课程设计（论文）-基于单片机的数字温度计.doc

目录1 设计概述21.1 设计目标和要求21.2 设计思路22 系统方案及硬件设计32.1 设计方案32.2 方案的硬件总体方框图32.3 温度传感器ds18b20测温原理42.4 硬件设计82.4.1 主控制器atmega1682.4.2 复位电路82.4.3 时钟振荡电.82.4.4 报警点调节电路.9 2.4.5显示电路103 软件设计103.1系统分析103.2 各子程序及其流程图设计113.2.1 初始化子程序113.2.2 ds1820的读写字节子程序123.2.3 温度读取及转换子程序133.2.4计算温度子程序143.2.5温度显示子程序153.2.6报警子程序164 proteus软件仿真184.1 系统仿真设计184.2仿真结果分析185 系统原理图196 心得体会201 设计概述1.1 设计目标和要求1.用所学的单片机知识设计制作数字温度计；2.测温范围是-20-70；3.误差小于0.5；4.所测的温度值可以由lcd数码管直接显示；5.可以任意设置上下限温度的报警功能；6.进一步熟悉proteus,protel,word软件的功能和使用方法；1.2 设计思路首先确定我们所设计的是一个数字温度计，由单片机、温度传感器以及其他电路共同实现。根据所要实现的功能，先在proteus软件上仿真。根据所选用的硬件可以将整个软件设计分为若干子程序，有初始化、查询时间、发送指令、读取数据、显示温度等构成，可将以上子程序分别设计，实现各自的功能，再在子程序中调用，就可以实现预期的目标。在proteus软件里画出相应的电路图，将编写好的程序的编译后的文件下载到proteus电路图的单片机里，进行仿真，对温度传感器设置不同的参数，看是否达到了我们设计所要求的目标，如果不符合要求，需要检查程序算法和硬件连接是否有误。若仿真成功，就按照电路图焊接硬件。2 系统方案及硬件设计2.1 设计方案采用数字温度芯片ds18b20 测量温度，输出信号全数字化。采用了单总线的数据传输，由数字温度计ds18b20和atmega16单片机构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,也可直接与计算机连接。采用atmega16单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。该系统利用atmega16芯片控制温度传感器ds18b20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限温度。该系统扩展性非常强。该测温系统电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单。2.2 方案的硬件总体方框图 基于增强的avr risc结构的低功耗8 位cmos微控制器atmega16，温度传感器采用的ds18b20，用四位数码管显示温度。图12.3 温度传感器ds18b20测温原理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9-12位的数字值读数方式。ds18b20的性能特点如下：（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。（2）ds18b20支持多点组网功能，多个ds18b20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网测温；（3）无须外部器件，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；（4）可通过数据线供电，电压范围为3.0-5.5；（5）零待机功耗；（6）温度以9或12位数字，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；（7）用户可定义报警设置；（8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；（9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；（10）测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给cpu，同时可传送crc校验码，具有极强的抗干扰纠错能力ds18b20采用3脚pr35封装或8脚soic封装，其引脚排列及内部结构框图如图2及图3以及图4的测温原理图如下所示：图2 引脚排列图3 内部结构框图预置斜率累加器比较低温度系数振荡器计数器1温度寄存器tx预置=0高温度系数振荡器-0计数器2t1加1停止t2图4 ds18b20测温原理图64位rom的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的crc检验码，这也是多个ds18b20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器th和tl，可通过软件写入户报警上下限。ds18b20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ram和一个非易失性的可电擦除的eeram。高速暂存ram的结构为8字节的存储器，结构如图4所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节th和tl的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。ds18b20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图5所示。低5位一直为1，tm是工作模式位，用于设置ds18b20在工作模式还是在测试模式，ds18b20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，r1和r0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。温度 lsb温度 msbth用户字节1tl用户字节2配置寄存器保留保留保留crctmr1r011111图5 ds18b20的字节定义 ds18b20的分辨率定义如表2-1所示表2-1 分辨率设置表r0r1分辨率最大温度转移时间009位96.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms由表1可见，ds18b20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。主机控制ds18b20完成温度转换过程是：每一次读写之前都要对ds18b20进行复位，即将数据总线下拉500us，然后释放，ds18b20收到信号后等待16-60us左右，之后发出60-240us的存在低脉冲，主cpu收到此此信号表示复位成功；复位成功后发送一条rom指令，然后发送ram指令，这样才能对ds18b20进行预订的读写操作。表2-2 rom指令集指令约定代码功能读rom33h读ds18b20中的编码符合rom55h发出此命令后，接着发出64位rom编码，访问单线总线上与该编辑相对应的ds18b20使之做出响应，为下一步对该ds18b20的读写作准备搜索rom0f0h用于确定挂接在同一总线上的ds18b20个数和识别64位rom地址，为操作各器件作准备跳过rom0cch忽略64位rom地址，直接向ds18b20发送温度变换指令告警搜索命令0ech执行后，只有温度跳过设定值上限或下限的片子才能做出反应表2-3 ram指令集指令约定代码功能温度转换44h启动ds18b20进行温度转换读暂存器0beh读暂存器9个字节内容写暂存器4eh将数据写入暂存器的th、tl字节复制暂存器48h把暂存器的th、tl字节写到e2ram中重调e2ram0b8h把e2ram中的th、tl字节写到暂存器th、tl字节读供电方式0b4h启动ds18b20发送电源供电方式的信号给主cpu ds18b20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，ds18b20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将最低温所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在最低温所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。2.4 硬件设计2.4.1 主控制器atmega16atmega16是基于增强的avr risc结构的低功耗8 位cmos微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，atmega16 的数据吞吐率高达1 mips/mhz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 atmega16 avr 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(alu) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的cisc 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。 2.4.22.4.2 复位电路在这里采用的是按钮加上电复位，系统每次上电和每次按下复位按钮，系统就会复位。2.4.3 时钟振荡电路采用的是1mhz的晶振频率，它与单片机的硬件连接电路如图7所示图7 晶振电路2.4.4报警点调节电路可以通过微动开关，任意调节报警点的上下限，电路如图8所示图8 报警点调节电路2.4.5显示电路显示电路采用集成的四位一体的数码管，为共阴极结构，通过设置不同的段码可以显示温度。图9显示电路3 软件设计3.1系统分析系统程序主要包括ds1820初始化程序，向ds1820读字节程序，向ds1820写字节程序，读取温度及转换程序，温度显示程序，报警程序。初始化向ds1820读一字节向ds1820写一字节读取温度及转换显示温度图10主程序流程图3.2 各子程序及其流程图设计3.2.1 初始化子程序 令p2.7为高电平，延迟一段时间后令p2.7为低电平触发ds1820的初始化，低电平持续一段时间，然后读取p2.7的状态，直到p2.7的状态回到高电平时说明初始化完成。#include #define dq p2_7#define dm p0sbit w0=p23;sbit w1=p24;sbit w2=p25;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,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef;uchar table_fuhao=0x00,0x40;void delay(unsigned int i) while(i-); /初始化函数p2.7=1延时p2.7=0延时p2.7=1？完成ny图11 初始化流程图3.2.2 ds1820的读写字节子程序单片机向ds1820读写字节都是从最低位开始的。init_ds18b20(void)unsigned char x=0;dq = 1; delay(8);dq = 0; delay(80);dq = 1; delay(14);x=dq; /稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败delay(20); /读一个字节p2.7=1延时读数据待写入字节右移一位p2.7=1延时写数据待写入字节右移一位图12 读操作 图13写操作3.2.3 温度读取及转换子程序在读取温度值命令前，应使用温度转换命令才能保证读入的是当前温度值转换过程中ds1820会拉低总线直至转换完成，因此可以读取温度总线的状态来判断温度转换是否完成。readonechar(void)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i0;i-)dq = 0;dat=1;dq = 1;if(dq) dat|=0x80;delay(4);return(dat); /写一个字节初始化ds1820判断符号位转换温度读取温度图14温度读取及转换3.2.4计算温度子程序计算温度子程序将ram中读取值进行bcd码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图14所示：writeonechar(unsigned char dat)unsigned char i=0;for (i=8; i0; i-)dq = 0;dq = dat&0x01;delay(5);dq = 1;dat=1;delay(4);/读取 图 15温度计算3.2.5温度显示子程序void delayms(uchar t)uint i;while(t-)for(i=0;i4); if(i=0) mark=0; t=(a4)|(b8)t=(t+1); else mark=1;a=a4; b=bh_t或,l_t报警yn 返回返回 fangui return图17报警4 proteus软件仿真 4.1 系统仿真设计本设计是在proteus环境下进行仿真的，仿真所用到的器件有：单片机atmega16，ds1820温度传感器，蜂鸣器，液晶显示器，一些电阻，电容等。4.2仿真结果分析本设计在仿真的条件下可以正确的显示温度，并在温度超过所设置的最高温度或最低温度时，蜂鸣器将发出滴滴的警告声。且本设计温度显示可