课程设计基于80C51温度计设计教材.docx

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课程设计基于80C51温度计设计教材

设计课题基于80C51的数字温度计设计

学院名称：

电气工程学院

专业班级：

学生姓名：

学号：

设计地点：

设计时间：

2013-12-16～2013-12-27

指导教师意见：

成绩:

签名：

年月日

单片机原理与接口技术

课程设计

课程设计名称：

单片机系统课程设计

专业班级：

学号：

指导教师：

课程设计地点：

单片机系统课程设计任务书

学生姓名

专业班级

学号

题目

基于80C51的数字温度计设计

课题性质

工程设计

课题来源

自拟

指导教师

臧海河

主要内容

（参数）

利用89C51单片机设计数字温度计，实现以下功能：

1．实现温度测量范围0℃~100℃；

2．测量误差范围0.5℃；

3．能通过LED直接读出温度；

4.当温度高于100℃或低于0℃时会发出警告。

任务要求

（进度）

第1-2天：

熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。

第3-5天：

按照确定的方案设计单元电路。

要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。

第6-8天：

进行软件设计，编写程序，进行仿真调试。

第9-10天：

撰写课程设计报告。

要求内容完整、图表清晰、语言流畅、格式规范、方案合理、设计正确。

主要参考

资料

[1]杨家成．单片机原理与应用及C51程序设计．北京：

清华大学出版社，2007

[2]夏路易石宗义．Protel99se电路原理图与电路板设计教程．北京：

北京希望电子出版社，2004

[3]金建设.单片机系统及应用实验教程.北京：

北京邮电大学出版社，2010年3月1日

[4]李文华.单片机应用技术.北京：

人民邮电出版社，2011年7月1日

审查意见

系（教研室）主任签字：

年月日

1绪论

研究背景

随着时代的发展，控制智能化，仪器小型化，功耗微量化得到广泛关注。

单片机控制系统无疑在这些忙面起到了举足轻重的作用。

单片机的应用系统设计业已成为新的技术热点，其中数字温度计就是一个典型的例子。

人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。

测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：

①传统的分立式温度传感器

②模拟集成温度传感器

③智能集成温度传感器。

目前的智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）。

社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展，与传统的温度计相比，其具有读数方便，测温范围广，测温准确，输出温度采用数字显示，主要用于对测温要求比较准确的场所，或科研实验室使用。

2方案的选择

方案一：

 采用热敏电阻，可满足 40 摄氏度至 90 摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于 1 摄氏度的信号是不适用的。

方案二：

  采用温度传感器DS18B20。

DS18B20可以满足从-55摄氏度到+125摄氏度测量范围，且DS18B20测量精度高，增值量为0.5摄氏度，在一秒内把温度转化成数字，测得的温度值的存储在两个八位的RAM中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度，使用方便。

基于DS18b20的以上优点，我们决定选取DS18b20来测量温度。

下图为DS18b20的实物图。

DS18b20每个引脚的编号及功能

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司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。

 2.3.1 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；  2.3.2  DS18B20详细引脚功能描述   见下表。

序号

名称

引脚功能

1

GND

地信号

2

DQ

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。

3

VDD

可选择的VDD引脚。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

 通信的过程及其原理

（1）主机拉低单总线至少480us产生复位脉冲； 

（2）主机释放单总线，进入接收模式，释放时产生上升沿； 

（3）单总线器件检测到上升沿，延时15-60us； 

（4）单总线器件通过拉低总线60-240us来产生应答脉冲； 

（5）主机接受应答信号，对从机ROM进行命令和功能命令操作；  所有读写时序至少60us，两个独立的时序间至少1us回复时间。

DS18B20的测温原理如图上图所示，图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震荡频率明显改变，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，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，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℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器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2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温图上图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用，于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为：

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：

首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。

考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：

表1.部分温度值对应的二进制温度数据。

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

2.1系统框图

图中的系统框图就是根据整个系统的工作顺序及功能画出的，图中的系统时钟采用外接法。

其中DS18B20温度传感器是一个双向传输的传感器，引脚简单。

系统开机后先对DS18B20进行初始化设置，随后发出测温指令，延时一段时间后，测温完成，随后cpu发出读温度指令，将温度读出，显示在LED上面，随即完成一个从测温到温度示数显示的过程。

系统的主程序主要用来初始化一些系统参数，对DS18B20的配置数据进行一系列的设定。

温度检测程序是对DS18B20的状态不断地查询，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，读取当前的温度值后，进行温度转化程序，对温度符号处理和温度值的BCD码处理，进行温度值正负的判定，将其段码送至显示缓冲区，以备定时扫描服务程序处理。

LED显示程序主要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。

3硬件电路设计

3.1电源

此次设计所用电源全是5V的，故在电源的选择上有很多的方案，由于此次的课程设计时间较短，故而直接采用现成的电源，比如手机充电器，以及手机锂电池，或者用干电池，这都是符合电压要求的。

此次设计就采用手机充电器来充当电源。

3.2单片机晶振电路

选择现在主流的并且市面上比较廉价的，STC89系列的单片机。

电路中的晶振即石英晶体震荡器。

由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。

通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。

同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。

下图是单片机的晶振电路。

片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。

片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。

C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。

本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。

XTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。

在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。

一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。

但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。

这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。

石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。

通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。

电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

单片机晶振电路图

3.3DS18B20温度传感器的硬件电路图

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图上图所示，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。

因为DS18B20是单总线温度传感器，数据线是漏极开路，如果DS18B20没接电源，则需要数据线强上拉，给DS18B20供电；如果DS18B20接有电源，则需要一个上拉即可稳定的工作。

这个电阻通常比较大，还有若温度传感器开路或没接时，能起到上拉作用，使之为高电平，使后续电路保护。

3.4复位电路

单片机系统的复位电路在这里采用的是上电+按钮复位电路形式，其中电阻R采用10KΩ的阻值，电容采用10μF的电容值。

如下图

3.56位LED显示电路

对于数字温度的显示，我们采用6位LED数码管。

足够显示0~100中各位数，并且还能显示一位小数部分。

3.6温度报警电路

对于数字温度计的设计，除了温度的数字显示功能外还加入了报警系统，如果我们所设计的系统用来监控某一设备，当设备的温度超过我们所设定的温度值时，系统会产生报警。

我们便能很好的对设备进行处理，就不会应温度的变化而造成不必要的损失。

当温度低于0度时，亮红灯报警，以便操作员来维护，从而达到报警的目的。

当温度高于100度时，报警时由单片机产生一定频率的脉冲，由P3.7引脚输出，P3.7外接一只NPN的三极管来驱动杨声器发出声音，以便操作员来维护，从而达到报警的目的。

其电路图如下所示。

温度报警装置

3.7总的系统硬件图

系统总硬件电路图

4软件设计

系统软件设计主要包括显示子程序，报警子程序，温度传感器的子程序。

以下是主程序与各个子程序的程序流程图。

4.1主程序图

主程序框图

4.2读出子程序流程图

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，检验有错时不进行温度数据的改写。

4.3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，如图

4.4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

参考文献

[1]杨家成．单片机原理与应用及C51程序设计．北京：

清华大学出版社，2007

[2]夏路易石宗义．Protel99se电路原理图与电路板设计教程．北京：

北京希望电子出版社，2004

[3]金建设.单片机系统及应用实验教程.北京：

北京邮电大学出版社，2010年3月1日

[4]李文华.单片机应用技术.北京：

人民邮电出版社，2011年7月1日

附录

程序

DQBITP3.0;从DS18B20向8051传送的数据端口

FLAGBIT00H

FLAG_NEGBIT01H;温度正负值标志位

TEMP_LEQU30H;所设报警最低值温度值

TEMP_HEQU31H所设报警最高值温度值

TEMP_INTEQU32H

TEMP_DPEQU33H

TEMP_100EQU34H;

TEMP_10EQU35H

TEMP_1EQU36H

C0BITP3.1;负温度标志位

C1BITP3.2;超过100标志位

C2BITP3.3;超过10标志位

C3BITP3.4;超过1标志位

C4BITP3.5;超过0标志位

;*******************************

;************主函数*************

ORG0000H

LJMPSTART

ORG1000H

START:

MOVSP,#60H

MAIN:

LCALLREAD_TEMP;调用函数读DS18B20所示温度

LCALLPROC_TEMP;调用函数对温度进行处理

LJMPMAIN

;*********************************

;*********************************

READ_TEMP:

LCALLINI_DQ

JBFLAG,RE_0

RET

RE_0:

MOVA,#0CCH

LCALLWRITE_DQ;读出传感器所示温度

MOVA,#44H

LCALLWRITE_DQ

LCALLDISP_LED;调用LED显示程序

LCALLINI_DQ

MOVA,#0CCH

LCALLWRITE_DQ

MOVA,#0BEH

LCALLWRITE_DQ

LCALLREAD_DQ

RET

;************DS18B20初始化程序***************

INI_DQ:

SETBDQ

NOP;

NOP;空操作PC值加2

CLRDQ

MOVR1,#3

INI_0:

MOVR0,#80

DJNZR0,$

DJNZR1,INI_0

SETBDQ

NOP;

NOP;

NOP;空操作PC值加3

MOVR7,#25

INI_1:

JNBDQ,INI_2;DQ为0则转

DJNZR7,INI_1;延时

LJMPINI_3

INI_2:

SETBFLAG;标志位

LJMPINI_4

INI_3:

CLRFLAG

LJMPINI_5

INI_4:

MOVR0,#80

DJNZR0,$;时序要求延时一段时间

INI_5:

SETBDQ

RET

;**************DS18B20写命令******************

WRITE_DQ:

MOVR6,#8

CLRC

Tloop:

CLRDQ

MOVR2,#6

DJNZR2,$

RRCA;最低位移到C中

MOVDQ,C

MOVR2,#23

DJNZR2,$

SETBDQ

NOP

DJNZR6,Tloop

SETBDQ

RET

;**************读DS18B20数据函数*************

READ_DQ:

MOVR5,#2

MOVR0,#30H

READ_0:

MOVR6,#8

READ_1:

CLRC

SETBDQ

NOP

NOP

CLRDQ

NOP

NOP

NOP

NOP

SETBDQ

MOVR2,#9

DJNZR2,$

MOVC,DQ

MOVR3,#23

DJNZR3,$

RRCA

DJNZR6,READ_1

MOV@R0,A

INCR0

DJNZR5,READ_0

SETBDQ

RET

;***************温度数据处理程序*****************

PROC_TEMP:

CLRFLAG_NEG

MOVA,TEMP_L

SWAPA;A中高低四位互换

ORLA,#0F0H

MOVTEMP_INT,A

MOVA,TEMP_H

SWAPA

ORLA,#0FH

ANLTEMP_INT,A

MOVA,TEMP_H

CLRP3.6

CLRP3.7

JBACC.7,BAOJING1;低于零度亮红灯报警

;JBACC.7,NEGTIVE

MOVA,TEMP_L

ANLA,#0FH

MOVDPTR,#TAB3

MOVCA,@A+DPTR

MOVTEMP_DP,A

LJMPPRO_0

;***********报警函数********************

BAOJING1:

SETBP3.6

RET

;NEGTIVE:

;温度值为负时处理程序，按实际情况，处理过程比较复杂

;SETBFLAG_NEG

;MOVA,TEMP_L

;CPLA

;ANLA,#0FH

;MOVR1,A

;CJNER1,#0FH,PRO_1

;;低于0°则调用报警函数

;PUSHACC

;MOVA,TEMP_INT

;SUBBA,#1

;MOVTEMP_INT,A

;POPACC

;MOVTEMP_DP,#00H

;LJMPPRO_2

PRO_1:

ADDA,#1

MOVDPTR,#TAB3

MOVCA,@A+DPTR

MOVTEMP_DP,A

PRO_2:

MOVA,TEMP_INT

CPLA

MOVTEMP_INT,A

PRO_0:

MOVA,TEMP_INT

MOVB,#100

DIVAB

MOVTEMP_100,A

MOVA,B

MOVB,#10

DIVAB

MOVTEMP_10,A

MOVTEMP_1,B

RET

;**************LED初始化********************

CLR_LED:

CLRC0

CLRC1

CLRC2

CLRC3

CLRC4

RET

;**************LED显示***********************

DISP_LED:

LCALLCLR_LED

SETBC0

JNBFLAG_NEG,DL_0

MOVP1,#0BFH

LCALLDELAY_10MS

LJMPDL_1

DL_0:

MOVP1,#0FFH

LCALLDELAY_10MS

DL_1:

LCALLCLR_LED

SETBC1;显示百位

MOVA,TEMP_100

MOVDPTR,#TAB4

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

CJNEA,#0F9H,CESHI

LCALLBAOJING2;超过一百启动扬声器报警

CESHI:

LCALLDELAY_10MS

LCALLCLR_LED

SETBC2;显示十位

MOVA,TEMP_10

MOVDPTR,#TAB4

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

LCALLDELAY_10MS

LCALLCLR_LED

SETBC3

MOVA,TEMP_1;显示个位

MOVDPTR,#TAB5

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

LCALLDELAY_10MS

LCALLCLR_LED

SETBC4;显示小数点后的数

MOVA,TEMP_DP

MOVDPTR,#TAB4

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

RET

;******************

BAOJING2:

SETBP3.7

RET

;*********延时函数*************

DELAY_