單片機(jī)數(shù)字溫度計(jì)(AVR)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字溫度計(jì)課程設(shè)計(jì)姓 名 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程 指導(dǎo)老師： 所在學(xué)院： 電子信息工程學(xué)院 2017年 12 月 15日引言單片機(jī)的出現(xiàn)是近代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的重要里程碑。 單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，以其極高的性能價(jià)格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣、發(fā)展很快。 近年來(lái)隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)的檔次不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，在工業(yè)測(cè)控、尖端科學(xué)、智能儀器儀表、日用家電、汽車電子系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、個(gè)人通信終端及通信產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用，已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化核心部件。 隨著人們生活水平的不斷提高, 單片機(jī)控制無(wú)疑是

2、人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來(lái)的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計(jì)就是一個(gè)典型的例子，但人們對(duì)它的要求越來(lái)越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)單片機(jī)技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。 本課程設(shè)計(jì)是在學(xué)習(xí)了單片機(jī)的基本原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，綜合利用所學(xué)單片機(jī)知識(shí)完成一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)并仿真實(shí)現(xiàn)，從而加深對(duì)單片機(jī)軟硬知識(shí)的理解，獲得初步的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；進(jìn)一步熟悉和掌握單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，了解單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和步驟。 本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是用單片機(jī)和溫度傳感器及相關(guān)部件實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量和數(shù)字顯示，測(cè)量精度小于0.5，可以設(shè)置溫度測(cè)量的上下限，超

3、出測(cè)溫范圍可以由蜂鳴器報(bào)警。 本設(shè)計(jì)首先是確定目標(biāo)，接下來(lái)是各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)和相應(yīng)程序的編寫。 再在proteus軟件上進(jìn)行仿真，若結(jié)果滿足要求，則可以焊接硬件，若不滿足繼續(xù)修改，最終完成數(shù)字溫度計(jì)的整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。 經(jīng)過(guò)仿真，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。 目錄1 設(shè)計(jì)概述31.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求31.2 設(shè)計(jì)思路32 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì)42.1 設(shè)計(jì)方案42.2 方案的硬件總體方框圖42.3 溫度傳感器DS18B20測(cè)溫原理52.4 硬件設(shè)計(jì)92.4.1 主控制器ATmega1692.4.2 復(fù)位電路92.4.3 時(shí)鐘振蕩電路92.4.4 報(bào)警點(diǎn)調(diào)節(jié)電路102.4.5顯示電路103 軟件設(shè)計(jì)11

4、3.1系統(tǒng)分析113.2 各子程序及其流程圖設(shè)計(jì)123.2.1 初始化子程序123.2.2 DS1820的讀寫字節(jié)子程序133.2.3 溫度讀取及轉(zhuǎn)換子程序143.2.4計(jì)算溫度子程序153.2.5溫度顯示子程序163.2.6報(bào)警子程序174 proteus軟件仿真194.1 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)194.2仿真結(jié)果分析195 系統(tǒng)原理圖206 心得體會(huì)211 設(shè)計(jì)概述1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求1.用所學(xué)的單片機(jī)知識(shí)設(shè)計(jì)制作數(shù)字溫度計(jì)；2.測(cè)溫范圍是-20-70；3.誤差小于0.5；4.所測(cè)的溫度值可以由LCD數(shù)碼管直接顯示；5.可以任意設(shè)置上下限溫度的報(bào)警功能；6.進(jìn)一步熟悉proteus, protel

5、, word軟件的功能和使用方法；1.2 設(shè)計(jì)思路首先確定我們所設(shè)計(jì)的是一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)，由單片機(jī)、溫度傳感器以及其他電路共同實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，先在proteus軟件上仿真。 根據(jù)所選用的硬件可以將整個(gè)軟件設(shè)計(jì)分為若干子程序，有初始化、查詢時(shí)間、發(fā)送指令、讀取數(shù)據(jù)、顯示溫度等構(gòu)成，可將以上子程序分別設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各自的功能，再在子程序中調(diào)用，就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。 在proteus軟件里畫出相應(yīng)的電路圖，將編寫好的程序的編譯后的文件下載到proteus電路圖的單片機(jī)里，進(jìn)行仿真，對(duì)溫度傳感器設(shè)置不同的參數(shù)，看是否達(dá)到了我們?cè)O(shè)計(jì)所要求的目標(biāo)，如果不符合要求，需要檢查程序算法和硬件連接是否有誤

6、。 若仿真成功，就按照電路圖焊接硬件。 2 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)方案采用數(shù)字溫度芯片DS18B20 測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。 采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì)DS18B20和ATmega16單片機(jī)構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置, 它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào), 也可直接與計(jì)算機(jī)連接。 采用ATmega16單片機(jī)控制，軟件編程的自由度大，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便。 該系統(tǒng)利用ATmega16芯片控制溫度傳感器DS18B20進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限溫度。 該系統(tǒng)擴(kuò)展性非常強(qiáng)。 該測(cè)溫系統(tǒng)電路簡(jiǎn)

7、單、精確度較高、實(shí)現(xiàn)方便、軟件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單。 2.2 方案的硬件總體方框圖 基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器ATmega16，溫度傳感器采用的DS18B20，用四位數(shù)碼管顯示溫度。 圖12.3 溫度傳感器DS18B20測(cè)溫原理DS18B20溫度傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 DS18B20的性能特點(diǎn)如下：（1）獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處

8、理器與DS18B20的雙向通訊。 （2）DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)溫；（3）無(wú)須外部器件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；（4）可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0-5.5；（5）零待機(jī)功耗；（6）溫度以9或12位數(shù)字，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫；（7）用戶可定義報(bào)警設(shè)置；（8）報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；（9）負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；（10）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以&q

9、uot;一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2及圖3以及圖4的測(cè)溫原理圖如下所示：圖2 引腳排列圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖預(yù)置斜率累加器比較低溫度系數(shù)振蕩器計(jì)數(shù)器1溫度寄存器Tx預(yù)置=0高溫度系數(shù)振蕩器-0計(jì)數(shù)器2T1加1停止T2圖4 DS18B20測(cè)溫原理圖64位ROM的結(jié)構(gòu)開始8位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。 溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，可通過(guò)軟件寫入戶

10、報(bào)警上下限。 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EERAM。 高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。 頭2個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。 第5個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。 DS18B20工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。 該字節(jié)各位的定義如圖5所示。 低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式，DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來(lái)設(shè)

11、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CRCTMR1R011111圖5 DS18B20的字節(jié)定義 DS18B20的分辨率定義如表2-1所示表2-1 分辨率設(shè)置表R0R1分辨率最大溫度轉(zhuǎn)移時(shí)間009位96.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms由表1可見，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。 主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換過(guò)程是：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，即將數(shù)據(jù)總線下拉500us，然后釋放，DS1

12、8B20收到信號(hào)后等待16-60us左右，之后發(fā)出60-240us的存在低脈沖，主CPU收到此此信號(hào)表示復(fù)位成功；復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，然后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)訂的讀寫操作。 表2-2 ROM指令集指令約定代碼功能讀ROM33H讀DS18B20中的編碼符合ROM55H發(fā)出此命令后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問(wèn)單線總線上與該編輯相對(duì)應(yīng)的DS18B20使之做出響應(yīng)，為下一步對(duì)該DS18B20的讀寫作準(zhǔn)備搜索ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上的DS18B20個(gè)數(shù)和識(shí)別64位ROM地址，為操作各器件作準(zhǔn)備跳過(guò)ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B2

13、0發(fā)送溫度變換指令告警搜索命令0ECH執(zhí)行后，只有溫度跳過(guò)設(shè)定值上限或下限的片子才能做出反應(yīng)表2-3 RAM指令集指令約定代碼功能溫度轉(zhuǎn)換44H啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換讀暫存器0BEH讀暫存器9個(gè)字節(jié)內(nèi)容寫暫存器4EH將數(shù)據(jù)寫入暫存器的TH、TL字節(jié)復(fù)制暫存器48H把暫存器的TH、TL字節(jié)寫到E2RAM中重調(diào)E2RAM0B8H把E2RAM中的TH、TL字節(jié)寫到暫存器TH、TL字節(jié)讀供電方式0B4H啟動(dòng)DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號(hào)給主CPU DS18B20的測(cè)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(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶

14、振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。 器件中還有一個(gè)計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測(cè)量。 計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將最低溫所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1、溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在最低溫所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。 減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí)，停

15、止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測(cè)溫度值。 其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直到溫度寄存器值大致被測(cè)溫度值。 2.4 硬件設(shè)計(jì)2.4.1 主控制器ATmega16ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。 由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。 所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)

16、同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。 這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 2.4.22.4.2 復(fù)位電路在這里采用的是按鈕加上電復(fù)位，系統(tǒng)每次上電和每次按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)就會(huì)復(fù)位。 2.4.3 時(shí)鐘振蕩電路采用的是1MHZ的晶振頻率，它與單片機(jī)的硬件連接電路如圖7所示圖7 晶振電路2.4.4報(bào)警點(diǎn)調(diào)節(jié)電路可以通過(guò)微動(dòng)開關(guān)，任意調(diào)節(jié)報(bào)警點(diǎn)的上下限，電路如圖8所示圖8 報(bào)警點(diǎn)調(diào)節(jié)電路2.4.5顯示電路顯示電路采用集成的四位一體的數(shù)碼管，為共陰極結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置不同的段碼可以顯示溫度。 圖9顯示電路3 軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)分析系統(tǒng)程序主要包括DS1820初始

17、化程序，向DS1820讀字節(jié)程序，向DS1820寫字節(jié)程序，讀取溫度及轉(zhuǎn)換程序，溫度顯示程序，報(bào)警程序。 初始化向ds1820讀一字節(jié)向ds1820寫一字節(jié)讀取溫度及轉(zhuǎn)換顯示溫度圖10主程序流程圖3.2 各子程序及其流程圖設(shè)計(jì)3.2.1 初始化子程序 令P2.7為高電平，延遲一段時(shí)間后令P2.7為低電平觸發(fā)DS1820的初始化，低電平持續(xù)一段時(shí)間，然后讀取P2.7的狀態(tài)，直到P2.7的狀態(tài)回到高電平時(shí)說(shuō)明初始化完成。 #include <at89x51.h>#define DQ P2_7#define dm P0sbit w0=P23;sbit w1=P24;sbit w2=P25

18、;sbit w3=P26;sbit jia=P20;sbit jian=P21;sbit xuan=P22;/sbit p2_7=P27;sbit speaker=P10;#define uint unsigned int #define uchar unsigned charuint mark;uint xiaoshu;int temp1=0;uint H_t=10, L_t=-5;uchar table_dm=0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f;uchar table_dm1=0xbf, 0x86, 0xdb

19、, 0xcf, 0xe6, 0xed, 0xfd, 0x87, 0xff, 0xef;uchar table_fuhao=0x00, 0x40;void delay(unsigned int i) while(i-); /初始化函數(shù)P2.7=1延時(shí)P2.7=0延時(shí)P2.7=1？完成NY圖11 初始化流程圖3.2.2 DS1820的讀寫字節(jié)子程序單片機(jī)向DS1820讀寫字節(jié)都是從最低位開始的。 Init_DS18B20(void)unsigned char x=0;DQ = 1; delay(8);DQ = 0; delay(80);DQ = 1; delay(14);x=DQ; /稍做延時(shí)后

20、如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗delay(20); /讀一個(gè)字節(jié)P2.7=1延時(shí)讀數(shù)據(jù)待寫入字節(jié)右移一位P2.7=1延時(shí)寫數(shù)據(jù)待寫入字節(jié)右移一位圖12 讀操作 圖13寫操作3.2.3 溫度讀取及轉(zhuǎn)換子程序在讀取溫度值命令前，應(yīng)使用溫度轉(zhuǎn)換命令才能保證讀入的是當(dāng)前溫度值轉(zhuǎn)換過(guò)程中DS1820會(huì)拉低總線直至轉(zhuǎn)換完成，因此可以讀取溫度總線的狀態(tài)來(lái)判斷溫度轉(zhuǎn)換是否完成。 ReadOneChar(void)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i>0;i-)DQ = 0;dat>>=1;DQ = 1;if(DQ)

21、dat|=0x80;delay(4);return(dat); /寫一個(gè)字節(jié)初始化DS1820判斷符號(hào)位轉(zhuǎn)換溫度讀取溫度圖14溫度讀取及轉(zhuǎn)換3.2.4計(jì)算溫度子程序計(jì)算溫度子程序?qū)AM中讀取值進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖14所示：WriteOneChar(unsigned char dat)unsigned char i=0;for (i=8; i>0; i-)DQ = 0;DQ = dat&0x01;delay(5);DQ = 1;dat>>=1;delay(4);/讀取 圖 15溫度計(jì)算3.2.5溫度顯示子程序void del

22、ayms(uchar t)uint i;while(t-)for(i=0;i<100;i+);/顯示其流程圖如下所示：圖16 溫度顯示3.2.6報(bào)警子程序 其流程圖如下：ReadTemperature(void)unsigned char a=0;unsigned char b=0;unsigned char i=0, t;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);WriteOneChar(0x44);Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);WriteOneChar(0xBE);a=ReadOneChar(); b=ReadOneCh

23、ar(); i=b; /*若b為1則為負(fù)溫 */ i=(i>>4); if(i=0) mark=0; t=(a>>4)|(b<<4);a=(a&0x0f);xiaoshu=a;if (a>8)t=(t+1); else mark=1;a=a>>4; b=b<<4; t=(a|b); t=t; t=(t+1); EA=1; return(t);溫度值>h_t或, <l_t報(bào)警YN 返回返回 FANGUI Return圖17報(bào)警4 proteus軟件仿真 4.1 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是在Proteus環(huán)境下進(jìn)行仿真的，仿真所用到的器件有：?jiǎn)纹瑱C(jī)ATmega16，D