单片机课程方案设计书简易数字温度报警系统.docx
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单片机课程方案设计书简易数字温度报警系统
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单片机课程设计任务书
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设计题目:
简易数字温度报警系统
设
计
任
务
做一个基于单片机的简易数字温度报警系统。
1.测量温度范围:
-55°C—125°C。
2.数字显示位数为4位,显示精度为±0.1°C。
3.响应时间<5s。
4.上限下限值设置。
5.声光报警。
设
计
要
求
1.调研、查找并收集资料。
2.总体设计,画出框图。
3.单元电路设计:
。
4.绘制电器原理图。
5.列写元器件明细表。
6.撰写设计说明书(字数约2500字左右)。
7.参考资料目录
参
考
资
料
康华光主编电子技术基础高等教育出版社
阎石主编数字电子技术基础高等教育出版社
陈坤等编著电子设计技术电子科技大学出版社
王炳勋主编电工实习教程机械工业出版社
教研室主任签字:
年月日
1.引言...........................................................................................................3
2.总体设计方案....................................................3
2.1数字温度计设计方案论证............................................3
2.2方案二的总体设计框图..............................................3
2.3各个电路模块电路图................................................8
2.4系统整体硬件电路..................................................11
2.5数字温度计简要使用说明………………………………………………………13
3系统软件算法分析.................................................14
3.1主程序.............................................................14
4总结与体会.........................................................15
5附录.................................................................15
附录1程序代码……………………………………………………………………………15
简易数字温度报警系统
摘要:
随着时代的进步和发展,单片机技术已经普及到我们生活,工作,科研,各个领域,已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计,本温度计属于多功能温度计,可以设置上下报警温度。
关键词:
单片机,数字控制,温度计,DS18B20,ATMEGA16
1引言
在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制,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,硬件电路复杂,软件调式复杂,制作成本高。
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数字温度计就是一个典型的例子,但人们对它的要求越来越高,要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手,一切向着数字化控制,智能化控制方向发展。
本设计所介绍的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,或科研实验室使用,该设计控制器使用ATMEL公司生产的ATMEGA16L单片机芯片1,测温传感器使用DS18B20,用4位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。
2总体设计方案
2.1数字温度计设计方案论证
2.1.1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。
2.1.2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。
与方案一相比,方案二:
①电路简单:
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,而热敏电阻103不能,必须要有辅助电路的处理,才能达到目的,
②测温精度高:
对温度的测量精确值达0.5度.比热敏电阻103要精确.
③稳定性好:
由于方案二电路结构简单,与方案一相比,少了很多附带电路,所以系统的稳定性就要高些.
1.能用数码管显示环境温度
2.设定一固定温度,当环境温度达到固定温度时,启动报警。
综上所述,我们选择方案二。
2.2方案二的总体设计框图
温度计电路设计总体设计方框图如图一所示,控制器采用ATMEGA16L单片机,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。
图一总体设计方框图
2.2.1主控制器
Atmega16性能指标
1)高性能、低功耗的8位AVR®微处理器
2)先进的RISC结构
–131条指令–大多数指令执行时间为单个时钟周期
–32个8位通用工作寄存器
–全静态工作
–工作于16MHz时性能高达16MIPS
–只需两个时钟周期的硬件乘法器
3)非易失性程序和数据存储器
–16K字节的系统内可编程Flash
擦写寿命:
10,000次
–具有独立锁定位的可选Boot代码区
通过片上Boot程序实现系统内编程
真正的同时读写操作
–512字节的EEPROM
擦写寿命:
100,000次
–1K字节的片内SRAM
–可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
4)JTAG接口(与IEEE1149.1标准兼容)
–符合JTAG标准的边界扫描功能
–支持扩展的片内调试功能
–通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程
5)外设特点
–两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
–一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器
–具有独立振荡器的实时计数器RTC
–四通道PWM
–8路10位ADC
8个单端通道
TQFP封装的7个差分通道
2个具有可编程增益(1x,10x,或200x)的差分通道
–面向字节的两线接口
–两个可编程的串行USART
–可工作于主机/从机模式的SPI串行接口
–具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
–片内模拟比较器
6)特殊的处理器特点
–上电复位以及可编程的掉电检测
–片内经过标定的RC振荡器
–片内/片外中断源
–6种睡眠模式:
空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及
扩展的Standby模式
7)I/O和封装
–32个可编程的I/O口
–40引脚PDIP封装,44引脚TQFP封装,与44引脚MLF封装
8)工作电压:
–ATmega16L:
2.7-5.5V
–ATmega16:
4.5-5.5V
9)速度等级
–0-8MHzATmega16L
–0-16MHzATmega16
10)ATmega16L在1MHz,3V,25°C时的功耗
–正常模式:
1.1mA
–空闲模式:
0.35mA
–掉电模式:
<1µA
Atmega16引脚配置
图二Atmega16引脚配置
2.2.2数码管
显示电路采用4位共阳LED数码管。
。
2.2.3温度传感器
图三18B20引脚图图四应用电路
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;
表一
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
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
2.3各个电路模块电路图
2.3.1DS18B20与单片机的接口电路
图五DS18B20与单片机的接口电路(注:
DQ接口是单片机的PA0)
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。
2.3.2声光报警电路
图六蜂鸣器驱动电路图七发光二极管驱动电路
蜂鸣器是由三极管驱动的,由于单片机的驱动负载能力比较差,R9是限流电阻,蜂鸣器和单片机的PC6连接,4个发光二极管分别接单片机的PA1—PA5D1是设置上限值时指示灯,D2是每按一次按键的加0.1,D3加1,D4加10,D5是设置下限值时指示灯。
当超出设定值D1和D2会同时报警。
2.3.3LED显示电路
图八数码管显示电路
此数码管驱动是由8550PNP三极管来驱动的,用到四路共阳数码管,其位选端分别接PC4—PC7
段选端分别接单片机的PB0—PB7,数码管显示是由单片机不停的对其动态扫描来实现的,注意数码管的电流不要过大。
2.3.4单片机系统电源设计
图九电源电路
根据单片机ATmega16及其接口电路电源的要求,需要5V的稳定电源。
P1脚只要接大于6V的直流电压就可以,再用三端稳压器、7805稳压并用小容量电容虑除高频纹波后得到系统所需电源。
2.3.5按键电路设计
图十按键电路
此键盘电路一端与地相连,另一端和单片机相连,单片机不停的检测各个键盘是否被拉低即被按下。
S1—S4接单片机的PD4—PD7.最好在每个按键和单片机连接的端口加上拉电阻,增强稳定性。
2.3.6单片机ATmega16最小系统电路
图十一单片机ATmega16最小系统电路
单片机是用到Atmega16,晶振是8MHZ电源5V,有按键复位
2.4系统整体硬件电路
2.4.1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1所示。
图十二中有4个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置,,发出声光报警,同时LED数码管将没有被测温度值显示,这时可以调整报警上下限,从而测出被测的温度值。
图十二中的按健复位电路是上电复位加手动复位,使用比较方便,在程序跑飞时,可以手动复位,这样就不用在重起单片机电源,就可以实现复位。
表三元件清单(AlitiumDesignerSummer8.0直接生成)
图十二系统整体原理图
2.5数字温度计简要使用说明
首先接通电源,就会看到数码管显示此时的温度,若要设定上限下限值,按S1键进行设置,每按一次S2键数值就会增加,增加的幅度要看D2D3D4发光管哪一个亮D2代表0.1;D3代表1;
D4代表10;幅度切换键是S4,同理S3是减少键。
设置完成后按S1键就可以运行了。
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,其程序流程见图十四所示
图十四主程序流程图图8读温度流程图
4总结与体会
通过这次课程设计,我更加深入的了解了单片机。
虽然自己设计的电路是正确的但做出来的板子就不一定很顺利,本来我用单片机的PA6口来控制蜂鸣器的,当给低电平时三极管就会饱和导通进而驱动蜂鸣器,但是当我把它拉高是时还是会有轻微的声音,我仔细查了芯片手册才知道PA口的驱动能力差于是我换了PC6就好了 ,呵呵 真的在实践中能学到好多东西的。
经过这两周的课程设计明白不能眼高手低。
5.附录1
程序代码
/*******************************
*主控芯片:
ATmega16
*晶振8MHZ
*DS18B20数据端口DQ接单片机PC6
*数码管的位接单片机PC4~7
*数码管的段接单片机PB0~7;
*蜂鸣器接单片机的PC3;
*按键S1~S4接单片机PD4~7;
*s1上限下限设置
*S2数值递减
*S3数值递增
*S4数值切换
编写人:
张庆钢
时间:
200812.30
**********************************/
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineDS18b20PORPORTA
#defineDS18b20PINPINA
#defineDS18b20DDRDDRA
#defineDQ0
ucharshu[10]={0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}。
//0~9
doubletemp,T_min=0,q=0,T_max=200,num=25,xiao=0,m=0。
ucharflag=0,i,l=0,n=0。
///////////////////////////显示延时/////////////////////
voiddalay(uchark)//延时
{
uchari,j。
for(i=0。
ii++)
for(j=100。
j>0。
j--)。
}
//////////////端口出示化////////////////////////////////
voidport_init(void)//初始化
{
DDRA=0xff。
PORTA=0xff。
DDRB=0xff。
PORTB=0xff。
DDRC=0xff。
PORTC=0xff。
}
///////////////////////显示函数////////////////////////////
voiddisplay(doubletem)//显示函数
{
uintdata_int。
doubledata_put,data_get。
uchari_data,j_data,k_data,l_data。
data_get=tem。
data_put=data_get。
if(data_put<1000)
{data_put*=10。
if(data_put<1000)data_put*=10。
if(data_put<1000)data_put*=10。
}
elsedata_put=data_get。
data_int=data_put。
PORTC|=BIT(7)。
i_data=data_int/1000。
//千位及小数点
PORTC&=~BIT(4)。
PORTB=shu[i_data]。
if(data_get<10)PORTB&=~BIT(7)。
elsePORTB|=BIT(7)。
dalay(20)。
PORTC|=BIT(4)。
j_data=data_int%1000/100。
PORTC&=~BIT(5)。
PORTB=shu[j_data]。
//百位及小数点
if(10<=data_get&&data_get<100)PORTB&=~BIT(7)。
elsePORTB|=BIT(7)。
dalay(20)。
PORTC|=BIT(5)。
k_data=data_int%1000%100/10。
PORTC&=~BIT(6)。
PORTB=shu[k_data]。
//十位及小数点
if(100<=data_get&&data_get<1000)PORTB&=~BIT(7)。
elsePORTB|=BIT(7)。
dalay(20)。
PORTC|=BIT(6)。
l_data=data_int%10。
PORTC&=~BIT(7)。
PORTB=shu[l_data]。
//个位及小数点
if(1000<=data_get&&data_get<10000)PORTB&=~BIT(7)。
elsePORTB|=BIT(7)。
dalay(20)。
if(data_get>9999)
data_get=0。
}
///////////////////////////////////////////////////
voiddelay1(uintms)//精确延时1ms
{
uinti,j。
for(i=0。
ii++)
{
for(j=0。
j<1141。
j++)。
}
}
/////////////////////判断是否有键按下////////////////////////
ucharkey_press()//判断是否有键按下
{
ucharj。
DDRD|=0XF0。
PORTD|=0XF0。
DDRD&=0XF0。
j=PIND。
j=j&0XF0。
//11110000
if(j==0XF0)
{
return0。
}
else
{
return1。
}
}
//////////////判断哪个键被按下的函数//////////////////
ucharkey_scan()//判断哪个键被按下的函数
{
ucharkey。
delay1
(1)。
//消抖
if(key_press())
{
key=PIND。
key&=0XF0。
switch(key)
{
case0XE0:
key=1。
break。
case0XD0:
key=2。
break。
case0XB0:
key=3。
break。
case0X70:
key=4。
break。
default:
DDRB=0xff。
}
while(key_press())。
//等待按键松开
}
else
{
DDRB=0xff。
}
returnkey。
}
/DS18B201us延时函数
voiddelay_(uintms)
{
uinti,j。
for(i=0。
ii++)
{
for(j=0。
j<7。
j++)。
}
}
///////////////DS18B20初始化函数//////////////////////////
voidInit_DS18B20(void)
{
unsignedcharx=0。
DS18b20DDR|=BIT(DQ)。
//设置为输出
DS18b20POR|=BIT(DQ)。
//置高复位
delay_(8)。
//稍做延时
DS18b20POR&=~BIT(DQ)。
//单片机将DQ拉低
delay_(80)。
//精确延时大于480us
DS18b20POR|=BIT(DQ)。
//拉高总线
delay_(14)。
DS18b20DDR&=~BIT(DQ)。
//设置为输入
x=DS18b20PIN&(BIT(DQ))。
//稍做延时后如果x=0则初始化成功x=1则初始化失败
delay_(20)。
}
//////////////DS18B20读一个字节/////////////////////////
ReadOneChar(void)
{
unsignedchari=0。
unsignedchardat=0,temp。
for