毕业设计(论文) 数字温度计的设计与制作.doc
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1、第一章 概述11 数字温度计总体设计方案111 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。112 方案二这里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、12 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总体设计方框图图 数显温度计设计电路原理图元器件列表代号名称 规格R电阻5108 、 1k4 6.81、 4.7k1V三极管VT90124DPY数码管4个CYS晶振12MHZ 1个温度传感器DS1820 1个单片机芯片AT89S51 1个缓冲器74LS244 1个13 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
3、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14 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。第二章 电路器件的描述21 单片机AT89S51芯片的结构和性能AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS 8位微处理器,片内含4kbytes 的可系统编程的Flash 只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash 程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大,低价位AT89S
4、51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。211 主要性能参数 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命:1000写/擦循环) 全静态工作:0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路212 功能特性概述AT89S51提供以下标准功能:4k字节Flash 闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16 位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个
5、全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。213 引脚功能说明VCC:供电电压。GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0
6、输出原码,此时P0外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地
7、址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P
8、3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,
9、MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTA
10、L2:来自反向振荡器的输出。214看门狗定时器(WDT)说明WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置,它由一个14bit计数器和看门狗复位SFR(WDTRST)构成。外部复位时,WDT默认为关闭状态,要打开WDT,用户必须按顺序将01EH和0E1H写到WDTRST寄存器(SFR地址为0A6H),当启动了WDT,它会随晶体振荡器在每个机器周期计数,除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT,当WDT溢出,将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。掉电时期,晶体振荡停止,WDT也停止。掉电模式下,用户不能再复位WDT。有两种方法可退出掉电模式:硬件复位或通过激活外部中断。当硬件
11、复位退出掉电模式时,处理WDT可象通常的上电复位一样。当由中断退出掉电模式则有所不同,中断低电平状态持续到晶体振荡稳定,当中断电平变为高即响应中断服务。为防止中断误复位,当器件复位,中断引脚持续为低时,WDT并未开始计数,直到中断引脚被拉高为止。这为在掉电模式下的中断执行中断服务程序而设置。为保证WDT在退出掉电模式时极端情况下不溢出,最好在进入掉电模式前复位WDT。215 程序存储器的加密AT89S51 可使用对芯片上的3 个加密位LB1 、LB2 、LB3 进行编程(P)或不编程(U)来得到如下表所示的功能。当加密位LB1被编程时,在复位期间,EA端的逻辑电平被采样并锁存,如果单片机上电后
12、一直没有复位,则锁存起的初始值是一个随机数,且这个随机数会一直保存到真正复位为止。为使单片机能正常工作,被锁存的EA电平值必须与该引脚当前的逻辑电平一致。此外加密位只能通过整片擦除的方法清除。程序加密保护类型LB1LB21UU无程序加密功能2PU禁止进一步进行Flash闪速编程3PP同方式2,同时禁止校验注:加密位只能用片擦除操作进行擦除216 空闲模式在空闲工作模式状态,CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态,这种方式由软件产生。此时,片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。需要注意的是,当由硬件复位来终止空闲工作模式时,CPU通
13、常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的,要完成内部复位操作,硬件复位脉冲要保持两个机器周期(24个时钟周期)有效,在这种情况下,内部禁止CPU访问片内RAM,而允许访问其它端口。为了避免在复位结束时可能对端口产生意外写入,激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。217 掉电模式在掉电模式下,振荡器停止工作,进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令,片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的方法是硬件复位或由处于使能状态的外中断INT0和INT1激活。复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容,在Vcc恢
14、复到正常工作电平前,复位应无效,且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。模式程序存储区ALEPSENPORT0PORT1PORT2PORT3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据地址数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据表13-1 空闲和掉电期间外部引脚状态22 温度传感器工作原理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912位的数字值读数方式。221 DS18B20的性能特点独特的单线接口仅需要一个端口
15、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3.05.5V;零待机功耗;温度以9或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3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如下图所示:DS18B20内部结构图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
16、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
17、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
18、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。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。R1R2分辨率/位温度最大转换时间/ms00993.50110187.510113751112750表1 DS18B20温度转换时间表在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
19、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。222 DS18B20的测温原理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
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