电子课程设计-数字温度计设计.doc

物理与电子工程学院数字温度计设计课程设计报告书设计题目： 数字温度计设计 专 业： 11级自动化 班 级： 一班 学生姓名: 侯建平 学 号: 2011341128 指导教师： 赵喜梅 2014年 6月 日物理与电子工程学院 课程设计任务书专业： 自动化 班级： 一班 学生姓名侯建平学号2011341128课程名称电子课程设计设计题目数字温度计设计设计目的、主要内容（参数、方法）及要求一、设计的目的 1、设计一个简易的数字温度计满足一定的测量范围并通过LED显示出来； 2、了解常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则3、进一步熟悉电子仪器的使用方法4、学会撰写课程设计总结报告5、培养独立分析问题和解决实际问题的能力；6、培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。二、设计的内容及要求 1、测温范围为30120，精度为0.5； 2、LED数码管直读显示，当温度为“负”则最高位显示“”号，最低位显示单位“C”； 3、当温度不在测量范围内（120）时，蜂鸣器报警且发光二极管 闪烁。工作量2周时间，每天3学时，共计42学时进度安排第1天：召开课程设计会议，下达设计任务。针对课程设计题目进行设计思路、设计过程，设计要求说明。第2-3天：根据自己选题情况，查阅相关文献资料。第4-5天：确定总体方案。第6-10天：仿真/制作。第11-14：编写课程设计报告。主要参考资料1康华光.电子技术基础第五版 J. 电气电子教学学报,20072彭介华主编.电子技术课程设计指导 J .北京：高等教育出版社, 19973毕满清主编.电子技术实验与课程设计M. 机械工业出版社, 20014陈汝全.电子技术常用器件应用手册 J .北京：机械工业出版社,2004指导教师签字教研室主任签字摘 要随着科技的进步和社会的发展，人们越来越重视产品的温度因素，许多产品对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测装置大都是单点测量，同时有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。本次课程设计将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，此温度计属于多功能温度计，用LED数码管直读显示温度，并且可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。研究具有一定的测量范围并能够通过LED显示出来温度的温度计。关键词：单片机，数字控制，温度计目 录引 言1 方案设计1.1设计的内容及要求12方案辩证2 系统的硬件设计2.1 校正网络设计2.2 校正后系统仿真3 校正前后性能比较3.1 频域分析3.2 时域分析4 总结及体会参考文献一级标题用小三号宋体。二、三级标题用四号宋体引 言现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器模拟集成温度传感器智能集成温度传感器。目前的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。本文将介绍智能集成温度传感器DS18B20的结构特征及控制方法，并对以此传感器，89S51单片机为控制器构成的数字温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。与传统的温度计相比，其具有读数方便，测温范围广，测温准确，输出温度采用数字显示，主要用于对测温要求比较准确的场所，或科研实验室使用。该设计控制器使用ATMEL公司的AT89S51单片机，测温传感器使用DALLAS公司DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示。 1 方案设计1.1设计的内容及要求 1、测温范围为30120，精度为0.5； 2、LED数码管直读显示，当温度为“负”则最高位显示“”号，最低位显示单位“C”； 3、当温度不在测量范围内（120）时，蜂鸣器报警且发光二极管 闪烁。设计中采用AT89S52单片机P3 .5口控制温度传感器DS18B20的温度测量，以四位数码感形式输出测量温度，原理图如下图1、图2所示： 图1 DS18B20与单片机接口原理 图2总体设计方框图12方案辩证1、温度计软件设计流程图： 设置堆栈指针将温度转换为BCD码发读存储器命令读温度数据复位DS18B20发跳过ROM命令显示缓冲区初始化更新数据缓冲区延时发温度转换命令复位DS18B20发跳过ROM命令开始 2、元器件的选取：单片机芯片的选取：方案一.采用89C51芯片作为硬件核心，利用Flash ROM，内部具有4KB ROM 存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二:采用AT89C51单片机与MCS-51系列单片机相比有两大优势：第一，片内程序存储器采用闪存，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路的体积更小，且管脚数目为20个，与MCS-51相比减少一倍，使理解更容易。综上所述：本课设中单片机芯片采用AT89C51。 温度传感器的选取： 方案一：采用热敏电阻传感器。利用热敏电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化，进而制成温度计。但是其测温传感器比较复杂，而且不易通过编制程序来控制测温精度，增大系统设计的难度。 方案二： 采用DS18B20温度传感器。DS18B20的内部3脚（或8脚）封装；使用特有的温度测量技术，将被测温度转换成数值信号；3.05.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式；ROM由64位二进制数字组成，共分为8个字节；RAM由9个字节的高速暂存器和非易失性电擦写ROM组成。综上所述：温度传感器选取智能测温器件DS18B20。本设计显示电路采用1602液晶显示模块芯片。3系统最终设计方案：综上各方案所述,对此次课设的方案选定: 采用AT89C51作为主控制系统; 1602液晶显示模块芯片作为温度数据显示装置;而智能温度传感器DS18B20器件作为测温电路主要组成部分。至此，系统最终方案确定。2 系统的硬件设计2.1硬件电路框图： 单片机芯片AT89C51复位电路晶振控制1602 显示器温度检测电路DS18B20报警温度调整键蜂鸣器，指示灯图总体设计方框图2.2硬件电路概述：系统由单片机最小系统、显示电路、按键、温度传感器等组成。本电路是由AT89C2051单片机为控制核心，具有与MCS-51系列单片机完全兼容，程序加密等功能，带2KB字节可编程闪存，工作电压范围为2.76V，全静态工作频率为024MHZ；显示电路由1602液晶显示模块芯片，可以进行多行显示；温度报警按键设为五个，可以显示华氏温度，调节高低报警温度；温度传感器电路主要由DS18B20测温器件构成，该器件主要功能有：采用单总线技术；每只DS18B20具有一个独立的不可修改的64位序列号；低压供电，电源范围为35V；测温范围为-20+125，误差为0.5；复位电路是10K电阻构成的上电自动复位。2.3主控电路单片机AT89C51 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。晶振采用12MHZ。复位电路采用上电加自动复位。主控芯片AT89C51 晶振电路 复位电路2.4显示电路 本设计显示电路采用1602液晶显示模块芯片，该芯片可现实16x2个字符，比以前的七段数码管LED显示器在显示字符的数量上要多得多。另外，由于1602芯片编程比较简单，界面直观，因此更加易于使用者的操作和观测。1602A芯片的接口信号说明如下表：1602A芯片的接口信号说明图 液晶显示电路25报警温度调节电路本系统一共设置了五个按键，k1键只是显示华氏温度，k4键按下不松开显示高低报警温度，松开后恢复显示正常温度，k2键和k3键是分别用来调节高低报警温度，k键控制调节时的上调或下调。具体调节如将高温报警温度调高，第一步将k4键按下不松，k键升起位置，调节k2键，则高温报警温度向上增加，反之亦然。低温报警同理。图 报警点调节电路2.6温度传感器及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及测温原理图如下所示：图 引脚排列图 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 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1所示表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 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CPUDS18B20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。测温电路1 位置随动系统小三号字，黑体1.1 位置随动系统工作原理四号字，黑体位置随动系统通常由测量元件、放大元件、伺服电动机、测速发电机、齿轮系及绳轮等组成，采用负反馈控制原理工作，其原理图如图1所示。小四号字、宋体首行缩进图1 位置随动系统原理图图序、图名和图内文字一律采用宋体五号字，表名和表头加粗。上下与正文空一行。 在图1中测量元件为由电位器Rr和Rc组成的桥式测量电路。负载固定在电位器Rc的滑臂上，因此电位器Rc的输出电压Uc和输出位移成正比。当输入位移变化时，在电桥的两端得到偏差电压U=Ur-Uc，经放大器放大后驱动伺服电机，并通过齿轮系带动负载移动，使偏差减小。当偏差U=0时，电动机停止转动，负载停止移动。此时=L,表明输出位移与输入位移相对应。测速发电机反馈与电动机速度成正比，用以增加阻尼，改善系统性能。多倍行距，1.25表表序、表名和表内文字一律采用宋体五号字，表名和表头加粗。上下与正文空一行。1 08年深市435家公司的内部控制详细披露情况统计按照是否详细披露分类数量（个）比重详细披露26861.61%简单披露其中：满足2款要求的简单披露满足1款要求的简单披露满足0款要求的简单披露16798333638.39%22.53%7.58%8.28%合计435100%参 考 文 献1康华光.电子技术基础第五版 J. 电气电子教学学报,20072彭介华主编.电子技术课程设计指导 J .北京：高等教育出版社, 19973毕满清主编.电子技术实验与课程设计M. 机械工业出版社, 20014陈汝全.电子技术常用器件应用手册 J .北京：机械工业出版社,2004附 录课程设计中的程序如下：课程设计成绩评定表院系： 物理与电子工程学院 班级： 姓名： 学号： 项目分值优秀(x90%)良好(90%x80%)中等