课程设计报告(参考模版).doc
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1、课程设计报告课程名称: 单片机课程设计 题 目: 温度报警系统 学 院: 环境与化学工程 系:测控技术与仪器 专 业: 测控技术与仪器 班 级: 测仪102 学 号: 学生姓名: 杨友准 起讫日期: 2012-12-272013-01-07 指导教师: 杨大勇、杨俊清、熊剑 摘 要随着时代的进步和发展,温度的测试已经影响到我们的生活、工作、科研、各个领域,已经成为了一种非常重要的事情,因此设计一个温度测试的系统势在必行。本文主要介绍了一个基于AT89C52单片机的数字温度报警器系统。详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程,重点对传感器在单片机下的硬件连接,软件编程以及各模
2、块系统流程进行了详尽分析,对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现温度的采集和报警,并可以根据需要任意上下限报警温度,它使用起来相当方便,具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点,适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量,也可以当做温度处理模块潜入其他系统中,作为其他主系统的辅助扩展。DS18B20与AT89C52结合实现最简温度报警系统,该系统结构简单,抗干扰能力强,适合于恶劣环境下进行现场温度测量,有广泛的应用前景。关键词:单片机;温度检测;AT89C52;DS18B20;目录一、设计任务、目的、描述1二、主要器件简介三、系统设计四、 原理图五、 设计总结、心得体
3、会等六、 参考文献七、 附录一、 设计任务、要求1在本次单片机课程设计中,主要完成如下方面的设计任务:1) 了解单片机技术的发展现状;2) 掌握MCS-51系列80C52的最小电路及外围扩展电路的设计;3) 简述数码管动态显示和矩阵键盘基本原理;4) 了解单片机数据转换功能及工作过程;5) 完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定;6) 用KEIL完成编写系统程序;7) 用PROTUES软件完成原理图的绘制;8) 用LOCHMASTER完成硬件电路设计;9) 以万能版为模板,将所有元件按电路图焊接连线,完成调试。二、方案总体设计方案一:基于STC89C51单片机通过读取温度传感器DS18
4、B20测量温度后存储的数据,之后送去数码管显示。当高于或低于一定温度将分别利用红黄灯报警。此方案由于DS18b20测量温度范围为55+125,在工业生产中此范围较小。而且由于编程时采用I2C通信,因此读取数据是时序要求较高,程序编写复杂。本方案电路复杂,灵活性不高,效率低,不利于系统的扩展,对信号处理比较困难。方案二:采用51系列单片机作为整机的控制单元,将0-5V模拟电压信号通过AD0808模数转换成模拟温度值0-255,然后通过数码管显示其温度值。此方案设计简单,编程容易,并且增宽了测量温度范围。本设计采用第二种方案。为了能够使系统具备检测温度的大小,利用51系列单片机为主控制器,通过AD
5、0808检测由电位器分压输出的的电压值,从而输出模拟温度值0-255送入单片机,并且由其送去1602液晶显示。主要设计思路三、硬件设计3.1 DS18B20概述DS18B20是Dallas公司继DS1820后推出的一种改进型智能数字温度传感器,与传统的热敏电阻相比,只需一根线就能直接读出被测温度值,并可根据实际需求来编程实现912位数字值的读数方式3。3.1.1 DS18B20封装形式及引脚功能 图2.1 DS18B20封装形式和引脚功能如图2.1所示,DS18B20的外形如一只三极管,引脚名称及作用如下:GND:接地端。DQ:数据输入/输出脚,与TTL电平兼容。VDD:可接电源,也可接地。因
6、为每只DS18B20都可以设置成两种供电方式,即数据总线供电方式和外部供电方式。采用数据总线供电方式时VDD接地,可以节省一根传输线,但完成数据测量的时间较长;采用外部供电方式则VDD接+5V,多用一根导线,但测量速度较快。3.1.2 DS18B20内部结构64位ROM和单线接口存储和控制逻辑 高速缓存器温度传感器高温触发器TH低温触发器TL匹配寄存器8位CRC发生器电源检 测CDQVDD内部电源VDD图2.2 DS18B20内部结构图2.2中出示了DS18B20 的主要内部部件,下面对DS18B20内部部分进行简单的描述4:(1)64位ROM。64位ROM是由厂家使用激光刻录的一个64位二进
7、制ROM代码,是该芯片的标识号,如表2.1所示:表2.1 64位ROM标识8位循环冗余检验48位序列号8位分类编号(10H)MSB LSBMSB LSBMSB LSB 第1个8位表示产品分类编号,DS18B20的分类号为10H;接着为48位序列号。它是一个大于281*1012的十进制编码,作为该芯片的唯一标示代码;最后8位为前56位的CRC循环冗余校验码,由于每个芯片的64位ROM代码不同,因此在单总线上能够并接多个DS18B20进行多点温度实习检验。(2)温度传感器。温度传感器是DS18B20的核心部分,该功能部件可完成对温度的测量通过软件编程可将-55125范围内的温度值按9位、10位、1
8、1位、12位的分辨率进行量化,以上的分辨率都包括一个符号位,因此对应的温度量化值分别为0.5、0.25、0.125、0.0625,即最高分辨率为0.0625。芯片出厂时默认为12位的转换精度。当接收到温度转换命令(44H)后,开始转换,转换完成后的温度以16位带符号扩展的的二进制补码形式表示,存储在高速缓存器RAM的第0,1字节中,二进制数的前5位是符号位。如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测得的数值乘上0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测得的数值需要取反加1再乘上0.0625即可得到实际温度。(3)高速缓存器。DS18B20内部的高速缓存器包括一个高速暂存器RA
9、M和一个非易失性可电擦除的EEPROM。非易失性可点擦除EEPROM用来存放高温触发器TH、低温触发器TL和配置寄存器中的信息。(4)配置寄存器。配置寄存器的内容用于确定温度值的数字转换率。DS18B20工作是按此寄存器的分辨率将温度转换为相应精度的数值,它是高速缓存器的第5个字节,该字节定义如表2.2所示:表2.2 匹配寄存器TMR0R111111TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式,在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动;R1和R0用来设置分辨率;其余5位均固定为1。DS18B20分辨率的设置如表2.3所示:表2.3 DS18B20分辨率的设置R1
10、R0分辨率最大转换时间 /ms009位93.750110位187.51011位3751112位750DS18B20依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下,必须先建立ROM 操作协议,才能进行存储器和控制操作。因此,控制器必须首先提供下面5个ROM 操作命令之一:1)读ROM;2)匹配ROM;3)搜索ROM;4)跳过ROM;5)报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM 部分进行操作,在单线总线上挂有多个器件时,可以区分出单个器件,同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM 操作序列后,即可进行存储器和控制操作,控制器可以提供6 条存储器和控制操作指令中的任一条。一
11、条控制操作命令指示DS18B20完成一次温度测量。测量结果放在DS18B20的暂存器里,用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器TH 和TL 各由一个EEPROM字节构成。如果没有对DS18B20使用报警搜索命令,这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH 和TL 进行写入,对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。3.1.3 DS18B20供电方式DS18B20可以采用外部电源供电和寄生电源供电两种模式。外部电源供电模式是将DS18B20的GND直接接地,DQ与但单总线相连作为信号线,VDD与
12、外部电源正极相连。如图2.3所示:单片机DS18B20外部+5V电源VDDDQ4.7KVCC其它单线器件图2.3 DS18B20外部供电方式图中DS18B20的DQ端口通过接入一个4.7K的上拉电阻到VCC,从而实现外部电源供电方式。寄生电源供电模式如图2.4所示:从图中可知,DS18B20的GND和VDD均直接接地,DQ与单总线相连,单片机其中一个I/O口与DS18B20的DQ端相连。VCC单片机DS18B20GND4.7K图2.4 DS18B20寄生电源供电方式+5V3.1.4 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图2.5所示, 其主要由斜率累加器、温度系数振荡器、减法计数器
13、、温度存储器等功能部件组成。图2.5 DS18B20的测温原理DS1820 是这样测温5的:用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期,内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0,则温度寄存器(同样被预置到-55)的值增加,表明所测温度大于-55。同时,计数器被复位到一个值,这个值由斜坡式累加器电路确定,斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0,如果门周期仍未结束,将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性,以期在测温时获得比较高的分辨率。这是通过改变计
14、数器对温度每增加一度所需计数的的值来实现的。因此,要想获得所需的分辨力,必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。DS18B20内部对此计算的结果可提供0.5的分辨率。温度以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出,表2.4 给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。DS18B20测温范围-55+125,以0.5递增。表2.4 温度数据关系温度数据输出(二进制)数据输出(十六进制)+125 00FA+25 0032+0.5 00010 0000-0.5 FFFF-25 FFCE-55 FF92S18B20遵循单总线协议,每次测温时都必须有4个过程6: 初始化;
15、传送ROM 操作命令; 传送ROM操作命令; 数据交换;3.1.5 DS18B20的ROM命令read ROM(读ROM).命令代码为33H,允许主设备读出DS18B20的64位二进制ROM代码。该命令只适用于总线上存在单个DS18B20.Match ROM(匹配ROM)。命令代码为55H,若总线上有多个从设备时,适用该命令可选中某一指定的DS18B20,即只有和64位二进制ROM代码完全匹配的DS18B20才能响应其操作。Skip ROM(跳过ROM)。命令代码为CCH,在启动所有DS18B20转换之前或系统只有一个DS18B20时,该命令将允许主设备不提供64位二进制ROM代码就适用存储器
16、操作命令。Search ROM(搜索ROM)。命令代码为F0H,当系统初次启动时,主设备可能不知纵向上有多少个从设备或者它们的ROM代码,适用该命令可确定系统中的从设备个数及其RON代码。Alarm ROM(报警搜索ROM)。命令代码为ECH,该命令用于鉴别和定位系统中超出程序设定的报警温度值。Write scratchpad(写暂存器)。命令代码为4EH,允许主设备向DS18B20的暂存器写入两个字节的数据,其中第一个字节写入TH中,第二个字节写入TL中。可以在任何时刻发出复位命令终止数据的写入。Read scratchpad(读暂存器)。命令代码为BEH,允许主设备读取暂存器中的内容。从第
17、一个字节开始直到读完第九个字节CRC读完。也可以在任何时刻发出复位命令中止数据的读取操作。Copy scratchpad(复制暂存器)。命令代码为48H,将温度报警触发器TH和TL中的字节复制到非易失性EEPROM。若主机在该命令之后又发出读操作,而DS18B20又忙于将暂存器中的内容复制到EEPROM时,DS18B20就会输出一个“0”,若复制结束,则DS18B20输出一个“1”。Convert T(温度转换)。命令代码为44H,启动一次温度转换,若主机在该命令之后又发出其它操作,而DS18B20又忙于温度转换,DS18B20就会输出一个“0”,若转换结束,则DS18B20输出一个“1”。R
18、ecall E2(拷回暂存器)。命令代码为B8H。将温度报警触发器TH和TL中的字节从EEPROM中拷回到暂存器中。该操作是在DS18B20上电时自动执行,若执行该命令后又发出读操作,DS18B20会输出温度转换忙标识:0为忙,1完成。Read power supply(读电源使用模式)。命令代码为B4H。主设备将该命令发给DS18B20后发出读操作,DS18B20会返回它的电源使用模式:0为寄生电源,1为外部电源。3.2 AT89C52概述3.2.1单片机AT89C52介绍AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8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25
19、6 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,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。3.2.2 主要功能特性1、兼容MCS51指令系统 2、8k可反复擦写(大于1000次)Flash ROM; 3、32个双向I/O口; 4、256x8bit内部RAM; 5、3个16位可编程定时/计数器中断; 6、时钟频率0-24MHz; 7、2个串行中断,可编程UART串行通道; 8、2个外部中断源,共8个中断源; 9、2个读写中断口线,3级加密位; 10、低功耗空闲和掉
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