單片機課程設計報告數(shù)字溫度計設計

1、河南理工大學單片機課程設計報告數(shù)字溫度計設計2009年6月15日摘要在這個信息化高速發(fā)展的時代，單片機作為一種最經(jīng)典的微控制器，單片機技術已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個領域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術，作為自動化專業(yè)的學生，我們學習了單片機，就應該把它熟練應用到生活之中來。本文將介紹一種基于單片機控制的數(shù)字溫度計，本溫度計屬于多功能溫度計，可以設置上下報警溫度，當溫度不在設置范圍內(nèi)時，可以報警。本文設計的數(shù)字溫度計具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫精確，數(shù)字顯示，適用范圍寬等特點。關鍵詞：單片機，數(shù)字控制，數(shù)碼管顯示，溫度計，ds18b20，at89s52。 目錄1概述51.1設計目的51.

2、2設計原理51.3設計難點52 系統(tǒng)總體方案及硬件設計52.1數(shù)字溫度計設計方案論證52.2.1 主控制器62.4 系統(tǒng)整體硬件電路設計103系統(tǒng)軟件設計123.1初始化程序123.2讀出溫度子程序133.3讀、寫時序子程序143.4 溫度處理子程序163.5 顯示程序173.6延時程序184 proteus軟件仿真195課程設計體會21附錄1：22附錄2：271概述1.1設計目的 隨著人們生活水平的不斷提高,單片機控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計就是一個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施就需要

3、從數(shù)單片機技術入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。本設計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，可廣泛用于食品庫、冷庫、糧庫、溫室大棚等需要控制溫度的地方。目前,該產(chǎn)品已在溫控系統(tǒng)中得到廣泛的應用。1.2設計原理 本系統(tǒng)是一個基于單片機at89s52的數(shù)字溫度計的設計，用來測量環(huán)境溫度，測量范圍為-50110度。整個設計系統(tǒng)分為4部分：單片機控制、溫度傳感器、數(shù)碼顯示以及鍵盤控制電路。整個設計是以at89s52為核心，通過數(shù)字溫度傳感器ds18b20來實現(xiàn)環(huán)境溫度的采集和a/d轉

4、換，同時因其輸出為數(shù)字形式，且為串行輸出，這就方便了單片機進行數(shù)據(jù)處理，但同時也對編程提出了更高的要求。單片機把采集到的溫度進行相應的轉換后，使之能夠方便地在數(shù)碼管上輸出。led采用四位一體共陰的數(shù)碼管。1.3設計難點 此設計的重點在于編程，程序要實現(xiàn)溫度的采集、轉換、顯示和上下限溫度報警，其外圍電路所用器件較少，相對簡單，實現(xiàn)容易。2 系統(tǒng)總體方案及硬件設計2.1數(shù)字溫度計設計方案論證由于本設計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行a/d轉換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設計需要用到a

5、/d轉換電路，感溫電路比較麻煩。進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器ds18b20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉換，就可以滿足設計要求。2.2總體設計框圖溫度計電路設計總體設計方框圖如圖1所示，控制器采用單片機at89s52，溫度傳感器采用ds18b20，用4位共陰led數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示。圖1 總體設計框圖2.2.1 主控制器單片機at89s52具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設計需要，適合便攜手持式產(chǎn)品的設計使用。at89s52單片機芯片具有以下

6、特性：1）指令集合芯片引腳與intel公司的8052兼容；2）4kb片內(nèi)在系統(tǒng)可編程flash程序存儲器；3）時鐘頻率為033mhz；4）128字節(jié)片內(nèi)隨機讀寫存儲器（ram）；5）6個中斷源，2級優(yōu)先級；6）2個16位定時/記數(shù)器；7）全雙工串行通信接口；8）監(jiān)視定時器；9）兩個數(shù)據(jù)指針；2.2.2 顯示電路顯示電路采用4位共陰led數(shù)碼管，從p0口輸出段碼，p2.0p2.3作片選端。但在焊電路板的時候發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管亮度不夠，所以在p2.0p2.3端口接四個10k的電阻和四個npn的三極管，以使數(shù)碼管高亮顯示。2.2.3溫度傳感器ds18b20溫度傳感器是美國dallas半導體公司推出的一種改進

7、型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。ds18b20的性能特點如下：獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信，無須經(jīng)過其它變換電路；多個ds18b20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器rom；可通過數(shù)據(jù)線供電，內(nèi)含寄生電源，電壓范圍為3.05.5；零待機功耗；溫度以或位數(shù)字；用戶可定義報警設置； 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；測溫范圍為-55-+125，測量

8、分辨率為0.0625采用單總線專用技術，ds18b20采用腳pr35封裝或腳soic封裝，其內(nèi)部結構框圖如圖2所示。 圖2 ds18b20內(nèi)部結構64位rom的結構開始位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后位是前面56位的crc檢驗碼，這也是多個ds18b20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器和，可通過軟件寫入用戶報警上下限。ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存ram和一個非易失性的可電擦除的eeram。高速暫存ram的結構為字節(jié)的存儲器，結構如圖3所示。頭個字節(jié)包含測得的溫度信息，第和第字節(jié)和的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第個字節(jié)

9、，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率。ds18b20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖3所示。低位一直為，是工作模式位，用于設置ds18b20在工作模式還是在測試模式，ds18b20出廠時該位被設置為，用戶要去改動，r1和r0決定溫度轉換的精度位數(shù)，來設置分辨率。溫度 lsb溫度 msbth用戶字節(jié)1tl用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留crc圖3 ds18b20字節(jié)定義由下面表1可見，ds18b20溫度轉換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。高速暫存的第、字節(jié)保留未用，表

10、現(xiàn)為全邏輯。第字節(jié)讀出前面所有字節(jié)的crc碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當ds18b20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第、字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625lsb形式表示。當符號位時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。表2是一部分溫度值對應的二進制溫度數(shù)據(jù)。表1 ds18b20溫度轉換時間表ds18b20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與ram中的

11、th、t字節(jié)內(nèi)容作比較。若th或ttl，則將該器件內(nèi)的報警標志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應。因此，可用多只ds18b20同時測量溫度并進行報警搜索。 在64位rom的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（crc）。主機rom的前56位來計算crc值，并和存入ds18b20的crc值作比較，以判斷主機收到的rom數(shù)據(jù)是否正確。 ds18b20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，ds18b2

12、0就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器、溫度寄存器中，計數(shù)器和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器的預置值減到時，溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)器門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值大致

13、被測溫度值。溫度/二進制表示十六進制表示+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

14、0000fc90h表2一部分溫度對應值表2.3 ds18b20溫度傳感器與單片機的接口電路圖4 ds18b20與單片機的接口電路ds18b20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時ds18b20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖4 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的ds18b20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個mosfet管來完成對總線的上拉，多個ds18b20可以將2口串接到一條總線上，而本設計只用了一個ds18b20。當ds18b20處于寫存儲器操作和溫度a/d轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源

15、供電方式時vdd端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。2.4 系統(tǒng)整體硬件電路設計2.4.1 主板電路 系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調整電路，單片機主板電路等，單片機主板電路如圖5 所示：圖5 單片機主板電路圖5 中包括時鐘振蕩電路和按鍵復位電路，按鍵復位電路是上電復位加手動復位，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復位，這樣就不用在重起單片機電源，就可以實現(xiàn)復位。另外擴展電路中，蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內(nèi)時，發(fā)出報警鳴叫聲音，同時led數(shù)碼管將沒有被測溫度值顯示，這時可以調整報警上下限，從而測出被測的溫度值。2.4.2 顯示電

16、路 顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優(yōu)點就是使用口資源比較少，只用p0和p3口,串口的發(fā)送和接收，采用4位共陰led數(shù)碼管，從p0口輸出段碼，p2.0p2.3作片選端。但在焊電路板的時候發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管亮度不夠，所以在p2.0p2.3端口接四個10k的電阻和四個npn的三極管，期望增加驅動電流，以使數(shù)碼管高亮顯示。圖6 溫度顯示電路3系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。3.1初始化程序dq置1短延時dq置0延時450usdq置1延時15-60us延時至少60usx=dq結束x=dq 、 圖7 初始化程序流程圖3.2讀出

17、溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出ram中的2字節(jié)，讀出溫度的低八位和高八位，在讀出時需進行crc校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖8示初始化發(fā)跳過rom指令開始溫度轉換延時2ms初始化寫入跳過rom、讀取暫存器和crc字節(jié)指令讀取溫度的低八位和高八位取中間八位結束 圖8 讀溫度程序流程圖3.3讀、寫時序子程序讀寫的程序是本次設計中的重點和難點，通過我們對其時序的分析，從而寫出高效的程序。寫1，0時序讀0，1時序dq=0延時15usdat&=0x01dat>>1延時45usdq=1結束 dq置1短延時dq置0延時450usdq置1延時15-60us

18、延時至少60usx=dq結束x=dq圖9 寫時序子程序流程圖 圖10 讀時序子程序流程圖3.4 溫度處理子程序計算溫度子程序將ram中讀取值進行bcd碼的轉換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖11所示。取反flag=1開始flag=0ht>128?求百位、十位、個位和小數(shù)位bai=0？shi=0?顯示個位和小數(shù)位顯示十位顯示百位結束 n y n y 圖11 溫度處理程序流程圖 3.5 顯示程序此函數(shù)實現(xiàn)的對數(shù)碼管顯示的處理，其亮點在于可以直接對數(shù)碼管進行操作，其本身是個兩變量函數(shù)，第一個變量是要開通的位選，第二個變量是要顯示的數(shù)據(jù)，這樣我們可以直接方便而又簡單直觀的對數(shù)碼管進

19、行操作。程序流程圖如圖12。 送位選位選值左移n位送段碼n=2?p0.7=0延時1ms關斷位選結束 n y 圖12顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖3.6延時程序延時程序主要分為短延時和長延時，短延時如果要求十分的精確可以采用定時器，如果要求不太高的話可以采用普通函數(shù)的疊加，可以近似時間的延時。長延時同樣的道理，不過要求不是很精確的話，可以采取語言結構的循環(huán)來實現(xiàn)延時。具體程序如下:/近乎精確的短延時，采用標準庫里的_nop_()函數(shù)，此函數(shù)一個延時為22微秒左右；void delay15(uint n) do _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_

20、nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); n-; while(n);/長延時，用于不太嚴格的延時void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=50;y>0;y-);表3 delay15（）延時函數(shù)的取值采樣：n的取值1234101520222324時間17us48us69us90us216us321us426us468us489us510us4 proteus軟件仿真     5課程設計體會 經(jīng)過將兩周的單

21、片機課程設計，終于完成了我們的數(shù)字溫度計的設計，雖然沒有完全達到設計要求，但從心底里說，還是高興的，畢竟這次設計把實物都做了出來，高興之余不得不深思呀！ 在本次設計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，雖然以前還做過這樣的設計但這次設計真的讓我長進了很多，單片機課程設計重點就在于軟件算法的設計，需要有很巧妙的程序算法，雖然以前寫過幾次程序，但我覺的寫好一個程序并不是一件簡單的事，舉個例子，以前寫的那幾次，數(shù)據(jù)加減時，我用的都是bcd碼，這一次，我全部用的都是16進制的數(shù)直接加減，顯示處理時在用對不同的位，求商或求余，感覺效果比較好。還有時序的問題，通過這次的設計我明白了時序才真正是數(shù)字芯片的靈魂，所有的

22、程序我們都可以通過對其時序的理解來實現(xiàn)對其操作，同時體會到了單總線結構的魅力。 從這次的課程設計中，我真真正正的意識到，在以后的學習中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，學習單機片機更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次課程設計中的最大收獲。 最重要的是本次設計是兩個人一組，讓我們有種組隊做單片機開發(fā)項目的感覺，畢竟一個項目只靠一個人是很難完成的，今后我們做的項目肯定要多人協(xié)作。在這次設計過程中培養(yǎng)了我們的團隊協(xié)作精神，便于我們走到工作崗位后能很快適應工作環(huán)境。 參考文獻1ds18b20數(shù)據(jù)手冊。2 求是科技編著8051系列單片機c程序設計完全手冊北京

23、: 人民郵電出版社, 20063 余發(fā)山，王福忠.單片機原理及應用技術.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003附錄1：源程序代碼：#include <reg52.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#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=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x9

24、9,/"0" "1" "2" "3""4" 0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf,0xc6; /共陽； / "5" "6""7""8""9" "滅""-" 'c' */uchar tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x00,0x40;

25、uchar tab216=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;uchar d1,d2,ht,bai,b,shi,ge;uint tem;/近乎精確的短延時，采用標準庫里的_nop_()函數(shù)，此函數(shù)一個延時為22微秒左右；void delay15(uint n) do _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_()

26、; n-; while(n);/長延時，用于不太嚴格的延時void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=50;y>0;y-);/初始化函數(shù)void init()uchar x=1;while(x)dq=1;_nop_();dq=0;delay15(23); /最小480us；dq=1;delay15(2);/存在檢測高電平最小15us； x=dq;delay15(22);/ 存在檢測低電平最小240us；x=dq;dq=1; void write(uchar dat)uchar i;for(i=8;i>0;i-)dq=1

27、;_nop_();_nop_(); dq=0;dq=dat&0x01;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();delay15(3);dat>>=1;dq=1;_nop_();/讀一個字節(jié)；read()uchar i;uchar dat=0;for(i=8;i>0;i-)dq=1;dat>>=1;_nop_();dq=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/十五微秒不變；dq=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();if(dq) dat|=0x80;delay15(3);dq=1;return(dat); /讀溫度函數(shù) readt()init();delay15(20)