數(shù)字溫度計(jì)的課程設(shè)計(jì)

1、1設(shè)計(jì)目的12. 設(shè)計(jì)要求13 總體設(shè)計(jì)方案13. 1數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)方案論證13. 2方案一的總體設(shè)計(jì)框圖13.3 ds18b20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路63. 4系統(tǒng)整體硬件電路635系統(tǒng)軟件算法分析103. 6讀出溫度子程序113. 7溫度轉(zhuǎn)換命令子程序123.8計(jì)算溫度子程序133. 9顯示數(shù)據(jù)刷新子程序144 總結(jié)與體會16參考文獻(xiàn)16附錄181設(shè)計(jì)目的1 學(xué)會掌握0809單片機(jī).a/d轉(zhuǎn)換芯片的用法；2. 學(xué)會掌握8051單片機(jī)用法；3 學(xué)會單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)；4 培養(yǎng)杳閱資料的能力。2. 設(shè)計(jì)要求1基本范圍0°c100°c2精度誤差小于0.5°c3

2、led數(shù)碼直讀顯示3. 總體設(shè)計(jì)方案3. 1數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)方案論證3. 1. 1方案一曲于本設(shè)計(jì)是測溫屯路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，進(jìn)行 a/d轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度 顯示岀來，這種設(shè)計(jì)需要用到a/d轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。3. 1.2方案二進(jìn)而考慮到用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)屮，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(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的要求與學(xué)習(xí)口的，學(xué)習(xí)a/d轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)和單片機(jī)的 接口連接，

3、故采用方案一來實(shí)現(xiàn)數(shù)字溫度計(jì)的控制。32方案一的總體設(shè)計(jì)框圖溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示，控制器采用單片機(jī)at89s51, a/d轉(zhuǎn) 換器采用0809傳輸，溫度傳感器采用ds18b20,用3位led數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實(shí) 現(xiàn)溫度顯示，并用蜂鳴報(bào)警器來監(jiān)視溫度的值不超過量程范圍。圖1總體設(shè)計(jì)方框圖3. 2. 1主控制器單片機(jī)at89s51具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個(gè)端口只需要兩個(gè)口就能滿足 屯路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用系統(tǒng)可用二節(jié)屯池供屯。3. 2. 2顯不電路顯示電路采用3位共陽led數(shù)碼管，從p3 口 rxd,txd串口輸出段碼。3. 2. 3溫度傳感器

4、ds 18b20溫度傳感器是美國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)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并冃可根據(jù)實(shí)際 要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)91 2位的數(shù)字值讀數(shù)方式。ds18b20的性能特點(diǎn)如（1）獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；（2）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)功能；（3）無須外部器件；（4）可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5v；（5）零待機(jī)功耗；（6）溫度以9或12位數(shù)字；（7）用戶可定義報(bào)警設(shè)置；（8）報(bào)警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（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

5、計(jì)不會因發(fā)熱i佃燒毀，但不能正常工作;ds18b20采用3腳pr-35封裝或8腳soic封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)64位rom的結(jié)構(gòu)開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個(gè)器件的惟一的序號，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)ds18b2o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,可通過軟件寫入戶報(bào)警上下限。ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個(gè)高速暫存ram和一個(gè)非易失 性的可電擦除的eeramo高速暫存ram的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。頭2個(gè)字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)th和tl的拷貝，是易

6、 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3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試模式，ds18b20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0 ,用 戶要去改動(dòng)，r1和r0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。由表1可見，ds18b20溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長，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。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。高速暫存ram的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前 面所

7、有8字節(jié)的crc碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)ds18b20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16 位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通 過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625c/lsb形 式表示。當(dāng)符號位3 = 0時(shí)，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制; 當(dāng)符號位s=1時(shí)，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù) 值。表2是一部分溫度值對應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。表1 ds18b20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表r1r0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間/ms00993

8、.750110187.510113751112750ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與ram中的tii、tl字節(jié)內(nèi)容作比較。 若t>th或t<tl,則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令作 出響應(yīng)。因此，可用多只ds18b20同吋測量溫度并進(jìn)行報(bào)警搜索。在64位rom的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)兀余檢驗(yàn)碼(crc)o主機(jī)rom的前56位 來計(jì)算crc值，并和存入ds18b20的crc值作比較，以判斷主機(jī)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)牛固定頻率的脈沖信號送給減法計(jì)數(shù)

9、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(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 成溫度測量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將一55°c 所對應(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) 置在一55°c所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(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重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)

10、生的脈沖信號進(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吋，停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸 擊用于修正減法計(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)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。表2 部分溫度對應(yīng)值表溫度/°c二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+1250000 0111 1101 000007d0h+850000 0101 0101 00000550h+25. 06250000 0001 1001 00000191h+10. 1250000 0000 1010 000100a2i1+0.50000 0000 0000 00100008h00000 00

11、00 0000 10000000h-0.51111 1111 1111 0000fff8h-10. 1251111 1111 0101 1110ff5eh-25.06251111 1110 0110 1111fe6f11-551111 1100 1001 0000fc90h另外，由fds18b20單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫 時(shí)序很重要。系統(tǒng)對ds18b20的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初使化ds18b20（發(fā) 復(fù)位脈沖）一發(fā)rom功能命令一發(fā)存儲器操作命令一處理數(shù)據(jù)。圖4 ds18b20與單片機(jī)的接口電路3.3 ds18b20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路ds18

12、b20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)ds18b20的1腳 接地，2腳作為信號線，3腳接屯源。另一種是寄生屯源供屯方式，如圖4所示單片機(jī) 端口接單線總線，為保證在有效的ds18b20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè) mosfet管來完成對總線的上拉。當(dāng)ds18b20處于寫存儲器操作和溫度a/d轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須冇強(qiáng)的上拉，上 拉開啟時(shí)間最大為louso采用寄生電源供電方式時(shí)vdd端接地。3.4系統(tǒng)整體硬件電路3.4. 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(bào)警調(diào)整電路，單片機(jī)主板電路，a/d轉(zhuǎn)換器等，如圖5所示。03 pin2in1in

13、oabcaled7d6d5n1x)d22=3d5r91113fi- viinjin4in5ln6zstf0(d30eclkvclvre0ndmo 1 o 91 t 3 2 一一一 a尉enleka pv16xix21a一r524 p07 p06 p27 p23 p一325 62 2 p p4 5 o o p p0 12 o o o p p p1 93 10 122 2 2 p p p1234567822222222_rdw圖5數(shù)字溫度計(jì)控制電路(1) 單片機(jī)80518051單片機(jī)有5個(gè)存儲器空間，分別用來安排4種不同功用的存儲器： 一內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器；二特殊功能寄存器；三內(nèi)部程序存儲器；四外部程

14、序存儲器 五/外部數(shù)據(jù)存儲器。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和特殊功能寄存器以及內(nèi)部程序存儲器集成于片內(nèi)，外部程序存 儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器則安排在片外，用接口電路與單片機(jī)連接。4種存儲器屮， 除內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和特殊功能寄存器是統(tǒng)一編址的除外，各存儲器均分開編址，并 用不完全相同的尋址方式來訪問它們。a) ram,共128字節(jié)，地址范圍為00h 7fh,見下圖2。前32個(gè)單元(地址 00h - 1fh)稱為寄存器區(qū)。其中，每8個(gè)寄存器形成個(gè)寄存器組。具休說來： 寄存器0組地址00h 一 07h寄存器1組地址08h 0fh寄存器2組地址10h 17h寄存器3組地址18h 1fhb)程序存儲器mcs-51單片機(jī)具有

15、64k字節(jié)的程序存儲器空間。其中，8051或8751在片內(nèi) 各有4k字節(jié)的程序存儲器rom或eprom,并處于這一空間的最低地址區(qū)。8031 片內(nèi)沒有程序存儲器，必須在外部擴(kuò)展程序存儲器才能構(gòu)成單片機(jī)應(yīng)用屯路。擴(kuò)展 容量可為64k字節(jié)屮的任一容量，并且常用eprom或e2prom的形式，程序存 儲器屮的某些地址被同定地用丁特定程序的入口地址： 地址用途0000h復(fù)位操作后的程序入口0003h外部中斷0服務(wù)程序入口000bh定時(shí)器0中斷服務(wù)程序入口0013h外部中斷1服務(wù)程序入口 001bh定時(shí)器1屮斷服務(wù)程序入口0023h串行i/o '|«斷服務(wù)程序入口在編程吋，通常在這些入

16、口地址開始的二三個(gè)地址單元屮，放入-條轉(zhuǎn)移類指令， 以使相應(yīng)的程序在指定的程序存儲器區(qū)域中生成。程序存儲器用來存放固化了的用 戶程序，取指地址由程序計(jì)數(shù)器pc給出，pc具有自動(dòng)加1的功能，從而在無轉(zhuǎn)移 類指令的條件下，指令被逐一執(zhí)行。轉(zhuǎn)移類指令可改變pc值，使程序得以轉(zhuǎn)移。 程序存儲器屮也可固化-片數(shù)據(jù)區(qū)，存放被查閱的表格和參數(shù)等。圖5屮有三個(gè)獨(dú)立式按鍵可以分別調(diào)整溫度計(jì)的上下限報(bào)警設(shè)置，圖小蜂鳴器可以 在被測溫度不在上下限范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)出報(bào)警鳴叫聲音，同時(shí)led數(shù)碼管將沒有被測溫度 值顯示，這吋可以調(diào)整報(bào)警上下限，從而測出被測的溫度值。圖5中的按健復(fù)位電路是上電復(fù)位加手動(dòng)復(fù)位，使用比較方便，在

17、程序跑飛時(shí)，可 以手動(dòng)復(fù)位，這樣就不用在重起單片機(jī)電源，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。(2) 直流穩(wěn)壓電源按設(shè)計(jì)要求需加直流穩(wěn)壓電源用來對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行供電。如圖:ic27s05圖5. 1肓流穩(wěn)壓電源(3) a/d轉(zhuǎn)換部分a/d轉(zhuǎn)換部分采用adc0809, a/d轉(zhuǎn)換器0809的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，它 是模擬信號和數(shù)字儀器的接口。其內(nèi)部原理圖如下所示主耍部件的功能：©256r電阻梯形網(wǎng)絡(luò)。即r-2r電阻網(wǎng)絡(luò)。 比較器。將輸入模擬量與逐次逼近值進(jìn)行比較。 多路開關(guān)。選擇不同通道的模擬量。圖5. 2 a/d轉(zhuǎn)換器0809內(nèi)部邏輯圖內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖引腳意義：ale：地址鎖存信號。選擇8個(gè)模擬通道

18、之一。oe：輸岀允許信號，高電平有效。eoc：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。in0-in7： 8路模擬電壓輸入端。d0-d7： 8位數(shù)據(jù)輸岀端。ado、adi、ad2： 3位地址線，選擇8路模擬輸入量之一引腳圖如下:79 to 1t1213"1ztne3dst4tnt.5jjn6in7steocd3oeclk vccvrbf-htn2iniintoabokd vrff- d1d2282726252423222120t918171615圖0809引腳圖3. 4. 2顯示電路顯示電路是使用的串口顯示，這種顯示最大的優(yōu)點(diǎn)就是使用口資源比較少，只用p3 口的rxd,和txd,串口的發(fā)送和接收，四只數(shù)碼管采用

19、74ls164右移寄存器驅(qū)動(dòng)，顯示 比較清晰。3. 5系統(tǒng)軟件算法分析系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計(jì)算溫度子程 序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。3. 5. 1主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理ds18b20的測量的當(dāng)前溫度 值，溫度測量每is進(jìn)行一次。這樣可以在一秒z內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見 圖7所示。圖7主程序流程圖36讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出ram中的9字節(jié)，在讀出時(shí)需進(jìn)行crc校驗(yàn)，校驗(yàn)冇錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。英程序流程圖如圖8示結(jié)束圖8讀溫度流程圖讀出溫度轉(zhuǎn)換的子程序：emper:setb p2.0 ;定時(shí)入

20、口lcall init.1820jb 20h.l,tss2ret;若ds18b20不存在則返冋tss2:mov a,#0cch ;跳過 rom 匹配lcall write_ 1820mov a,#44h ;發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令lcall write_ 1820lcall init_1820mov a,#0cch ;跳過 rom 匹配lcall write_ 1820mov a,#0beh ;發(fā)出讀溫度命令lcall write_ 1820lcall re ad_ 18200mov 37h,a ;將讀出的溫度數(shù)據(jù)保存ret3. 7溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用1

21、2位分辨率吋轉(zhuǎn)換吋間 約為750ms,在本程序設(shè)計(jì)中采用is顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子 程序流程圖如上圖，圖9所示圖9溫度轉(zhuǎn)換流程圖溫度命令了程序：temper_cov:mov a,#ofohanl a,36h ;舍去溫度低位中小數(shù)點(diǎn)swap amov 3711, amov a,36hjxb acc. 3, temper_cov1 ;四舍五入去溫度值inc 37htemper_cov1:mov a, 3511anl a,#07hswap aadd a, 37hmov 37h,a ;保存變換后的溫度數(shù)據(jù)lcall bin_bcdret3. 8計(jì)算溫度子程序英程序流程圖如圖10所

22、示。圖10計(jì)算溫度流程圖計(jì)算機(jī)溫度子程序：bin_bcd:mov3911, 3711mova, 37hmovb,#100divabmov38h, amov3711, bxcha,bmovb,#10divabmov37h, amov3611, bret3. 9顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對顯示緩沖器屮的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高顯示位為0時(shí)將符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖ho圖11顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖 顯示數(shù)據(jù)子程序：read_18200:mov r4,#2 ;將溫度高位和低位ds18b20中讀reoo: mov r2,#8reo1:clr csetb p2. 0nopnopclr p2.0nopnopnopsetb p2. 0nopnopmov c, p2. 0mov r3,#35re20:djnz r3,re20rrc adjxz r2, reo1mov r1, adec r1djnz r4,re00ret4. 總結(jié)與體會經(jīng)過將近三周的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，終于完成了我的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)，雖然沒冇完 全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但從心底里說，還是高興的，畢竟這次設(shè)計(jì)把實(shí)物都做了出來，高興 之余不得不深思呀！在本次設(shè)計(jì)的過程屮，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，雖然以前述做過這樣的設(shè)計(jì)但這次設(shè)計(jì) 真的讓我長進(jìn)了很多，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)就在于軟件算法的設(shè)計(jì)，需要有很巧