2022年基于数字温度传感器的数字温度计.pdf

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1、基于数字温度传感器的数字温度计、2014 2015 学年第 2 学期 单片机应用技术课 程 设 计 报 告题目:基于数字温度传感器的数字温度计的设计专业: 自动化班级: 12自动化 1 姓名: 陈宗国朱海峰王疏华 袁继康指导教师 : 陆媛宋洪儒电气工程学院年月日任务书课题名称基于数字温度传感器的数字温度计的设计指导教师 (职称) 陆媛宋洪儒执行时间2014 2015学年第 2 学期第 11 周学生姓名学号承担任务陈宗国1209111005 课程设计前期资料收集及查找王疏华1209111046 Proteus 及 keil 软件安装及元器件名称熟悉袁继康1209111059 Proteus 电路

2、图设计 ,keil 程序编写及验证仿真朱海峰1209111068 课程设计后期整理精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 基于数字温度传感器的数字温度计、设计目的1、进一步熟悉与掌握单片机的结构及工作原理。2、掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性,控制方法。3、 通过课程设计 ,掌握以单片机核心的电路设计的基本方法与技术,了解有关电路参数的计算方法。4、 通过程序设计与仿真 ,逐步掌握模块化程序设计方法与仿真软件的使用。5、 通过

3、完成一个包括电路设计与程序开发的完整过程,使学生了解开发单片机应用系统的全过程,为今后从事相应打下基础。设计要求利用数字温度传感器DS18B20与单片机结合来测量温度。利用数字温度传感器DS18B20测量温度信号 , 计算后在 LED数码管上显示相应的温度值。其温度测量范围为- 55125, 精确到 0、5。数字温度计所测量的温度采用数字显 示 , 控 制 器 使 用 单 片 机AT89C51, 测 温 传 感 器 使 用DS18B20,用 LED数码管实现温度显示。课程设计摘要一、课程设计摘要 : DS18B20 就是一种可组网的高精度数字式温度传感器, 由于其具有单总线的独特优点, 可以使

4、用户轻松地组建起传感器网络, 并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。本文结合实际使用经验 , 介绍了 DS18B20 数字温度传感器在单片机下的硬件连接及软件编程, 并给出了软件流程图。该系统由上位机与下位机两大部分组成。下位机实现温度的检测并提供标准RS232 通信接口, 芯片使用了 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机与 DALLAS 公司的 DS18B20 数字温度传感器。上位机部分使用了通用 PC 。该系统可应用于仓库测温、楼宇空调控制与生产过程监控等领域。二、关键字 :单片机 温度测量 DS18B20 数字温度传感器 AT89S51目录第一章原理介绍 . . 4 精品资料 -

5、- - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 基于数字温度传感器的数字温度计、1、1 总体设计方案 . . 4 1、2 总体设计框图理介绍. 4 1、3 主控部分 . . 4 1、4 DS18B20数字温度传感器. 5 第二章 硬件设计 . . 8 2、1 单片机系统 . . 8 2、2 温度测试电路 . . 8 2、3 显示电路 . . 12 2、4 整体电路设计 . . 14 第三章软件设计 . . 错误 ! 未定义书签。3、1 程序流程图 . . 错

6、误 ! 未定义书签。3、2 读出温度子程序 . . 错误 ! 未定义书签。3、3 温度转换子程序 . . 错误 ! 未定义书签。3、4 计算温度子程序 . . 错误 ! 未定义书签。3、5 显示数据刷新子程序 . . 错误 ! 未定义书签。第四章 总结 . . 19 参考资料 . . 错误 ! 未定义书签。第一章 原理介绍1.1 总体设计方案总体设计方案采用AT89C51 单片机作控制器 , 温度传感器选用 DS18B20 来设计数字温度计 ,系统由 3 个模块组成 : 主控制器、测温电路及显示电路。主控制器由单片机AT89C51实现, 测温电路由温度传感器DS18B20 实现, 显示电路由

7、4 位 LED数码管直读显示。 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AT89C51,测温传感器使用DS18B20, 用 4 位共阳极 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 总体设计框图控制器采用单片机AT89C51, 温度传感器采用DS18B20,用 4位LED 数码管显示温度。总体设计框图如图1-1所示。主控电LED显 示单片机复位精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - -

8、 - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 基于数字温度传感器的数字温度计、1、3 主控制部分本设计采用 AT89C51 八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大, 可通过编程实现各种各样的算术算法与逻辑控制。而且体积小, 硬件实现简单 , 安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作 , 还可以与 PC 机通信、运用主从分布式思想, 由一台上位机 (PC微型计算机 ), 下位机( 单片机 ) 多点温度数据采集 , 组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统, 实现远程控制。另外 AT89C51 在工业控制上

9、也有着广泛的应用, 编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。系统采用针对传统温度测温系统测温点少, 系统兼容性及扩展性较差的特点, 运用分布式通讯的思想。设计一种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用的就是RS-232串行通讯的标准 , 通过下位机 ( 单片机 ) 进行现场的温度采集 , 温度数据既可以由下位机模块实时显示 , 也可以送回上位机进行数据处理, 具有巡检速度快 , 扩展性好 , 成本低的特点。1、4 DS18B20数字温度传感器美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20 就是支持 一线总线 接口的温度传感器 , 在其内部使用了在板 (ON-B0

10、ARD) 专利技术。 全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点, 使用户可轻松地组建传感器网络, 为测量系统的构建引入全新概念。现在, 新一代的 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。使您可以充分发挥 “ 一线总线 ” 的优点。DS18B20 支持 一线总线 接口, 测量温度范围为 -55 C+125 C,在-10+85 C范围内 , 精度为 0、5 C 。DS1822的精度较差为 2 C 。现场温度直接以 一线总线 的数字方式传输 , 大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量, 如: 环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

11、与前一代产品不同, 新的产品支持 3V5、5V的电压范围 , 使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜, 体积更小。DS18B20 的主要特性 : (1) 适应电压范围更宽 , 电压范围 :3 、05、5V,在寄生电源方式下可由数据线供电(2) 独特的单线接口方式 ,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 基于数字温度传感器的数字温度计、(3

12、)DS18B20支持多点组网功能 , 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上, 实现组网多点测温(4)DS18B20在使用中不需要任何外围元件, 全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内(5) 温范围 55 125, 在-10+85时精度为 0、5(6) 可编程的分辨率为912 位, 对应的可分辨温度分别为0、5、0、25、0、125与0、0625, 可实现高精度测温(7) 在 9 位分辨率时最多在93、75ms内把温度转换为数字 ,12 位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字 , 速度更快(8) 测量结果直接输出数字温度信号, 以 一线总线 串行传送给 CPU,

13、同时可传送 CRC 校验码, 具有极强的抗干扰纠错能力(9) 负压特性 : 电源极性接反时 , 芯片不会因发热而烧毁 , 但不能正常工作。图 1-4 DS18B20 型号数字温度传感器 DS18B20 有两种供电接法 , 图 1-2 采用的就是接入外部电源。这样做的好处就是I/O线上不需要加强上拉 , 而且总线控制器用在温度转换期间总保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其她数据的往来。另外, 在单总线上可以挂任意多片DS18B20, 而且如果它们都使用外部电源的话, 就可以先发一个 Skip ROM命令, 再接一个 Convert T 命令, 让它们同时进行温度转换。注意当加上外

14、部电源时,GND引脚不能悬空。第二章 硬件设计精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 基于数字温度传感器的数字温度计、2、1 单片机系统方案采用AT89S52 单片机作为控制器,完成所有的控制功能,包括 : 温度传感器DS18B20 的初始化与读取温度值LED 显示温度存储及读取单片机系统的电路如图2-1。图2-1-a 89C51 的核心电路框图2、2 温度测试电路这里我们用到温度芯片 DS18B20 。DS18B20 就是DALLAS

15、 公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO 92小体积封装形式。测温分辨率可达0、0625, 被测温度用符号扩展的 16位数字量方式串行输出。其工作电源既可在远端引入, 也可采用寄生电源方式产生。CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20 通信, 占用微处理器的端口较少 , 可节省大量的引线与逻辑电路。DS18B20 支持 “ 一线总线 ” 接口, 测量温度范围为 -55 至+125, 在-10至+85范围内 , 精度为0、5C。现场温度直接以 “ 一线总线 ” 的数字方式传输 , 大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量, 如: 环境控制、设备或过程控制、测温类消费

16、电子产品等。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 基于数字温度传感器的数字温度计、本系统就是基于 DS18B20 温度芯片的温度测试。 DS18B20 采用外部供电方式 , 理论上可以在一根数据总线上挂256个DS18B20, 但时间应用中发现 , 如果挂接 25个以上的 DS18B20 仍旧有可能产生功耗问题。另外单总线长度也不宜超过80M,否则也会影响到数据的传输。在这种情况下我们可以采用分组的方式, 用单片机的多个 I/O 来驱

17、动多路 DS18B20 。在实际应用中还可以使用一个 MOSFET将I/O 口线直接与电源相连 , 起到上拉的作用。对DS18B20 的设计 , 需要注意以下问题 : (1) 对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20 进行操作 , 需要用较为复杂的程序完成。编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行, 读、写时间片程序要严格按要求编写。尤其在使用DS18B20 的高测温分辨力时 , 对时序及电气特性参数要求更高。(2) 有多个测温点时 , 应考虑系统能实现传感器出错自动指示, 进行自动 DS18B20 序列号与自动排序 , 以减少调试与维护工作量。(3) 测温电缆线建议采用

18、屏蔽4 芯双绞线 , 其中一对线接地线与信号线, 另一组接 VCC 与地线, 屏蔽层在源端单点接地。DS18B20 在三线制应用时 , 应将其三线焊接牢固 ; 在两线应用时 ,应将VCC 与GND 接在一起 , 焊接牢固。若 VCC 脱开未接 , 传感器只送 85、0 的温度值。(4) 实际应用时 , 要注意单线的驱动能力, 不能挂接过多的 DS18B20, 同时还应注意最远接线距离。另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。2、3 显示电路本设计用 LED数码管显示温度值 ,且为共阳极。 LED就是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件 ,引线已在内部连接完成 ,只需引出它们的各个笔划

19、,公共电极。 LED数码管常用段数一般为 7段有的另加一个小数点,共阳极数码管的内部电路如图所示,下面将介绍常用图 2-2 DS18B20 内部结构图图 2-3 硬件连接电路图精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 基于数字温度传感器的数字温度计、LED数码管内部引脚图。图 1 这就是一个 7 段两位带小数点10引脚的 LED 数码管图 2-3-a 7SEG COM ANODE 型号数码管每一笔划都就是对应一个字母表示DP就是小数点、数

20、码管分为共阳极的LED 数码管、共阴极的LED 数码管两种。LED 数码管要正常显示 ,就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码,从而显示出我们要的数位,因此根据 LED 数码管的驱动方式的不同 ,可以分为静态式与动态式两类。一、静态显示驱动 : 静态驱动也称直流驱动。 静态驱动就是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动 ,或者使用如BCD码二- 十进位转换器进行驱动。静态驱动的优点就是编程简单,显示亮度高 ,缺点就是占用 I/O 口多,如驱动 5 个数码管静态显示则需要5840 根 I/O 口来驱动,要知道一个 89S51单片机可用的 I/O 口才 32个呢。 故实际应用时必须

21、增加驱动器进行驱动,增加了硬体电路的复杂性。二、动态显示驱动 : 数码管动态显示介面就是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动就是将所有数码管的 8个显示笔划 a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端连在一起 ,另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路 ,位选通由各自独立的I/O 线控制 ,当单片机输出字形码时 ,所有数码管精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 基于数字温度传感器的数字温度计、都接收到相同的字形码

22、 ,但究竟就是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位元选通COM 端电路的控制 ,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形 ,没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED 数码管的 COM 端,就使各个数码管轮流受控显示,这就就是动态驱动。在轮流显示过程中,每位数码管的点亮时间为12ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应 ,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就就是一组稳定的显示资料,不会有闪烁感 ,动态显示的效果与静态显示就是一样的,能够节省大量的 I/O 口,而且功耗更低。2、4 总体电路设计总电路的设计就是基于单片

23、机的基本电路,DS18B20数字温度传感器与LED显示与其简单连接构成。总体连接如图所示。2-4-a Proteus电路仿真电路图第三章 软件设计(一)、 概述整个系统的功能就是由硬件电路配合软件来实现的, 当硬件基本定型后 , 软件的功能也就基本定下来了。 从软件的功能不同可分为两大类: 一就是监控软件 ( 主程序 ), 它就是整精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 基于数字温度传感器的数字温度计、发 DS18B20 复位命令发跳过

24、 ROM 命令发温度转换开始命令结束个控制系统的核心 , 专门用来协调各执行模块与操作者的关系。二就是执行软件 ( 子程序 ),它就是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。每一个执行软件也就就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出, 并为每一个执行模块进行功能定义与接口定义。各执行模块规划好后, 就可以规划监控程序了。首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构, 然后根据实时性的要求 , 合理地安排监控软件与各执行模块之间地调度关系。(二)、主程序模块主程序需要调用 2 个子程序 , 分别为数码管显示程序 , 温度测试及处理子程序 , 报警子程序, 中断设定子

25、程序。各模块程序功能如下: 数码管显示程序 : 向数码的显示送数 , 控制系统的显示部分。温度测试及处理程序 : 对温度芯片送过来的数据进行处理, 进行判断与显示。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 主程序流程图主程序的主要功能就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 ,温度测量每 1s 进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度, 其程序流程见图 3、 1 所示: 图 3、1 主程序流程图3、2 读出温度子程序流程图读出温度子程序的主要功能就是读出RAM 中的 9 字节, 在读出

26、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3、2 所示: 图 3、2 温度子程序流程图3、3 温度转换命令子程序流程图温度转换命令子程序主要就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 3、 3 所示: 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N Y N Y Y 发 DS18B20 复位命发跳过 ROM 命令发读取温度命令读取操作 ,CRC 校验N 精品资料 - - - 欢迎下载 - - -

27、- - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 基于数字温度传感器的数字温度计、图 3、 3 温度转换命令子程序流程图3、4 计算温度子程序流程图计算温度子程序将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 3、4 所示: 图 3、4 温度子程序流程图3、5 显示数据刷新子程序流程图显示数据刷新子程序主要就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3、5 所示:图 3、 5 显示数据刷

28、新子程序流程图第四章总结总结:本次课设的任务就是采用AT89C2051 单片机作控制器 , 温度传感器选用 DS18B20 来设计数字温度计, 系统由 3个模块组成 : 主控制器、测温电路及显示电路。主控制器由单片AT89C2051 实现, 测温电路由温度传感器 DS18B20 实现, 显示电路由 4位LED 数码管直读显示。通过本次课设使我学会了很多东西, 通过自己找材料 , 向老师答疑 , 与同学讨论 , 自己修改 ,研究, 最终完成本次课设。在这个过程中, 不但使我对单片机课程所学的知识有了更深入的了解, 而且还培养了我的自学能力。有些不懂的问题通过向老师请教得到解决, 使我受益匪浅。课

29、设的过程就是艰辛的, 但就是收获就是巨大的。首先, 我再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识 ; 其次 , 我第一次将课本知识运用到了实际设计, 使得所学知识在更深的层次上得到了加深。再次 , 因为这次课程设计的确在某些方面存有一定难度, 这对我来讲都就是一种锻炼, 培养了我自学、查阅搜集资料的能力; 再有 , 计算操作工程中 , 我们曾经面临过失败、品味过茫然 , 但就是最终我还就是坚持下来了, 这就就是我意志、 耐力与新年上的胜利 , 在今后的日子里 , 它必将成为我的宝贵财富。参考文献1 张毅刚、单片机原理及应用、北京、高等教育出版社,2010 2 李光飞、单片机 C程序设计实例指导

30、、北京、北京航空航天大学出版社 ,2005 3 刘文涛、单片机语言C51典型应用及设计。北京、人民邮电出版社4 DALLAS公司、 DS18B20 数据手册 Z 、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N Y 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N N Y Y 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 12 页 - - - - - - - - - -

31、 基于数字温度传感器的数字温度计、5 余永权、 ATMEL89 系列单片机应用技术 M 、( 第三版 )、 北京: 北京航空航天大学出版社,2002、答辩记录及评分表课题名称基于数字温度传感器的数字温度计的设计答辩教师 (职称) 陆媛宋洪儒答辩时间20142015 学年第2 学期第 11 周答辩记录问;硬件电路中数码管的显示内容及原理？答; 通过 AT89C51 型号单片机 , 由 P1与 P2两组 I/O 引脚分别控制两个 7SEG COM ANODE 型号数码管 , 分十位控制与个位控制 , 达到显示 60 秒倒计时的目的。问;数码管使用的电流与电压？答; 静态时 , 推荐使用 10-15

32、mA;动态时 ,16/1 动态扫描时 , 平均电流为 4-5mA,峰值电流 50-60mA 。问;AT89C51 芯片的概述？答;AT89C51 就是一个低功耗 , 高性能 CMOS 8 位单片机 , 片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的 Flash 只读程序存储器 , 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造, 兼容标准 MCS-51指令系统及80C51引脚结构 , 芯片内集成了通用8 位中央处理器与 ISP Flash 存储单元。评分表学生姓名学号评分陈宗国1209111005 王疏华1209111046 袁继康1209111059 朱海峰1209111068 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 12 页 - - - - - - - - - -