数字温度计设计报告【C语言】.doc

1 设计概况1.1 设计概述 本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89C52，测温传感器使用DS18B20，用两只4位共阴极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。1.2 设计符合以下要求：基本范围-20-70精度误差为±0.5LED数码管直读显示，当温度为“负”,则显示负号；最低位显示摄氏度符号“C”。当温度不在基本范围内时，蜂鸣器报警当温度大于70， 发光二极管闪烁；当温度小于-20， 发光二极管闪烁1.3 所用材料： 温度传感器DS18B20一个，AT89C52一个，12M晶振一个，四位共阴极数码管两个，蜂鸣器一个，发光二极管两个，电阻电容及导线若干。2 方案的总体设计框图 温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89C52，温度传感器采用DS18B20，用两只4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。主 控 制 器 LED显 示温 度 传 感 器 时钟振荡 蜂鸣器 发光二极管 图1总体设计方框图2.1 主控制器 主控制器采用单片机AT89C52。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央 处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。 2.2 显示电路 显示电路采用两只4位共阴LED数码管和数码管的驱动芯片74LS245。2.2.1 四位数码管 如图所示：图2 数码管的外形尺寸图3 数码管的引脚排布 注：管脚顺序：从数码管的正面看，以第一引脚为起点，管脚的顺序是逆时针排列的。 A-11 B-7 C-4 D-2 E-1 F-10 G-5 DP-32.2.2 数码管的驱动芯片74LS24574LS245用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据*74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。*当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器*/G=1, DIR=X(X=0或者1)，输入和输出均为高阻态；高阻态的含意就是相当于没有这个芯片。*当/G低电平有效时，DIR=“0”，信号由B向A传输（接收）DI；DIR=“1”，信号由A向B传输；（发送）。图4 74LS245引脚分布2.3温度传感器DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司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位的数字值读数方式。2.3.1 DS18B20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；零待机功耗；温度以或位数字；用户可定义报警设置；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；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； 2.3.2 DS18B20详细引脚功能描述 见下表。 序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。2.3.3 通信过程：（1）主机拉低单总线至少480us产生复位脉冲；（2）主机释放单总线，进入接收模式，释放时产生上升沿；（3）单总线器件检测到上升沿，延时15-60us；（4）单总线器件通过拉低总线60-240us来产生应答脉冲；（5）主机接受应答信号，对从机ROM进行命令和功能命令操作； 所有读写时序至少60us，两个独立的时序间至少1us回复时间。2.3.4 DS18B20的基本参数 DS18B20的64位ROM的结构开始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。温度报警触发器和，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和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，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3所示。低位一直为，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，用户要去改动，R1和0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。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CRC图3 DS18B20字节定义由表2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。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第、字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。表2 DS18B20温度转换时间表 DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、T字节内容作比较。若TH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20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；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55所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中，计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器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。表3一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 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单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。2.4 系统整体硬件电路2.4.1 主板电路系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，蜂鸣器报警电路，发光二极管报警电路，单片机控制电路等，如图5 所示。 图5 单片机主板电路2.4.2 显示电路 显示电路由两只四位共阴极数码管和数码管驱动芯片组成。如图6所示。本图数码管驱动芯片未画出。图6 温度显示电路3系统软件算法分析系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。3.1主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，其程序流程见图7所示。Y发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作，CRC校验9字节完？CRC校验正？确？移入温度暂存器结束NNY初始化调用显示子程序1S到？初次上电读出温度值温度计算处理显示数据刷新发温度转换开始命令NYNY图7 主程序流程图图8读温度流程图 3.2读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图8示发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令 结束图9 温度转换流程图3.3温度转换命令子程序温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图9所示3.4 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10所示。 开始温度零下?温度值取补码置“”标志计算小数位温度BCD值 计算整数位温度BCD值 结束置“+”标志NY温度数据移入显示寄存器十位数0？百位数0？十位数显示符号百位数不显示百位数显示数据（不显示符号） 结束NNYY 图10计算温度流程图 图11显示数据刷新流程图3.5 显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图11。3.6 总程序 #include <reg51.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P36;/wendusbit BEEP=P37; /蜂鸣器驱动线sbit HI_LED=P14;sbit LO_LED=P15;/共阴数码管段码及空白显示/uchar code DSY_CODE =0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x00;/温度小数位对照表uchar code df_Table=0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9;/报警温度上下限，为进行正负数比较，此处注意设为char类型/取值范围为-128+127，DS18B20支持范围为-50+125/char Alarm_Temp_HL2=70,-20;/uchar CurrentT=0;uchar Temp_Value=0x00,0x00;uchar Display_Digit=0,0,0,0;bit HI_Alarm=0,LO_Alarm=0;bit DS18B20_IS_OK=1;uint Time0_Count=0;/延时/void Delay(uint x) while( -x );/初始化DS18B20/uchar Init_DS18B20() uchar status; DQ =1; /DQ复位 Delay(8); /稍做延时 DQ =0; /单片机将DQ拉低 Delay(90); / DQ =1; /拉高总线 Delay(8); status=DQ; / Delay(100); DQ=1; return status;/读一字节/uchar ReadOneByte() uchar i,dat = 0; DQ = 1;_nop_(); for (i=0;i<8;i+) DQ = 0; dat>>=1;DQ = 1;_nop_();_nop_(); if(DQ) dat|=0x80;Delay(4);DQ = 1; return dat;/写一节/void WriteOneByte(uchar dat) uchar i; for (i=0;i<8;i+) DQ= 0;DQ= dat & 0x01;Delay(5);DQ = 1;dat>>=1; /读取温度值/void Read_Temperature() if( Init_DS18B20() = 1) DS18B20_IS_OK=0; else WriteOneByte(0xCC); / 跳过读序号列号的操作 WriteOneByte(0x44); / 启动温度转换 Init_DS18B20(); WriteOneByte(0xCC); /跳过读序号列号的操作 WriteOneByte(0xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度 Temp_Value0=ReadOneByte(); Temp_Value1=ReadOneByte(); Alarm_Temp_HL0=ReadOneByte(); Alarm_Temp_HL1=ReadOneByte(); DS18B20_IS_OK=1; /设置DS18B20温度报警值/void Set_Alarm_Temp_Value() Init_DS18B20(); WriteOneByte(0xCC); / 跳过读序号列号的操作 WriteOneByte(0x4E); WriteOneByte(Alarm_Temp_HL0); WriteOneByte(Alarm_Temp_HL1); WriteOneByte(0x7F); Init_DS18B20(); WriteOneByte(0xCC); WriteOneByte(0x48);/在数码管上显示温度/void Display_Temperature() uchar i; uchar t=150; uchar ng=0,np=0; char Signed_Current_Temp; /如果为负数则取反加1，并设置负号标识及负号显示位置 if (Temp_Value1&0xF8)=0xF8) Temp_Value1=Temp_Value1; Temp_Value0=Temp_Value0+1; if (Temp_Value0 = 0x00) Temp_Value1+; ng =1; np= 0xFD;/查表得到小数部分Display_Digit0 =df_TableTemp_Value0&0x0F;/获取温度整数部分（无符号）CurrentT=(Temp_Value0&0x0F)>>4)|(Temp_Value1&0x07)<<4);/Signed_Current_Temp=ng?-CurrentT:CurrentT;/HI_Alarm =Signed_Current_Temp >=Alarm_Temp_HL0?1:0;LO_Alarm =Signed_Current_Temp <=Alarm_Temp_HL1?1:0;/Display_Digit3 =CurrentT / 100;Display_Digit2 =CurrentT % 100 / 10;Display_Digit1 =CurrentT % 10;if(Display_Digit3 =0) Display_Digit3 =10; np = 0xFB; if(Display_Digit2 =0) Display_Digit2 =10; np = 0xF7;/for (i=0;i<30;i+) P0 = 0x39;P2= 0x7F; Delay(t); P2 =0xFF; P0 = 0x63;P2= 0xBF; Delay(t); P2 =0xFF; P0 =DSY_CODEDisplay_Digit0; P2 = 0xDF;Delay(t); P2 =0xFF; P0 =(DSY_CODEDisplay_Digit1)| 0x80; P2 = 0xEF;Delay(t); P2 =0xFF; P0 =DSY_CODEDisplay_Digit2; P2 = 0xF7;Delay(t); P2 =0xFF; P0 =DSY_CODEDisplay_Digit3; P2 = 0xFB;Delay(t); P2 =0xFF; if(ng)/ P0 = 0x40;P2 = np;Delay(t); P2 =0xFF; /void T0_INT() interrupt 1 TH0 =-1000 / 256; TL0 =-1000 % 256; BEEP=!BEEP ; if( +Time0_Count = 400) Time0_Count = 0; if (HI_Alarm) HI_LED = HI_LED; else HI_LED = 1; if (LO_Alarm) LO_LED = LO_LED; else LO_LED = 1; / void main(void) IE = 0X82; TMOD = 0X01; TH0 = -1000 / 256;延时一秒 TL0 = -1000 % 256; TR0 = 0; HI_LED = 1; LO_LED = 1; Set_Alarm_Temp_Value(); Read_Temperature(); Delay(50000); Delay(50000); while(1) Read_Temperature(); if( DS18B20_IS_OK ) if (HI_Alarm = 1 | LO_Alarm = 1) TR0=1; else TR0=0; Display_Temperature(); else P0 = P2 = 0x00; 4 系统功能测试4.1 功能测试4.1.1 基本功能测试 表2题目要求测试的结果检测温度范围-30-100检测范围可达-10+125分辨率1分辨率可达±0.15 总结与体会 经过将近11天的辛苦努力，终于完成了我们的数字温度计的设计，在本次设计以AT89C52单片机为控制器，以“一线式”温度传感器DS18B20作为检测元件，完成了的电子温度计的制作。这个系统结构简单，性能稳定,可靠性高。本系统已经达到了设计的基本要求和发挥部分的要求。 在本次设计的过程中，我们遇到了许多突发事件和各种困难，但通过团队的仔细分析和自我调整后我们终于解决了所有问题，取得了圆满的成功。经过本次电子设计大赛我们对51单片机的控制功能有了更深层次的理解，同时也深刻的体会到了共同协作和团队精神的力量所在。我们在本次比赛中做到精益求精，在完成基本功能之后，又向发挥部分进发，最后完成了所有的基本功能和部分发挥部分.从这次设计中，我们真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我们在这次设计中的最大收获。 参考文献1彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.北京：电子工业出版社，20092刘华东.单片机应用技术.北京：电子工业出版社，20093电子发烧友网 14