毕业设计(论文)基于单片机的温度计设计.doc
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1、江苏科技大学毕业论文(设计)题目:基于单片机的温度计设计学院:成教学院专业:电气工程及其自动化姓名:指导老师: 2010年6月15日基于单片机的温度计设计摘要本文介绍一种基于AT89C51单片机作为控制器、使用数字温度传感器DS18B20作为温度采集器的数字温度计。重点阐述了AT89C51的结构性能和引脚功能,DS1B20的性能结构、工作原理和控制方法,以及单片机AT89C51和数字温度传感器DS18B20之间的接口、数据传递。该数字温度计能够测出55125之间的温度,适合日常生活、工业生产和科学研究等领域对温度测量的需要。关键词:温度测量;DS18B20;AT89C51Design of D
2、igital Thermometer Based on SinglechipAbstractThis article describes a controller based on AT89C51 microcontroller, digital temperature sensor DS18B20 as the temperature of the collectors digital thermometer. AT89C51 focuses on the structural performance and pin functions, DS18B20 performance struct
3、ure, working principle and control methods, and the interface between the data transfer of the AT89C51 microcontroller and digital temperature sensor DS18B20. The digital thermometer can be measured between -55 +125 temperature, suitable for daily life, industrial production and scientific research
4、in the field of temperature measurement needs.Keywords: temperature measurement; DS18B20; AT89C51目录 引言1 温度计的总体设计22.1 总体论述22.2 设计思路2 硬件说明33.1 测量输入模块33.1.1 传感器选择33.1.2 DS18B20的介绍33.2 键盘输入模块113.3 显示模块123.3.1 1602外观及尺寸123.3.2 管脚功能123.3.3 操作控制133.3.4 指令说明133.4 报警模块143.5 低功耗设计153.5.1 设计思路153.5.2 80C51的低功耗
5、措施153.5.3 分块间断供电16 软件和功能说明174.1 人为读取174.2 自动读取184.3 DS18B20的软件设计19 C语言源程序22 结论28 致谢29 参考文献30 引言温度是一种最基本的环境参数,与人民生活和工农业生产有着密切的关系,在电力供应中离不开温度测量。液压操作动机的断路器是电网的重要设备,保证断路器液压操作机构油路的正常运转对保证电网安全具有重要意义。当环境温度降低到一定程度后,断路器的油路流动受到影响,液压油黏度增大不利于油路的流动,影响断路器的特性。正常情况下,该装置显示当时温度值。当气温升高或降低到规定值时,此装置会立即自动安全关闭或打开加温装置,防止发生
6、事故,是变电站不可缺少的保护装置。因此研究温度的测量方法和测量装置在实际生产中有着重要的意义。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,测温传感器(DS18B20),用3位共阳极LED数码管以
7、串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。 温度计的总体设计2.1 总体论述此次所讨论的数字温度计,除了完成基本的温度测量外,还能够满足最高最低温度设置及报警,在不同的环境中,所要求的最高温度和最低温度是不同的,因此最高温度和最低温度应能够根据环境不同而设置成不同的数值。还有些场合要求每隔一定得时间段进行读取一次数值,当相隔的时间比较长而所需要读取的数据又比较多时,认为的读取就比较麻烦,因此应具备自动读取和存储若干组温度值的功能。另外,在野外工作时能够选择其工作模式以降低功耗。2.2 设计思路由论述可知,所设计的这种温度计的功能是传统的物理温度计无法完成的。在分析之后决定采用以单片机AT
8、89C51为核心的系统进行设计。主要有以下几个模块:测量输入模块,键盘设置模块,运算处理模块,显示模块和报警模块。有这几个模块组成的系统框图如图1所示:图1 温度计总体框图 硬件说明3.1 测量输入模块3.1.1 传感器选择设计单片机数字温度计需要考虑以下3个方面温度传感器芯片的选择;单片机和温度传感器的接口电路;控制温度传感器实现温度信息采集以及数据传输的软件。单片机的接口信号是数字信号。要想用单片机获取温度这类非电信号的信息,必须使用温度传感器,将温度信息转换为电流或电压输出。如果转换后的电流或电压输出是模拟信号,还必须进行A/D转换,以满足单片机接口的需要。传统的温度检测大多以热敏电阻作
9、为温度传感器。但是,热敏电阻的可靠性较差、测量温度准确率低,而且还必须经专门的接口电路转换成数字信号后才能由单片机进行处理。20世纪90年代中期出现了智能温度传感器(亦称数字温度传感器)。智能温度传感器的内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路,其特点是能直接输出数字化的温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU)。其中DS18B20就是一种应用相当广泛的单总线数字温度传感器,它结构简单、不需外接元件,采用一根I/O数据线既可供电又可传输数据、并可设置温度报警界限等特点,广泛用于工业、民用等领域的温度测量中。3.1.2 DS18B20的介绍1. D
10、S18B20芯片简介DS18B20是美国DALLAS半导体器件公司推出的单总线数字化智能集成温度传感器。单总线(1-Wire)是DALLAS公司的一项专有技术,它采用单根信号线,既传输时钟又传输数据,而且数据传输是双向的,具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。与其它温度传感器相比,DS18B20具有以下特性:独特的单线接口方式,在与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的信号线上,实现多点测温。DS18B20在使用中不需要任何外围元件。测温范围-55+125,
11、固有测温分辨率0625。测量结果以912位数字量方式串行传送。2. DS18B20内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。64位光刻ROM是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列号。DS18B20的管脚排列如图2所示。图2 DS18B20引脚分布图图3DS18B20内部结构图 引脚功能如下:NC:空引脚,悬空不使用;VDD:可选电源脚,电源电压范围35.5V。工作于寄生电源时,此引脚应接地;DQ:数据输入/输出脚,漏极开路,常态下高电平。DSl8B20的核心功能部件是它的数字温度传感器,其分辨
12、率可配置为9、10、11和12位,出厂默认设置为12位分辨率,对应的温度值分辨率分别为0.5、0.25、0.125和0.0625。温度信息的低位、高位字节内容中,还包括了符号位S(是正温度还是负温度)和二进制小数部分,具体形式为:低位字节:MSB232221202-12-2LSB2-32-4高位字节:MSBSSSSS26LSB2524这是12位分辨率的情况,如果配置为低的分辨率,则其中无意义位为0。实测温度和数字输出的对应关系如表1所示。表1实测温度和数字输出的对应关系温度/数字输出(二进制)数字输出(十六进制)+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101
13、0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FF6FH-551111 1100 1001 0000FC90H在DSl8B20完成温度变换之后,温度值与储存在TH和TL内的告警触发值进行比较。由于是8位寄存器,所以
14、912位在比较时忽略。TH或TL的最高位直接对应于16位温度寄存器的符号位。如果温度测量的结果高于TH或低于TL,那么器件内告警标志将置位,每次温度测量都会更新此标志。只要告警标志置位,DSl8B20就将响应告警搜索命令,这也就允许单线上多个DSl8B20同时进行温度测量,即使某处温度越限,也可以识别出正在告警的器件。DS18B20有4个主要的数据部件: (1)光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC
15、=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 (2)DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625/LSB形式表达,其中S为符号位。 表2 DS18B20温度值格式表 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
16、度。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。 表3 DS18B20温度数据表(3)DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。 (4)配置寄存器 该字节各位的意义如下: 表4 配置寄存器结构TMR1R011111低五位一直都是1 ,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动。R
17、1和R0用来设置分辨率,如下表所示:(DS18B20出厂时被设置为12位)分辨率设表:表5 温度值分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3. DS18B20控制方法 DS18B20有六条控制命令,如表6所示: 表6六条控制命令指 令约定代码操 作 说 明温度转换44H启动DS18B20进行温度转换读暂存器BEH读暂存器9个字节内容写暂存器4EH将数据写入暂存器的TH、TL字节复制暂存器48H把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中重新调E2RAMB8H把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
18、读电源供电方式B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU4. DS18B20的通信协议DS18B20器件要求采用严格的通信协议,以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型:复位脉冲,应答脉冲时隙;写0,写1时隙;读0,读1时隙。与DS18B20的通信,是通过操作时隙完成单总线上的数据传输。发送所有的命令和数据时,都是字节的低位在前,高位在后。复位和应答脉冲时序:每个通信周期起始于微控制器发出的复位脉冲,其后紧跟DS18B20发出的应答脉冲,在写时隙期间,主机向DS18B20器件写入数据,而在读时隙期间,主机读入来自DS18B20的数据。在每一个时隙,总线只能传输一位数据。时序图
19、见图4。图4 复位和应答脉冲时隙写时序:当主机将单总线DQ从逻辑高拉到逻辑低时,即启动一个写时隙,所有的写时隙必须在60120us完成,且在每个循环之间至少需要1us的恢复时间。写0和写1时隙如图所示。在写0时隙期间,微控制器在整个时隙中将总线拉低;而写1时隙期间,微控制器将总线拉低,然后在时隙起始后15us之释放总线。时序图见图5。读时序:DS18B20器件仅在主机发出读时隙时,才向主机传输数据。所以在主机发出读数据命令后,必须马上产生读时隙,以便DS18B20能够传输数据。所有的读时隙至少需要60us,且在两次独立的读时隙之间,至少需要1us的恢复时间。每个读时隙都由主机发起,至少拉低总线
20、1us。在主机发起读时隙之后,DS18B20器件才开始在总线上发送0或1,若DS18B20发送1,则保持总线为高电平。若发送为0,则拉低总线当发送0时,DS18B20在该时隙结束后,释放总线,由上拉电阻将总线拉回至高电平状态。DS18B20发出的数据,在起始时隙之后保持有效时间为15us。因而主机在读时隙期间,必须释放总线。并且在时隙起始后的15us之内采样总线的状态。时序图见图5。图5 读写时序DS18B20的测温原理 :DS18B20的测温原理如图所示,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
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