数字温度计的设计

...wd......wd......wd...安阳师范学院本科学生毕业论文基于51单片机的数字温度计设计作者系〔院〕物理与电气工程学院专业电子信息工程年级学号指导教师日期2012.05.12成绩学生诚信承诺书本人郑重承诺：所呈交的论文是我个人在导师指导下进展的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。所有合作者对本研究所作的任何奉献均已在论文中作了明确的说明和表示了。签名：日期：2012-05-12论文使用授权说明本人完全了解安阳师范学院有关保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保存送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或局部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：导师签名：日期：基于51单片机的数字温度计设计张兆元〔安阳师范学院物理与电气工程学院，河南安阳455000〕摘要：用单片机控制实现的测温系统，其精度高，稳定性好，并选用了美国DALLAS公司最新推出的DSl8B20一线式数字温度传感器，并给出了数字温度传感器的硬件接口电路及软件设计方法，通过发光数码管显示温度。关键词：STC89C52；DSl8B20；测温；1引言随着现代信息科技的飞速开展和传统工业改造的逐步实现,能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件,热敏电阻本钱低,但需要接信号处理电路,而且热敏电阻的可靠性较差,测量温度的准确度低,检测系统的精度差。而今电子技术和微型计算机的迅速开展，采用单片机进展温度检测、数值显示和数据的传送，具有效率高、性能稳定等优点，还可以实现实时实地控制等技术要求，在工业生产中应用越来越广泛。2技术要求在三位数码管上显示当前采集到的环境温度，并准确到0.1度。3方案论证3.1恰当地选择温度传感器方案1：用热敏电阻做为温度传感器。通过采集各个时间内的电压，进展A/D转换，经过电压与温度的转换、校准，测量出温度。方案2：用DS18B20数字式温度传感器。DS18B20是DS1820的换代产品,它与传统的热敏电阻温度传感器不同,它能够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。其内部集成了温度的传感器及A/D转换模块，通过读取片内数据，测量出温度。由于用热敏电阻作为温度传感器误差较大，可靠性相对较差，且不方便调试校准；而DS18B20测量精度高，集成度高，方便调试，线路简单。所以本设计采用方案2。3.2显示器件的选择方案1：采用液晶显示，此种显示方式，液晶耗电量少，能显示复杂的符号图形。方案2：采用发光数码管显示，此种显示亮度高，且编程简单。考虑到本系统显示简单，液晶价格贵且亮度低，所以选用方案2。4硬件设计4.1关于单片机单片机是一种集成电路，即采用大规模集成电路技术把具有数据处理能力的CPU〔中央处理器〕、随机存储器RAM〔randomaccessmemory〕、只读存储器ROM〔Read-OnlyMemory〕、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能，还可以包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路，集成到一块硅板上构成的一个小而精细的计算机系统。我选用的单片机是stc89c52，它是深圳宏晶科技生产的，具有低功耗高性能的优点。并且有8K在系统可编程Flash存储器，512字节数据存储空间，内带4K字节EEPROM存储空间。4.2系统构造图4.2.1了解51单片机的内部系统构造图4.1.1单片机的内部系统构造其中，较为重要的是串行端口。串行通信是数据的各位在同一根数据线上依次逐位发送或接收。P3.0口的第二功能是串行数据的输入口〔RXD〕，p3.1口的第二功能是串行数据的输出口(TXD)。4.2.2根据设计要求，画出外部系统构造图电路总图见附录一图4.2.2外部系统构造图4.3温度传感器模块4.3.1DS18B20温度传感器介绍DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的第一片支持“一线总线〞接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易兼容微处理器等优点，可直接将温度传感器转化成串行数字信号供处理器处理。4.3.2DS18B20温度传感器特性〔1〕适应电压范围宽，电压范围在3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。〔2〕独特的单线接口方式，他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的双向通信。〔3〕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。〔4〕在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路形如多只三极管的组成电路。〔5〕测温范围-55°C～+125°C，在-10°C～+85°C时精度为正负0.5°C。〔6〕可编程分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5°C，0.25°C，0.125°C，0.0625°C，可实现高精度测温。〔7〕在9位分辨率时，最多在93.75ms内把温度转换数字；12位分辨率时，最多在750ms内把温度值转换为数字，显然速度很快。〔8〕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，具有极强的抗干扰能力。CRC即循环冗余校验码〔CyclicRedundancyCheck〕：是数据通信领域中最常用的一种过失校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。〔9〕负压特性。电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。4.3.3引脚介绍DS18B20实物图如以下列图。图4.3.3DS18B20实物图图4.3.3DS18B20实物图4.3.4DS18B20与单片机的连接主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，他们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操作。设备〔主机或从机〕通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能释放总线，而让其他设备使用总线。单总线通常要求外接一个约为5kΩ的上拉电阻，如以下列图。图4.3.4DS18B20和单片机的连接从图可以看出，DS18B20和单片机的连接非常简单，单片机只需要一个I/O口就可以控制DS18B20。这个图的接发是单片机与一个DS18B20通信，如果要控制多个DS18B20进展温度采集，只要将所有DS18B20的I/O口全部连接到一起就可以了。在具体操作时，通过读取各个DS18B20内部芯片的序列号来识别。4.3.5DS18B20的工作原理硬件电路连接好以后，对于单片机需要怎样工作才能将DS18B20中的温度数据读取出来，下面将给出详细分析。其控制DS18B20的指令：33H—读ROM。读DS18B20温度传感器ROM中的编码〔即64位地址〕。44H—操作RAM。发送温度转换命令，结果存入9字节RAM。55H—匹配ROM。发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码对应的DS18B20并使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读/写做准备。F0H—搜索ROM。用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数，识别64位ROM地址，为操作各器件做好准备。CCH—跳过ROM。忽略64位ROM地址，直接向18B20发温度变换命令，适用于一个从机工作。ECH—告警搜索命令。执行后只有温度超过设定值上限或下限的芯片才作出响应。以上这些指令涉及的存储器是64位光刻ROM，表1列出了它的各个定义。表164位光刻ROM各位定义8位48位8位CRC码序列号产品类型编号64位光刻ROM中的序列号是出厂前被光刻好的，他可以看做该DS18B20的地址序列码。其各位排列顺序是：开场8位为产品类型标号，接下来48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前56位的CRC循环校验码〔CRC=X8+X5+X4+1〕。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不一样，这样就可以实现一条总线上接挂多个DS18B20的目的。4.3.6DS18B20的工作时序图以下列图为时序图中各个总线状态。图4.2.6时序图中各个总线态图4.2.6时序图中各个总线态〔1〕初始化时序图如以下列图5所示。先将数据线至高电平1.图〔1〕DS18B20初始化时序图图〔1〕DS18B20初始化时序图①数据线拉到低电平0。②延时〔该时间要求不是很严格，但是要尽可能短一点③延时750μs〔该时间范围可在480~960μs〕。④数据线拉到高电平1。⑤延时等待。如果初始化成功则在15~60μs内产生一个由DS18B20返回的低电平0，据该状态可以确定温度传感器ds18b20的存在。但是应注意，不能无限地等待，不然会使程序进入死循环，所以要进展超时判断。假设CPU读到数据上的低电平0后，还要进展延时，延时的时间从发出高电平算起〔第⑤步的时间算起〕最少要480μs。将数据线再次拉到高电平1后完毕。〔2〕DS18B20写数据时序图如以下列图6所示。写数据步骤：①数据线先置低电平0。②掩饰确定的时间为15μs。③按从低位到高位的顺序发送数据〔一次只发送一位〕。④延时时间为45μs。⑤将数据线拉到高电平1。重复循环①~⑤步骤，直到发送完整个字节，注意最后将数据线拉到高位1。图〔2〕DS18B20写数据图〔2〕DS18B20写数据DS18B20读数据时序图如以下列图7所示。图〔3〕DS18B20读数据图〔3〕DS18B20读数据〔3〕DS18B20写数据时序图如上图所示。写数据步骤：①将数据线拉高到1.②延时2μs。③将数据线拉低到0.④延时6μs。⑤将数据线拉高到1。⑥延时4μs。⑦读数据线的状态得到一个状态位，并进展数据处理。重复①~⑦步骤，直到读取完一个字节后延时30us。时序图见上图。4.4显示模块采用三位一体共阴数码管显示温度，数码管驱动使用锁存器74hc573。采用动态显示的原理，故段选和位选都用p0口，通过p2.6口和p2.7口确定位或者段的选通，接法见附录电路原理图。5软件设计5.1总程序流程图总程序流程图如以下列图所示。图5.1总程序流程图5.2程序设计其源程序见附录三。6安装调试安装调试时，数码管会出现亮度不均匀或是数码管中有个别不显示的现象，经检查发现产生这种原因的可能是因为焊接的时候有虚焊、选用的上拉电阻阻值过大，或是接元器件的时候无意间把锁存器控制位导线弄断所导致。6.1数码管引脚的判断用5v的直流电源串电阻接在数码管十二个引脚上，可以判断出各个引脚代表哪一段和哪一位，其中6号引脚不起作用。哪个是6号引脚呢让三位数码管正对自己右下角的引脚为1号引脚，逆时针依次为2、3、4、5、6、7、8、9、…、12号引脚。判断出它的内部电路图如以下列图所示。图6.1数码管内部电路图6.2排除故障6.2.1排除逻辑故障这类故障往往由于设计和连线过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的电路板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。6.2.1排除元器件失效造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。6.2.3排除电源故障在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，假设在5V～4.8V之间属正常。假设有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。7结论本文较详细的阐述了温度测量装置设计的整体方案与软件实现。DS18B20的优势在于集温度测量、A/D转换为一体，具有单总线构造，数字量输出，直接与单片机接口等优点，温度读取简单、直观，硬件和软件的开发过程简单，因此可用它组成单路或多路温度测量装置，有一定的使用和推广价值。当然，在这个过程中我遇到了很多问题，有的是我看书、上网查资料解决的，有的是同过李研达教师、同学的帮助解决的，在这里还得感谢他们的支持与厚望。参考文献[1]刘华东等编.单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2008[2]吴金戌等编.8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社,2001[3]张毅刚等编.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社，2003Basedonthedigitalthermometer51MCUdesignZhangZhaoYuan(SchoolofPhysicsandElectricalEngineering,AnyangNormalUniversity,Anyang,Henan455000〕Abstract:withtherealizationofsingle-chipmicrocomputercontroltemperaturemeasuringsystem,itshighaccuracy,goodstability,andselecttheDALLAScompanylatestDSl8B20alineinthedigitaltemperaturesensorispresented,anddigitaltemperaturesensorhardwareinterfacecircuitandthesoftwaredesignmethod,throughthedigitalluminescencetubestodisplaytemperature.Keywords:STC89C52；DSl8B20；Temperaturemeasurement；附录一电路原理图附录二面包板图附录三源程序#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitDS=P2^2;//defineinterface，确定接口uinttemp;//variableoftemperature，温度变量为无符号整形ucharflag1;//signoftheresultpositiveornegative，结果是否生效标志sbitdula=P2^6;//数码管段选sbitwela=P2^7;//数码管位选unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//显示的依次是0～funsignedcharcodetable1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef};//显示的依次是0.～9.voiddelay(uintcount)//延时子程序{uinti;while(count){i=200;while(i>0)//延时约1msi--;count--;}}///////功能:串口初始化,波特率9600，方式1///////voidInit_Com(void){TMOD=0x20;//GATEC\TM1M0GATEC\TM1M0//定时T1工作方式2PCON=0x00;//SMOD波特率倍增位，PCON=0X01时倍增//电源控制存放器SCON=0x50;//SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI//串行控制存放器TH1=0xFd;TL1=0xFd;TR1=1;}voiddsreset(void)//sendresetandinitializationcommand//发送初始化及复位信号/*为了识别已连接到单总线上的数字温度传感器*/{uinti;DS=0;i=103;while(i>0)i--;//480us~960us/*处理器先向DS18B20发送一个持续480～960us的低电平信号*/DS=1;/*然后进入输入模式释放总线*/i=4;while(i>0)i--;//15~60us/*在检测到I/O引脚上升沿之后，等待15～60us*/}/*如果由DS18B20所返回的低电平持续时间少于60us，则表示就绪信号无效。主机要重新发送初始化时间序列*//*读取数据的一位，满足读时隙要求*/bittmpreadbit(void)//readabit//readabit读一位//DS18B20的读时序:分为读0时序和读1时序两个过程{uinti;//对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，bitdat;//dat的取值为0、1。//在15微秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS=0;i++;//i++fordelay小延时一下//DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。DS=1;i++;i++;//延时15us以上，读时隙下降沿后15us，DS18B20输出数据才有效dat=DS;i=8;while(i>0)i--;return(dat);}/*读取数据的一个字节*/uchartmpread(void)//readabytedate，读数据的一个字节{uchari,j,dat;dat=0;for(i=1;i<=8;i++){j=tmpreadbit();dat=(j<<7)|(dat>>1);//读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在DAT里}return(dat);//将一个字节数据返回}/*写数据的一个字节，满足写1和写0的时隙要求*/voidtmpwritebyte(uchardat)//writeabytetods18b20，向传感器写入一个字节//DS18B20的写时序:写0时序和写1时序两个过程{//写一个字节到DS18B20里//uinti;ucharj;bittestb;for(j=1;j<=8;j++){testb=dat&0x01;dat=dat>>1;取下一位〔由低位向高位〕if(testb)//write1//对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0〞电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得使单总线变高，整个写1时隙不低于60us。{DS=0;//产生写0时隙的过程：MCU拉低总线后，只要在整个时隙期间保持低电平即可〔至少60US〕i++;i++;DS=1;i=8;while(i>0)i--;}else{DS=0;//write0i=8;while(i>0)i--;DS=1;i++;i++;}}}voidtmpchange(void)//DS18B20beginchange{dsreset();delay(1);tmpwritebyte(0xcc);//addressalldriversonbus,//允许MCU不提供64位ROM编码就使用存储器操作命令，在单点总线情况下节省时间tmpwritebyte(0x44);//initiatesasingletemperatureconversion//〔操作RAM〕发送温度转换命令，结果存入9字节RAM。//}uinttmp()//getthetemperature{floattt;uchara,b;dsreset();delay(1);tmpwritebyte(0xcc);tmpwritebyte(0xbe);//发送读取数据命令，读内部RAM9字节的内容a=tmpread();b=tmpread();temp=b;temp<<=8;//twobytecomposeaintvariabletemp=temp|a;//得到真实十进制温度值，两字节合成一个整型变量tt=temp*0.0625;//1/16=0.0625,每个数值代表1/16temp