单片机数字温度计.docx

资源描述

单片机数字温度计.docx

《单片机数字温度计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机数字温度计.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

单片机数字温度计.docx

单片机数字温度计

《单片机技术》课程设计说明书

数字温度计

系、部：

电气与信息工程学院

学生姓名：

肖王福

指导教师：

王韧职称副教授

专业：

电气自动化

班级：

电气1001班

完成时间：

2012年10月10日

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,单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同种类的传感器，可实现诸如电压、湿度、温度、速度、硬度、压力等的物理量的测量。

本文将介绍一种基于单片机控制理论及其应用系统设计的数字温度计。

本文主要介绍了一个基于AT89C51单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机喜爱的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也进行一一介绍，该系统可以方便的是实现温度采集和显示，并可以根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合我们日常生活和工农业生产中的温度测量，也可以当做温度处理模块嵌入其他系统中，作为其他主系统的辅助扩展。

DS18B20和AT89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合与恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。

本设计首先是确定目标，然后是各个功能模块的设计，再在Proteus软件上进行仿真，修改，仿真。

关键词：

单片机；数字温度计；AT89C51；DS18B20

ABSTRACT

withtheprogressofTheTimesanddevelopment,single-chipmicrocomputertechnologyhasspreadtowelive,work,scientificresearch,eachdomain,hasbecomeamorematuretechnology,single-chipmicrocomputerhassmallvolume,lowpowerconsumption,controlthefunctionisstrong,expansionflexibility,miniaturizationanduseconvenienceetc,whicharewidelyusedininstruments,combinedwithdifferentkindsofsensors,whichcanrealizesuchasvoltage,humidity,temperature,speed,hardness,pressureofthemeasurementofphysicalquantities.Thispaperwillintroduceakindofbasedonsingle-chipmicrocomputercontroltheoryanditsapplicationsystemdesignofdigitalthermometer.

ThispapermainlyintroducesabasedonAT89C51singlechiptemperaturemeasurementsystem,adetaileddescriptionoftheuseofdigitaltemperaturesensorDS18B20temperaturemeasurementsystemdevelopmentprocess,focusingonsensorintheSCMfavoritehardwareconnection,thesoftwareprogrammingandthemodulesystemflowforadetailedanalysisofeachpartofthecircuitareintroduced,thesystemcanconvenientistorealizetemperatureacquisitionanddisplay,andcanaccordingtoneedanysetonlowerlimitalarmtemperature,itiseasytouse,withhighprecision,widerange,highsensitivity,smallvolume,lowpowerconsumptionadvantages,suitabletoourdailylifeandindustrialandagriculturalproductionofthetemperaturemeasurement,alsocanastemperatureprocessingmoduleembeddedinothersystems,astheothermainsystemauxiliaryexpansion.DS18B20andAT89C51combinedwithrealizethemostJanetemperaturedetectionsystem,thesystemstructureissimple,stronganti-jammingability,suitableforandbadenvironmentfieldtemperaturemeasurement,hasextensiveapplicationprospect.

Thisdesignistodeterminethefirstgoal,andtheneachfunctionalmoduledesign,againonProteussoftwaresimulation,modify,simulation.

Keywordsscm;digitalthermometer;at89c51;ds18b20

1设计课题任务及总体说明………………………………………………………

1.1设计课题任务………………………………………………………………

1.2功能要求说明………………………………………………………………

1.3设计课题总体方案介绍及工作原理说明…………………………………

2设计课题硬件系统的设计………………………………………………………

2.1设计课题硬件系统各模块功能简要介绍………………………………

2.2设计课题电路原理图、PCB图、元器件布局图…………………………

2.3设计课题元器件清单………………………………………………………

3设计课题软件系统的设计………………………………………………………

3.1设计课题使用单片机资源的情况…………………………………………

3.2设计课题软件系统各模块功能简要介绍…………………………………

3.3设计课题软件系统程序流程图……………………………………………

3.4设计课题软件系统程序清单………………………………………………

4设计结论、仿真结果、误差分析及教学建议……………………………………

4.1设计结论及使用说明………………………………………………………

4.2设计课题的调试结果………………………………………………………

4.3设计课题的误差分析………………………………………………………

4.4设计体会及改进意见………………………………………………………

4.5教学建议……………………………………………………………………

结束语…………………………………………………………………………………

致谢……………………………………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………………

附录……………………………………………………………………………………

附录1：

电路原理图……………………………………………………………

附录2：

PCB布线图……………………………………………………………

附录3：

PCB元器件布局图……………………………………………………

附录4：

元器件清单……………………………………………………………

附录5：

程序清单…………………………………………………………………

1设计课题任务及总体说明

1.1设计课题任务

设计一个具有特定功能的数字温度计。

该数字温度计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。

测量温度范围0℃～99℃，测量精度小数点后两位，可以通过开始和结束键控制数字温度计的工作状态。

1.2功能要求说明

（1）测温范围：

0℃～99℃；

（2）精确度：

0.1℃；

（3）上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”；

（4）可以通过开始和结束键控制数字温度计的工作状态。

1.3设计课题总体方案介绍及工作原理说明

1.3.1系统总体方案介绍

根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。

选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样/保持电路、运放、数/模转换电路以及进行长距离传输时的串/并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。

该系统的总体设计思路如下：

温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器用4位共阳LED数码管以动态扫描法实现。

检测范围0摄氏度到99摄氏度。

按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：

主控制器、测温电路和显示电路。

数字温度计总体电路结构框图如图1所示。

图1数字温度计总体电路结构框图

1.3.2工作原理说明

晶体振荡器和单片机组成一个单片机最小系统，为中央处理和控制模块；DS18B20温度传感器为温度测量模块；数码管选用四位一体共阳数码管，是输出显示模块。

系统工作时，DS18B20数字温度传感器为温度传感器对周围环境的温度（气温、水温、固态接触面温度等）进行测量和转换，直接得出被测温度的数据。

数据通过传感器与单片机接口可被单片机读取和处理，得到可读数据。

然后由单片机发出控制信号，将测得数据通过LED数码管读出，使用者就能知道当前温度了。

此外，使用者还可以通过按键在系统的待机与测温模式下切换。

待机时，数码管显示“P.”字符，测温时，显示当前温度。

2设计课题硬件系统的设计

2.1设计课题硬件系统各模块功能简要介绍

2.1.1单片机最小系统构成的中央处理器和控制模块

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

采用12MHz外部时钟，按键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，这样不用再重启单片机电源，就可以实现复位，由此构成课题设计电路系统的中央处理和控制模块，其电路如图2所示。

图2单片机最小系统构成的中央处理器和控制模块

2.1.2温度测量模块（DS18B20数字温度传感器）

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：

（1）独特的单线接口方式仅需要一个端口引脚进行通信；

（2）多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；

（3）无需外部器件；

（4）可通过数据线供电，电压范围：

3.0～5.5V；

（5）测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃

（6）零待机功耗

（7）温度以9或12位数字量读出；

（8）用户可定义的非易失性温度报警设置

（9）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

（10）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3所示

图3DS18B20内部结构框图

64b闪速ROM的结构如下：

图464b闪速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5所示。

图5高速暂存RAM结构图

前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。

温度低位LSB

温度高位MSB

配置

保留

8位CRC

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。

单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。

温度值格式如下表1所示：

表1温度值格式

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

图中，S表示位。

对应的温度计算：

当符号位S=0时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，表示测得的温度植为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。

表2是部分温度值对应的二进制温度表示数据。

表2部分温度值

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

因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。

主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

DS18B20测温原理：

DS18B20的测温原理如图5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2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，他有严格的时隙概念，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：

Ts=（Tz-0.25℃）+（CD-Cs）/CD

图5DS18B20测温原理图

2.1.3显示模块

该模块为四位一体共阳数码管，温度显示电路如图6所示：

图6温度显示电路

2.2设计课题电路原理图、PCB图、元器件布局图

本次设计课题的电路原理图、PCB图、元器件布局图等详见附录内容。

2.3设计课题元器件清单

元器件清单见附录内容。

3设计课题软件系统的设计

3.1设计课题软件系统各模块功能简要介绍

本系统的测温部分用到的单片机I/O口不多，就只有DS18B20数据口接到单片机的P3^7上；P0口作为数码管显示模块的数据口，其控制口位于P0口的0,1,2,3,4,5,6,7脚上。

系统的程序清单详见附件。

3.2设计课题软件系统各模块功能简要介绍

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，报警子程序和显示数据刷新子程序等。

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的测量温度值。

温度测量每1s进行一次。

主程序流程图如图7所示。

2读出温度子程序

读出温度子程的主要功能是读出RAM中的9字节。

在读出时须进行CRC校验，校验有错时不能进行温度数据的改写。

读出温度子程序流程图如图8所示。

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9所示。

4计算温度子程序

计算温度子程序将RAM中读取的值进行BCD码的抓换运算，并进行温度值正负的判断。

其流程图如图10所示。

5显示数据刷新子程序

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，当最高数据显示位为0时，将符号显示位移入下一位。

显示数据刷新子程序流程图如图11所示。

3.3设计课题软件程序流程图

图7主程序流程图

图8读出温度子程序流程图

图9温度转换命令子程序流程图

图10计算温度子程序流程图

3.4设计课题软件程序清单

设计课题软件程序清单详见附录。

4设计课题的设计结论及使用说明

4.1设计结论及使用说明

4.1.1测温功能

该部分能够测量实时气温，并且能够显示温度值。

4.1.2待机功能

在硬件不工作时可在待机状态下等待，并显示“P.”。

4.2设计课题的调试结果

考虑到温度的范围，我们选取了接近于室温的几组温度值进行测量调试，和标准的温度计进行对比试验，测量结果见表3：

表3数字温度计的测量结果

标准值

11.06℃

12.04℃

13.00℃

14.25℃

15.45℃

16.7℃

测量值

11.0℃

12.0℃

13.0℃

14.2℃

15.5℃

16.6℃

误差

0.452%

0.332%

0.351%

0.324%

0.06%

4.3设计课题的误差分析

在实际测试的过程由于温度的控制限制，温度跳变量很很大，可以通过增加测量次数然后求其平均值的方法来计算测量误差。

同时，由于设计时算法的缘故无法精确到0.01，只能精确到0.1，需要在以后使用时进一步完善，以求更加精确。

测试结果接近整数值或0.625时精确度大增，这与DS18B20本身的特性，与数据处理方式有关，间接说明芯片正常。

4.4设计体会及改进意见

4.4.1设计体会

该设计是可待机的温度测量仪，专用于测量实时温度。

设计的成功主要得益于老师的悉心指导和小组同学倾心配合，体现了团队配合的重要性。

4.4.2改进意见

该设计中用到了AT89C51单片机作为主控芯片，通过对实物的制作以及调试，发现我们在调试过程中会发现实物某些硬件上的不足。

在课题设计中，温度传感器的驱动程序是其中的重点和难点，虽然温度传感器的硬件电路非常简单，但是温度传感器是单总线型器件，能否让其正常工作，在程序设计中一定要遵守其工作时序；但是本系统还有许多地方需要改进，如果将这些地方加以改进的话，系统将变得更加完美。

4.5教学建议

在单片机的学习过程中，实践是最重要的，而实践的平台是单片机的系统板。

如果在学习的过程中，边学习边调试效果会更好。

会极大的培养我们对单片机软硬结合的特点的认识与相关思维能力，对今后的工作和学习大有裨益。

虽然单片机的发展已很成熟，取代其功能的各类电子器件不断出现，但是单片机的思想对其发展影响重大，希望老师以后在教学中启发同学关注单片机系统的思想，介绍一些新的发展与取代器件的情况，更符合当今教学之趋势与实践之要求。

参考文献

[1]李广弟、朱月秀、冷祖茂.单片机基础[M]第三版北京：

航空

航天大学出版社，2008.25-205

LiGuangdi,ZhuYuexiu,LengZumao.PIC[M]theThirdEditionBingjing:

BeihangUniversityPress,2008.25-205（inChinese）

[2]马忠梅等单片机C语言程序设计[M]第三版北京：

航空

航天大学出版社，2008.24-105

MaZhongmei,JiShunxin,ZhangKai,etal.Mic

展开阅读全文