数字温度计课程设计[1]

1、 摘要 在这个信息化高速发展的时代，单片机作为一种最经典的微控制器，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，作为自动化专业的学生，我们学习了单片机，就应该把它熟练应用到生活之中来。这里将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，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。本文设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点单片机作为一种最经典的微控制器。在工业生产中温度是常用的被控参数，而采用单片机来对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。本文介绍了数字温度测量及自动控制系统的设计。关键词：单

2、片机，数字控制，数码管显示，温度计。 目录摘要第1章 概述11.1 设计目的11.2 设计原理11.3 设计难点1第2章 系统总体方案设计22.1数字温度计设计方案论证22.2 主控制器2第3章 系统整体硬件电路设计8第4章 系统软件设计114.1初始化程序114.2读出温度子程序124.3读、写时序子程序134.4 温度处理子程序144.5 显示程序与延时程序16第5章 系统仿真分析.165.1 系统原理图.195.2系统仿真图.20结束语.21参考文献.21致谢.22附录. .232第1章 概述1.1设计目的随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便

3、也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，可广泛用于食品库、冷库、粮库、温室大棚等需要控制温度的地方。目前,该产品已在温控系统中得到广泛的应用。1.2设计原理本系统是一个基于单片机AT89S52的数字温度计的设计，用来测量环境温度，测量范围为-50110度。整个设计系统分为4部分：单片机控制、温度

4、传感器、数码显示以及键盘控制电路。整个设计是以AT89S52为核心，通过数字温度传感器DS18B20来实现环境温度的采集和A/D转换，同时因其输出为数字形式，且为串行输出，这就方便了单片机进行数据处理，但同时也对编程提出了更高的要求。单片机把采集到的温度进行相应的转换后，使之能够方便地在数码管上输出。LED采用四位一体共阴的数码管。1.3设计难点此设计的重点在于编程，程序要实现温度的采集、转换、显示和上下限温度报警，其外围电路所用器件较少，相对简单，实现容易。第2章 系统总体硬件设计2.1数字温度计设计方案论证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

5、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。进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。 2.2总体设计框图 温度计电路设计总体设计方框图如图2.1所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，用4位共阴LED数码管以串口传送数据实现温度显示。图 2.1 总体设计框图2.2.1 主控制器单片机AT89S52

6、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，适合便携手持式产品的设计使用。AT89S52单片机芯片具有以下特性：1）指令集合芯片引脚与Intel公司的8052兼容；2）4KB片内在系统可编程FLASH程序存储器；3）时钟频率为033MHZ；4）128字节片内随机读写存储器（RAM）；5）6个中断源，2级优先级；6）2个16位定时/记数器；7）全双工串行通信接口；8）监视定时器；9）两个数据指针；2.2.2 显示电路 显示电路采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2.0P2.3作片选端。但在焊电路板的时候发现数码管亮度不够，所以在P2.0P2.3端口接四

7、个10K的电阻和四个NPN的三极管，以使数码管高亮显示。2.2.3温度传感器 DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司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：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，无须经过其它变换电路；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；可通过数据线供电，内含寄生电源，电压范围为3.05.5；零待机功耗；温度以或位数字；用户可定义报警设置； 报警搜索命令识别并

8、标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；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；测温范围为-55-+125，测量分辨率为0.0625采用单总线专用技术，DS18B20采用脚PR35封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.2所示。 图2.2 DS18B20内部结构64位ROM的结构开始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。温度报警触发器和，可通过软件写入用户报警上下限。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

9、EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，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3所示。低位一直为，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，用户要去改动，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CRC 图2.3 DS18B20字节定义 由下面表2.1可

10、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。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第、字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位时，表示测得的温度值为负值，要先将

11、补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。表2.1 DS18B20温度转换时间表DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、T字节内容作比较。若TH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。 在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。 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

12、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55所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中，计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。 减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加1，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器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

13、减法计数器计数到时，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。表2.2一部分温度对应值温度/二进制表示十六进制表示+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 111

14、1 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H2.3 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路图2.4 DS18B20与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图2.4 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉，多个DS18B20

15、可以将2口串接到一条总线上，而本设计只用了一个DS18B20。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。第3章系统整体硬件电路设计3.1系统整体硬件电路系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，单片机主板电路如图3.1 所示：图3.1 单片机主板电路图3.1 中包括时钟振荡电路和按键复位电路，按键复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就

16、可以实现复位。另外扩展电路中，蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。3.2 显示电路 显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用P0和P3口,串口的发送和接收，采用4位共阴LED数码管，从P0口输出段码，P2.0P2.3作片选端。但在焊电路板的时候发现数码管亮度不够，所以在P2.0P2.3端口接四个10K的电阻和四个NPN的三极管，期望增加驱动电流，以使数码管高亮显示。图3.2 温度显示电路第4章 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

17、程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。4.1初始化程序DQ置1短延时DQ置0延时450usDQ置1延时15-60us延时至少60usX=DQ结束X=DQ 、图4.1 初始化程序流程图4.2读出温度子程序初始化发跳过ROM指令开始温度转换延时2ms初始化写入跳过ROM、读取暂存器和CRC字节指令读取温度的低八位和高八位取中间八位结束读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的2字节，读出温度的低八位和高八位，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图4.2所示 图4.2读温度程序流程图4.3读、写时序子程序读写的程序是本次设计中的重点和难点，通过我们对其时序的分

18、析，从而写出高效的程序。写1，0时序读0，1时序DQ=0延时15usdat&=0x01dat>>1延时45usDQ=1结束 延时程序： DQ置1短延时DQ置0延时450usDQ置1延时15-60us延时至少60usX=DQ结束X=DQ 图4.3延时程序4.4 温度处理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4.4所示取反flag=1开始flag=0ht>128?求百位、十位、个位和小数位bai=0？shi=0?显示个位和小数位显示十位显示百位结束NNYN N 图4.4 温度处理程序流程图 4.5 显示程序送位

19、选位选值左移n位送段码n=2?P0.7=0延时1ms关断位选结束此函数实现的对数码管显示的处理，其亮点在于可以直接对数码管进行操作，其本身是个两变量函数，第一个变量是要开通的位选，第二个变量是要显示的数据，这样我们可以直接方便而又简单直观的对数码管进行操作。程序流程图如图12。 N 图4.5显示数据刷新流程图4.6延时程序延时程序主要分为短延时和长延时，短延时如果要求十分的精确可以采用定时器，如果要求不太高的话可以采用普通函数的叠加，可以近似时间的延时。长延时同样的道理，不过要求不是很精确的话，可以采取语言结构的循环来实现延时。具体程序如下:/近乎精确的短延时，采用标准库里的_nop_()函数

20、，此函数一个延时为22微秒左右；void delay15(uint n) do _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); n-; while(n);/长延时，用于不太严格的延时void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=50;y>0;y-);表4.1 delay15（）延时函数的取值采样：n的取值1234101520222324时间17us48us69us9

21、0us216us321us426us468us489us510us第5章 系统仿真分析5.1仿真软件 Protues软件是英国公司开发的电路分析与仿真软件，集原理图设计，电路分析，仿真和PCB设计与一体，配有各种信号源和电路分析所需的各种仪表，它从根本上克服了传统电子产品设计中没有物理模型就无法对系统进行测试的缺点，是国内外唯一能仿真CPU的电子设计仿真软件。5.2 输入仿真原理图和程序打开protues软件，输入仿真原理图和程序。图5.1总体原理图5.3调试系统的调试以程序为主。硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。软件调试先编写显示程序并进行硬件的正确

22、性检验，然后分别进行主程序、读出温度子程序、温度子程序、显示数据刷新等子程序的编程及调试，由于DS18B20与单片机采用串行数据传送，因此，我对DS18B20进行读写编程时严格地保证读写时序，以防无法读取测量结果。本程序采用单片机汇编编写，用KEIL编程调试。软件调试到能显示温度值，而且在有温度变化时（例如用手去接触）显示温度能改变就基本完成。性能测试时，我用制作的温度计和已有的成品温度计来同时测量比较，由于DS18B20的精度很高，所以误差指标可以限制在0.1以内，另外-55+125的测温范围使得该温度计完全适合一般的应用场合，其低电压供电特性可做成用电池供电的手持电子温度计。在DS18B2

23、0测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环，所以我在进行DS18B20硬件连接和软件设计时给与了一定的重视。5.2仿真结果仿真结果如图5.2所示：图5.2 仿真结果图结束语 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，举个例子，以前写的那几次，数据加减时，我用的都是BCD码，这一

24、次，我全部用的都是16进制的数直接加减，显示处理时在用对不同的位，求商或求余，感觉效果比较好。还有时序的问题，通过这次的设计我明白了时序才真正是数字芯片的灵魂，所有的程序我们都可以通过对其时序的理解来实现对其操作，同时体会到了单总线结构的魅力。 从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。 参考文献1 余发山，王福忠.单片机原理及应用技术M.徐州：中国矿业大学出版社，20032 张毅刚. MCS-51单片机原理及应用M. 哈尔滨：哈尔滨

25、工业大学出版社，20033 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用M.北京：清华大学出版社，2002.4 高峰，单片微型计算机与接口技术M.北京：科学出版社，2003.7 林伸茂. 8051单片机彻底研究经验篇 M.北京：人民邮电出版社，2004，致谢在本次课程设计中，不仅自己付出了很多心血，也得到了很多老师和同学的支持，为我创造了很多有利条件，在这里，我要特别感谢我的导师彭森老师，在课程设计的开始，单老师给了我很多帮助，指导我了解了很多单片机的相关知识，并在当我设计遇到困难时，及时的给予帮助和鼓励，同时，对我其他学科的鼓励也渗透在课程设计的同时，给了我莫大的信心，为我顺利完成设计起

26、到了非常重要的作用。同时。我还要感谢所有老师，为我的设计提供了非常便利的条件。最后还要感谢帮助我的同学，在我遇到困难时给予我耐心的帮助。再次对在本次课程设计中给予过我帮助的老师和同学献上我最真挚的谢意。附录：源程序代码：#include <reg52.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define duaP2#define max36/#define min 0sbit DQ=P17;sbit din=P07;sb

27、it beep=P30;/*uchar tab=0xc0,0xf9,0xa4,0xB0,0x99,/"0" "1" "2" "3""4" 0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff,0xbf,0xc6; /共阳； / "5" "6""7""8""9" "灭""-" 'c' */uchar tab=0x3f,0x06,0x5b,

28、0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x00,0x40; uchar tab216=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;uchar d1,d2,ht,bai,b,shi,ge;uint tem;/近乎精确的短延时，采用标准库里的_nop_()函数，此函数一个延时为22微秒左右；void delay15(uint n) do _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

29、_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); n-; while(n);/长延时，用于不太严格的延时void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=50;y>0;y-);/初始化函数void init()uchar x=1;while(x)DQ=1;_nop_();DQ=0;delay15(23); /最小480us；DQ=1;delay15(2);/存在检测高电平最小15us； x=DQ;delay15(22);/ 存在检测低电平最小240us；x=DQ;DQ=1; void

30、 write(uchar dat)uchar i;for(i=8;i>0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0;DQ=dat&0x01;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();delay15(3);dat>>=1;DQ=1;_nop_();/读一个字节；read()uchar i;uchar dat=0;for(i=8;i>0;i-)DQ=1;dat>>=1;_nop_();DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/十五微秒不变；DQ=1;_nop_();