数显温度计实验报告

1、.wd.wd.wd.工程编号：大学生课外开放实验校级普通工程实验报告立项时间：工程名称：数显温度计的设计与制作 学生姓名： 指导教师：学 院： 完成时间：2014.5设备与实验室管理处制0. 引言单片机技术作为计算机技术的一个分支，广泛地应用于工业控制，智能仪器仪表，机电一体化产品，家用电器等各个领域。“单片机原理与应用在工科院校各专业中已作为一门重要的技术根基课而普遍开设。学生在课程设计，毕业设计,科研工程中会广泛应用到单片机知识，而且，进入社会后也会广泛接触到单片机的工程工程。鉴于此，提高“单片机原理及应用课的教学效果，让学生参与课程设计实习甚为重要。单片机应用技术涉及的内容十分广泛，如何

2、使学生在有限的时间内掌握单片机应用的 基本原理及方法，是一个很有价值的教学工程。为此，我们进展了“单片机的学习与应用方面的课程设计，锻炼学生的动脑动手以及协作能力。单片机课程设计是针对模拟电子技术，数字逻辑电路，电路，单片机的原理及应用课程的要求，对我们进展综合性实践训练的实践学习环节，它包括选择课设任务、软件设计，硬件设计，调试和编写课设报告等实践内容。通过此次课程设计实现以下三个目标:第一，让学生初步掌握单片机课程的试验、设计方法，即学生根据设计要求和性能约束，查阅文献资料，收集、分析类似的相关题目，并通过元器件的组装调试等实践环节，使最终硬件电路到达题目要求的性能指标；第二，课程设计为后

3、续的毕业设计打好根基，毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开场从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。第三，培养学生勤于思考乐于动手的习惯，同时通过设计并制作单片机类产品，使学生能够自己不断地学习承受新知识如在本课设题目中存在智能测温器件DS18B20，就是课堂环节中不曾提及的“新器件，通过多人的合作解决现实中存在的问题，从而不断地增强学生在该方面的自信心及兴趣，也提高了学生的动手能力，对学生以后步入社会参加工作打下一定良好的实践根基。1.设计意义在日常生活及工农业生产中，经常要用到

4、温度的检测及控制，传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持。其缺点如下：硬件电路复杂；软件调试复杂；制作成本高。本数字温度计设计采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55125，最高分辨率可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的热点。实验目的了解DS18B20数字式温度传感器的工作原理。利用DS18B20数字式温度传感器和微机实验平台实现数字温度计。学习并掌握

5、单片机编程原理。设计并制作出数字温度计测温范围在-55125，误差在0.5以内，采用LED数码管直接读显示。3.实验原理3.1 DS18B20测温原理3.1.1 DS18B20构造简介DS18B20是一种新型的“一线器件，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线接口的温度传感器。温度测量范围为-55+125 摄氏度，可编程为9位12 位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出

6、；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。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。3.1.2 DS18B20性能特点独特的单线接口方式，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；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换

7、电路集成在形如一只三极管的集成电路内；适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电;；温范围55125，在-10+85时精度为0.5；零待机功耗；可编程的分辨率为912位，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；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；用户可定义报警设置；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；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；图 1 外部

8、封装形式 图 2 传感器电路图负电压特性，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。以上特点使DS18B20非常适用与多点、远距离温度检测系统。DS18B20内部构造主要由四局部组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置存放器。DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图 1 所示，DQ 为数据输入/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；GND为地信号；VDD为可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。其电路图 2 所示。3.1.3 DS18B20使用中本卷须知较小的硬件开销需要相对复杂的软件进展补偿

9、，由于DS18B20温度传感器与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进展读写编程时，必须严格地保证读写时序，否那么将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进展系统程序设计时，对DS18B20操作局部最好采用汇编语言实现。在DS18B20温度传感器的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。连接DS18B20温度传感器的总线电缆是有长度限制的。在采用DS18B20进展长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。在DS18B20温度传感器测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命

10、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。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一对线接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。3.2 AT89S51简介AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k BytesISPIn-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚构造，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Fl

11、ash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。图3 AT89S51引脚图AT89S51的引脚图如图3所示，其主要性能特点如下：1、4k Bytes Flash片内 HYPERLINK :/baike.baidu /view/421016.htm t _blank 程序存储器；2、128 bytes的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3049530.htm t _blank 随机存取数据存储器 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3558.htm t _blank RAM；3、32个外部双向输入/输出I/O口；4、2个

12、HYPERLINK :/baike.baidu /view/1206615.htm t _blank 中断优先级、2层 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1206639.htm t _blank 中断嵌套中断；5、5个 HYPERLINK :/baike.baidu /view/600195.htm t _blank 中断源；6、2个16位可编程 HYPERLINK :/baike.baidu /view/281961.htm t _blank 定时器/ HYPERLINK :/baike.baidu /view/259701.htm t _blank 计数器；7、2

13、个全双工 HYPERLINK :/baike.baidu /view/716175.htm t _blank 串行通信口；8、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/280158.htm t _blank 看门狗 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1008973.htm t _blank WDT电路；9、片内 HYPERLINK :/baike.baidu /view/429391.htm t _blank 振荡器和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2246970.htm t _blank 时钟电路；10、与MCS-5

14、1兼容；11、全静态工作：0Hz-33MHz；12、三级 HYPERLINK :/baike.baidu /view/421016.htm t _blank 程序存储器保密锁定；13、可编程串行通道；14、低功耗的闲置和掉电模式。AT89S51具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间。与我们通常意义上的微机原理类似，可以通过外接A/D，D/A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，且能够提供以点阵或LCD液晶及外接按键实现人机交互，能对内部众多I/O端口连接步进电机对外围设备进展准确操控，具有强大的工控能力。4.实验内容本设计采用单片机对温度信息进展采集、处理并以数字形式显示，

15、以其测量精度高，测温范围广，操作简单、运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量。根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89S51为测温系统的核心来完成数据采集、处理、显示等功能。硬件系统由DS18B20组成的测温模块、双电源供电的信号调理放大模块、A/D转换模块、AT89S51控制模块、液晶显示模块和供电模块组成。实验原理图如图4。图4 实验原理图该系统的总体设计思路如下：温度传感器DS18B20组成的测温电路把所测得的温度信息经过放大、模/数转换发送到AT89S51单片机上，经过51单片机处理，将把温度信息在显示电路上显示

16、，本系统显示器为点阵字符LCD1602液晶模块。检测范围200.0摄氏度到+200.0摄氏度。5.实验步骤5.1硬件设计与制作5.1.1硬件系统概述本实验硬件系统由单片机最小系统，温度传感器，显示电路等组成，以AT89S51作为主控系统。显示电路采用LCD1602液晶显示模块芯片组成，可进展多行显示。温度传感器由DS18B20测温器件组成，该器件主要功能有：采用单线总技术；每只DS18B20具有独立的不可修改的64位序列号；低压供电，电压范围为35V，测温范围为-20-125，误差为0.5。复位电路是由10K电阻构成的上电自动复位。5.1.2主控电路主控系统由AT89S51，晶振电路如图5，复

17、位电路如图6等组成。其中AT89S51的2128管脚连接1602液晶显示器的714管脚。AT89S51的18,19管脚接晶振电路，管脚9接复位电路，管脚17接测温电路。图5 晶振电路图6 复位电路5.1.3显示电路图7 液晶显示电路本实验显示电路采用LCD1602液晶显示模块芯片，该芯片克实现16x2个字符，比以前的七段数码管LED显示器在显示字符上的数量要多得多，另外，由于1602芯片编程比较简单，界面直观，更加易于使用和观测。5.1.4温度传感器本实验温度传感器采用的是DS18B20,DS18B20数字温度传感器接线方便，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合

18、的不同而改变其外观。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。独特的单线接口仅需要一个端口引脚进展通信，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；DS18B20可以使用外部电源VDD，也可以使用内部的寄生电源。当VDD端口接3.0V5.5V的电压时是使用外部电源；当VDD端口接地时使用了内部的寄生电源。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。图8 DS18B20引脚图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震

19、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，图中还隐含着计数门，当计数门翻开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进展计数，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所对应的基数分别置入减法计数器1和温度存放器中，减法计数器1和温度存放器被预置在-55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展减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度存放器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开场对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停顿温度存放器值的累加

20、，此时温度存放器中的数值即为所测温度。图9 DS18B20测温电路5.1.5实验器材DS18B20，AT89S51，12MHz晶振，5.1K排阻，4.7K电阻，10K电阻，LED1602,40座IC座，10F电容各一个，30pF电容2个。5.1.6硬件制作根据实验原理图，进展合理的排版，把以上实验器材通过焊锡焊接在电路板上，使用导线连接，硬件实物做好后，将程序烧入单片机。制作实物图参见附页。5.2软件设计整个系统是由硬件配合软件来实现的，在硬件确定后，编写的软件的功能也就 基本定型了。所以软件的功能大致可分为两个局部：一是监控，这也是系统的核心局部，二是执行局部，完成各个具体的功能。系统程序主

21、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，显示数据刷新子程序等。5.2.1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的测量的当前温度值，温度测量每1s进展一次。主程序流程如以下列图图10 主程序流程图5.2.2 读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进展CRC校验，校验有错时不进展温度数据的改写。其程序流程图如图示：图11 子程序流程5.2.3 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场命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。5.2.4

22、 计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取值进展BCD码的转换运算，并进展温度值正负的判定。图12 计算温度流程图和显示数据刷新流程图5.2.5 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展刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。流程如上图所示。5.2.6 1602液晶显示图13 1602温度显示流程6.实验结果 6.1软件仿真 6.1.1 系统仿真结果本设计是在Proteus环境下进展仿真的，仿真所用到的器件有：单片机AT89S51，DS1820温度传感器，LCD1602液晶显示器，一些电阻，电容等。仿真结果如下：详细程序见附页图14 仿真结果图6.2

23、 实物展示实物展示如图15所示：图15 实物图6.3实物调试运行结果经调试后运行，显示的温度为27.3摄氏度，与当前实际温度一致，如图16所示：图16 实物显示结果7.讨论与分析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，进展A/D转换后，就可以用单片机进展数据的处理，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：图17 方案设计框图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

24、容易直接读取被测温度值，进展转换，就可以满足设计要求。从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。通过方案二设计的温度计总体电路如图15所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用LCD1602液晶显示器以串口并行输出方式传送数据实现温度显示。8.心得体会从这次的课程设计中，我们真真正正的意识到，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，这就是我们在这次课程设计中的最大收获。通过这次对数字温度计的设计与制作，让我们了解了设计电路的程序，也

25、让我们了解了关于数字温度计的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。在这次综合实验中，我们通过查找大量资料，请教教师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。之前以为有了图，应该就是焊电路板而已，应该不难，然而在实践中，我们还要去了解各种芯片的管脚接法，还有线路布置，尤其布局在焊接过程中尤为重要，一个合理的布局不仅

26、使电路板更加美观，而且便于检查和分析问题。焊接时也要尽量小心，尤其在要焊接较长线路时，防止虚焊，因为在检查的过程中虚焊很难被检查出来，这就要求我们有较为熟练的焊接技术。在调试的过程中，一旦发现问题或调试不成功，不要紧张，先从电路图开场检查，看看电路和引脚是否接错，在有可能虚焊的地方多焊几遍，还检查不出错误就跟同学讨论。通过这次综合性实验我们不仅提高了焊接技术，还学到很多知识。这些知识和学习方法正是我们平时学习中没有理解和掌握的，在学习理论知识的同时也要注重科学实践，而这种实验正好为我们提供了实践的时机，所以我们要好好珍惜每一次的实验。在每一次的试验中有所收获，通过每一次的实验充实自己。9.对学

27、校建议在这次开放实验中，学校为我们提供了充分的实验条件，让我们得以顺利的完成了此次实验。在实验中教师也很耐心的为我们讲解和指导，对很多不懂的知识都得到了了解，在此次实验中，体会到了团队合作的重要性，并且锻炼了实践动手能力和客服困难的勇气，让我们提前了解了焊接技术和单片机的相关知识，为以后的学习打下了良好的根基。我们觉得学校应该多多开展这样的实验活动，为锻炼学生的动手能力提供一个良好的平台，激发学生学习的潜能，提升其对于专业知识学习的兴趣，营造一种良好的学习气氛。10.参考文献1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，19982李广弟.单片机根基.北京：北京航空航天

28、大学出版社，19943阎石.数字电子技术根基第三版.北京：高等教育出版社，19894廖常初.现场总线概述J.电工技术，1999附录程序代码#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P37;/ds18b20与单片机连接口sbit RS=P30;sbit RW=P31;sbit EN=P32;unsigned char code str1=temperature: ;unsigned char code str2=;uchar data disdata5;uint tvalue;/温度值uchar tfl

29、ag;/温度正负标志/*lcd1602程序*/void delay1ms(unsigned int ms)/延时1毫秒不够准确的unsigned int i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j0;i-) DQ = 0; /给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; /给脉冲信号 if(DQ) dat|=0 x80; delay_18B20(10); return(dat);void ds1820wr(uchar wdata)/*写数据*/unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0 x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata=1; read_temp()/*读取温度值并转换*/uchar