單片機(jī)課程設(shè)計(jì)—數(shù)字溫度計(jì)

1、1 課題任務(wù)、功能要求說明及總體方案介紹1.1 課題目的隨著社會(huì)的發(fā)展，溫度的測(cè)量及控制變得越來越重要。本文采用單片機(jī)STC89S52設(shè)計(jì)了溫度實(shí)時(shí)測(cè)量及控制系統(tǒng)。單片機(jī)STC89S52 能夠根據(jù)溫度傳感器DS18B20 所采集的溫度在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示，通過控制從而把溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。所有溫度數(shù)據(jù)均通過4位數(shù)碼管LED顯示出來。系統(tǒng)可以根據(jù)時(shí)鐘存儲(chǔ)相關(guān)的數(shù)據(jù)。通過該課程的學(xué)習(xí)使我們對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有一個(gè)全面的了解、掌握常規(guī)控制算法的使用方法、掌握簡(jiǎn)單微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟硬的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步鍛煉同學(xué)們?cè)谖⑿陀?jì)算機(jī)應(yīng)用方面的實(shí)際工作能力。1.2 功能要求說明設(shè)計(jì)一個(gè)具有特定功能的數(shù)字溫度計(jì)

2、。該數(shù)字溫度計(jì)上電或按鍵復(fù)位后能自動(dòng)顯示系統(tǒng)提示符“P.”，進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。測(cè)量溫度范圍099，測(cè)量精度小數(shù)點(diǎn)后兩位，可以通過開始和結(jié)束鍵控制數(shù)字溫度計(jì)的工作狀態(tài)。1.3 設(shè)計(jì)課題總體方案介紹及工作原理說明設(shè)計(jì)課題總體方案(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求,選擇AT89C52單片機(jī)為核心器件。(2)溫度檢測(cè)器件采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。與單片機(jī)的接口為P3.6引腳。(3)鍵盤采用獨(dú)立式按鍵，由三個(gè)按鍵組成，分別是：設(shè)置鍵（SET）,加一建（+1），確認(rèn)鍵（RET）。(4)SET鍵（上下限溫度設(shè)置鍵）：當(dāng)該鍵按下時(shí)，進(jìn)入上下限溫度設(shè)置功能。通過P0.1引腳接入。(5)+1鍵（加一調(diào)整鍵）：在輸入上下

3、限溫度時(shí)，該鍵按下一次，被調(diào)整位加一。通過P0.2引腳接入。(6)RET鍵（確認(rèn)鍵）:當(dāng)該鍵按下時(shí)，指向下一個(gè)要調(diào)整的位。通過P0.3引腳接入。 工作原理說明本課題以是80S52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的一種數(shù)字溫度控制系統(tǒng)，利用溫度傳感器DS18B20可以直接讀取被測(cè)溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換的特性，模擬溫度值經(jīng)過DS18B20處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并與設(shè)置的溫度報(bào)警限比較，超過限度后通過揚(yáng)聲器報(bào)警。同時(shí)處理后的數(shù)據(jù)送到LED中顯示。2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 課題硬件系統(tǒng)各模塊功能簡(jiǎn)要介紹硬件電路設(shè)計(jì)總體框圖為圖1：4位LED顯示器LED顯示器驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)按鍵輸入電路時(shí)鐘電路復(fù)位

4、電路溫度檢測(cè)電源電路圖12.1.1主控制器單片機(jī)AT89S52具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個(gè)端口只需要兩個(gè)口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用。2.2.2顯示電路顯示電路采用四位共陽LED數(shù)碼管，從P3口RXD,TXD串口輸出段碼。2.2.3溫度傳感器DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)位的

5、數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點(diǎn)如下： 獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊 簡(jiǎn)單的多點(diǎn)分布應(yīng)用 無需外部器件 可通過數(shù)據(jù)線供電 零待機(jī)功耗 測(cè)溫范圍-55+125，以0.5遞增。華氏器件-67+2570F，以0.90F遞增 溫度以9 位數(shù)字量讀出 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間200ms（典型值） 用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置 報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列、各種封裝形式如圖2所示，DQ 為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線

6、接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源；GND為地信號(hào)；VDD為可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。其電路圖如圖2所示.。圖2外部封裝形式在仿真軟件中如圖3所示圖3DS18B20的測(cè)溫原理如圖4所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量.計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測(cè)量前，首先將-55 所對(duì)應(yīng)的基數(shù)

7、分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入,減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫圖4中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性其輸出用，于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值，這就是DS18B20的測(cè)溫原理。另外，由于DS18B20單

8、線通信功能是分時(shí)完成的，有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲(chǔ)器操作命令處理數(shù)據(jù)。圖4在正常測(cè)溫情況下，DS1820的測(cè)溫分辨力為0.5，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果：首先用DS1820提供的讀暫存器指令（BEH）讀出以0.5為分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測(cè)實(shí)際溫度的整數(shù)部分Tz，然后再用BEH指令取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值Cs和每度計(jì)數(shù)值CD?？紤]到DS1820測(cè)量溫度的整數(shù)部分以0.25、0.75為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度Ts可

9、用下式計(jì)算：表1.部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)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 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH

10、-551111 1100 1001 0000FC90H2.2 課題電路原理圖、PCB 圖、元器件布局圖 見附錄3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 課題軟件系統(tǒng)各模塊功能簡(jiǎn)要介紹數(shù)字式溫度計(jì)的應(yīng)用程序主要包括主程序，溫度檢測(cè)程序，溫度轉(zhuǎn)換程序， LED顯示程序等。系統(tǒng)的主程序主要用來初始化一些系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)DS18B20的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的設(shè)定。溫度檢測(cè)程序是對(duì)DS18B20的狀態(tài)不斷地查詢，讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時(shí)需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫，讀取當(dāng)前的溫度值后，進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)化程序，對(duì)溫度符號(hào)處理和溫度值的BCD碼處理，進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，將其段碼送至顯示緩沖區(qū)，以備定時(shí)掃描服

11、務(wù)程序處理。LED顯示程序主要對(duì)顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高顯示位為0時(shí)，將符號(hào)顯示位移入下一位。3.2 課題軟件系統(tǒng)程序流程框圖開始顯示緩沖區(qū)初始化復(fù)位DS18B20發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令延時(shí)復(fù)位DS18B20發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀存儲(chǔ)器命令讀溫度數(shù)據(jù)溫度符號(hào)判定將溫度轉(zhuǎn)換為BCD碼更新顯示緩沖區(qū)圖53.3 課題軟件系統(tǒng)程序清單見附錄一4 仿真結(jié)果、誤差分析、設(shè)計(jì)體會(huì)4.1 課題的仿真結(jié)果Proteus仿真結(jié)果軟件方面，在Proteus編譯下進(jìn)行，源程序編譯及仿真調(diào)試。在軟件中選定傳感器后可對(duì)其進(jìn)行環(huán)境溫度設(shè)置，如圖6，將環(huán)境溫度設(shè)為34.9。圖6然后點(diǎn)擊軟件執(zhí)行鍵，按操

12、作步驟實(shí)施后，觀察LED數(shù)碼管示數(shù)，此時(shí)示數(shù)如圖7。圖74.2 硬件測(cè)試結(jié)果及分析在硬件測(cè)試方面，檢查電路板及焊接的質(zhì)量情況，在檢查無誤后通電檢查L(zhǎng)ED顯示器。其中 DS18B20實(shí)物圖為圖8 圖8在室溫下，LED顯示器示數(shù)如圖9，為56.0攝氏度圖9用手蓋住溫度傳感器后，LED顯示器示數(shù)如圖12，為8.0攝氏度。比較可知，硬件調(diào)試結(jié)果也達(dá)到了要求。4.3 設(shè)計(jì)體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)檢驗(yàn)了我所學(xué)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事。在設(shè)計(jì)的過程中，與同學(xué)相互討論，相互學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。 數(shù)字溫度計(jì)課程設(shè)計(jì)是單片機(jī)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，通過本次課程設(shè)計(jì)，我體會(huì)到學(xué)好基本知識(shí)和方法最重要。結(jié)束語本次課

13、設(shè)對(duì)我來說是一次難得的經(jīng)歷，首先是接觸了仿真軟件Proteus，在使用時(shí)經(jīng)歷了很多次失敗，因?yàn)檫@款軟件與以前使用的各種軟件有很多不同，使用時(shí)不停出錯(cuò)，接線時(shí)由于元件放置不合理而接的雜亂無章；輸入源程序時(shí)還較為順利，顯示結(jié)果比較滿意。其次是程序設(shè)計(jì)，我們?cè)趨⒖紕e人成功先例的基礎(chǔ)上根據(jù)自己設(shè)計(jì)的需要編制程序，其中歷經(jīng)不少曲折，最后我的收獲是，編程一定要細(xì)心，針對(duì)每一個(gè)細(xì)節(jié)，稍有疏忽，程序就不能正常工作。最后是單片機(jī)實(shí)踐操作，由于DS18B20溫度傳感器靈敏度不太高，示數(shù)變化不大。另外，我前期花了一些時(shí)間專門學(xué)習(xí)這塊芯片，了解了DS18B20的工作原理的時(shí)序圖。在這次的實(shí)踐與學(xué)習(xí)中，盡管期間困難重重

14、，但我還是從中學(xué)習(xí)了不少新的知識(shí)與技能和解決困難的方法，也終于體驗(yàn)到了經(jīng)歷困難到最終獲得成功的那種無以言表的喜悅之情，總之，本次課設(shè)是我收獲最多的一次，也希望自己在以后的各項(xiàng)研究活動(dòng)中能堅(jiān)持這種精神。致 謝通過這一階段的努力，我的課程設(shè)計(jì)數(shù)字溫度計(jì)終于完成了。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。在我修改論文的過程中，王韌老師給我提供了許多資料，并對(duì)實(shí)踐中出現(xiàn)的問題給予耐心的解答，在百忙之中仔細(xì)閱讀，給出修改意見，在此對(duì)他表示感謝。參考文獻(xiàn)【1】楊素行著.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第二版) .北京:高等教育出版社,2006.Y

15、ang Suhang. Analog electronic technology foundation (second edition). Beijing: higher education press, 2006【2】閻石著.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版) .北京:高等教育出版社,2006.Yan Shi. Digital electronic technology base (fifth edition). Beijing: higher education press, 2006.【3】李全利，仲偉峰，徐軍著.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:清華大學(xué)社,2006.Li Quanli ZhongWei

16、Feng, Xu Junzhu. Single chip microcomputer principle and application. Beijing: tsinghua university club, 2006【4】楊路明著C語言程序設(shè)計(jì)教程(第2版) 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005.Yang Luming. C language programming tutorial (second edition). Beijing: Beijing university of posts and telecommunications publishing house, 2005附錄一源程序

17、#includetypedef unsigned char uint8;typedef unsigned int uint16;typedef unsigned long uint32;uint8 x;uint32 tvalue;uint8 keyflag=0;uint8 code table=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F; /012346789sbit DQ=P36;/sbit DQ=P30;/sbit dule=P26;/sbit wele=P27;sbit key1=P10;sbit led1=P30; /18B20初

18、始化成功燈亮void delay(uint16 i)while(i-);/*溫度傳感器*/void init_18b20() /18b20的初始化（復(fù)位） DQ=1; /初始化DQ線 delay(8); DQ=0; /將DQ拉低，開始初始化時(shí)序（下降沿） delay(80); /DQ拉低，保持480960微秒 DQ=1; delay(14); /DQ拉高，保持60微秒 x=DQ; /初始化成功x為1 if(x=1) led1=0; /初始化成功燈亮 void write_18b20(uint8 dat) /18b20寫操作 uint8 i; for(i=0;i=1; /將數(shù)據(jù)向右移一位，準(zhǔn)備寫

19、入下一個(gè)數(shù)據(jù) uint8 read_18b20()/*讀操作* uint8 i,dat2; for(i=0;i=1; /dat右移一位,使最高位空出 DQ=0; /將DQ拉低，開始讀操作時(shí)序 delay(1); /*注意不能延時(shí)太長(zhǎng)，否則讀數(shù)有誤* DQ=1; /將DQ拉高，使單片機(jī)檢測(cè)18B20的輸出電平 if(DQ=1) /如果檢測(cè)到18B20的輸出電平為1 dat2|=0x80; /將DQ線的1取出，寫在dat2的最高位。位或后最高位為1 delay(6); /兩個(gè)讀時(shí)序間至少需要1us的恢復(fù)期return(dat2); /返回讀出的八位數(shù)據(jù)uint16 read_temp() /讀取溫

20、度值并轉(zhuǎn)換 float tt;/float型含小數(shù) uint8 TH,TL; init_18b20(); /將DS18B20初始化 write_18b20(0xcc); /跳過讀序列號(hào) write_18b20(0x44); /啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換 delay(500); /溫度轉(zhuǎn)換需要一點(diǎn)時(shí)間 init_18b20(); write_18b20(0xcc); /跳過讀序列號(hào) write_18b20(0xbe); /讀取溫度 TL=read_18b20(); /先讀的是溫度值低位 TH=read_18b20(); /接著讀的是溫度值高位 tvalue=TH; /高8位賦給16位的tvalue tvalu

21、e=8;/左移8位 tvalue=tvalue|TL;/高、低位合并成為一個(gè)16位的數(shù) /* if(tvalue0x0fff) /判斷正負(fù) tflag=0; else tvalue=tvalue+1; tflag=1; */ tt=tvalue*0.0625; /乘上分辨率0.0625 tvalue=tt*100+0.5; /*10溫度值擴(kuò)大100倍，精確到1位小數(shù)，后一位再四舍五入 return(tvalue); /返回含有溫度信息的16位數(shù),前五位代表正負(fù),0000 0表示正溫度，1111 1表示負(fù)溫度 /后11位代表溫度,前7位為整數(shù),最后四位為小數(shù),這11位乘上0.0625得出的值就是實(shí)際溫度 /比如現(xiàn)在LSB的最低四位是0111，那么小數(shù)部分就是0.0625*7=0.4375，如果取1位小數(shù)乘上10，就是“4”，四舍五入還是4. void disp_1820() /溫度值顯示uint8 a,b,c