序有較強(qiáng)的可讀性）。1.2性能指標(biāo)(1)實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度值 (2)通過按鍵可以設(shè)定報(bào)警溫度的上下限值 (3)當(dāng)環(huán)境溫度

3、大于報(bào)警溫度上限值，通過紅燈閃爍和蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)環(huán)境溫度小于報(bào)警溫度下限值，通過綠燈閃爍和蜂鳴器報(bào)警。二.設(shè)計(jì)方案按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由溫度測量和數(shù)據(jù)采集兩部分電路組成，電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1.1所示。方案采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線形較好。在0100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。DS18B20的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì)DS18B20和微控制器AT89S52構(gòu)成的溫度測量裝置,它直接輸出溫度的數(shù)字

4、信號,可直接與計(jì)算機(jī)連接。這樣,測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡單,體積也不大。采用51單片機(jī)控制，軟件編程的自由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨(dú)對多DS18B20控制工作，還可以與PC機(jī)通信上傳數(shù)據(jù)，另外AT89S52在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。該系統(tǒng)利用AT89S52芯片控制溫度傳感器DS18B20進(jìn)行實(shí)時(shí)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(bào)警溫度。獨(dú)立鍵盤輸入DS18B20溫度采集警示電路部分AT89S52單片機(jī)數(shù)碼顯示時(shí)間復(fù)位電路 圖 2.1 DS18B20

5、溫度測溫系統(tǒng)框圖顯示模塊采用采用了四位數(shù)碼管，通過溫度傳感器和單片機(jī)交換數(shù)據(jù)，把當(dāng)前環(huán)境下的溫度數(shù)據(jù)適時(shí)傳輸給數(shù)碼管。鍵盤采用線性連接，連接方式相對簡單，使用查詢法實(shí)現(xiàn)調(diào)整功能。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的選擇采用AT89C52單片機(jī)為中心控制芯片。AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫的PEROM和256bytes的RAM以及通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。AT89C52功能強(qiáng)大，可充分滿足該控制器存儲(chǔ)等各方面的需求。AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O

6、口線，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器，一個(gè)6位向量級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C52可降至的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的可選節(jié)電工作方式：空閑方式停止的工作，但允許RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 圖3.1 AT89C52引腳圖AT89C52的參數(shù)了解：工作溫度 55125儲(chǔ)藏溫度 65150任一引腳對地電壓 17最高工作電壓 6.6直流輸出電流 153.2溫度采集裝置由于傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要比較多的外部元件支持，且硬件電路復(fù)雜，制作成本相對較高。這里采用DALLAS公司

7、的數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測溫元件。DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20是一種新型的“一線器件”，其體積更小、更適用于多種場合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。DALLAS半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。溫度測量范圍為-55+125攝氏度，可編程為9位12位轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.0625攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可以在遠(yuǎn)端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只

8、需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。因此用它來組成一個(gè)測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。DS18B20的性能特點(diǎn)如下：獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊;DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫;DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi);適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電;溫范圍

9、55125，在-10+85時(shí)精度為±0.5;零待機(jī)功耗;可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫;在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快;用戶可定義報(bào)警設(shè)置;報(bào)警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件;測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力;負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作11以上特點(diǎn)使DS18B20

10、非常適用與多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列、各種封裝形式如圖3-2所示，DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源；GND為地信號；VDD為可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 圖 3.2 外部封裝形式 圖 圖 3.3 所示圖為引腳圖64位ROM單片機(jī)存儲(chǔ)器和控制邏輯高速緩存溫度傳感器高溫觸發(fā)TH低溫觸發(fā)TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器圖3.4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.3顯示電路的設(shè)計(jì) 百位

11、12 十位 9 個(gè)位 8 十分位 6 A 11 B 7 C 4 D 2 E 1 F 10 G 5 DP 3DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)分析在該數(shù)碼管上顯示。3.4溫度調(diào)節(jié)設(shè)置按鍵電路通過四個(gè)外圍按鍵與單片機(jī)AT89C52直接相連，用戶可根據(jù)需要設(shè)置自己想要控制的正常范圍內(nèi)任意想要溫度。3.5復(fù)位電路進(jìn)行復(fù)位工作是單片機(jī)進(jìn)入工作的狀態(tài)的初始化操作，是CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。另外當(dāng)程序運(yùn)行錯(cuò)誤或由于錯(cuò)誤操作而是單片機(jī)進(jìn)入鎖死狀態(tài)的時(shí)侯。也可以通過復(fù)位操作進(jìn)行的從新啟動(dòng)的操作。等到復(fù)位以后，單片機(jī)的計(jì)算機(jī)初始值被初始化。圖3.5 復(fù)位電路3.6時(shí)

12、鐘電路對于每個(gè)系統(tǒng)工程的時(shí)鐘電路，都是用于單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號，單片機(jī)只有在時(shí)鐘信號的控制下，其各部件之間才能協(xié)調(diào)一致工作，時(shí)鐘信號控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。 在單片機(jī)的TXAL1、TXAL12、之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，可以喝單片機(jī)內(nèi)部的振蕩器構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時(shí)鐘電路。這種方式稱之為內(nèi)部的時(shí)鐘源方式。電容C4和C5的主要作用是幫助振蕩器起振，且振蕩器大小對振蕩頻率有微調(diào)作用，在80C51系列中電容的大小20微法。另外，振蕩器的頻率只要由石英晶振的頻率來決定本次設(shè)計(jì)選用12MHz。圖3.6 時(shí)鐘電路3.7溫度報(bào)警電路本設(shè)計(jì)采軟件處理報(bào)警，利用有源蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警輸

13、出，采用直流供電。當(dāng)所測溫度超過獲低于所預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，數(shù)據(jù)口相應(yīng)拉高電平，報(bào)警輸出。報(bào)警電路硬件連接見圖 3.7。圖 3.7 蜂鳴器電路連接圖四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì) 主程序模塊主程序需要調(diào)用4個(gè)子程序，分別為數(shù)碼管顯示程序，溫度測試及處理子程序，報(bào)警子程序，中斷設(shè)定子程序。各模塊程序功能如下：數(shù)碼管顯示程序：向數(shù)碼的顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)的顯示部分。溫度測試及處理程序：對溫度芯片送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行判斷和顯示。報(bào)警子程序：進(jìn)行溫度上下限判斷及報(bào)警輸出。中斷設(shè)定程序：實(shí)現(xiàn)設(shè)定上下限報(bào)警功能。主程序流程圖見圖4.1。圖 4.2 DS18B20初始化流程圖 圖4.1 主程序流程圖4.2

14、溫度檢測裝置設(shè)計(jì) 溫度檢測流程DS18B20在單片機(jī)控制下分三個(gè)階段:18B20初始化：初始化流程圖見4.2讀18B20時(shí)序：讀DS18B20流程見圖4.3寫18B20時(shí)序：寫18B20 流程見圖4.4發(fā)出DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)出度溫度命令讀取操作，CRC命令9字節(jié)完？CRC效驗(yàn)，正確移入溫度暫存器結(jié)束圖4.3 讀DS18B20流程圖DS18B20寫開始設(shè)置串行位數(shù)為8DQ清零，將DQ總線電平拉低延時(shí)15us寫入一位數(shù)據(jù)延時(shí)15usDQ置1設(shè)置為恢復(fù)狀態(tài)8為數(shù)據(jù)送完否DS18B20寫入結(jié)束圖4.4 寫DS18B20流程圖4.3中斷設(shè)定子程序設(shè)計(jì) 中斷模塊采用了外中斷和內(nèi)中斷套

15、用方法。當(dāng)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)上下限報(bào)警時(shí)，利用INT0口進(jìn)行中斷，set鍵進(jìn)行上下限報(bào)警溫度設(shè)定，進(jìn)入溫度設(shè)定狀態(tài)后（按一下溫度設(shè)定鍵），首先會(huì)提示顯示“UP”字母，表示要用戶設(shè)定高溫報(bào)警溫度，按S3 鍵 ，表示本位數(shù)字+1，按S4表示移向下一位，如 果4位高溫設(shè)定完畢，則顯示“DO”，表示要用戶設(shè)定低溫報(bào)警溫度。4位低溫設(shè)定完畢，如果用戶設(shè)置的高溫比設(shè)定的低溫高的話則顯示“ERRO”表示錯(cuò)誤提示，同時(shí)會(huì)有蜂鳴器及時(shí)報(bào)警提示，然后自動(dòng)顯示“UP”，讓用戶重新進(jìn)行溫度設(shè)定。中斷設(shè)定子程序流程圖見下圖關(guān)于外部中斷開內(nèi)部中斷顯示UPSBS1跳到下一位四位設(shè)定完顯示DOS3S4跳到下一位四位設(shè)定完設(shè)置溫度比

16、較高溫？低溫？開外部中斷關(guān)內(nèi)部中斷顯示LED圖4.5中斷設(shè)定子程序流程圖4.4報(bào)警模塊設(shè)計(jì) 圖 4.6 報(bào)警模塊子程序流程圖五、調(diào)試及性能分析5.1調(diào)試步驟調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。硬件調(diào)試主要是檢測硬件電路是否有短路、斷路、虛焊等。具體步驟及測試結(jié)果如下：（1）檢查電源與地線是否全部連接上，用萬用表對照電路原理圖測試各導(dǎo)線是否完全連接，測試結(jié)果所有連接線都已連接好；（2）檢驗(yàn)單片機(jī)的晶振是否起振，用示波器觀察波形；測試結(jié)果波形都很好；（3）檢查各芯片的功能是否正常，檢測按鍵的導(dǎo)通情況。測試結(jié)果正常。軟件調(diào)試主要是程序調(diào)試，將整個(gè)溫度計(jì)顯示程序按照實(shí)現(xiàn)功能分為各子模塊進(jìn)行調(diào)試，首先都要在實(shí)驗(yàn)

17、臺上進(jìn)行調(diào)試。具體步驟如下：（1）顯示程序調(diào)試。在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課中我們已經(jīng)做過LED顯示實(shí)驗(yàn)，所以這部分相對簡單，很快便調(diào)試無誤了。我們設(shè)計(jì)的硬件顯示部分與實(shí)驗(yàn)臺雖然并不相同，但相差并不多，經(jīng)改動(dòng)后在單路板上也調(diào)試通過了；（2）主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等的調(diào)試。由于DS18B20與單片機(jī)采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，對DS18B20進(jìn)行讀/寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀/寫時(shí)序，否則將無法讀取測量結(jié)果。5.2性能分析省略.六、心得體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，使我對電子設(shè)計(jì)及制作產(chǎn)生了較為濃厚的興趣，這不僅加強(qiáng)了自己對理論知識的理解和鞏固，還能提高自己的動(dòng)手能力，可以說受益匪淺。本次課程設(shè)計(jì)主要分為四部分：設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試。這三個(gè)步驟在整個(gè)課程設(shè)計(jì)過程中起著重要的作用。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)，該設(shè)計(jì)充分利用了溫度傳感器DS18B20功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，如DS18B20可以直接讀出被測溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換；而且采用三線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)，大大簡化了硬件電路，也使得該數(shù)字溫度計(jì)不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、精確度較高、反應(yīng)速度較快、數(shù)字化顯示和不易損壞等特點(diǎn)，而且性能穩(wěn)定，適用范圍廣，因此特別適用于對測溫要求比較準(zhǔn)確的場所。我們經(jīng)過將近一周的課程設(shè)計(jì)，終于完成了數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)