课程设计(论文)基于单片机和ds18b20的数字温度计.doc
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1、摘要温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域,尤其在热学试验中,有特别重要的意义。随着人们生活水平的不断提高,,人们对温度计的要求越来越高,传统的温度计功能单一、精度低,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。数字温度计(Digital Thermometer)简称D温度是许多监控系统中的一个重要参数。TM,它是采用数字化测量技术,把连续的温度值转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。采用单片机控制的数字温度计,由于精度高、可扩展性强、集成方便、抗干扰能力强,得到了广泛的应用。本设计以单片机和温度传感器为核心,
2、设计数字温度计。实现对温度的采集、监视和报警。在温度采集的实现中,使用了AT89C51单片机和温度传感器DS18B20,温度监视部分利用动态驱动技术,以单片机驱动4位LED数码管。温度测量范围-55+125,通过按键设置上下限报警温度,并用4位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到设计要求。正文还介绍了AT89C51和集成温度传感器DS18B20。 目录1 设计的意义及主要功能31.1 意义31.2 主要功能32 总体方案设计42.1 方案比较42.2 方案论证52.3 方案选择53 硬件电路设计63.1 元器件的选择63.2 电路原理图63.3 特殊元器件的介绍63.3.
3、1 AT89C51介绍63.3.2 DS18B20介绍94 总结135 参考文献13附录141 设计的意义及主要功能1.1 意义随着人们生活水平的不断提高,数字化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,一切向着数字化控制,智能化控制方向发展。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。温度计是常用的热工仪表,常用于工业现场作为过程的温度测量。在工业生产过程中,不仅需要了解当前温度读数,而且还希望能了解过程中的温度变化情况。随着工业现代化的发展,对温
4、度测量仪表的要求越来越高,而数字温度表具有结构简单,抗干扰能力强,功耗小,可靠性高,速度快等特点,更加适合于工业过程中以及科学试验中对温度进行在线测量的要求。近年来,数字温度表广泛应用在各个领域,它与模拟式温度表相比较,归纳起来有如下特点。准确度高,测量范围宽、灵敏度高,测量速度快,使用方便、操作简单,抗干扰能力强,自动化程度高,读数清晰、直观方便。数字温度计的高速发展,使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表。数字化是当前计量仪器仪表发展的主要方向之一。而高准确度数字温度计的出现,又使温度计进入了精密标准测量领域。与此相适应,测量的可靠性、准确性显得越来越重要。1.2 主要功能实
5、时显示环境温度。4位数码管显示,3位整数,1位小数。温度范围:-55125。上电运行,实时显示温度。2 总体方案设计 通过查阅大量相关技术资料,并在老师的指导下,使我对整个电路系统有了一个比较全面的了解。本设计主要是实现模拟量温度的采集,然后使其转换为数字量,最后将其转化为直观的十进制示值。 方案比较对同一种目的的实现,可以用不同的方案,下面就着重介绍以下两种方案对同一目的的实现方法。并比较两种方案的优劣。方案一原理框图如图1所示:热电偶ADC译码显示电路电源图1 方案一的原理框图方案一的原理简述:该方案的各部分电源均由总电源供电,温度传感器为热电偶,热电偶的热端感受被测物体温度t,产生相应的
6、热电势。热电势与热端温度成单值函数关系,用模数转换器ADC将热电势转化为数字量,按照热电势与温度的函数关系将该数字量转换为对应温度值,经译码显示电路显示在数码管上,从而实现数字温度计的功能。方案二原理框图如图2所示:显示电路电源数字温度传感器AT89C51图2 方案二的原理框图方案二的原理简述:该方案的各部分电源均由总电源供电,51单片机作为中央处理器及控制核心,控制数字温度计采集温度,数字温度传感器在采集到温度后直接输出数字量,传给单片机进行处理,单片机将传回的二进制数据处理后转换为相应温度,由译码显示电路以十进制形式显示在数码管上。方案三原理框图如图3所示:数字温度传感器控制电路译码显示电
7、路传感器图3 方案三的原理框图方案二的原理简述:该方案的各部分电源均由总电源供电,由模拟及数字元器件组成的控制电路作为核心,控制数字温度计采集温度,数字温度传感器在采集到温度后直接输出数字量,传给控制电路进行处理,控制电路将传回的二进制数据处理后转换为相应温度,由译码显示电路以十进制形式显示在数码管上。 方案论证以上三种方案都是可行的,第一种方案的优点是由纯硬件电路构成,不涉及软件编程,但是由于热电势与温度之间的函数关系较复杂,利用硬件电路完成其转化较复杂,设计该电路难度较大且电路将比较庞大。第二种方案的难点主要是单片机程序编制,但其硬件电路相对简单,借助于微控制器的强大功能可使设计周期缩短,
8、测量精度高,且易于扩展功能,增强了电路对各种工作要求的适应性。第三种方案的优点是由纯硬件电路构成,不涉及软件编程,但是数字式温度传感器的工作涉及复杂的时序,用硬件电路实现将十分复杂,电路设计难度大且电路庞大。 方案选择考虑到自己先前自学过单片机知识,对单片机有一定了解以及电路的灵活性和适用性,经过上面三个方案的分析,第二个方案的可行性高,所以我选择第二个方案作为设计方案。在第二个方案中,数字式温度传感器和单片机起着主导作用,单片机控制传感器测温并将其传回的数据进行处理,通过改变程序,可改变测量精度及电路的功能,可实现设计要求。3 硬件电路设计3.1 元器件的选择在本设计中主要采取较为熟悉的AT
9、89C51单片机和由美国DALLAS半导体公司研制的DS18B20温度传感器以及4位LED数码管。3.2 电路原理图电路原理图如图4所示。 图43.3 特殊元器件的介绍 AT89C51介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指
10、令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1主要特性:a) 与MCS-51 兼容 b) 4K字节可编程闪烁存储器 c) 寿命:1000写/擦循环d) 数据保留时间:10年e) 全静态工作:0Hz-24Hzf) 三级程序存储器锁定g) 128*8位内部RAMh) 32可编程I/O线i) 两个16位定时器/计数器j) 5个中断源 k) 可编程串行通道l) 低功耗的闲置和掉电模式m) 片内振荡器和时钟电路 2管脚说明:
11、 VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:
12、P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部
13、上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下所示: 图5 AT89C51管脚图P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/
14、PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR区中的8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次PSEN有效。但在访问
15、外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。 EA/VPP:当EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。3振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内
16、部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除: 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU停止工作。但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。 DS18B2
17、0介绍温度传感器DS18B20是一种新型数字温度传感器,它采用独特的单线接口方式,仅需一个端口引脚来发送或接收信息,在单片机和DS18B20之间仅需一条数据线和一条地线进行接口。DS18B20采用TO-92或8脚SOIC封装,引脚排列如图6所示。各引脚功能如下:l GND:地。l DQ:单线应用的数据输入/输出引脚。l VDD:可选的外部供电电源引脚。DS18B20内部有三个主要数字部件:64位激光ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL。DS18B20可以采用寄生电源方式工作,从单总线上汲取能量,在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能
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