[信息与通信]基于单片机的数字温度计设计.doc
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1、湖南省技术学院学生毕业设计报告(论文)设计题目:基于单片机的数字温度计设计系 别: 电子信息工程系 班 级: 08电子工艺与管理 专 业: 电子工艺与管理 学 号: 姓 名: 指导老师: 老师 开题时间:完成时间:摘要温度是一种最基本的环境参数,人民的生活与环境的温度息息相关,即随着现代信息技术的飞速发展,能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域,因此研究温度的测量方法和装置具有重要意义。在单片机的应用中,一个很重要的应用就是对温度进行检测,测量温度的关键是温度传感器,采用智能温度传感器以实现温度数字化,既能以数字形式直接输出被测温度值,具有测量误差小,分辨力高,抗干扰能力强,能够远程传
2、输数据,带串行总线接口等优点。本系统以AT89C51单片机作为主控制器件,DSl8B20作为测温传感器,通过4位共阳极LED数码管串口传送数据,进行温度数字的显示。通过DSl8B20直接读取被测温度值,进行数据转换,该器件的物理化学性能稳定,线性度较好,在0100最大线性偏差小于0.1。该器件可直接向单片机传输数字信号,便于单片机处理及控制。另外,该温度计还能直接采用测温器件测量温度,从而简化数据传输与处理过程。所以,单片机、温度传感器等电子元器件的互联,可以研制和开发出具有高性价比的新一代测温系统基于单片机的数字温度计。基于单片机的数字温度计设计,即对温度进行实时测量,使用单线数字温度传感器
3、DS18B20把温度信号直接转换成数字信号输入单片机,即将实时温度显示出来。关键词:单片机;温度检测;AT89C51;DS18B20;目录摘要1一、绪论3(一)、课题背景3(二)、设计的目的和意义3(三)、课题研究的主要内容3二、系统方案论证与比较4(一)、方案比较4(二)、方案论证5三、系统硬件设计及电路5(一)、系统组成5(二)、电路原理5(三)单片机最小系统连接电路6(四)、主控制器电路61、AT89C51的简单介绍62、AT89C51单片机的管脚功能8(五)、温度传感器与单片机的连接电路81、DS18B20的简单介绍92、DS18B20的引脚及功能介绍103、DS18B20的内部结构1
4、14、DS18B20的测温原理125、DS18B20使用中的注意事项13(六)、显示电路14(七)、电源电路14(八)、复位信号及外部复位电路14(九)、单片机与报警电路14四、系统软件设计及流程图15(一)、概述15(二)、主程序模块15(三)、各模块流程设计161、温度传感器的数据流程设计162、报警模块流程设计173、中断设定流程设计18五、仿真与调试20总结与体会22参考文献23致谢24附录1 原理图附录3 仿真图附录4 程序基于单片机的数字温度计设计一、绪论(一)、课题背景单片机更确切的应称作微控制器,是20世纪70年代中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块,其特点是功能强大
5、、体积小、可靠性高、价格低廉。随着人们生活水平到的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一,其中数字温度计就是其应用中的一个典型例子。温度测量在热学实验中,有特别重要的意义。目前温度计的发展很快,从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。现在所使用的温度计通常都是精度为1摄氏度和0.1摄氏度的水银、煤油或酒精温度计,这些为低级的刻度间隔通常都很密,不容易准确分辨,读数困难,而且他们的热容量还比较大,达到热平衡所需的时间较长,因此很难读准,并且使用非常不方便。本文所介绍的数字温度计与传统的温度计相比,极有读数方便、测温范围广、测温准确等优点,其
6、输出温度采用数字显示,主要供测温要求准确的场所和科研试验室使用。(二)、设计的目的和意义目的:1、巩固、加深和扩大单片机应用的知识面,提高综合及灵活运用所学知识解决工业设计控制的能力。2、培养针对课题需要,选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力,提高组成系统、编程、调试的动手能力。3、通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程,软硬件设计的方法、内容及步骤。意义:通过本次毕业设计,熟悉单片机AT89C51和传感器DS18B20的应用,及单片机与外围带那里的接法,加深对单片机以及传感器的认识,了解单片机在日常生活中的应用及其重要性。同时,通过查找资料,涉及电路,
7、使本次设计的数字温度计具有结构简单、成本低廉、精度度高、反应速度快、数字化显示和不易损坏等特点。在这次设计中,熟悉了制作一个产品的总体流程,能熟练使用一些必要的设计工具和仿真工具等。通过选认元件,连线,调试检测等过程,锻炼自己的理论联系实际的能力和实际操作能力,从而综合性地巩固所学的知识,为将来的工作做一次实战演习。(三)、课题研究的主要内容数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器,将温度的变化转换成电信号的变化,如电压和电流的变化,温度变化和电信号的变化有一定的关系,如线性关系,一定的曲线关系等,处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来,如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来
8、给人观察。这样就完成了数字温度计的基本测温功能。本课题的研究重点是设计一种基于单片机的数字温度计控制系统。基于AT89C51单片机,采用数字温度传感器DS18B20,利用DS18B20不需要A/D转换,直接进行温度采集显示,报警的数字温度计设计。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,单片机主板电路等组成。主要工作如下:1、利用温度传感器(DS18B20)测量某一点环境能够温度。2、测量范围为-55摄氏度至+125摄氏度,3、精度误差小于1摄氏度。4、可实现温度设定的上下限报警功能。5、LED液晶显示实际温度值。二、系统方案论证与比较(一)、方案比较方案一:采用热电偶温差电路
9、测温,温度检测部分可采用低温热偶,热电偶由两个焊接在一起的异金属导线组成,热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机,再将随被温度变化的电压或电流采集过来,进行A/D转换后,就可用单片机进行数据处理了,在显示电路上就可以将北侧温度显示出来。热电偶优点是工作温度宽,且体积小,但是也存在输出电压小,容易遭受来自导线环路噪音的影响以及飘移较高的缺点并且这种电路需用到A/D转换电路,感温电路比较麻烦。A/D转换器单片机温度显示热电阻方案一方框图方案二:采用数字温度计芯片DS18B20测量温度,输出信号全数字化。便于单片机处理和控制,省去传统
10、的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性质稳定,元件线性较好。在0100摄氏度时,最大线性偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一是采用了单总数的数据传输,由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51构成温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接和计算机连接。这样温度系统的结构就比较简单,采用51单片机控制软件编程的自由度大,而且体积小,硬件实现简单,安装方便。该系统利用AT89C51芯片控制温度传感器DS18B20进行温度的、实时检测并显示,能够实现快速测量温度,并可以根据需要设置上限报警温度。温度传感器DS18B20显示器LED单片机AT89C51方案二方框图从以上两
11、总方案,容易看出方案一的温测装置可测温度范围广,体积小,但是单线性误差大。而方案二的温测装置电路简单,精准度较高,实现方便,软件设计也比较简单,故本次设计采用方案二。(二)、方案论证在日常生活及工农业生产中经常要检测温度,传统的方式是采用热电偶或热电阻。其硬件电路和软件调试比较复杂,制作成本较高。近年来随着科技的飞速发展,对单片机的应用不断深入。所以我们选用单片机作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生,用单片机本生的优势节约成本,使电路更简单。根据题目的要求,本次设计采用由AT89C51单片机及DS18B20温度传感器组成数据采集电路,加上显示电路和控制电路等,根据温度数据测量,通过控制电路对温
12、度进行控制。本系统具有快速显示、测量准确、精度高、可调温控范围、硬件结构简单等优点,是一种比较经济的温度控制系统。三、系统硬件设计及电路(一)系统组成本课题是以AT89C51单片机核心设计的一种数字温度控制系统。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,单片机主板电路主板等组成。系统框图主要由主控制器,单片机复位、报警案件设置、LED显示、温度传感器等组成。根据系统功能要求,构造系统框图如图所示。单片机AT89C51时钟复位电路报警电路DS18B20温度数据采集驱动显示系统原理结构框图(二)、系统设计原理温度传感器DS18B20可以直接读取被测温度值,进行转换
13、的特性,模拟温度值经过,DS18B20处理后转换为数字值,然后送到单片机中进行数据处理,并与设置的温度报警限比较,超过限度后通过扬声器报警,同时处理后的数据送到LED中显示。用AT789C51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示,能够实现快速测量环境温度,并可以根据需要设定上下限报警温度。获得的数据可以同福哦MAX232芯片与计算机的RS接口进行串口通信,方便的采集和整理时间温度数据。(三)、单片机最小系统连接电路单片机小系统的电路图(四)、主控制器电路单片机AT89C51具有低电压和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足带你路系统的设计需要,很适合便携式手持式产品的设计
14、使用系统可用二节电池供电。1、AT89C51介绍VCC:供电电压。GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1是,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FLASH编程时,P0口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0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带电阻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
15、,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为地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。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
16、为低电平,P3看将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下备选功能口:P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3.4TO(计时器0外部输入)P3.5T1(计时器1外部输入) P3.6/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。当震荡器复位器件时,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所存地址的地位字节。在FLAS
17、H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iSFR8EH地址上置0。此时,ALE只有在执MOVX,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值期间,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,
18、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。XTAL2:来自反向振荡器的输出。2、AT89C51单片机的管脚功能兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写(1000次)Flash ROM32个双向I/O口可编程UARL通道两个16位可编程定时/计数器全静态操作0-24MHZ1个串行中断128x8bit内部RAM两个外部中断源共6个中断源可直接驱动LED3
19、级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能(五)、温度传感器与单片机的连接电路采用温度传感器DS18B20作为测温元件。温度传感器的单总线(1-Wire)与单片机的P2.0连接,P2.0是单片机的高位地址线A8。P2端口是一个带内部上拉电阻的8位双向IO,其输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对该端口写“1”,可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平,此时可作为输入口使用,这是因为内部存在上拉电阻,某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时。如执行MOVX DPTR指令,则表示P2端口送出高8位的地址数据。在访问8位地址的
20、外部数据存储器时,可执行MOVX RI指令,P2端口内容即为特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器内容,整个访问期间不改变。在Flash编程和程序校验时,P2端口也接收高位地址和其他控制信号。DS18B20与单片机的接口电路1、DS18B20简单介绍DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”。温度测量范围为-55+125摄氏度,可编程为9位12为转换精度,测温分辨率可达0.0625摄氏度,分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16为数字量方式串行输出;其工作电源既可以在远端引入,也可以采用桨声电源方式产生;多
21、个DS18B20可以并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。DS18B20的性能特点如下:(1)、独特的单线接口方式,其在与微处理器连接时仅需一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。(2)、DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。(3)、DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一直三极管的集成电路内。(4)、适应电压范围更宽
22、,电压范围:3.05.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。(5)、温范围-55摄氏度+125摄氏度,在-10+85摄氏度时精度为正负0.5摄氏度。(6)、零待机功耗。(7)、可编程的分辨率为912位,对应的可分辨温度分别为0.5摄氏度、0.25摄氏度、0.125摄氏度和0.0625摄氏度,可实现高精度测温。(8)、在9位分辨率时最多在93.7ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多ms内把温度值转换为数字,速度更快。(9)、用户可定义报警设置。(10)、报警搜索命令识别并标志超过程度限定温度(温度报警条件)的器件。(11)、测量结果直接输出数字温度信号,以“一线总线”串行传送给CPU,同时
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