数字温度计课程教学设计报告.doc

/* 课程设计报告书课程名称：单片机课程设计题 目：数字温度计系 别：电子工程系专业班级：电信1103班组 员：张春良 张吉晴 贺凌伟 田野学 号：张春良：201106002347 张吉晴：201106002344 贺凌伟：201106002342 田 野：201106002343指导教师：李小武/*内容摘要：目前，单片机已经在测控领域中获得了广泛的应用，它除了可以测量电信以外，还可以用于温度、湿度等非电信号的测量，能独立工作的单片机温度检测、温度控制系统已经广泛应用很多领域。单片机是一种特殊的计算机,它是在一块半导体的芯片上集成了CPU,存储器，RAM，ROM，及输入与输出接口电路，这种芯片称为:单片机。由于单片机的集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，重量轻，能耗低，价格便宜，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便的优点，使它迅速的得到了推广应用，目前已成为测量控制系统中的优选机种和新电子产品中的关键部件。单片机已不仅仅局限于小系统的概念，现已广泛应用于家用电器，机电产品，办公自动化用品，机器人，儿童玩具，航天器等领域。本次课程设计，就是用单片机实现温度控制，传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。本次采用DS18B20数字温度传感器来实现基于51单片机的数字温度计的设计。本文介绍了一个基于STC89C52单片机和数字温度传感器DS18B20的测温系统，并用LED数码管显示温度值，易于读数。系统电路简单、操作简便，能任意设定报警温度并可查询最近的10个温度值，系统具有可靠性高、成本低、功耗小等优点。关键词：单片机 数字温度传感器 数字温度计 目录内容摘要.21.概述.41.1设计目的1.2设计原理1.3设计难点设计任务与要求.4设计方案与选材.42. DS18B20温度传感器.53. Proteus 仿真设计.144. 电路原理图.165. PCB工程布线，布局.176. 实物图.187. 软件程序设计.218. 调试性能及分析.269. 课程设计心得.2610.参考文献.28 附录.281概述1.1设计目的 随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。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，可广泛用于食品库、冷库、粮库、温室大棚等需要控制温度的地方。目前,该产品已在温控系统中得到广泛的应用。1.2设计原理 本系统是一个基于单片机AT89S52的数字温度计的设计，用来测量环境温度，测量范围为-50110度。整个设计系统分为4部分：单片机控制、温度传感器、数码显示以及键盘控制电路。整个设计是以AT89S52为核心，通过数字温度传感器DS18B20来实现环境温度的采集和A/D转换，同时因其输出为数字形式，且为串行输出，这就方便了单片机进行数据处理，但同时也对编程提出了更高的要求。单片机把采集到的温度进行相应的转换后，使之能够方便地在数码管上输出。LED采用四位一体共阴的数码管。1.3设计难点 此设计的重点在于编程，程序要实现温度的采集、转换、显示和上下限温度报警，其外围电路所用器件较少，相对简单，实现容易。设计任务与要求此次课程设计，就是用单片实现温度控制，传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。本次采用DS18B20数字温度传感器来实现基于51单片机的数字温度计的设计。 9V供电； 温度采集采用DS18B20； 4位LED显示； 设计温度控制器原理图，并用proteus进行仿真； 用altium designer 画出PCB 并制好印刷电路板； 设计和绘制软件流程图，用C语言进行程序编写；焊接硬件电路，进行调试。设计方案与选材提及到温度的检测，我们首先会考虑传统的测温元件有热电偶和热电阻，而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试也复杂，制作成本高。因此，本数字温度计设计采用智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55C至+125C，最大分辨率可达0.0625C。DS18B20可以直接读出被测量的温度值，而采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。按照系统设计功能的要求，确定系统由三个模块组成：主控制器STC89C51，温度传感器DS18B20，驱动显示电路。总体电路框图如下：DS18B20温度传感器本设计的测温系统采用芯片DS18B20，DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它的体积更小，适用电压更宽，更经济。实现方法简介DS18B20采用外接电源方式工作，一线测温一线与STC89C51连接，测出的数据放在寄存器中，将数据经过BCD码转换后送到LED显示。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新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。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； DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图2-3-1所示。64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。 C64 位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器Vdd 图3.3 DS18B20的内部结构图3.4 DS18B20的引脚分布图64位ROM的结构开始8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8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RAM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2-3-2所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5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下图所示。低5位一直为1，TM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0，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。图3.5 DS18B20的字节定义DS18B20高速暂存器共9个存存单元，如表所示：表3-1 DS18B20的引脚分布图序号 寄存器名称 作 用 序号 寄存器名称 0 温度低字节 以16位补码形式存放 4、5 保留字节1、2 1 温度高字节 6 计数器余值 2 TH/用户字节1 存放温度上限 7 计数器/ 3 HL/用户字节2 存放温度下限 8 CRC 以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个高低两个8位的RAM中，二进制中的前面5位是符号位。如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625才能得到实际温度。 高8位 S S S S S 26 25 24 低8位 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 表3-2 DS18B20的字节存放表由下图可以看到，Dsl8820的内部存储器是由8个单元组成，其中第0、1个存放测量温度值，第2、3分别存放报警温度的上下限值，第4单元为配置单元，5、6、7单元在DSl8820这里没有被用到。对于第4个寄存器，用户可以设置温度转换精度，系统默认12bit转换精度，相当于十进制的00625，其转换时间大约为750磷。具体见表2-4-1。图3.6 内部存储器结构图表3-3 温度精度配置R1R0转换精度（16进制）转换精度（十进制）转换时间009bit0.593.75ms0110bit0.25187.5ms1011bit0.125375ms1112bit0.0625750ms 由表3-3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RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8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1、2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S0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S1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2-4-2是一部分温度值对应的二进制温度数据。表3-4 温度精度配置温度/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 0000FC90HDS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若TTH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1；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2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1、温度寄存器中，计数器1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1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1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1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0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。 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。 由于DS18B20采用的“一线总线”结构，所以数据的传输与命令的通讯只要通过微处理器的一根双向Io口就可以实现。DSl8B20约定在每次通信前必须对其复位，具体的复位时序如图2-4-2所示。 图3.7 复位时序图 图2-4-3中所示，tRSTL为主机发出的低电平信号，本文中有AT89S52提供，tRSTL的最小时延为，然后释放总线，检查DSl8B20的返回信号，看其是否已准备接受其他操作，其中tPDHIGH时间最小为，最长不能超过，否则认为DS18B20没有准备好，主机应继续复位，直到检测到返回信号变为低电平为止。表3-5 DS18B20的ROM操作指令操作指令33H55HCCHF0HECH含义读ROM匹配ROM跳过ROM搜索ROM报警搜索ROM表3-6 DS18B20的存储器操作指令操作指令4EHBEH48H44HD8HB4H含义写读内部复制温度转换重新调出读电源主机一旦检测到DS18B20的存在，根据DS18B2的工作协议，就应对ROM进行操作，接着对存储器操作，最后进行数据处理。在DS18B20中规定了5条对ROM的操作命令。见表2-4-3。主机在发送完ROM操作指令之后，就可以对DS18B20内部的存储器进行操作，同样DS18B20规定了6条操作指令。见表2-4-4。 DS18B20的读、写时序图见图2-4-3。图3.8 DS18B20的读写时序图2. DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将图3.9 DS18B20的复位时序图3.10 DS18B20的读时序图3.11 DS18B20的写时序主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。DS18B20的写时序，对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程，对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单线proteus仿真设计画出电路仿真图进行仿真此时温度为39度，超过上限温度，报警灯亮，实现报警。此时温度为28度，在所设范围内，报警灯没亮，说明温度正常。硬件电路设计运用altium designer 软件画出原理图然后建立PCB工程，布局，布线。打印出PCB 用热转印机转印到覆铜板上然后腐蚀制版，再焊接元器件。电路焊接板图片如下：实物演示图（1）：未达到上限温度，LED灯未点亮（未报警）实物演示图（2）：达到上限温度，LED灯点亮（报警）软件程序设计 根据焊接的硬件电路PO口控制数码管的段码即显示什么数字根据分析得到编码为uchar code table1=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71; /不带小数点的数码管编码uchar code table2=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef,0xf7,0xfc,0xb9,0xde,0xf9,0xf1; /加小数点分别为不加小数点和加小数点的数码管编码。P2口控制数码管位选 对数码管进行扫描显示。最终设计出的程序为：/*/*DS18B20测温程序 */*目标器件：AT89S51 */*晶振:11.0592MHZ */*编译环境：Keil 7.50A */*/*包含头文件*/#include /*共阴LED段码表*/ unsigned char code tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71; /不带小数点的数码管编码unsigned char code tab2=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef,0xf7,0xfc,0xb9,0xde,0xf9,0xf1; /加小数点/*端口定义*/sbit DQ=P33; /数据传输线接单片机的相应的引脚/*定义全局变量*/unsigned char tempL=0; /临时变量低位unsigned char tempH=0;/临时变量高位float temperature; /温度值/*函数功能:延时子程序入口参数:k出口参数:*/void delay(unsigned int k) unsigned int n; n=0; while(n k) n+; return; /*函数功能:数码管扫描延时子程序入口参数:出口参数:*/void delay1(void)int k;for(k=0;k480ms) DQ=1; /拉高数据线 delay(14); /等待（1560ms) /*函数功能:向DS18B20读一字节数据入口参数:出口参数:dat*/ReadOneChar(void) unsigned char i=0; unsigned char dat=0; for (i=8;i0;i-) DQ=1; delay(1); DQ=0; dat=1; DQ=1; if(DQ) dat|=0x80; delay(4); return(dat);/*函数功能:向DS18B20写一字节数据入口参数:dat出口参数:*/WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for(i=8;i0;i-) DQ=0; DQ=dat&0x01;delay(5);DQ=1;dat=1;delay(4);/*函数功能:向DS18B20读温度值入口参数:出口参数:temperature*/ReadTemperature(void) Init_DS18B20(); /初始化WriteOneChar(0xcc); /跳过读序列号的操作WriteOneChar(0x44); /启动温度转换delay(125); /转换需要一点时间，延时Init_DS18B20(); /初始化WriteOneChar(0xcc); /跳过读序列号的操作WriteOneChar(0xbe); /读温度寄存器（头两个值分别为温度的低位和高位）tempL=ReadOneChar(); /读出温度的低位LSBtempH=ReadOneChar(); /读出温度的高位MSB /温度转换，把高低位做相应的运算转化为实际温度temperature=(tempH*256)+tempL)*0.625; delay(200);return(temperature);/*函数功能:主程序入口参数:出口参数:*/ void main() float i;while(1)i=ReadTemperature();display(i);调试性能及分析系统的性能调试以（1、主程序）为主。硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后用万用表测试。软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验，然后分别进行主程序、从程序的编写和调试，由于DS18B20与单片机采用串行数据传送，因此对DS18B20进行编程时必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测量结果。性能测试可用制作的温度计和已有的成品温度计来同时测量比较，由于DS18B20精度较高，所以误差指标可以限制在0.1C以内，另外，-55C至+125C的测温范围使得该温度计完全适用于一般的应用场合，其低电压供电的特性可做成电池供电的手持电子温度计。将编好的c语言程序生成hex文件，下载到单片机中。接上电源，测得温度为29.2摄氏度。比较准确。课程设计心得本次的课程设计共一周时间，分别进行了BS18D20电路原理图的设计，电路仿真图的设计以及实物电路板的焊制三个过程。经过这次的课程设计，我们不仅加深了对altium designer软件的应用和Proteus仿真软件的了解和使用，还学到了许多课本上没有涉及知识，练习了电路原理图的设计和仿真运行，同时对上学期学习的单片机课程进行了一次全面的复习和巩固，收益很大。我们知道，课程设计一般强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础对BS18D20电路原理图设计，刚开始感觉有一定的难度，主要是对Altium designer软件及功能的不了解。但在老师和同学的帮助下还是顺利的完成了，进而对接下来的两个任务有了兴趣。整个课设的过程就是一个学习的过程。因为在课设的过程中，我们必须熟悉电路原理及器件的使用特点，这些都是对课本知识复习和巩固。所以 我觉得课设是一个很重要的学习环节，值得我们应该很认真的去对待！由于本次课程设计是由分组进行完成的，所以通过这次的课设我更加了解到合作的重要性。三周的设计中，我们组成员都参加了设计的各个方面的讨论和动手实践，大家更具自己的实际情况做了不同的分工，合理的利用了时间，感觉得到了很好的经验。这次课设让我对单片机有了进一步的了解，而且对Proteus仿真软件的有了一定了解。体会到了Proteus仿真软件的强大。最主要的是我们能够自己通过单片机焊接事物，这是我们在课堂上是学不到的。极大地增强了我们的动手实践能力。通过本次课设，能够使我们熟练掌握单片机控制电路的设计、程序编写和整体焊接及系统调试，从而全面地提高我们对单片机的软件、硬件等方面的理解，进而增强我们在实践环节的动手操作能力。譬如，我们可以根据实验指导书的要求，完成BS18D20电路的硬件设计、电路器件的选择、单片机软件的运行、以及整体系统调试，并写出完善的设计报告。在进行课设之前，要求我们具备数字电路、模拟电路、电路基础、微机原理、电力电子、电机学和单片机等相关课程的知识，并具备一些基本的实践操作水平，为以后的就业打好一定的基础。总的来说，这次的课程设计自己还是很满意的，感觉收获了不少东西，相信此次学到的知识在以后的生活和学习中对我会有很大的帮助！ 参考文献1DS18b20数据手册。2 求是科技编著8051系列单片机C程序设计完全手册北京: 人民邮电出版社, 20063 余发山，王福忠.单片机原理及应用技术.徐州：中国矿业大学出版社，20034 李朝青单片机原理及接口技术（简明修订版）杭州：北京航空航天大学出版社，19985 李广弟单片机基础北京：北京航空航天大学出版社，1994 6 阎石数字电子技术基础（第三版）北京：高等教育出版社，1989 7廖常初现场总线概述电工技术，1999.附录1：源程序代码：#include #include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define duaP2#define max36/#define min 0sbit DQ=P17;sbit din=P07;sbit beep=P30;/*uchar tab=0xc0,0xf9,0xa4,0xB0,0x99,/0 1 2 34; 0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff,0xbf,0xc6; /共阳； / 5 6789 灭- c */uchar tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x00,0x40;