数字温度计设计毕业论文.doc

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1、cl本科学生毕业论文（设计） 题 目数字温度计设计学 院物理与电子信息学院专 业电子信息工程学生姓名 学 号 指导教师 职称 论文字数5791完成日期2010年11月10日论文题目数字温度计设计学生姓名 学院：物理与电子信息学院中文摘要本温度计采用AT89C51作为主控芯片，单总线DS18B20温度传感器采集温度，用四位共阴极数码实时显示温度，优化温度转换算法使得该温度计具有显示到0.5度的能力。同时程序中添加温度的正负值检测算法，使得该温度计可以显示负值温度。适用于多种场合的环境温度监测，且具有显示效果好、价格低廉的优点。关键词（35个）：DS18B20 AT89C51 单总线英文题目Des

2、ign of Digital Thermometer学生姓名（英文）：学 院（英文）：College of Physics and Electronic Information英文摘要The thermometer used as the main chip AT89C51 single-bus temperaturesensor DS18B20 collecting temperature, with four Total cathode digital real-time display of temperature, the temperature conversion algorith

3、m allows the optimization of the thermometer has the ability to display up to 0.5 degrees.With When the program is to add negative temperature detection Applicable to many fields.Joint monitoring of the ambient temperature, and has shown good results and low cost advantages.英文关键词DS18B20 AT89C51 Sing

4、le bus1 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AT89C51，测温传感器使用DS18B20，用4位共阴极LED数码管实现温度显示,能准确达到以上要求。2 总体设计方案2.1数字温

5、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。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。2.2方案二的总

6、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AT89C51，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。主 控 制 器LED显 示温 度 传 感 器单片机复位时钟振荡图1总体设计方框图2.2.1 主控制器单片机AT89C51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。2.2.2 显示电路显示电路采用4位共阴LED数码管，通过单片机P0口输出段码，P2口输出位码。 2.2.3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

7、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；DS18B20可以并联在惟一的三线上；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。64 位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传

8、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 I/OCVdd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

9、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

10、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

11、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。

12、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+

13、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

14、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。2.3 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，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

15、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。图4.DS18B20与单片机接线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，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。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。2.4.2 显

16、示电路显示电路是使用单片机P0口输出四位数码管的段码，P2口输出位码，实现温度的显示，同时可以显示到小数点后一位。 图5 单片机主板电路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，其程序流程见图6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初始化初次上电NY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调用显示子程序图6 主程序流程图

17、7读温度流程图3.2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6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8 温度转换流程图3.3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8所示3.4 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9所示。 开始温度数据移入显示寄存

18、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Y温度零下?NNYN按负数处理置“+”标志Y取反加一计算小数位温度BCD值计算整数位温度BCD值 结束 图9计算温度流程图 图10显示数据刷新流程图3.5 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10。3.6完整程序代码#include#include typedef unsigned char uchar ;typedef unsigned int uint ; sbit DATA = P37; /DS18B20接入

19、口uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00,0x40; /共阴数码管uchar bai,shi,ge; /定义变量bit flag_Negative_number ;/负数标志/*延时子函数*/void delay(uint num)while(num-) ;/*DS18b20温度传感器函数*/Init_DS18B20(void) /传感器初始化 uchar x=0; DATA = 1; /DQ复位 delay(10); /稍做延时

20、DATA = 0; /单片机将DQ拉低 delay(80); /精确延时 大于 480us /450 DATA = 1; /拉高总线 delay(20); x=DATA; /稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败 delay(30);/读一个字节ReadOneChar(void)uchar i=0;uchar dat = 0;for (i=8;i0;i-) DATA = 0; / 给脉冲信号 dat=1; DATA = 1; / 给脉冲信号 if(DATA) dat|=0x80; delay(8); return(dat);/写一个字节WriteOneChar(uchar da

21、t) uchar i=0; for (i=8; i0; i-) DATA = 0; DATA = dat&0x01; delay(10); DATA = 1; dat=1; delay(8);/读取温度int ReadTemperature(void)uchar a=0;uchar b=0;.int t=0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作WriteOneChar(

22、0xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器）前两个就是温度a=ReadOneChar();/低位b=ReadOneChar();/高位t=b;t=8;t=t|a;if(b&0x80) t=t+1;flag_Negative_number = 1; else flag_Negative_number = 0; tt=t*0.0625;t= tt*10+0.5; return(t);/*显示子函数*/void display(int bai,int shi,int ge)P0=0x00;P2=0XFD; /显示小数点P0=0X80; /显示小数点delay(500);/显示小数点P0=0x

23、00;P2=0xf7; if(flag_Negative_number)P0=table17;else P0=table16;/显示千位delay(150);/一小段延时动态显示P0=0x00;P2=0xfb;P0=tablebai;/显示百位delay(500);P0=0x00;P2=0xfd;P0=tableshi;/显示十位delay(500);P0=0x00;P2=0xfe;P0=tablege;/显示个位delay(500);void main()int temp;while(1) temp=ReadTemperature();/读温度bai=temp%1000/100;/显示百位s

24、hi=temp%100/10;/显示十位ge=temp%10;/显示个位display(bai,shi,ge);/显示函数 4总结与体会通过数字温度计的制作，学会了如何去对待一个单片机系统的设计思路。同时锻炼了自身查阅资料阅读英文文献的能力。如何用单片机去操作DS18B20这样的一个陌生器件其实归根揭底还是需要去仔细官方提供的数据手册。通过手册的阅读，了解如何用单片机去初始化DS18B20 ，如何去配置DS18B20的精度，如何开始温度转换、读取温度等。当然这些都是建立在足够熟悉单片机的基础上，因为DS18B20对时序的要求很高包括总线的复位、读写。这也让我了解单片机的程序开发设计的过程也是有

25、一定的步骤的。首先需要对着器件的数据手册写好最底层的驱动包括DS18B20的复位、读取一个字节、写一个字节。这样才能进一步去写上层的相关应用，比如通过写一个字节去写入温度转换命令，在去通过读一个字节去读出温度值，因为DS18B20的精度在9-12位可编程，一般一个字节是8位，所以不管是多少位精度我们都需要读取两次。高位和低位同时需要对这个十六进制数进行相应的处理才能得到我们最终的温度。检测高位温度的第八字节的方法处理负值温度，将folat型的温度值16位通过取反加一得到显示值。这里进一步了解了unsigned 和singed的区别，计算机数值的表示方法与原码、反码与补码。关于DS18B20读取

26、出来的温度值是一个二进制代码9-12位，所以在八位单片机内需要采用float型变量来保存这个数值，由于我们底层的函数是一字节读写，所以需要将此温度分为高位和低位来读取。然后在左移8位高位温度或上低位的温度数据将此值付给待处理的float型变量。最终采用tt=t*0.0625; t= tt*10+0.5; 来转换温度，这里的0.0625正好是1/16,这里我们也可以采用右移4位的方式来实现。参考文献:1向丹,杨勇.C8051F单片机的软件IAP技术J .单片机与嵌入式系统应用,2009,3:67-68.2 马忠梅，张凯，马岩.单片机的c语言程序设计M.北京：北京航空航天大学出版社，20013 姜

27、志海,黄玉清，刘连鑫.单片机原理及应用M.北京:电子工业出版社, 2009.4 周立功. Keil uvision3使用入门J.周立功单片机发展有限公司,2007.5 姚永平. STC12C5620AD系列单片机器件手册M. 深圳:宏晶科技,2006.6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，19987李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19948阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，19899廖常初.现场总线概述J.电工技术，1999.安徽师范大学本科生毕业论文（设计）评定意见指导教师评语百分制成绩： 签名： 年月日评阅教师

28、评语百分制成绩： 签名： 年月日评语主要内容包括：学生写作态度、科研作风，论文选题的理论意义和实践价值，论据是否充分、可靠，掌握基础理论、专门知识、研究方法和技能的水平，写作的逻辑性、技巧及其他优缺点。安徽师范大学本科生毕业论文（设计）评定意见教研室答辩组评定意见成绩： 教研室主任（答辩组组长）签名：年月日学院意见成绩： 院长签章：年月日目 录1.引言2. 总体设计方案2.1数字温度计设计方案论证2.2方案二的总体设计框图2.3 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路2.4 系统整体硬件电路3.系统软件算法分析3.1主程序3.2读出温度子程序3.3温度转换命令子程序3.4 计算温度子程序3.5 显示数据刷新子程序4. 总结与体会5. 参考文献附件3：安徽师范大学本科生毕业论文（设计）开题报告书题目数字温度计设计学生姓名学 号指导教师许长安学 院专 业职称副教授选题的意义及研究状况：选题的意义研究状况主要内容、研究方法和思路：主要内容研究方法和思路准备情况（查阅过的文献资料及调研情况，现有仪器、设备情况、已发表或撰写的相关文章等）：总体安排和进度（包括阶段性工作内容及完成日期）：指导教师意见（研究的意义、创新点、前期基础工作、存在的难点和困难、建议等）：指导教师签名：年月日学院选题指导组意见：学院选题指导组组长签名： 年月日