单片机课程设计——温度测量系统

摘 要 随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的 温度检测与显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元 件。热敏电阻的成本低，需要外加信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准 确度低，检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比，这次设计的是基于 DS18B20 的数字温度计，它具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示， 适用范围宽等特点。 在本设计中选用 AT89C52 型单片机作为主控制器件，采用 DS18B20 数字温度 传感器作为测温元件，通过 4 位共阴极 LED 数码显示管并行传送数据，实现温度 显示。本设计的内容主要分为两部分，一是对系统硬件部分的设计，包括温度采 集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，应用 C 语言实现温度的采集与 显示。通过 DS18B20 直接读取被测温度值，送入单片机进行数据处理，之后进行 输出显示，最终完成了数字温度计的总体设计。其系统构成简单，信号采集效果 好，数据处理速度快，便于实际检测使用。 关键词：单片机 AT89C51；温度传感器 DS18B20；LED 数码管；数字温度计 单片机原理及系统课程设计报告 1 1 Design based Digital Thermometer DS18B20 Abstract Along with the present information technologys swift development and traditional industry transformations gradual realization. Able to work independently of the temperature detection and display system used in many other fields. Traditional temperature examination take thermistor as temperature sensitive unit. Thermistors cost is low, needs the sur- signal processing electric circuit, moreover the reliability is relatively bad, the temperature measurement accuracy is low, the examination system also has certain error. the digit demonstrated that applicable scope wide and so on characteristics. Used in the design AT89C51 MCU as the main control including temperature gathering electric circuit and display circuit; Second, to the system software parts design, realizes temperature gathering and the demonstration using the C language. DS18B20 measured by direct reading temperature values,and transfer Data into MCU,and output to show,this is the design of the Digital Thermometer. Its system constitution is simple, the effect of signal gathering is good, the speed of data processing is quick,at al it is advantageous for the actual examination use. Keywords: MCU AT89S51; Temperature Sensor DS18B20; LED Digital tube Digital Thermometer 目 录 1 引言 .4 2 总体 方案设计 .4 2.1 方案论证 4 2.2 总体设计框图 5 3 硬件 设计 6 3.1 时钟电路 6 3.2 复位电路 6 3.3 温度传感器 7 3.4 显示电路 7 3.5 系统总电路图 7 4 系统软件 设计 .8 4.1 主程序 8 5.2 读温度子程序 8 5.3 温度转换命令子程序 8 5.4 计算温度子程序 8 5.5 显示数据刷新子程序 8 5.6 主程序流程图 9 5 实验仿真 .10 6 总 结与体会 .10 参考 文献： 11 附源代码： 12 单片机原理及系统课程设计报告 13 3 一引言 在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿 问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够 达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号 较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温 度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有 效方案，新型数字温度传感器 DS18B20 具有体积更小、精度更高、适用电压更 宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。 美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持 “ 一线总线“接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。 全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而 且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概 念。现在，新一代的 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥 “一线总线”的优点。 二总体方案设计 本设计是一款简单实用的小型数字温度计，所采用的主要元件有传感器 DS18B20，单片机 AT89C52，四位共阴极数码管一个，电容电阻若干。 DS18B20 支持“一线总线”接口，测量温度范围-55C+125C。在-10+85C 范 围内,精度为0.5C。18B20 的精度较差为 2C 。现场温度直接以“一线总线” 的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量， 如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。 本次数字温度计的设计共分为五部分，主控制器，LED 显示部分，传感器部 分，复位部分，时钟电路。主控制器即单片机部分，用于存储程序和控制电路； LED 显示部分是指四位共阳极数码管，用来显示温度；传感器部分，即温度传感 器，用来采集温度，进行温度转换；复位部分，即复位电路。测量的总过程是， 传感器采集到外部环境的温度，并进行转换后传到单片机，经过单片机处理判断 后将温度传递到数码管显示。本设计能完成的温度测量范围是-55C+128C。 1.方案论证 方案一： 由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感 温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可以 用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设 计需要用到 A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。 方案设计框图如下： 方案二：考虑到在单片机属于数字系统，容易想到数字温度传感器，可选用 DS18B20 数字温度传感器，此传感器为单总线数字温度传感器，起体积小、构成 的系统结构简单，它可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，即可实现 温度显示。另外 DS18B20 具有 3 引脚的小体积封装，测温范围为-55+125 摄氏 度，测温分辨率可达 0.0625 摄氏度，其测量范围与精度都能符合设计要求。 以上两种方案相比较，第二种方案的电路、软件设计更简单，此方案设计的 系统在功耗、测量精度、范围等方面都能很好地达到要求，故本设计采用方案二。 2.总体设计框图 三硬件设计 1.时钟电路 热敏电阻 组成的感温 电路 AD 转换 数码管显示电路 单 片 机 时钟复位电 路 测温电路 驱动电路 显示电路 单片机原理及系统课程设计报告 15 5 电路中晶振和电容构成了一个稳定的自激振荡器，微调电容通常选择为 30pF 左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振 的快速性。晶体的振荡频率为 12MHz。 2.复位电路 单片机系统的复位电路在这里采用的是上电+按钮复位电路形式，其中电阻 R 采用 10K 的阻值，电容采用电容值为 10f 的电解电容。电路图如下： 3.温度传感器电路 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智 能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并 且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。电路图如下： 4.显示电路 显示电路采用 4 位共阴极 LED 数码管，P0 口由上拉电阻提高驱动能力， 作为段码输出，并作为数码管的驱动。P2 口的低四位作为数码管的位选端。采 用动态扫描的方式显示。 5.系统总电路图如下： 单片机原理及系统课程设计报告 17 7 四 系统软件设计 系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计 算温度子程序，报警子程序和显示数据刷新子程序等。 1. 主程序 主程序的主要功能是负责温度的实时显示，读出并处理 DS18B20 的测量 温度值。温度测量每 1s 进行一次。 2 .读出温度子程序 读出温度子程的主要功能是读出 RAM 中的 9 字节。在读出时须进行 CRC 校验，校验有错时不能进行温度数据的改写。 3 . 温度转换命令子程序 温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令。当采用 12 位分辨率时， 转换时间约为 750 ms。在本程序设计中，采用 1s 显示程序延时法等待转换 的完成。 4 . 计算温度子程序 计算温度子程序将 RAM 中读取的值进行 BCD 码的抓换运算，并进行温 度值正负的判断。 5 .显示数据刷新子程序 显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作， 当最高数据显示位为 0 时，将符号显示位移入下一位。 6.主程序流程图 初始化 显示调用子程序 1 s 到？ 初 次上 电？ 读出温度值 温度计算处理 显示数据刷新 发送转换开始命令 Y N N Y 五.实验仿真 进入 proteus 后，连接好电路，并将程序下载进去。将 DS18B20 的调节键跳 到指定的温度，则，数码管显示的温度与传感器的温度相同。 单片机原理及系统课程设计报告 19 9 六.总结与体会 本设计是以 AT89C52 为核心，利用软硬件相结合的典型例子。在单片机自 动控制已经广泛的应用于人们的生产和生活的今天，传统用模拟电路来控制温度 的做法，已经逐渐被淘汰。这个系统的实现，改变了传统的温度控制方法，为温 度的控制开辟了一条新的道路。根据我国的科技和工业水平，这个系统的设计是 符合工业生产的需要。实现我国的工业化，自动控制是其中的一个重要目标，自 动控制系统正广泛的应用于工业生产和人们的日常生活。本系统的设计成功知识 实现自动控制的“冰山一角” ，但它为以后更加智能化、人性化的自动控制系统 的设计，作了铺垫。因此这种系统的设计具有比较好的社会效益。 经过三周多的的方案论证、系统的硬件和软件的设计、系统的调试，系统的 仿真。查阅了大量的关于传感器、单片机及其接口电路、以及电路方面的理论。 经过了一番特殊的体验后，经历了失败的痛苦，也尝到了成功的喜悦。第一次靠 用所学的专业知识来解决问题。检查了自己的知识水平，使我对自己有一个全新 的认识。通过这次课程设计，不仅锻炼自己分析问题、处理问题的能力，还提高 了自己的动手能力。这些培养和锻炼对于我们这些即将走向工作岗位的大学生来 说，是很重要的。 这次课程设计基本的完成了任务书的要求，实现了温度的测量。通过测试表 明系统的设计是正确的，可行的。但是由于设计者的设计经验和知识水平有限， 系统还存在许多不足和缺陷。 参考文献 1 于永.51 单片机 C 语言常用模块与综合系统设计实例精讲M.北京：电子 工业出版社，2008 2 戴永成等.基于 DS18B20 的数字温度测量仪J.北华航天工业学院学报， 2008 3 廖常初.现场总线概述J.电工技术，1999 4 张越等.基于 DS18B20 温度传感器的数字温度计 J.微电子学，2007 5 李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学 出版社，1998 6 黄河 .基于 DS18B20 的单总线数字温度计J.湘潭师范学院学报，2008 7 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，1994 8 王建强等.基于 DSP 控制器与 DS18B20 的温度测量方法J . 仪器仪表与检 测技术，2009 单片机原理及系统课程设计报告 111 11 附：源程序代码 #include #include /_nop_();延时函数用 #define Disdata P0 /段码输出口 #define discan P2 /扫描口 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uint h; uint temp; sbit DQ=P37; /共阴数码管 uchar ditab16=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05, 0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09; uchar xianshi1=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /不带小数点的 0-9 编码 uchar scan_con4=0xf7,0xfB,0xfD,0xfe; /列扫描控制字 uchar temp_data2=0x00,0x00;/读出温度暂放 uchar display5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00; /显示单元数据，共 4 个数据和一个运算暂用 void delay(uint t) for (;t0;t-); void scan(void) char k; for(k=0;k0;i-) DQ=1;_nop_();_nop_(); /从高拉倒低 DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /5 us DQ=val /最低位移出 delay(6); /66 us val=val/2; /右移 1 位 DQ=1; delay(1); /*从 DS18B20 读出一个字节*/ uchar read_byte(void) uchar i; uchar value=0; for(i=8;i0;i-) DQ=1;_nop_();_nop_(); value=1; DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 us DQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 us if(DQ)value|=0x80; delay(6); /66 us 单片机原理及系统课程设计报告 113 13 DQ=1; return(value); uint read_temp(void) ow_reset(); /总线复位 delay(200); write_byte(0xcc); /发命令 write_byte(0x44); /发转换命令 ow_reset(); delay(1); write_byte(0xcc); /发命令 write_by