單片機原理課程設計 數字溫度計

1、單片機原理課程設計課題名稱： 數字溫度計 專業(yè)班級：學生學號：學生姓名：指導教師： 設計時間： 1 設計任務 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，要為現代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施就需要從數單片機技術入手，一切向著數字化控制，智能化控制方向發(fā)展。本設計所介紹的數字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫準確，其輸出溫度采用數字顯示，主要用于對測溫比較準確的場所，或科研實驗室使用，該設計控制器使用單片機AT89S51，測溫傳感器使用DS18B2

2、0，用3位共陽極LED數碼管以串口傳送數據,實現溫度顯示,能準確達到基本范圍-50-110，精度誤差小于0.5，LED數碼直讀顯示要求。2 總體設計方案2.1數字溫度計設計方案論證2.1.1方案一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據的處理，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/D轉換電路，感溫電路比較麻煩。2.1.2 方案二 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

3、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。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設計也比較簡單，故采用了方案二。2.2方案二的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AT89S51，溫度傳感器采用DS18B20，用3位LED數碼管以串口傳送數據實現溫度顯示。主 控 制 器LED顯 示溫 度 傳 感 器單片機復位時鐘振蕩報警點按鍵調整 圖1總體設計方框圖2.2.1 主控制器單片機AT89S51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，很適合便攜手持式產品的設計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。2.2.2

4、顯示電路顯示電路采用3位共陽LED數碼管，從P3口RXD,TXD串口輸出段碼。2.2.3溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，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，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現位的數字值讀數方式。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；多個DS18B20可以并聯在惟一的三線上，實現多點組網功能；無須外部器件；可通過數據線供電，電壓范圍為3.05.5；零待機功耗；溫度以或位數字；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

5、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； DS18B20采用腳PR35封裝或腳SOIC封裝，其內部結構框圖如圖2所示。C64 位ROM和單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器Vdd I/O圖2 DS18B20內部結構64位ROM的結構開始位是產品類型的編號，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，可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存和一個非易失性的可電擦除的EERAM

6、。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)，為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率。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0決定溫度轉換的精度位數，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)定義由表1可見，DS18B20溫度轉換的

7、時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間越長。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，表現為全邏輯。第字節(jié)讀出前面所有字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數據，從而保證通信數據的正確性。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據，讀數據時低位在先，高位在后，數據格式以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

8、值。表2是一部分溫度值對應的二進制溫度數據。 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TH、T字節(jié)內容作比較。若TH或TTL，則將該器件內的報警標志位置位，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數據是否正確。DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器

9、；高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器的脈沖輸入。器件中還有一個計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應的一個基數分別置入減法計數器、溫度寄存器中，計數器和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數值。減法計數器對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器的預置值減到時，溫度寄存器的值將加，減法計數器的預置將重新被裝入，減法計數器重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環(huán)直到減法計數器計數到時，停止溫度寄存器的累

10、加，此時溫度寄存器中的數值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數器門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。表2一部分溫度對應值表溫度/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.

11、1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數據。圖4 DS18B20與單片機的接口電路2.3 DS18B20溫度傳感器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。

12、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時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。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。3系統(tǒng)硬件電路設計3.1 主板電路系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數據采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調整電路，單片機主板電路等，如圖5 所示。圖5中有三個獨立式按鍵可以分別調整溫度計的上下限報警設置，圖中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內時，發(fā)出報警鳴

13、叫聲音，同時LED數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。圖5 中的按健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，就可以實現復位。3.2 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，四只數碼管采用74LS164右移寄存器驅動，顯示比較清晰。 圖5 單片機主板電路圖6 溫度顯示電路3.3主電路PCB板圖4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，顯示數據刷新子程序等。4.1主程序主程

14、序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內測量一次被測溫度，其程序流程見圖7所示。Y發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，CRC校驗9字節(jié)完？CRC校驗正？確？移入溫度暫存器結束NNY初始化調用顯示子程序1S到？初次上電讀出溫度值溫度計算處理顯示數據刷新發(fā)溫度轉換開始命令NYNY圖7 主程序流程圖圖8讀溫度流程圖 4.2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)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數據的改寫。其程序流程圖如圖8示4.3溫度轉換命令子程序溫度轉換命

15、令子程序主要是發(fā)溫度轉換開始命令，當采用12位分辨率時轉換時間約為750ms，在本程序設計中采用1s顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度轉換命令子程序流程圖如圖9所示發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉換開始命令 結束圖9 溫度轉換流程圖4.4 計算溫度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10所示。 開始溫度零下?溫度值取補碼置“”標志計算小數位溫度BCD值 計算整數位溫度BCD值 結束置“+”標志NY溫度數據移入顯示寄存器十位數0？百位數0？十位數顯示符號百位數不顯示百位數顯示數據（不顯示符號） 結束NNYY 圖10計

16、算溫度流程圖 圖11顯示數據刷新流程圖4.5 顯示數據刷新子程序顯示數據刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數據進行刷新操作，當最高顯示位為0時將符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖11。4.6 數字溫度計程序 /初始化子程序#indclue #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbitP1.3=P11uchar disbuf4;ucharcode tab=0xc0,0xf9,0xa4,0xbo,0x99,0x92,0x82,oxf8,0x80,0x90,0xff,0xbf;uchar code xtab=0x7f,0xb

17、f,0xdf,0xef; /子碼表char tempmax=6C; /110度的十六進制為6Cchar tempmin=1C; /30的十六進制為1C/延時子程序、延時1msvoid mdelay(uint m) uchar i;for(;m0;m-)for(i=124;i0;i-);/ 延時子程序15微秒void delay(uchar k) do_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();whil

18、e(k-);/單總線的復位，器件不存在輸出1器件正常輸出0bit reset( ) bit F;P1.3=1;_nop_();_nop_();P1.3=0;delay(64);P1.3=1;delay(1);delay(16); / 等待結束脈沖if(p1.3=1)delay(15);P1.3=1;F=1;elsedelay(15);F=0:return(F); / 應答信號返回/從單總線送出1B、輸入要寫入的字節(jié)void write( uchar x) bir R;uchar i;for(i=8;i0;i-) /寫字節(jié)、1位一各時序R=x&0x01;if(R)P1.3=0; /降低P1.3平

19、開始轉換脈沖_nop_();_nop_();P1.3=1;delay(8);elseP1.3=1; _nop_();P1.3=0;delay(8);x1;/從單總線讀1B子程序read ( ) uchar t,i,v;for(i=8;i0;i-)p1.3=1; _nop_();P1.3=0; / 降低P1.3電平開始脈沖delay(1);P1.3=1; /拉高P1.3脈沖delay(3); / 等待復位脈沖t=P1.3;P1.3=1;if(t=1)v|=0x80;v=v1;elsev1;return(v);/從DS18B20讀取十六進制溫度值返回未處理的16進制溫度值uint readtemp

20、( ) float t;bit flag; uchar c2;flag=reset( );while(flag);write(0xcc); /跳過ROMwrirte(0x44); /開始轉換c0=read( );c1=read( );t=c0+c1*256;return(t);Init 0( ) interrupt 0uchar i=5;if(P32=0 )tempmax+;disbuf3=0x0a;disbuf2=tempmax/100;disbuf1=tempmax%100/10;disbuf0=tempmax%10;for(i;i0;i-)tempdsp( ); Init 1( ) in

21、terrupt 1uchar j=5;if(P33=0 )tempmin+;disbuf3=0x0a;disbuf2=tempmin/100;disbuf1=tempmin%100/10;disbuf0=tempmin%10;for(j;j0;j-)tempdsp( );void waring ( )uchari, j,k=5;while(k-)P11=0;for(j=500;j0;j-)for(i=124;i0;i-);P10=1;Iint ( )IT0=1;IT1=1;EA=1;EX0=1;EX1=1;void change( uint t ) /將讀出的16進制溫度轉換成十進制int i=0;float m;if(t0x7d0)m=m*0.625;disbuf3=0x0b;disbuf2=m/100;disbuf1=(m%100/10);disbuf0=m%10/1;elsem=m*0.625;disbuf3=m/1000;disbuf2=m%1000/100;disbuf1=(m%100/10);disbuf0=m%10/1;/顯示將dispbufij中的整數譯碼后通過數碼管顯示void teampdsp( ) uchar k;for(k=0;ktempmax|valuetempmin)