单片机课程设计带原理图.docx
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单片机课程设计带原理图
单片机接口原理及应用
课程设计报告
学院：
工学院
题目：
数字式温度计设计
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
07机电2班
姓名：
学号：
070105085
指导教师：
冯振伟
起止日期：
2010年12月1日～2010年12月20日
目录
一、前言………………………………………………………………
（2）
二、课程设计目的和要求……………………………………………
（2）
三、总体设计方案……………………………………………………
（2）
1.整体功能说明……………………………………………………………
（2）
2.硬件功能模块组成………………………………………………………
（2）
3.软件功能模块组成………………………………………………………（3）
4.硬件总体框图……………………………………………………………（3）
5.测试计划…………………………………………………………………（3）
四、系统硬件设计……………………………………………………（4）
1.整体功能说明……………………………………………………………（4）
2.硬件功能模块组成………………………………………………………（4）
2.1主控制器……………………………………………………………（4）
2.2温度测量模块………………………………………………………（4）
2.3显示电路……………………………………………………………（5）
2.4温度传感器工作原理………………………………………………（5）
五、系统的软件设计…………………………………………………（7）
1.主程序……………………………………………………………………（7）
2.读出温度子程序…………………………………………………………（8）
3.温度转换命令子程序……………………………………………………（9）
4.计算温度子程序…………………………………………………………（9）
5.显示数据刷新子程序……………………………………………………（9）
六、程序清单…………………………………………………………（10）
七、结束语……………………………………………………………（17）
八、参考文献…………………………………………………………（18）
附录：
系统原理图
前言
当今社会，温度检测系统被广泛的社会生产、生活的各个领域。
在工业、环境检测、医疗、家庭等多方面都有应用。
同时单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛。
随着温度检测理论与技术的不断更新，温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和单导体传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。
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等优点，主要用于对温度比较准确的场所，或科研实验室使用。
该设计控制器使用单片机AT89C51，温度传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以串口显示数据，实现温度显示。
2、课程设计目的和要求
1设计目的
1.学会A/D转换芯片的用法；
2.学会掌握8051单片机用法；
3.学会单片机的程序设计；
4.培养查阅资料的能力。
2.设计要求
本设计主要是介绍了单片机控制下的温度检测系统，详细介绍了其硬件和软件设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下：
1.利用温度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度；
2.测量范围为-55℃～＋99℃，精度为±0.5℃；
3.用数码管进行实际温度值显示；
4.能够根据需要方便设定上下限报警温度。
三、总体设计方案
⒈整体功能说明：
以51单片机为主控制器，以数字式温度传感器DS18B20为传感元件，以LED数码管作为显示器件实时显示测量温度（十进制数）。
数字式温度计测温范围在－55～125℃，误差在±0.5℃以内。
温度测量间隔时间选择1s。
通过键盘扩展，实现温度上下限值的设定及温度报警功能。
对温度采样值实现数字滤波。
通过硬件或软件方法实现时间显示。
2.硬件功能模块组成：
温度计的控制器使用单片机AT89C2051，温度传感器使用DS18B20，用4位共阳LED数码管以动态扫描法实现温度显示。
主控制器:
单片机AT89C2051具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好满足电路系统的设计需要。
显示电路：
显示电路采用4位共阳LED数码管，从P1口输出段码，列扫描用P3.0～P3.3口来实现，列驱动用9012三极管。
3.软件功能组成模块：
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、计算温度子程序和显示数据刷新子程序等。
主程序：
主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值。
温度测量每1s进行一次。
读出温度子程序：
主要功能是读出RAM中的9字节。
在读出时须进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
温度转换命令子程序：
主要是发温度转换开始命令。
计算温度子程序：
将RAM中读取值进行BCD码的转换运行，并进行温度值正负的判定。
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，当最高数据显示位为0时，将符号显示位移入下一位。
4.硬件总体框图：
5.测试计划：
（1）硬件测试：
主要测试各部分硬件是否能正常工作，每部分通过简单程序来检测。
（2）软件测试：
测试软件是否符合设计要求、是否存在BUG。
四、系统的硬件设计
1.整体功能说明：
以51单片机为主控制器，以数字式温度传感器DS18B20为传感元件，以LED数码管作为显示器件实时显示测量温度（十进制数）。
数字式温度计测温范围在－55～125℃，误差在±0.5℃以内。
温度测量间隔时间选择1s。
通过键盘扩展，实现温度上下限值的设定及温度报警功能。
对温度采样值实现数字滤波。
通过硬件或软件方法实现时间显示。
2．硬件功能模块组成：
温度计电路设计原理图见A3图纸，温度计的控制器使用单片机AT89C51，温度传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以动态扫描法实现温度显示。
图中有3个独立式按键可以分别调整温度的上下限报警设置，图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度显示，这时可以调整上下限，从而测出被测的温度值。
2.1主控制器
单片机AT89C51具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好满足电路系统的设计需要。
2.2温度测量模块
主要用到的是DS18B20温度传感器，将采集到的温度模拟量（-55度到125度）转换成数字量，并接上一个上拉电阻后再送给单片机P3.4口。
2.3显示电路
显示电路采用4位共阳极LED数码管，从P0口输出段码，列扫描用P2.0～P2.3口来实现，列驱动用9012三极管。
2.4温度传感器工作原理
1.DS18B20的性能特点
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可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能;
.不需要外部器件;
.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9^12位数字量读出;
.用户可定义的非易失性温度报警设置;
.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，只是不能正常工作。
2.DS18B20的内部结构
DS18B20采用3脚PR一35封装或8脚SOIL封装，其内部结构框图如图4.2所示。
图4.2DS18B20内部结构框图
64位ROM的位结构如图4.3所示。
开始8位是产品类型的编号;接着是每个器件的唯一的序号，共有48位;最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用单线进行通信的原因。
非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写人用户报警上下限数据。
图4.364位ROM结构框图
3.DS18B20测温原理
图4.4所示，图中低温度系数振荡器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;高温度系数振荡器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的脉冲输人。
图4.4DS18B20的测温原理图
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对低温度系数振荡器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。
时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装人，并重新开始对低温度系数振荡器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就是所测温度值。
图4.8中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形性，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，直到温度寄存器值达到被测温度值。
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。
4.DS18B20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的第1脚接单片机课程设计指导地，第2脚作为信号线，第3脚接电源;另一种是寄生电源供电方式，如图4.5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，上拉开启时间最长为500ms。
采用寄生电源供电方式时，VDD和GND端均接地。
由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。
图4.5DS18B20采用寄生电源的电路图
4.测温系统的硬件工作原理
对DS18B20初始化后，主机发出SKIPROM命令，此命令执行后的存储器操作命令将对所在线的DS18B20，在发出温度转换启动码（44H），等待750ms后，先发出匹配ROM命令（55H）紧接着主机提供一片DS18B20的64位序列号，读取其温度存储器值，存入数据缓存。
五、系统的软件设计
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、计算温度子程序和显示数据刷新子程序等。
1.主程序
主程序需要调用4个子程序，分别为数码管显示程序，温度测试及处理子程序，报警子程序，中断设定子程序。
各模块程序功能如下：
●数码管显示程序：
向数码的显示送数，控制系统的显示部分。
●温度测试及处理程序：
对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。
●报警子程序：
进行温度上下限判断及报警输出。
●中断设定程序：
实现设定上下限报警功能。
主程序流程见图5.1：
图5.1主程序流程图
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。
在读出时须进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
其流程如图5.2所示。
图5.2读DS18B20流程图
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。
其流程如图5.3所示。
图5.3温度转换命令子程序流程图
4.计算温度子程序
计算温度子程序的主要功能是将RAM中读取值进行BCD码的转换运行，并进行温度值正负的判定。
其流程如图5.4所示。
图5.4计算温度子程序流程
5.显示数据刷新子程序
显示数据刷新子程序的主要功能是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高数据显示位为0时，将符号显示位移入下一位。
其流程如图5.5所示。
图5.5显示数据刷新子程序流程
六、程序清单
;常数定义
TIMELEQU0E0H
TIMEHEQU0B1H;20ms，定时器0时间常数
TEMPHEADEQU36H
;工作内存定义
BITSTDATA20H
TIME1SOKBITBITST.1
TEMPONEOKBITBITST.2
TEMPLDATA26H
TEMPHDATA27H
TEMPHCDATA28H
TEMPLCDATA29H
;引脚定义
TEMPDINBITP3.4
;中断向量区
ORG0000H
LJMPSTART
ORG000BH
LJMPTOIT
;系统初始化
ORG0030H
START:
MOVSP,#60H
CLSMEM:
MOVR0,#20H
MOVR1,#60H
CLSMEM1:
MOV@R0,#00H
INCR0
DJNZR1,CLSMEM1
MOVTMOD,#00100001B;定时器0工作方式（16位）
MOVTH0,#TIMEL
MOVTL0,#TIMEH;20ms
SJMPINIT
ERROR:
NOP
LJMPSTART
NOP
INIT:
NOP
SETBET0
SETBTR0
SETBEA
MOVPSW,#00H
CLRTEMPONEOK
LJMPMAIN
;定时器0中断服务程序
TOIT:
PUSHPSW
MOVPSW,#10H
MOVTH0,#TIMEH
MOVTL0,#TIMEL
INCR7
CJNER7,#32H,TOIT1
MOVR7,#00H
SETBTIME1SOK;1s定时标志
TOIT1:
POPPSW
RETI
;主程序
MAIN:
LCALLDISP1;调用显示子程序
JNBTIME1SOK,MAIN
CLRTIME1SOK;测温每1s一次
JNBTEMPONEOK,MAIN2;上电时先温度转换一次
LCALLREADTEMP1;读出温度子程序
LCALLCONVTEMP;温度BCD码计算处理子程序
LCALLDISPBCD;显示区BCD码温度值刷新子程序
LCALLDISP1;消闪烁，显示一次
MAIN2:
LCALLREADTEMP;温度转换开始
SETBTEMPONEOK
LJMPMAIN
;子程序区
;复位DS18B20
INITDS1820:
SETBTEMPDIN
NOP
NOP
CLRTEMPDIN
MOVR6,#0A0H;延时480us
DJNZR6,$
MOVR6,#0A0H
DJNZR6,$
SETBTEMPDIN
MOVR6,#32H;延时70us
DJNZR6,$
MOVR6,#3CH
LOOP1820:
MOVC,TEMPDIN
JCINITDS1820OUT
DJNZR6,LOOP1820
MOVR6,#064H;延时200us
DJNZR6,$
SJMPINITDS1820
RET
INITDS1820OUT:
SETBTEMPDIN
RET
;读DS18B20的程序，从读出DS18B20一字节的数据
READDS1820:
MOVR7,#08H
SETBTEMPDIN
NOP
NOP
READDS1820LOOP:
CLRTEMPDIN
NOP
NOP
NOP
SETBTEMPDIN
MOVR6,#07H;延时15us
DJNZR6,$
MOVC,TEMPDIN
MOVR6,#3CH;延时120us
DJNZR6,$
RRCA
SETBTEMPDIN
DJNZR7,READDS1820LOOP
MOVR6,#3CH;延时120us
DJNZR6,$
RET
;写DS18B20的程序，从读出DS18B20一字节的数据
WRITEDS1820:
MOVR7,#08H
SETBTEMPDIN
NOP
NOP
WRITEDS1820LOP:
CLRTEMPDIN
MOVR6,#07H;延时15us
DJNZR6,$
RRCA
MOVTEMPDIN,C
MOVR6,#34H;延时104us
DJNZR6,$
SETBTEMPDIN
DJNZR7,WRITEDS1820LOP
RET
;******************读温度TEMP*********
READTEMP:
LCALLINITDS1820
MOVA,#0CCH
LCALLWRITEDS1820;SKIPROM
MOVR6,#34H;延时104us
DJNZR6,$
MOVA,#44H
LCALLWRITEDS1820;开始转换
MOVR6,#34H;延时104us
DJNZR6,$
RET
READTEMP1:
LCALLINITDS1820
MOVA,#0CCH
LCALLWRITEDS1820;SKIPROM
MOVR6,#34H;延时104us
DJNZR6,$
MOVA,#0BEH
LCALLWRITEDS1820
MOVR6,#34H
DJNZR6,$
MOVR5,#09H
MOVR0,#TEMPHEAD
MOVB,#00H
READTEMP2:
LCALLREADDS1820
MOV@R0,A
INCR0
READTEMP21:
LCALLCRC8CAL
DJNZR5,READTEMP2
MOVA,B
JNZREADTEMPOUT
MOVA,TEMPHEAD+0
MOVTEMPL,A
MOVA,TEMPHEAD+1
MOVTEMPH,A
READTEMPOUT:
RET
;***********处理温度BCD码子程序************
CONVTEMP:
MOVA,TEMPH
ANLA,#80H
JZTEMPC1
CLRC
MOVA,TEMPL
CPLA
ADDA,#01H
MOVTEMPL,A
MOVA,TEMPH;"-"
CPLA
ADDCA,#00H
MOVTEMPH,A;TEMPHCHI=符号位
MOVTEMPHC,#0BH
SJMPTEMPC11
TEMPC1:
MOVTEMPHC,#0AH;"+"
TEMPC11:
MOVA,TEMPHC
SWAPA
MOVTEMPHC,A
MOVA,TEMPL
ANLA,#0FH;乘以0.625
MOVDPTR,#TEMPDOTTAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVTEMPLC,A;TEMPLCLOW=小数部分BCD
MOVA,TEMPL;整数部分
ANLA,#0F0H
SWAPA
MOVTEMPL,A
MOVA,TEMPH
ANLA,#0FH
SWAPA
ORLA,TEMPL
LCALLHEX2BCD1
MOVTEMPL,A
ANLA,#0F0H
SWAPA;TEMPHCLOW=十位
ORLA,TEMPHC
MOVTEMPHC,A
MOVA,TEMPL
ANLA,#0FH
SWAPA;TEMPHCHI=个位
ORLA,TEMPLC
MOVTEMPLC,A
MOVA,R7
JZTEMPC12
ANLA,#0FH
SWAPA
MOVR7,A
MOVA,TEMPHC;TEMPHCHI=百位BCD
ANLA,#0FH
ORLA,r7
MOVTEMPHC,A
TEMPC12:
RET
;******************小数码表**************
TEMPDOTTAB:
DB00H01H01H02H03H03H04H05H05H
DB06H07H07H08H09H09H
;*****************显示BCD码子程序***********
DISPBCD:
MOVA,TEMPLC
ANLA,#0FH
MOV70H,A
MOVA,TEMPLC
SWAPA
ANLA,#0FH
MOV71H,A
MOVA,TEMPHC
ANLA,#0FH
MOV72H,A
MOVA,TEMPHC
SWAPA
ANLA,#0FH
MOV73H,A
MOVA,TEMPHC
ANLA,#0F0H
CJNEA,#010H,DISPBCD0
SJMPDISPBCD2
DISPBCD0:
MOVA,TEMPHC
ANLA,#0FH
JNZDISPBCD2;十位是0
MOVA,TEMPHC
SWAPA
ANLA,#0FH
MOV73H,#0AH;符号位不显示
MOV72H,A;十位显示符号
DISPBCD2:
RET
;显示子程序
;显示数据在70h~73h单元，用4位LED数码管显示，P1口输出段码数据
;P3口作扫描控制，每个LED数码管亮1MS时间再逐位循环
DISP1:
MOVR1,#70H;指向显示数据首址
MOVR5,#0FEH;扫描控制字初值
PLAY:
MOVP0,#0FFH
MOVA,R5;扫描字放入A
MOVP2,A;从P2口输出
MOVA,@R1;取显示数据到A
MOVDPTR,#TAB;取段码表地址
MOVCA,@A+DPTR;查显示数据对应段码
MOVP0,A;段码放入P2口
MOVA,R5
JBACC.1,LOOP5;小数点处理
CLRP0.7
LOOP5:
LCALLDL1MS;显示1MS
INCR1;指向下一地址
MOVA,R5;扫描控制字放入A
JNBACC.3,ENDOUT;ACC.3=0时显示结束
RLA;A中数据循环左移
MOVR5,A;放回R5内
AJMPPLAY;跳回PLAY循环
ENDOUT:
MOVP0,#0FEH;一次显示结束，P0口复位
MOVP2,#0FFH;P2口
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