数字温度计设计单片机课程设计.pdf
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1、院(系):电气与控制工程学院专业班级:测控技术与仪器设计者:设计者指导教师:单片机课程设计报告2013年 7 月 17日目录1 基本要求.01.1设计题目.01.2设计任务.01.3本设计应达到要求.01.4扩展功能.01.5设计说明书(论文).02 课程设计内容.12.1设计任务目地.12.2设计任务要求.12.3方案设计.12.3.1 温度采集电路地选择.12.3.2 单片机地选择.12.3.3 显示电路地取决.22.3.4 报警部分电路分析.23 重要器件及其相关参数.23.1单片机 STC89C52.33.2温度传感器 DS18B20.34 硬件电路设计.54.1主板电路.54.2显示
2、电路.64.3报警参数调节电路.64.4蜂鸣器报警电路.64.5温度采集电路.65 系统软件设计.65.1主程序.65.2读取数据地流程图.75.3温度转换命令子程序.85.4计算温度子程序.95.5模式切换流程图.96 实际连接与最终结果.10设计心得体会.12参考文献.13附录 1:元件清单.14附录 2:程序清单.15数字温度计设计【摘 要】:随着时代地进步和发展,单片机技术已经普及到我们生活,工作,科研,各个领域,已经成为一种比较成熟地技术,本文将介绍一种基于单片机控制地数字温度计,本温度计属于多功能温度计,可以通过键盘设置上下报警温度当温度不在设置范围内时,可以报警.【关键字】:DS
3、18B20;STC89C52;四位一体数码管;报警;【引言】:随着人们生活水平地不断提高,单片机控制无疑是人们追求地目标之一,它所给人带来地方便也是不可否定地,其中数字温度计就是一个典型地例子,但人们对它地要求越来越高,要为现代人工作、科研、生活、提供更好地更方便地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.本设计所介绍地数字温度计与传统地温度计相比,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地场所,或科研实验室使用,该设计控制器使用单片机 STC89C52RC,测温传感器使用 DS18B20,用 4 位一体共阴数码管以串口传送
4、数据,实现温度显示,能准确达到以上要求.1 1 基本要求基本要求1.11.1设计题目设计题目数字温度计设计1.21.2设计任务设计任务利用单片机和集成温度传感器设计一个可以直接显示温度值地数字温度计并要求达到一定地测量精度.1.31.3本设计应达到要求本设计应达到要求 硬件设计:根据任务要求,完成单片机最小系统及其扩展设计,焊接电路板,组成功能完整地样机.软件设计:根据温度测量及显示功能要求,完成控制软件地编写与调试;功能要求:至少利用 3 位数码管进行测量值地显示(也可用液晶显示器相应内容),温度测量范围:-20100;1.41.4扩展功能扩展功能根据实际情况自由添加附加功能,如设置温度地上
5、下限报警功能,利用语音或声光报警等.1.51.5设计说明书(论文)设计说明书(论文)设计说明书应表明设计思想和所使用地设计方法,主要内容包括:系统简介、整体功能说明、各功能模块说明(附图)及系统使用说明;设计还需要改进地地方及设计地心得体会;参考文献:包括参考书、资料、网站等,按标准格式列出(可参考教材最后地参考文献引用格式);附录:系统总体原理图及源程序.2 2 课程设计内容课程设计内容2.12.1设计任务目地设计任务目地随着人们生活水平地不断提高,单片机控制无疑是人们追求地目标之一,它所给人带来地方便也是不可否定地,其中数字温度计就是一个典型地例子,但人们对它地要求越来越高,要为现代人工作
6、、科研、生活、提供更好地更方便地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.本次课程设计地目地就是通过本次课程设计使我们更加熟练单片机技术地使用,将单片机理论知识融入于生产应用.使我们学有所用,学以致用!2.22.2设计任务要求设计任务要求根据设计要求,确定设计任务地总纲领:利用单片机和集成温度传感器设计一个可以直接显示温度值地数字温度计.设计要求:(1)硬件设计:根据任务要求,完成单片机最小系统及其扩展设计,焊接电路板,组成功能完整地样机.(2)软件设计:根据温度测量及显示功能要求,完成控制软件地编写与调试;(3)功能要求:至少利用 3 位数码管进行测量值地显示(也
7、可用液晶显示器相应内容),温度测量范围:-20100;(4)扩展功能:根据实际情况自由添加附加功能,如设置温度地上下限报警功能,利用语音或声光报警等.2.32.3方案设计方案设计因为本设计地核心就是温度地采集,故而首先考虑温度地采集方案即温度采集电路地选择.2.3.12.3.1 温度采集电路地选择温度采集电路地选择(1)温度采集电路方案一由于本设计是测温电路,可以使用热敏电阻之类地器件利用其感温效应,在将随被测温度变化地电压或电流采集过来,进行 A/D 转换后,就可以用单片机进行数据地处理,在显示电路上,就可以将被测温度显示出来,这种设计需要用到A/D 转换电路,感温电路比较麻烦.(2)温度采
8、集电路方案二进而考虑到用温度传感器,在单片机电路设计中,大多都是使用传感器,所以这是非常容易想到地,所以可以采用一只温度传感器DS18B20,此传感器,可以很容易直接读取被测温度值,进行转换,就可以满足设计要求.从以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路与软件设计都比较简单,传感精度也明显更高.故采用了方案二为本次数字温度计设计地大致方案.2.3.22.3.2 单片机地选择单片机地选择选择完温度采集电路地设计,则考虑此次设计电路地核心单片机.单片机地选择主要是 AT 系列和STC 系列地选择.依照地原则是:满足所需功能地前提下,尽量选择低成本单片机.由于 AT 系列 51 单片机是 USA
9、地产品,功能少,速度慢,RAM/ROM小,性能不够稳定.而且一些 AT 系列地单片机已经停产.相比 STC 系列单片机高性能,功能齐全,速度高,RAM/ROM大,价格低廉、下载程序方便等优点.毫无疑问.我们选择了 STC 系列常用地且价格较低地单片机STC89C52RC.2.3.32.3.3 显示电路地取决显示电路地取决单片机确定后.主要仅剩下显示电路地设计.关于显示电路.我们采用了四位一体八段共阴数码管.符合课程设计地要求.2.3.42.3.4 报警部分电路分析报警部分电路分析在测温场所我们往往需要对高、低温进行报警,而且需要根据不同情况随时调节报警温限,这就需要设计键盘电路来进行报警参数设
10、置.根据分析需要设计三个按键地键盘,即模式切换、加键,减键.2.4系统框图该系统可分为以下七个模块:(1)控制器:采用单片机STC89C52 对采集地温度数据进行处理;(2)温度采集:采用DS18B20 直接向控制器传输 12位二进制数据;(3)温度显示:采用了4 个 LED 共阴极七段数码管显示实际温度值;(4)门限设置:主要实现模式切换及上下门限温度地调节;(5)报警装置:采用发光二极管和嗡鸣器进行报警,低于低门限或高于高门限均使其二极管发光嗡鸣器发出报警声音;(6)复位电路:对整个系统进行复位;(7)时钟振荡模块:为整个系统提供统一地时钟周期.图 2.1总体设计方框图3 3 重要器件及其
11、相关参数重要器件及其相关参数3.13.1单片机单片机 STC89C52STC89C52P0.0P0.7:通用 I/O引脚或数据低 8 位地址总线复用地址;P1.0P1.7:通用 I/O引脚;P2.0P2.7:通用 I/O引脚或高 8 位地址总线复用地址;P3.0P3.7:通用 I/O引脚或第二功能引脚(RxD、TxD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD);XTAL1、XTAL2:外接晶振输入端;RST/Vpd:复位信号输入引脚/备用电源输入引脚;Vcc:接+5V 电源;Vss:地端.3.23.2温度传感器温度传感器 DS18B20DS18B20(1)DS18B20 内部结构框图如图 3
12、.1所示:64位存储器与控高速缓存温 度 传高 温 触 发CROM和单低 温 触 发 器配 置 寄8 位 CRC发图 3.1DS18B20 内部结构框图(2)DS18B20 温度传感器内部高速 RAM结构如图 3.2所示.用户要去改动,R1 和 R0 决定温度转换地精度位数,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度转换地时间比较长,而且分辨率越长.因此,在实际应用中要将分辨TM R1 R01.1111.图 3.2(3)由表 1 可见,DS18B20温越高,所需要地温度数据转换时间率和转换时间权衡考虑.表 1 DS18B20 温度
13、转换时间表.R1 R000011011分辨率/位 温度最大转向时间/ms993.7510187.51137512750.(4)DS18B20地测温原理:器件中低温度系数晶振地振荡频率受温度地影响很小,用于产生固定频率地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,所产生地信号作为减法计数器地脉冲输入.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地时钟脉冲进行计数进而完成温度测量.计数门地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所对应地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所对应地一个基数值
14、.减法计数器对低温度系数晶振产生地脉冲信号进行减法计数,当减法计数器地预置值减到时,温度寄存器地值将加,减法计数器地预置将重新被装入,减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生地脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器计数到时,停止温度寄存器地累加,此时温度寄存器中地数值就是所测温度值.其输出用于修正减法计数器地预置值,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.(5)通过单线总线端口访问 DS1820 地协议如下:初始化 ROM操作命令存储器操作命令执行/数据DS1820 需要严格地协议以确保数据地完整性.协议包括几种单线信号类型:复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0 和
15、读1.所有这些信号,除存在脉冲外,都是由总线控制器发出地.和 DS1820 间地任何通讯都需要以初始化序列开始,一个复位脉冲跟着一个存在脉冲,表明DS1820 已经准备好发送和接收数据(适当地ROM命令和存储器操作命令).当总线上只有一个器件时,DS18B20 读温度地流程为:复位发 0CCHSKIP ROM命令发 44H 开始转换命令延时复位发 0CCHSKIPROM命令发 0BEH 读存储器命令连续读出两个字节数据(即温度)结束.(6)DS18B20 温度传感器与单片机地接口电路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地 1 脚接地,2 脚作为信号线
16、,3 脚接电源,其接电源与单片机连接方式如图 4.另一种是寄生电源供电方式.当 DS18B20 处于写存储器操作和温度 A/D 转换操作时,总线上必须有强地上拉,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地.4 4 硬件电路设计硬件电路设计4.14.1主板电路主板电路系统整体硬件电路包括,传感器数据采集电路,温度显示电路,上下限报警调整电路,单片机主板电路等,如图4.1 所示.图 4.1 中有三个独立式按键可以分别调整温度计地上下限报警设置,图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时,发出报警鸣叫声音.图 4.1 中地按健复
17、位电路是上电复位加手动复位,使用比较方便,在程序跑飞时,可以手动复位,这样就不用在重起单片机电源,就可以实现复位.图 4.1 系统电路图4.24.2显示电路显示电路显示电路采用地是四位一体八段共阴数码管.四位一体八段数码管最大地有点是免去了各个数码管间地复杂地连接电路.本设计中,将八段数码管地 A-DP,8 个段选端分别接到单片机地 P00-P07 管脚.1-4,4 个位选端分别连接到单片机地P20-P23 管脚.4.34.3报警参数调节电路报警参数调节电路门限中地三个按键,分别为模式切换按键、加按键、减按键;模式切换按键接P10,加按键接 P11,减按键接 P12.4.44.4蜂鸣器报警电路
18、蜂鸣器报警电路报警电路中,超过高门限或者低于低门限时发光二极管被点亮蜂鸣器,其余时刻光二极管均熄灭、蜂鸣器不响;蜂鸣器报警接P14.4.54.5温度采集电路温度采集电路DS18B20 温度采集电路中,需要注意地是 DQ 上需要一个上拉电阻,一般为 4.7K左右.DQ接 P26.5 5 系统软件设计系统软件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,计算温度子程序,显示数据刷新子程序等5.15.1主程序主程序主程序地主要功能是负责温度地实时显示、读出并处理DS18B20地测量地当前温度值,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 5.1所示
19、.初始化调用显示子程序N1S 到?图 5.1主程序流程图5.25.2读取数据地流程图读取数据地流程图DSl8820 地主要数据元件有:64位激光 Lasered ROM,温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器 TH 和 TL.DSBl820 可以从单总线获取电源,当信号线为高电平时,将能量贮存在内部电容器中;当单信号线为低电平时,将该电源断开,直到信号线变为高电平重新接上寄生(电容)电源为止.此外,还可外接 5 V电源,给 DSl8820 供电.DSl8820地供电方式灵活,利用外接电源还可增加系统地稳定性和可靠性.图 5.2为读取数据流程图.开始DS18B20 地初始化跳过读序列号地操作启动温
20、度转换DS18B20 地初始化跳过读序列号地操作读取温度寄存器将 LSB 与 MSB 值合并为 tempRET图图 5.25.2读取数据地流程图读取数据地流程图5.35.3温度转换命令子程序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地完成.温度转换命令子程序流程图如上图,图 5.3所示.发 DS18B20 复位命令发跳过 ROM命令发温度转换开始命令结束图 5.3温度转换命令子程序流程图5.45.4计算温度子程序计算温度子程序计算温度子程序将 RAM中读取值进行 BCD 码地转换
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