课程设计（论文）基于单片机的数字温度计的设计.doc

基于单片机的数字温度计的设计· 清远职业技术学院 ·目录1、摘要12、引言13、设计要求24、扩展功能25总体设计方案.25.1数字温度计设计方案论证 25.2方案二的总体设计框图25.3 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路55.4 系统整体硬件电路 56、系统软件算法分析 86.1主程序 86.2读出温度子程序96.3温度转换命令子程序9 6.4 计算温度子程序 96.5 显示数据刷新子程序 97、总结与体会 108、致谢119、参考文献10 10、附录（数字温度计程序清单）13数字温度计1、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，当温度不在设置范围内时，可以报警。 关键词：单片机，数字控制，温度计， DS18B20，AT89S511、Abstract：With times progress and development, the monolithic machine technology already popularizes to our life , job , scientific research , each fields , already become one kind of relatively mature technology, figure thermometer the main body of a book is controlled with introducing one kind owing to monolithic machine, the thermometer belongs to the multifunctional thermometer , can interpose the temperature giving an alarm about , think that the temperature can not give an alarm when interposing the range inner.Keywords：Monolithic machine 、 digital control、thermometer、DS18B20，AT89S512、 引言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，该设计控制器使用单片机AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用3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。1 3、 设计要求基本范围-50-110精度误差小于0.5LED数码直读显示4扩展功能实现语音报数可以任意设定温度的上下限报警功能5、 总体设计方案5.1数字温度计设计方案论证5.1.1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。5.1.2 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。从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。5.2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1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。主 控 制 器LED显 示温 度 传 感 器单片机复位时钟振荡报警点按键调整 图1总体设计方框图5.2.1 主控制器单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。5.2.2 显示电路显示电路采用3位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。5.2.3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3.05.5；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，但不能正常工作； DS18B20采用脚PR35封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。C64 位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器Vdd I/O图2 DS18B20内部结构64位ROM的结构开始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。温度报警触发器和，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和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，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。该字节各位的定义如图3所示。低位一直为，是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为，用户要去改动，R1和0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC图3 DS18B20字节定义由表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。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、字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。表1 DS18B20温度转换时间表 DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、T字节内容作比较。若TH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。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；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、温度寄存器中，计数器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，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器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时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。表2一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+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 0000FC90H另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。图4 DS18B20与单片机的接口电路5.3 DS18B20温度传感器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。5.4 系统整体硬件电路5.4.1 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5 所示。图5中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，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5 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。5.4.2 显示电路显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。 图5 单片机主板电路图6 温度显示电路6、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。6.1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7所示。Y发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作，CRC校验9字节完？CRC校验正？确？移入温度暂存器结束NNY初始化调用显示子程序1S到？初次上电读出温度值温度计算处理显示数据刷新发温度转换开始命令NYNY图7 主程序流程图图8读温度流程图 6.2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，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图8示发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令 结束图9 温度转换流程图6.3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上图，图9所示6.4 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10所示。 开始温度零下?温度值取补码置“”标志计算小数位温度BCD值 计算整数位温度BCD值 结束置“+”标志NY温度数据移入显示寄存器十位数0？百位数0？十位数显示符号百位数不显示百位数显示数据（不显示符号） 结束NNYY 图10计算温度流程图 图11显示数据刷新流程图6.5 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，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图11。7、总结与体会 作为一名电气学院，电子信息工程专业大三的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在已度过的大二的整个时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当数查阅大量的资料和设计手册了。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅电气设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是未来的工程师，我们是在做设计时一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。经过将近三周的单片机课程设计，终于完成了我的数字温度计的设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计把实物都做了出来，高兴之余不得不深思呀！在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，举个例子，以前写的那几次，数据加减时，我用的都是BCD码，这一次，我全部用的都是16进制的数直接加减，显示处理时在用除法去删分,感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。8、致谢本论文在于指导老师悉心指导下完成。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！9、参考文献1李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，19982李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19943阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，19894廖常初.现场总线概述J.电工技术，1999.5  林占江. 电子测量技术. 北京: 电子工业出版社,20036  曹 辉,胡俊,黄均鼐. 数字式温度测量电路的设计及其实现.微电子学报,2001;(3)7  毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，2001年8  温新宜，精选实用电子制作集锦，电子工业出版出版，1996年附录数字温度计程序清单S1OK EQU 5FHTEMPUTER EQU 39H TEMPH EQU 5EH TEMPLEQU 5DH MS50 EQU 5CHSIGN EQU 5BH S1 BIT P1.0 S2 BIT P1.1 S3 BIT P1.2 S4 BIT P1.3 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP TOIT ORG 0030HMAIN: MOV SP, #60H MOV TMOD, #01H MOV TH0, #3CH MOV TL0, #0B0H SETB ET0 SETB TR0 SETB EA MOV TEMPH, #30 MOV TEMPL, #9 MOV TEMPUTER, #15 ;温度最始值 MOV S1OK, #00H MOV SIGN, #00H MOV 38H, #0BH MOV 37H, #0CH MOV 36H, #0BH ACALL DISP ACALL T1S; *; 主程序START: JB S1, NET1 ACALL T12MS JB S1, NET1 JNB S1, $ INC SIGN MOV A, SIGN CJNE A, #1, TIAO ACALL TIAOTL TIAO:CJNE A, #2, NET1 MOV SIGN, #0 ACALL TIAOTH; * NET1: MOV A, S1OK CJNE A, #1, START MOV A, TEMPUTER SUBB A, TEMPH JNB ACC.7, ALEM MOV A, TEMPUTER SUBB A, TEMPL JB ACC.7, ALEM SETB P2.1 ACALL WENDU ACALL DISP MOV S1OK, #00H AJMP START ALEM: MOV 36H, #0CH MOV 37H, #0CH MOV 38H, #0CH CLR P2.1 ACALL DISP ACALL T1S LCALL WENDU LCALL DISP MOV S1OK, #00H SJMP START;*TIAOTL:MOV 50H, TEMPUTER MOV 37H, TEMPL ACALL BIN_BCD ACALL DISP ACALL T12MS ACALL T12MS ACALL T12MS ACALL T12MS MOV 36H, #0AH MOV 37H, #0AH MOV 38H, #0AH ACALL DISP ACALL T12MS ACALL T12MS ACALL T12MS ACALL T12MS JB S2, ADD1 ACALL T12MS JB S2, ADD1 JNB S2, $ INC TEMPL MOV A, TEMPL CJNE A, #100, ADD1 MOV TEMPL, #0 ADD1: JB S3, ADD2 ACALL T12MS JB S3, ADD2 JNB S3, $ DEC TEMPL MOV A, TEMPL CJNE A, #00 , ADD2 MOV TEMPL,#100 ADD2: JB S4, TIAOTL ACALL T12MS JB S4, TIAOTL JNB S4, $ MOV TEMPUTER, 50H LJMP START ; 高位调整; *TIAOTH:MOV 50H, TEMPUTER MOV 37H, TEMPH ACALL BIN_BCD ACALL DISP ACALL T12MS ACALL T12MS ACALL T12MS ACALL T12MS MOV 36H, #0AH MOV 37H, #0AH MOV 38H, #0AH ACALL DISP ACALL T12MS ACALL T12MS ACALL T12MS ACALL T12MS JB S2, ADD11 ACALL T12MS JB S2, ADD11 JNB S2, $ INC TEMPH MOV A, TEMPH CJNE A, #100, ADD11 MOV TEMPH, #0 ADD11: JB S3, ADD22 ACALL T12MS JB S3, ADD22 JNB S3, $ DEC TEMPH MOV A, TEMPH CJNE A, #00 , ADD22 MOV TEMPH,#100 ADD22: JB S4, TIAOTH ACALL T12MS JB S4, TIAOTH JNB S4, $ MOV TEMPUTER, 50H LJMP START; 一秒定时中段; *TOIT: PUSH PSW PUSH ACC MOV TH0, #3CH MOV TL0, #0B0H INC MS50 MOV A, MS50 CJNE A, #14H, RETURN MOV S1OK, #1 MOV MS50, #00H RETURN:POP ACC POP PSW RETI; *;温度总子程序; *wendu: ACALL INIT_1820 ACALL RE_CONFIG ACALL GET_TEMPER ACALL TEMPER_COV RET; *;DS18B20初始化程序; * INIT_1820: SETB P2.0 NOP CLR P2.0 MOV R0,#06BH MOV R1,#03HTSR1: DJNZ R0,TSR1 ; 延时 MOV R0,#6BH DJNZ R1,TSR1 SETB P2.0 NOP NOP NOP MOV R0,#25HTSR2: JNB P2.0,TSR3 DJNZ R0,TSR2 LJMP TSR4 ; 延时TSR3: SETB 20H.1 ; 置标志位,表示DS1820存在 LJMP TSR5TSR4: CLR 20H.1 ; 清标志位,表示DS1820不存在 LJMP TSR7TSR5: MOV R0,#06BH MOV R1,#03HTSR6:DJNZ R0,TSR6 ; 延时 MOV R0,#6BH DJNZ R1,TSR6TSR7:SETB P2.0 RET; *; 重新写DS18B20暂存存储器设定值; *RE_CONFIG:JB 20H.1,RE_CONFIG1 ; 若DS18B20存在,转RE_CONFIG1 RETRE_CONFIG1: MOV A,#0CCH ; 发SKIP ROM命令 LCALL WRITE_1820 MOV A,#4EH ; 发写暂存存储器命令 LCALL WRITE_1820 MOV A,#00H ; TH(报警上限)中写入00H LCALL WRITE_1820 MOV A,#00H ; TL(报警下限)中写入00H LCALL WRITE_1820 MOV A,#1FH ; 选择9位温度分辨率 LCALL WRITE_1820 RET; *; 读出转换后的温度值; *GET_TEMPER: SETB P2.0 ; 定时入口 LCALL INIT_1820 JB 20H.1,TSS2 RET ; 若DS18B20不存在则返回TSS2: MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配 LCALL WRITE_1820 MOV A,#44H ; 发出温度转换命令 LCALL WRITE_1820 LCALL INIT_1820 MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配 LCALL WRITE_1820 MOV A,#0BEH ; 发出读温度命令 LCALL WRITE_1820 LCALL READ_18200 MOV 37H,A ; 将读出的温度数据保存 RET; *; 写DS18B20的程序; *WRITE_1820: MOV R2,#8 CLR CWR1:CLR P2.0 NOP NOP NOP NOP RRC A MOV P2.0,C MOV R3,#35 DJNZ R3,$ SETB P2.0 NOP DJNZ R2,WR1 SETB P2.0 RET; *; 读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据; *READ_18200: MOV R4,#2 ; 将温度高位和低位DS18B20中读 RE00:MOV R2,#8RE01:CLR C SETB P2.0 NOP NOP CLR P2.0 NOP NOP NOP SETB P2.0 NOP NOP MOV C,P2.0 MOV R3,#35RE20: DJNZ R3,RE20 RRC A DJNZ R2,RE01 MOV R1,A DEC R1 DJNZ R4,RE00 RET; *; 将从DS18B20中读出的温度数据进行转换; *TEMPER_CO