洛_阳_理_工_学_院计算机控制技术课程设计

1、洛 阳 理 工 学 院课 程 设 计 说 明 书课程名称计算机控制技术与应用 设计课题 数字温度计 专 业 电气工程及其自动化班 级 B090402 _ 姓 名邵锴 _ 2012年12月28日课 程 设 计 任 务 书_电气工程与自动化系_系_电气工程及其自动化_专业学生姓名_邵锴_班级_B090402 _学号_B09040216_课程名称：_计算机控制技术与应用 _设计题目：_数字温度计 _课程设计内容与要求：设计（论文）开始时期2012年 12 月14日指导教师张娟梅 高海涛设计（论文）完成日期2012年 12 月28日指导教师 张娟梅 2012年 12月28日 课 程 设 计 评 语第

2、1页_电气工程与自动化系_系_电气工程及其自动化_专业学生姓名：邵锴_班级_B090402 _学号_B09040216_课程名称：_计算机控制系统与应用 _设计题目：数字温度计 _ _课程设计篇幅：图 纸张说明书页指导教师评语： 年 月 日指导教师 数字温度计 摘 要温度计在实际生产和人们的生活中都有广泛应用，为此我选择了设计一个数字温度计。本设计以STC89C52单片机为核心，DS18B20数字式温度传感器为温度传感器，74HC573锁存器及数码管构成显示电路。单片机控制DS18B20进行温度采集，在接收到DS18B20传回数据后进行处理，通过74HC573锁存器及数码管显示实时温度的动态显

3、示。由于采用的是可编程器件作为控制核心，与传统的温度计相比该温度计具有示数直观，精度可调，功能易扩展等优点。关键词：数字温度计，单片机，DS18B20目录第1章 总体方案设计31.1方案比较3方案一3方案二3方案三41.2 方案论证41.3 方案选择5第2章 单元模块设计52.1各单元模块功能介绍及电路设计5电源电路52.1.2 中央处理电路62.1.3 测温电路7显示电路82.2 电路参数的计算及元器件的选择82.2.1 电源电路82.2.2 中央处理电路92.2.3 测温电路92.2.4 显示电路92.3 特殊器件的介绍92.3.1 STC89C52单片机特点及特性92.3.2 DS18B

4、20介绍102.3.3 74HC573介绍132.4各单元模块的联接14第3章 软件设计143.1主要软件设计流程153.2原理图的绘制与仿真153.3单片机程序的调试与编译17第4章 系统功能指标、参数204.1系统能实现的功能204.2系统指标参数测试204.3系统功能及指标参数分析20第5章 结 论20总结与体会22参考文献23附录1：系统的电路原理图24附录2：DS18B20测温子程序25第1章总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并在老师的指导下，使我对整个电路系统有了一个比较全面的了解。本设计主要是实现模拟量温度的采集，然后使其转换为数字量，最后将其转化为直观的十进制示值。1.1方

5、案比较对同一种目的的实现，可以用不同的方案，下面就着重介绍以下两种方案对同一目的的实现方法。并比较两种方案的优劣。方案一原理框图如图1.1：热电偶ADC译码显示电路电源图1.1 方案一的原理框图方案一的原理简述：该方案的各部分电源均由总电源供电，温度传感器为热电偶，热电偶的热端感受被测物体温度t，产生相应的热电势。热电势与热端温度成单值函数关系，用模数转换器ADC将热电势转化为数字量，按照热电势与温度的函数关系将该数字量转换为对应温度值，经译码显示电路显示在数码管上，从而实现数字温度计的功能。方案二原理框图如图1.2：显示电路电源数字温度传感器STC89C52图1.2 方案二的原理框图方案二的

6、原理简述：该方案的各部分电源均由总电源供电，51单片机作为中央处理器及控制核心，控制数字温度计采集温度，数字温度传感器在采集到温度后直接输出数字量，传给单片机进行处理，单片机将传回的二进制数据处理后转换为相应温度，由译码显示电路以十进制形式显示在数码管上。方案三原理框图如图1.3：数字温度传感器控制电路译码显示电路传感器图1.3：方案三的原理框图方案二的原理简述：该方案的各部分电源均由总电源供电，由模拟及数字元器件组成的控制电路作为核心，控制数字温度计采集温度，数字温度传感器在采集到温度后直接输出数字量，传给控制电路进行处理，控制电路将传回的二进制数据处理后转换为相应温度，由译码显示电路以十进

7、制形式显示在数码管上。1.2 方案论证以上三种方案都是可行的，第一种方案的优点是由纯硬件电路构成，不涉及软件编程，但是由于热电势与温度之间的函数关系较复杂，利用硬件电路完成其转化较复杂，设计该电路难度较大且电路将比较庞大。第二种方案的难点主要是单片机程序编制，但其硬件电路相对简单，借助于微控制器的强大功能可使设计周期缩短，测量精度高，且易于扩展功能，增强了电路对各种工作要求的适应性。第三种方案的优点是由纯硬件电路构成，不涉及软件编程，但是数字式温度传感器的工作涉及复杂的时序，用硬件电路实现将十分复杂，电路设计难度大且电路庞大。1.3 方案选择考虑到自己先前自学过单片机知识，对单片机有一定了解以

8、及电路的灵活性和适用性，经过上面三个方案的分析，第二个方案的可行性高，所以我选择第二个方案做为设计方案。在第二个方案中，数字式温度传感器和单片机起着主导作用，单片机控制传感器测温并将其传回的数据进行处理，通过改变程序，可改变测量精度及电路的功能，可实现设计要求。第2章单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。2.1各单元模块功能介绍及电路设计电源电路电源电路的种类繁多，如变压器降压；桥式整流全波整流；LC、RC滤波；三端稳压器稳压等。具体采用什么电路合适，则根据

9、主体电路及执行机构不同和可靠、价廉、有效益等要求进行选用。电源的设计结构如下：整流稳压滤波降压图2.1电源电路框图图2.2电源部分连线图电源电路中，CON1口接入经变压器降压的低压交流电，二极管D1、D2、D3、D4组成桥式整流电路，三端稳压器LM7805稳压，稳压后再进行一次滤波，发光二极管D5与电阻R1构成电源工作指示电路，R1起限流作用。作为滤波电容的C1、C2、C3、C4取值均来自LM7805器件资料中典型应用电路。电路通过CON2口输出稳定+5V供给整个系统。2.1.2 中央处理电路图2.3中央处理电路 中央处理电路主要由时钟振荡电路，复位电路及STC89C52单片机构成，其中RP1

10、为10k的排阻，作为单片机P0口的上拉电阻。中央处理电路控制数字温度传感器进行测温并对传回的数据进行处理，再控制显示电路将测得温度显示在数码管上。2.1.3 测温电路图2.4测温电路测温电路主要由数字温度传感器DS18B20构成。DS18B20使用外部电源Vcc故其3脚接Vcc，I/O口2脚通过信号线与单片机相连，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。测温电路完成温度的测量，将测得温度以二进制数据形式反馈给单片机进行处理。2.1.4显示电路图2.5显示电路显示电路主要由74HC573锁存器及七段共阴数码管构成，实现数码管对测得温度值的动态显示。74HC573桥接单片机和数码管，按程序锁存单片机输出

11、的数码管段选及位选控制信号，与数码管共同实现数码管动态显示功能。2.2 电路参数的计算及元器件的选择2.2.1 电源电路考虑到实用性及稳定性，电源采用变压器降压，三端稳压器稳压的线性直流电源。根据输入电压、二极管的反向击穿电压、最大整流电流及惯例选择1N4007作为整流二极管，根据LM7805元件资料上给出的典型应用电路决定滤波电容容值：C1=3300uf、C2=0.22uf、C3=470uf、C4=0.1uf。2.2.2 中央处理电路考虑到功能、成本及自身的知识储备，我选择了价格低廉、功能相对强大的51系列单片机STC89C52作为中央处理电路的处理器。中央处理电路主要由STC89C52单片

12、机、时钟振荡电路及复位电路构成。时钟振荡电路及复位电路的元件选择均根据资料，无需计算。2.2.3 测温电路测温电路主要由数字温度计DS18B20构成，据其元件资料其数据端的上拉电阻应取5k左右，取标称值4.7k。2.2.4 显示电路考虑到成本、实用性及可操作性显示电路部分的锁存器选择数电课堂中介绍过的74HC573，数码管选择七段共阴数码管。2.3 特殊器件的介绍2.3.1 STC89C52单片机特点及特性STC89C52单片机具有PDIP，TQFP和PLCC三种封装形式。设计中采用的是PDIP封装，其引脚排列如图2.6所示。STC89C52单片机有40个引脚，具有如下特性：片内程序存储器含有

13、4KB的Flash存储器，允许在线编程，擦写周期可达1000次；片内数据存储器内含128字节的RAM；I/O口具有32根可编程I/O线；具有两个16位I/O线；中断系统具有6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级的中断结构；串行口是一个全双工的串行通信口；具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；低功耗节电模式有节电模式和掉电模式；包含3级程序锁定位；STC89C52的电源电压为4.0-5.5V，STC89C52的电源电压为2.7-4.0V；振荡器频率0-33MHz（STC89C52）；具有片内看门狗定时器；灵活的在线片内编程模式（字节和页编程模式）；具有断电标志模式POF。STC89C52引脚

14、功能如下：-P0口8位、开漏极、双向I/O口。-P1口8位、双向I/O口、内部含有行拉电阻。-P2口8位、双向I/O口、内部含有行拉电阻。-P3口8位、双向I/O口、内部含有行拉电阻。P3口除了通用I/O功能外，还有替代功能。图2.6 STC89C52单片机引脚图2.3.2 DS18B20介绍DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。1、DS18B20产品的特点（1）、只要求一个端口即可实现通信。（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一

15、无二的序列号。（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。（4）、测量温度范围在55。C到125。C之间。（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）、内部有温度上、下限告警设置。2、DS18B20的引脚介绍 TO92封装的DS18B20的引脚排列见图2.7，其引脚功能描述见表2.1。图2.7DS18B20底视图序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。表2.1DS18B20详细引脚功能描述3、DS18B20的使用方法 由于D

16、S18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对STC89C52单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20 是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义 了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时 序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序

17、完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。DS18B20的复位时序（1） 先将数据线置高电平“1”。 （2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点） （3） 数据线拉到低电平“0”。 （4） 延时750us（该时间的时间范围可以从480到960us）。 （5） 数据线拉到高电平“1”。 （6） 延时等待（如果初始化成功则在15到60us时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。 （7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算

18、起（第（5）步的时间算起）最少要480us。 （8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。 DS18B20的读时序（1）将数据线拉高“1”。 （2）延时2us。 （3）将数据线拉低“0”。 （4）延时15us。 （5）将数据线拉高“1”。 （6）延时15us。 （7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。 （8）延时30us。 DS18B20的写时序（1） 数据线先置低电平“0”。 （2） 延时确定的时间为15us。 （3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。 （4） 延时时间为45us。 （5） 将数据线拉到高电平。 （6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全

19、部发送完为止。 （7） 最后将数据线拉高。 DS18B20数据输出与对应温度关系DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。 LSB232221202-12-22-32-4MSBMSbLSbSSSSS262524表2.2 DS18B20温度值格式表这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0， 这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1

20、再乘于0.0625即可得到实际 温度。 例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。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 00000000 00100008H00000 00000000 10000000H-0.51111 11111111 0000FF

21、F8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H表2.3 DS18B20温度对应值表2.3.3 74HC573介绍74HC573为八进制三态输出透明D锁存器阵列，其引脚排列见图2.8，其中为输出使能端，LE为锁存使能端，1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，逻辑功能见表2.4。74HC573内部共有八路D锁存器，每一路的逻辑图见图2.9。图2.874HC573引脚图输入输出QLEDLH HLHLLLXH LXHLQ0Z表2.4 74HC573功能表（每

22、一路锁存器，表中Z为高阻抗）图2.974HC573逻辑图2.4各单元模块的联接详见附录1第3章软件设计在本设计中用到了三种软件，一种是Proteus 7 Professional，主要用于设计原理图的绘制及电路仿真，一种是Keil C51编译系统，主要用于调试、编译STC89C52单片机程序,一种是STC-ISP V31，主要用于向单片机下载程序。3.1主要软件设计流程主要软件设计流程框图如图3.1：用Proteus绘制原理图用Keil C51编写C源代码并调试用Proteus仿真用STC-ISP V31将HEX文件下载到单片机开发板进行调试图3.1 主要软件设计流程图3.2原理图的绘制与仿真

23、在设计过程中我主要使用Proteus 7 Professionalisis软件完成系统原理图的绘制与仿真。Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Protues可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。Protues可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了

24、现实存在的仪器外，Protues还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。Protues可提供的调试手段 Protues提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。在PROTUES绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTUES的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程, 不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得

25、到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果, 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。使用Protues对电路进行设计和实验仿真的基本步骤是：1、用虚拟器件在工作区建立电路；2、选定元件的模式、参数值和标号；3、连接信号源等虚拟仪器；4、选择分析功能和参数；5、激活电路进行仿真；6、保存电路图和仿真结果。Protues是电子信息类专业经常用到的一种软件，很多地方都要用到来绘制原理图。在这里进行一些简单的操作流程介绍。首先，进入Protues的设计页面

26、，按照设计框图找出设计中所需要的基本器件，如图3.2：图3.2 元器件的绘制与连线原理图画好并设定参数后可点击“运行”按钮进行仿真，根据仿真图中元件各引脚电平变化及电路实现现象可以判断设计是否正确，如图3.3：图3.3 电路的仿真3.3单片机程序的调试与编译STC89C52单片机程序的调试与编译用到的编译系统是Keil C51。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外

27、重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。Keil C51工具包uVision是C51 for Windows的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dSc

28、ope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。下面简单介绍Keil C51开发系统的使用。首先，进入Keil C51编译系统，建立工程文件，编辑C语言源文件。如图3.4：图3.4建立工程文件然后，建立C语言源文件，写入源代码并进行编译、调试，如图3.5：图3.5 建立C语言源文件，写入源代码并进行编译、调试图3.6 DS18B20温度读取程序流程图第4章系统功能指标、参数4.1系统能实现的功能系统能够通过DS18B20测量温度，并将实时温度显示到数码管，精确到十分位。且能动态响应，当温度改变时数码管温度示值能立即

29、改变，显示相应的温度值。4.2系统指标参数测试设计中个参数测试主要用到了仿真软件proteus，利用它我对数码管动态电路显示进行了测试，测试通过后继续完成与测温电路的连接。对系统整体的测试我用的是WED-51单片机开发板，经实际测试，验证了设计符合设计要求，能进行温度测量且精度达到了0.1，温度改变，系统也能动态响应。4.3系统功能及指标参数分析电源电路：4个1N4007作为整流二极管构成桥式整流，滤波电容容值：C1=3300uf、C2=0.22uf、C3=470uf、C4=0.1uf。中央处理电路：51系列单片机STC89C52作为中央处理电路的处理器。测温电路：数字温度传感器为DS18B2

30、0，其数据端的上拉电阻R3取标称值4.7k。显示电路：显示电路部分的锁存器选择八进制三态输出透明D锁存器74HC573，数码管选择七段共阴数码管。经测试，系统测温精度达到0.1，符合设计要求指标。第5章结论该设计用仿真软件proteus及单片机开发板完美的验证了理论分析结果。数字温度计是一个用途非常广泛的电路，在很多地方都可以见到它们的身影，如工农业生产、科研、生活中。我设计的这个数字温度计能动态显示实时温度，示数直观而且通过改进程序最大精度可以达到0.0625，具有广阔的应用前景。通过这次课程设计，我收获颇多。首先，这次设计过程中我查阅了很多资料，通过查阅各种资料，加深了我对更多理论知识的理

31、解，尤其是对很多元器件、模拟电路和数字电路的理解。通过这次设计进一步加深了我的团队意识，团队协作是非常重要的。更重要的是通过这次课程设计，我的自学能力、解决问题的能力得到了深化以及怎样用最有效率的方法让陌生的东西变得熟悉。不过，这个设计还是有它的不足之处。由于时间关系，我没有过多发散本设计，设计的功能还过于单一，在今后我准备进一步扩展本设计功能，如超温报警、描绘温度变化曲线趋势等，并采用液晶显示屏显示测量数据，使测得数据更加清晰明了。总结与体会在这两周的电子设计实习中，我们做的设计课题是“数字温度计”。数字温度计是一个用途非常广泛的电路，在很多地方都可以见到它们的身影，如工农业生产、科研、生活

32、中。我设计的这个数字温度计能动态显示实时温度，示数直观而且通过改进程序最大精度可以达到0.0625，本次的数字温度计设计实践将我们学到的知识应用到了实践，深化了我对数字电路设计和模拟电路的设计，让我们在设计的实践中获得了更多的知识，同时锻炼了我们的动手能力。学习了理论知识和实践操作，我们不仅仅得到的事课本上的东西，更重要的是我们通过自己的亲自动手，还有老师和同学的耐心指导，让我们知道了分析电路、设计电路的步骤以及计算机软件辅助等。在实验中涉及到了二极管、三端稳压器、电容、锁存器、数码管等的使用，加深了我对模拟电路，数字电路的理解，同时加深了我对几种元件的使用的认识。设计一开始不知道如何下手，经

33、过广泛的查阅资料，我找到了很多有用的信息，为我的设计带来了很多方便。通过这个设计让我得到了很多，很多事情做不做得好是回事，关键是自己要亲自去实践，亲自动手做，要善于思考总结。我自知这次的设计有很多不足之处，尽管我们很努力，但效果却不是很好，平时很多东西学得也不是很透彻，我觉得做课程设计从每一个细节都在锻炼着我们。通过这次课程设计，我收获颇多，我深切体会到了把知识转换为实践的快乐。参考文献1彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社.20062 电子技术基础模拟部分M第五版.北京：高等教育出版社，20063 电子技术基础数字部分M第五版.北京：高等教育出版社，20064 贾更新.电子技术基础实验设计与仿真M.郑州：郑州大学出版社，2006，105 谭浩强，C程序设计M.第3版.北京：清华大学出版社2005,76 求是科技，8051系列单片机C程序设计完全手册M.北京：人民邮电出版社，2006,47 张毅刚等，MCS