2022年数字式温度计的设计_课程设计.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 数字式温度计地设计摘要 随着人们生活水平地不断提高,单片机掌握无疑是人们追求地目标一,但人们对它地要求越来越高,要为现代人工作、科研、生活、供应更好地更便利 地设施就需要从数单片机技术入手,一切向着数字化掌握,智能化掌握方向发展.本设计所介绍地数字温度测量系统测温范畴从-10到85,测量精度为0.5度,并且采纳 LED 显示 .该设计掌握器使用单片 AT89C2051,测温传感器使用 DS18B20,用 4位共阳极 LED 数码管实现温度显示,能精确达到以上要求 . 关键词 数字式温度计 DS18B20 AT89C2051 数码管名师归纳总结

2、- - - - - - -第 1 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - The design of the digital thermometerAbstract With peoples living standard rises ceaselessly, undoubtedly SCM control is one of the goals of the peoples to pursue, but people demand more and more of it for modern job, scientific research, life, provi

3、ding more convenient facilities that needs microcontroller tech- nology developing from several of all towards digital control system, intelligent control direction. The design of the digital temperature measuring system measuring ranges from minus 10 degrees Celsius to 85 degrees Celsius, the measu

4、rement accuracy is 0.5 degrees Celsius, and useing of LED direct reading . This design uses AT89C2051 as single-chip microcomputer controller,as temperature sensor DS18B20, and a total of 4 cathode tube to realize LED digital temperature display.So it can exactly reach the requirements. KeyWords Dig

5、ital thermometer DS18B20 AT89C2051 Digital tube名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 引言 . 1 目录第 1 章 总体方案设计 . 21.1 温度测量系统设计方案. 21.2 显示部分设计方案 . 2 1.3 总体设计框图 . 2 第 2 章 系统硬件电路设计 . 2 2.1 单片机模块 . 3 2.1.1 AT89C2051功能及特性 . 3 2.1.2 单片机模块功能 . 4 2.2 温度采集部分硬件 . 6 2.2.1 温度传感器 DS18B20 . 6 2.2.2

6、 DS18B20温度传感器与单片机地接口电路 . 7 2.3 显示部分电路设计 . 9 2.4 设计实物图 . 10 第 3 章 系统软件部分设计 . 11 3.1 主程序 . 11 3.2 读出温度子程序 . 12 3.3 温度转换命令子程序 . 12 3.4 运算温度子程序 . 13 3.5 显示数据刷新子程序 . 13 3.6 程序代码 . 14 总结 . 18 致 谢 . 19 参考文献 . 19 附录 电路图 . 20名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 引言十七世纪是温度计产生和进展地最初阶段,这个物理仪器

7、几乎比任何其他仪器都得到更广泛地应用,现代地历史讨论认为最早创造温度计地科学家是伽 利略,他于 1592 年创造了最早地气体温度计,最早地液体温度计是荷兰科学 家华伦海特制造出来 .温度是科学技术中最基本地物理量之一,物理、化学、生物等学科都离不 开温度 .在工业生产和试验讨论中,像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机 械制造、粮食储备、酒类生产等领域内,温度经常是表征对象和过程状态地最 重要地参数之一 .比如,发电厂锅炉地温度必需掌握在肯定地范畴之内；很多化 学反应地工艺过程必需在适当地温度下才能正常进行；炼油过程中,原油必需 在不同地温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品

8、.没有合 适地温度环境,很多电子设备就不能正常工作,粮仓地储粮就会变质霉烂,酒 类地品质就没有保证 .因此,各行各业对温度掌握地要求都越来越高 .可见,温 . 度地测量和掌握是特别重要地 单片机在电子产品中地应用已经越来越广泛,在很多地电子产品中也用到 了温度检测和温度掌握 .随着温度掌握器应用范畴地日益广泛和多样,各种适用 于不同场合地智能温度掌握器应运而生,因此讨论温度地测量方法和装置具有 重要意义 .温度测量在工业、农业、国防等行业有着广泛地应用,而且随着科学技术地进展对温度测量地应用范畴愈来愈广 其体积小,牢靠性高而被广泛采纳 .利用单片机技术地温度测控系统以本设计所介绍地数字温度计与

9、传统地温度计相比,具有读数便利,测温范 围广,测温精确,其输出温度采纳数字显示,主要用于对测温比较精确地场所,或科研试验室使用,该设计掌握器使用单片机AT89C2051,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 ,能精确 达到以上要求 .名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第 1 章 总体方案设计通过本次课题设计,应用单片机原理及应用等所学相关学问及查阅资料,完成数字温度计地设计,以达到理论与实践更好地结合、进一步提高综合运用所学学问和设计地才能地目地. 通过本次

10、设计地训练,可以使我们在基本思路和基本方法上对基于MCS-51 单片机地嵌入式系统设计有一个比较感性地熟悉,并具备肯定程度地设计才能.1.1 温度测量系统设计方案 在单片机电路设计中,大多都是使用传感器,所以可以采纳一只温度传感 器 DS18B20,此传感器,可以很简洁直接读取被测温度值,进行转换,就可以 满意设计要求 .1.2 显示部分设计方案 显示部分采纳数码管直读显示,此方案地最大优点就是成本较低,缺点是电 .但是此方案完全可以满 路相对复杂,需要驱动电路,在软件上也需要做出处理 足本报警系统地功能和要求,软件处理上也不是特殊地复杂,驱动电路也相对 简洁.1.3 总体设计框图 整个系统由

11、测温电路、主掌握器、驱动电路和数码管四个模块组成 .段选 AT89C2051 HC244 LED数码管 主掌握器 位选 显示 三极管DS18B20 1 图 1-1 总体设计框图第 2 章 系统硬件电路设计名师归纳总结 系统整体硬件电路包括单片机掌握器、温度采集部分硬件和显示部分.本设第 5 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 计采纳 AT89C2051 为掌握器、 DS18B20 为温度传感器与单片机地接口电路以及 LED 数码显示管 .2.1 单片机模块AT89C2051 主要特点是采纳Flash 储备器技术,降低了制造成本,其软件、硬

12、件与 DS18B20 完全兼容 .AT89C2051片内含有 2K 字节地 Flash程序储备器,128 字节地片内 RAM. 答应工作地时钟为024MHz.AT89C2051 不答应构造外部总线来扩充程序 /数据储备器,所以它不需要 ALE 、PSEN、RA、WR 一类地引脚 .AT89C2051 共有 20 个引脚,体积小巧易于操作 .引脚图及内部结构图如下：T0 T1时钟电路ROMRAM定时/ 计数器CPU并行接口P3串行接口RxD中断系统INT1P0P1P2TxDINT0图 2-1 2051 单片机引脚图及内部结构框图2.1.1 AT89C2051 功能及特性1.串口P1 口共 8 脚

13、,准双向端口 .P3.0P3.6共 7 脚,准双向端口,并且保留了全部地 P3 地其次功能,如P3.0、P3.1 地串行通讯功能, P3.2、P3.3 地中断输入名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 功能,P3.4、P3.5地定时器输入功能 .在引脚地驱动才能上面, 89C2051具有很强地下拉才能, P1,P3 口地下拉才能均可达到20mA.89C2051 驱动才能地增强,使得它可以直接驱动LED 数码管 .为了增加对模拟量地输入功能,AT89C2051在内部构造了一个模拟信号比较器,其输入端连到P1.0 和 P1.

14、1 口,比较结果存入 P3.6 对应寄存器,对于一些不大复杂地掌握电路我们就可以增加少量元件来实现 .2.电源AT89C2051 有很宽地工作电源电压,可为 2.76V,当工作在 3V 时,电流相当于 6V 工作时地 1/4.工作于 12Hz 时,动态电流为 5.5mA,闲暇态为 1mA,掉电态仅为 20nA.这样小地功耗很适合于电池供电地小型掌握系统 .3.储备器AT89C2051 片内含有 2k 字节地 Flash 程序储备器, 128 字节地片内 RAM.由于 2051 内部设计全静态工作,所以答应工作地时钟为 020MHz, 也就是说,答应在低速工作时,不破坏 RAM 内容 .相比之下

15、,一般 8031 对最低工作时钟限制为 3.5MHz,由于其内部地 RAM 是动态刷新地 .4.内部 I/O 掌握89C2051在内部 I/O 口为 5 路 2 级优待中断, 2 路定时器 /计数器 .2.1.2 单片机模块功能该模块由以下几个部分组成：1.复位电路：为确保微机系统中电路稳固牢靠工作,复位电路是必不行少地一部分,复位电路地第一功能是上电复位.一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V 5%,即 4.755.25V.由于微机电路是时序数字电路,它需要稳固地时钟信号,因此在电源上电时,只有当VCC 超过 4.75V 低于 5.25V 以及晶体振名师归纳总结 荡器 稳固工作时,复位信号

16、才被撤除,微机电路开头正常工作.第 7 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2-1 复位电路目前为止,单片机复位电路主要有四种类型：1 微分型复位电路；2 积分型复位电路；3 比较器型复位电路；4 看门狗型复位电路 .2.振荡电路：晶振是晶体振荡器地简称,在电气上它可以等效成一个电容 和一个电阻并联再串联一个电容地二端网络,电工学上这个网络有两个谐振 点,以频率地高低分其中较低地频率是串联谐振,较高地频率是并联谐振 .由于 晶体自身地特性致使这两个频率地距离相当地接近,在这个极窄地频率范畴 内,晶振等效为一个电感,所以只要晶振地两端并

17、联上合适地电容它就会组成 并联谐振电路 .这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感地频率范畴很窄,所以即使其他元件地参数变化很名师归纳总结 大,这个振荡器地频率也不会有很大地变化,震荡电路地电路图如图2-2所示 .第 8 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图2-2 晶振电路晶振有一个重要地参数,那就是负载电容值,挑选与负载电容值相等地并联电容,就可以得到晶振标称地谐振频率. 一般地晶振振荡电路都是在一个反相放大器（留意是放大器不是反相器）地两端接入晶振,再有两个电容分别接到晶振地两端,每个电容地另

18、一端再接到地,这两个电容串联地容量值就应当等于负载电容,请留意一般 IC 地引脚都有等效输入电容,这个不能忽视 .2.2 温度采集部分硬件2.2.1 温度传感器 DS18B20DS18B20 温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出地一种改进型智能温度传感器,与传统地热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可依据实际要求通过简洁地编程实现 DS18B20 地性能特点如下：9-12 位地数字值读数方式 . 1.特殊地单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2.多个 DS18B20 可以并联在惟一地三线上,实现多点组网功能；3.无须外部器件；4.可通过数据线供电,电压范畴为 3.05.

19、5；5.零待机功耗；6.温度以 9 或 12 位数字；7.用户可定义报警设置；8.报警搜寻命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）地器件；9.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 采纳 3 脚 PR35 封装或 8 脚 SOIC 封装,其内部结构框图如图 2-3 所示：名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - I/O 储备器与掌握64 位 ROM 温 度 传 感和Vdd C 单高高 温 触 发 器线低温触发器 TL 速接缓口配 置 寄 存存8 位 CRC发生器图 2-

20、3 DS18B20内部结构64 位 ROM 地结构开头 8 位是产品类型地编号,接着是每个器件地惟一地序号,共有48 位,最终8 位是前面56 位地CRC 检验码,这也是多个DS18B20 可以采纳一线进行通信地缘由 软件写入户报警上下限 .温度报警触发器和,可通过DS18B20 温度传感器地内部储备器仍包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性地可电擦除地EERAM. 高速暂存 RAM 地结构为 8 字节地储备器 .头 2 个字节包含测得地温度信息,第 3 和第 4 字节和地拷贝,是易失地,每次上电复位时被刷新 .第 5 个字节,为配置寄存器,它地内容用于确定温度值地数字转换辨论率 .DS18

21、B20 工作时寄存器中地辨论率转换为相应精度地温度数值 .低 5 位始终为 1,TM 是工作模式位,用于设置DS18B20 在工作模式仍是在测试模式, DS18B20 出厂时该位被设置为 0,用户要去改动, R1 和 R0 打算温度转换地精度位数,来设置辨论率 .另外,由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成地,它有严格地时隙概念,因此读写时序很重要 .系统对 DS18B20 地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 发储备器操作命令处理数据 .2.2.2 DS18B20 温度传感器与单片机地接口电路DS18B20可以采纳两种方式供电,

22、一种是采纳电源供电方式,此时 DS18B20地 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,为保证在有效地 DS18B20时钟周期内供应足够地电流,可用一个 MOSFET管来完成对总线地上拉 .DS18B20 与单片机地接口电路如图 2-4名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - . .VCCDS18B20DS18B20DS18B20.单VCCGND.片4.7K机GNDGND图 2-4 DS18B20 与单片机地接口电路当 DS18B20处于写储备器操作和温度A/D 转换操作时,总线上必需有

23、强地上拉,上拉开启时间最大为 10us. 采纳寄生电源供电方式时 VDD 端接地 . 由于单线制只有一根线,因此发送接口必需是三态地 . 由于 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据,因此,对读写地数据位有着严格地时序要求 .DS18B20 有严格地通信协议来保证各位数据传输地正确性和完整性 . 该协议定义了几种信号地时序：初始化时序、读时序、写时序 . 全部时序都是将主机作为主设备,单总线器件作为从设备 . 而每一次命令和数据地传输都是从主机主动启动写时序开头,假如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 位在先 .DS18B20地复位时序. 数据和命令地

24、传输都是低图 2-5 DS18B20 复位时序 DS18B20地读时序名师归纳总结 对于 DS18B20地读时序分为读0 时序和读1 时序两个过程.第 11 页,共 24 页对于 DS18B20地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 .- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2-6 DS18B20 读时序DS18B20地写时序对于 DS18B20地写时序仍旧分为写 0 时序和写 1 时序两个过程 .对于 DS18B20写 0

25、时序和写 1 时序地要求不同,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 总线上地 “ 0” 电平,当要写 1时序时,单总线被拉低之后,在 15us 之内就得释放单总线 .图 2-7 DS18B20 写时序2.3 显示部分电路设计LED 数码管是一种常见地显示数字量地元器件,其有两种连接方式,即共名师归纳总结 阴极连接、共阳极连接.此次数字温度计系统地显示部分采纳地是共阳极7 段第 12 页,共 24 页LED 数码管,其主要缘由是不用上拉电阻,从而节约了电地使用.另外在焊接地过程中比较简洁,显现地误差几率较小.

26、- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2-874HC244内部集成8 路非门,由两路使能信号掌握. 主要用于数码管功率驱动.图 2-9 74HC244 管脚图74HC244 芯片内部共有两个四位三态缓冲器,使用时可分别以 作为它们地选通工作信号 .当 1/OE 和 2/OE 都为低电平常,输出端1C 和 2G Y 和输入端A 状态相同；当 1/OE 和 2/OE 都为高电平常,输出呈高阻态,所以在使用芯片 时肯定要留意 .名师归纳总结 2.4设计实物图第 13 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - -

27、图 2-10 设计实物图第 3 章 系统软件部分设计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,运算温度子程序,显示数据刷新子程序等 .3.1 主程序开头DS18B20 初始化读取温度子程序温度转换子程序运算温度子程序显示子程序图 3-1 主程序流程图名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.2 读出温度子程序读出温度子程序地主要功能是读出RAM 中地 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地改写 .其程序流程图如图 3-2 所示：发 DS18B20复位命令发跳过 ROM命令发

28、读取温度命令读取操作, CRC 校验Y 9 字节完？Y CRC校验正？N N 移入温度暂存器终止图 3-2 读温度流程图3.3 温度转换命令子程序名师归纳总结 温度转换命令子程序主要是发温度转换开头命令,当采纳12 位辨论率时第 15 页,共 24 页转换时间约为750ms,在本程序设计中采纳1s 显示程序延时法等待转换地完成.温度转换命令子程序流程图如上图,图3-3 所示：- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 发 DS18B20复位命令发跳过 ROM命令发温度转换开头命令图 3-3 温度转换流程图 终止3.4 运算温度子程序运算温度子程序将 RAM 中读

29、取值进行 BCD 码地转换运算,并进行温度值正负地判定,其程序流程图如图 3-4 所示：开头温度零下 . N Y 温度值取补码置“ 置“+” 标志运算小数位温度BCD运算整数位温度BCD值终止图 3-4 运算温度流程图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地显示数据进行刷新操作,当名师归纳总结 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：第 16 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 数据移入显示寄存器N 十位数 0？Y N 百位数 0？Y 十位数显示符号 百位 数显示数 百位数不显示 据终止

30、图 3-5 显示数据刷新流程图3.6 程序代码 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar k；sbit DS =P37； /定义 DS18B20 通讯端口sbit D1=P30；sbit D2=P31； /数码管 位选sbit D3=P32；sbit D4=P33；uchar code LED=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90 ；uchar code ditab16 = 0x00,0x01,0x01,0x02,0x0

31、3,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09, 0x09；/查小数表uchar data temp_data4 = 0x00,0x00,0x00,0x00；/高低位暂时数据uchar data display5 = 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00；/数据转换 void delay_msuint ms uint x,y ； forx=ms；x0；x- fory=110； y0；y-；名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - void delay_u

32、suchar us while-us ； ReadCharvoid/读一个字节 uchar i；uchar dat = 0；for i=8；i0；i- DS=1；delay_us1；dat=1；DS = 0；delay_us1； /4us DS = 1；delay_us1； /4us ifDSdat|=0x80；delay_us30； /66us DS=1；returndat； WriteCharuchar dat /写一个字节 uchar i；for i=8； i0； i- DS=1；delay_us1；DS = 0；delay_us1；DS = dat&0x01；delay_us30；da

33、t=dat/2； DS = 1；delay_us3； Init_18B20void/ 初始化 18B20 DS=1； delay_us1；DS=0； delay_us250； /单片机将 DQ 拉低 545us DS=1； delay_us30；delay_us250； /延时 500us DS = 1； 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - Read_18B20/ 读取温度 Init_18B20 ； /初始化 WriteChar0xCC； /跳过读序号列号地操作 WriteChar0xBE； /读取温度寄存器 te

34、mp_data0 = ReadChar； /温度低 8位 temp_data1 = ReadChar； /温度高 8位 Init_18B20； /初始化 WriteChar0xCC； /跳过读序号列号地操作 WriteChar0x44； /开头温度转换 display4=temp_data0&0x0f ；/低 8 位 display0=ditabdisplay4 ； /查表得小数位地值 display4=temp_data0&0xf04|temp_data1&0x0f4 ；/高 8 位display3=display4/100 ；display1=display4%100 ；display2=

35、display1/10 ；display1=display1%10 ； void Disp/ 显示 D1=0；P1=LEDdisplay0 ； /小数位 delay_ms3；D1=1；delay_ms1；D2=0；P1=LEDdisplay1 ； /各位 delay_ms3；D2=1；delay_ms1；D2=0； /小数点 P1=0x7f；delay_ms3；D2=1；delay_ms1；D3=0；名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - P1=LEDdisplay2 ； /十位 delay_ms3；D3=1；delay_ms1；ifdisplay3.=0x00 / 百位 D4=0；P1=LE