单片机课程设计报告.docx
《单片机课程设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机课程设计报告.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
单片机课程设计报告
单片机课程设计报告
数字温度计
设计题目：
数字式温度计
摘要
单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个量。
本设计采用AT89C2051单片机和温度传感器DS18B20从硬件和软件两方面介绍了一款简易数字温度计的设计过程，并对硬件原理图和程序流程图作了简洁的描述。
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。
【关键词】单片机AT89C2051；温度传感器DS18B20；驱动器74HC244
引言
随着现代信息技术的飞速发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。
热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。
与传统的温度计相比,这里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。
选用AT89C51型单片机作为主控制器件，DS18B20作为测温传感器通过4位共阳极LED数码管串口传送数据,实现温度显示。
通过DS18B20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，在0℃～100℃最大线性偏差小于0.1℃。
该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。
另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。
一、系统总体设计方案
1、数字温度计设计方案论证
方案一：
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。
方案二：
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。
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。
2、方案二的总体设计框图
根据系统的功能要求，设计图1所示的系统原理结构框图，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。
二、系统的具体设计和实现
1、元件的而选择
1．1单片机的选择
AT89C51作为温度测试系统设计的核心器件,该器件是INTEL公司生产的MCS-51系列单片机中的基础产品，采用了可靠的CMOS工艺制造技术，具有高性能的8位单片机，属于标准的MCS-51的CMOS产品。
不仅结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，而且继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。
单片机AT89S51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，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
1．2显示器的选择
采用八段数码管，将从单片机得到的数据通过数码管显示出来，该方案简单易行。
采用动态法显示，直接显示当前环境温度。
P0口接数码管的段码P1.0-P1.3接数码管的位线。
按钮开关可选择小数点后显示一位或两位。
1．3温度传感器的选择
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新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；
●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
●无须外部器件；
●可通过数据线供电，电压范围为3.0--5.5Ｖ；
●零待机功耗；
●温度以9或12位数字；
●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；
●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；
DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。
图2
DS18B20内部结构
64位ROM的结构开始8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8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TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
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EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3所示。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5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5位一直为1，TM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0，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MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
保留
保留
CRC
图3 DS18B20字节定义
由表1可见，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RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。
第9字节读出前面所有8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1、2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0.0625℃／LSB形式表示。
当符号位S＝0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S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，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1DS18B20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、TL字节内容作比较。
若T＞TH或T＜TL，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2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1、温度寄存器中，计数器１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1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1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加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，如此循环直到减法计数器计数到0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 一部分温度对应值表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.0625
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作按协议进行。
操作协议为：
初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
2、DS18B20温度传感器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。
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。
图4DS18B20与单片机的接口电路
2.1系统整体硬件电路
2.1.1主板电路
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，如图5所示，图5--
（1）为华氏温度。
图5--
（2）为摄氏温度。
图5--
（1）
图5--
（2）单片机主板电路
2.1.2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，用p1口串口的发送和接收，显示比较清晰。
如图5中所示。
2.1.3温度传感器电路
采用单总线数字温度传感器DB18B20测量温度，直接输出数字信号，便于单片机控制和处理。
节省硬件电路，切硬件的物理化学性质很稳定。
此元件的先行性能较好，在0——100摄氏度时，最大现行偏差小于1摄氏度。
DB18B20的最大特点之一是采用了单总线的数据传输，有数据温度计DS18B20和控制器AT89C51勾画出呢个的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号到控制器，进行信号的处理。
2.4摄氏、华氏温度转换电路
该电路较为简单，直接由单片机控制，在单片机中嵌入转换程序，通过按钮控制单片机程序的运行。
按钮按下一次，给单片机输入一个信号，单片机将当前形式的温度转换为另外一种。
当在一次按下时，再一次个单片机输一个转换信号，此时有奖转换为原来的形式的温度。
电路如图5中所示。
3系统软件算法分析
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。
3.1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进行一次。
这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图7所示。
图7主程序流程图
3.2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8示
图8读温度流程图
3.3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始命令，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。
温度转换命令子程序流程图如上图，图9所示
图9温度转换流程图
3.4计算温度子程序
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10所示。
图10 计算温度流程图
3.6显示温度子程序
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行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。
程序流程图如图11。
图11 显示数据刷新流程图
结论
经过将近两周的单片机课程设计，终于完成了我的数字温度计的设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计把实物都做了出来，高兴之余不得不深思呀！
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，这一次，我全部用的都是16进制的数直接加减，显示处理时在用除法去删分,感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。
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。
谢辞
本论文是在张老师悉心指导下完成的。
导师专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我树立了远大的学术目标、还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。
本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。
在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢。
！
参考程序：
单片机介绍
目前，单片机的种类很多，MCS-518位单片机系列、MCS-9616位单片机系列，还出现了32位单片机。
位数越高，运算速度越快。
由于Intel公司的这种MCS系列的经典体系结构、极好的兼容性和其最彻底的技术开放政策，许多电器商、半导体商（如：
ATMEL,PHLIPS,ANANOGDEVICES,DALLAS等）以MCS系列单片机的基本内核为内核开发了众多芯片。
其中，以MCS-51系列系统结构为核心的单片机更是品种繁多，统称为8051和80C51（CHMOS工艺）。
本系统在数据处理上速度要求不是很高，8位单片机即可。
因此，选用MCS-51系列单片机。
考虑到功耗问题（如：
8051功耗为630mw，而80C51为120mw），本系统选用CHMOS工艺的芯片。
又因本系统需要处理数量较大的数据，程序占用空间也较大，而对定时器计数器和中断源的数量要求不多。
结合现有的单片机开发系统（伟福仿真器E6000），本系统选用80C51系列单片机。
下面对I/O并行口进行说明：
P0口：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。
共有8条引脚，有两种不同功能。
第一种是8031不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，用于传送CPU的输入输出数据。
这时，输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性：
第二种是8031带片外存储器，P0口在CPU访问片外存储器时先用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据[9]。
P1口：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向1/O端口，在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器（地址90H）写入全1，此时P1口引脚由内部上拉为高电平。
当P1口作为通用I/O口使用时，P1.7～P1.0的功能和P0口的第一功能相同，也用于传输用户的输入或输出数据。
P2口：
P2口也是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。
P2口的每一位能驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL负载。
它也有两种功能。
第一功能是可以作为通用I/O口使用；第二功能是和P0口第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但不能像P0口那样传送存储器的读写数据。
P3口：
是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，第一功能和P0，P1，P2的第一功能相同，第二功能作为控制用，每个引脚功能并不完全相同[10]，如表3-6所示：
表3-6P3口各位功能表
P3口的位
第二功能
注释
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
串行数据发送口
P3.2
INT0
外部中断0输入
P3.3
INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
计数器0的外部输入
P3.5
T1
计数器1的外部输入
P3.6
WR
外部RAM的写选通信号
P3.7
RD
外部RAM的读选通信号
3.3LED显示器简介
3.3.1LED显示器工作原理
发光二极管一般为砷化镓半导体二极管，在发光二极管两端加上正电压，发光二极管发光。
而数码管LED是由若干个二极管组合而成的，一般的“8”字型LED由“a，b，c，d，e，f，g，dp”8个发光二极管组成，如图3-5所示，每个发光二极管称为一个字段[10]。
图3-5七段LED结构及外形图
七段LED有共阴极和共阳极两种结构形式。
显示电路一般分为静态显示和动态显示两类。
（1）共阳极接法
把发光二极管的阳极连接在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接Vcc，当某阴极端为低电平时，该发光二极管就导通发光。
（2）共阴极接法
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接GND，当某阳极端为高电平时，该段发光二极管就导通发光。
七段LED包含七段发光二极管和小数位发光二极管，共需8位I/O口线控制，其代码为一个字节。
七段LED字型码见表3-7所示。
表3-7七段LED字形码
显示字符
共阴极
字形码
共阳极
字形码
显示字符
共阴极
字形码
共阳极
字形码
0
3FH
C0H
C
39H
C6H
1
06H
F9H
D
5EH
A1H
2
5BH
A4H
E
79H
86H
3
4FH
B0H
F
71H
8EH
4
66H
99H
P
73H
8CH
5
6DH
92H
U
3EH
C1H
6
7DH
82H
R
31H
CEH
7
07H
F8H
y
6EH
91H
8
7FH
80H
H
76H
89H
9
6FH
90H
L
38H
C7H
A
77H
88H
“灭”
00H
FFH
b
7CH
83H
－
－
－
3.3.2LED显示电路
由N个LED显示块可构成N位LED显示器。
N位LED显示器需要N根位选线。
根据显示电路不同，位选线与段选线的连接方式不同，实际所需的位选线和段选线数也不一样。
显示电路主要有静态显示和动态显示两种。
（1）静态显示电路
LED显示器工作在静态显示时，其公共阳极（或阴极）接Vcc（或GND），一直处于显示有效状态，所以每一位的显示内容必须由锁存器加以锁存，显示各位相互独立。
静态显示时，LED亮度高，控制容易，但功耗大，所以口线多。
若显示位数增多，则静态显示方式很难适应。
一般需要动态显示方式。
（2）动态显示电路
对于动态显示，一般将所有位的段选线的同名段联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多位复用。
而各位的公共阳极或公共阴极则分别由相应的I/O口线控制，实现各位形成段的分时选通，即同一时刻只有被选通位是能显示相应的字符，而其它所有位都是熄灭的。
由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，则会造成多位同时点亮的假象。
这就需要单片微机不断地对显示进行控制，牺牲单片微机的CPU时间来换取元件的减少以及显示功耗的降低。
动态显示电路如图3-6所示。
图3-6动态显示电路
工作过程：
将字形代码送入字形锁存器锁存，这时所有的显示块都有可能显示同样的字符；再将需要显示的位置代码送入字位锁存器锁存。
为防止闪烁，每位显示时间在1~2ms，然后显示另一位，CPU需要不断地进行显示刷新[11]。
升级会员 