课程设计基于80C51温度计设计教材.docx

1、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 ： 2013-12-162013-12-27 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

2、范围0100；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，20072 夏路易 石宗义Protel 99se电路原理图与电路板设计教程

3、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

4、传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器模拟集成温度传感器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

5、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DS18b2

6、0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位的数字值读数方式。2.3.1DS18B20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3.05.5；零待机功耗；温度以或位数字；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

7、，但不能正常工作；2.3.2DS18B20详细引脚功能描述见下表。序号名称 引脚功能1GND 地信号2DQ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。3VDD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

8、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

9、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

10、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+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H

11、+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H2.1 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

12、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

13、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

14、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1.2MHz24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF100pF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

15、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3.3 DS18B20温度传感器的硬件电路图 DS18B20内部结构主要

16、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

17、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10K的阻值 ，电容采用10F的电容值。如下图 3.5 6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0100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

18、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

19、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，20072 夏路易 石宗义Protel 99se电路原理图与电路板设计教程北京：北京希望电子出版社，20043 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DQ BIT P3.0 ;从DS18B20向8051传送的数据端

20、口FLAG BIT 00HFLAG_NEG BIT 01H ;温度正负值标志位TEMP_L EQU 30H ;所设报警最低值温度值TEMP_H EQU 31H 所设报警最高值温度值TEMP_INT EQU 32HTEMP_DP EQU 33HTEMP_100 EQU 34H ;TEMP_10 EQU 35HTEMP_1 EQU 36HC0 BIT P3.1 ;负温度标志位C1 BIT P3.2 ;超过100 标志位C2 BIT P3.3 ;超过10 标志位C3 BIT P3.4 ;超过1 标志位C4 BIT P3.5 ;超过0 标志位;*;*主函数* ORG 0000H LJMP START

21、ORG 1000HSTART: MOV SP,#60HMAIN: LCALL READ_TEMP ;调用函数读DS18B20所示温度 LCALL PROC_TEMP ;调用函数对温度进行处理 LJMP MAIN;*;*READ_TEMP: LCALL INI_DQ JB FLAG,RE_0 RETRE_0: MOV A,#0CCH LCALL WRITE_DQ ;读出传感器所示温度 MOV A,#44H LCALL WRITE_DQ LCALL DISP_LED ;调用LED显示程序 LCALL INI_DQ MOV A,#0CCH LCALL WRITE_DQ MOV A,#0BEH LCA

22、LL WRITE_DQ LCALL READ_DQ RET;*DS18B20初始化程序*INI_DQ: SETB DQ NOP ; NOP ;空操作 PC值加2 CLR DQ MOV R1,#3INI_0: MOV R0,#80 DJNZ R0,$ DJNZ R1,INI_0 SETB DQ NOP ; NOP ; NOP ;空操作 PC值加3 MOV R7, #25INI_1: JNB DQ,INI_2 ;DQ为0则转 DJNZ R7,INI_1 ;延时 LJMP INI_3INI_2: SETB FLAG ;标志位 LJMP INI_4INI_3: CLR FLAG LJMP INI_5I

23、NI_4: MOV R0,#80 DJNZ R0,$ ;时序要求延时一段时间INI_5: SETB DQ RET;*DS18B20写命令*WRITE_DQ: MOV R6, #8 CLR CTloop: CLR DQ MOV R2,#6 DJNZ R2,$ RRC A ;最低位移到C中 MOV DQ,C MOV R2,#23 DJNZ R2,$ SETB DQ NOP DJNZ R6,Tloop SETB DQ RET;*读DS18B20数据函数*READ_DQ: MOV R5, #2 MOV R0, #30HREAD_0: MOV R6, #8READ_1: CLR C SETB DQ NO

24、P NOP CLR DQ NOP NOP NOP NOP SETB DQ MOV R2,#9 DJNZ R2,$ MOV C,DQ MOV R3,#23 DJNZ R3,$ RRC A DJNZ R6, READ_1 MOV R0,A INC R0 DJNZ R5,READ_0 SETB DQ RET;*温度数据处理程序*PROC_TEMP: CLR FLAG_NEG MOV A,TEMP_L SWAP A ; A中高低四位互换 ORL A,#0F0H MOV TEMP_INT,A MOV A,TEMP_H SWAP A ORL A,#0FH ANL TEMP_INT,A MOV A,TEMP

25、_H CLR P3.6 CLR P3.7 JB ACC.7,BAOJING1 ;低于零度亮红灯报警; JB ACC.7,NEGTIVE MOV A,TEMP_L ANL A,#0FH MOV DPTR,#TAB3 MOVC A,A+DPTR MOV TEMP_DP,A LJMP PRO_0;*报警函数*BAOJING1: SETB P3.6 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; SETB FLAG_NEG; MOV A,TEMP_L; CPL A; ANL A,#0FH; MOV R1,A; CJNE R1,#0FH,PRO_1 ; ;低于0则调用报

26、警函数; PUSH ACC; MOV A,TEMP_INT; SUBB A,#1; MOV TEMP_INT,A; POP ACC; MOV TEMP_DP,#00H ; LJMP PRO_2PRO_1: ADD A,#1 MOV DPTR,#TAB3 MOVC A,A+DPTR MOV TEMP_DP,APRO_2: MOV A,TEMP_INT CPL A MOV TEMP_INT,APRO_0: MOV A,TEMP_INT MOV B,#100 DIV AB MOV TEMP_100,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV TEMP_10,A MOV TEMP_1

27、,B RET;*LED初始化*CLR_LED: CLR C0 CLR C1 CLR C2 CLR C3 CLR C4 RET;*LED显示*DISP_LED: LCALL CLR_LED SETB C0 JNB FLAG_NEG,DL_0 MOV P1,#0BFH LCALL DELAY_10MS LJMP DL_1DL_0: MOV P1,#0FFH LCALL DELAY_10MSDL_1: LCALL CLR_LED SETB C1 ;显示百位 MOV A,TEMP_100 MOV DPTR,#TAB4 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CJNE A,#0F9H,CESHI

28、LCALL BAOJING2 ;超过一百启动扬声器报警 CESHI: LCALL DELAY_10MS LCALL CLR_LED SETB C2 ;显示十位 MOV A,TEMP_10 MOV DPTR,#TAB4 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A LCALL DELAY_10MS LCALL CLR_LED SETB C3 MOV A,TEMP_1 ;显示 个位 MOV DPTR,#TAB5 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A LCALL DELAY_10MS LCALL CLR_LED SETB C4 ;显示小数点后的数 MOV A,TEMP_DP MOV DPTR,#TAB4 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A RET;*BAOJING2: SETB P3.7 RET ;*延时函数*DELAY_