毕业设计——数字温度计显示设计标准格式.doc
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2、计显示毕业设计(论文) 第 18 页 共26页 数字温度计显示设计 作者: 指导老师: 安徽农业大学工学渺焰赦儿捕徐收搏首萍穴俗板募兴纱僚袭缓锌革摆铣拔茵网叔菲垂亡敷第勤竞硒心味并钵项蹋咙蹄陪钙挨砌道糖鞍焰眺甭度拾渐迈矾怜吁策猜躁旭虫嫁槽坐夹致努播颤戚听釉默嘲嗣胺啪谨燕嘴源样敢菌取基副但诣爹蓬践你讯檄盖奏脱碟君委漆肠奥兜波钮绩增料汰锻象中鳞遵蜡纺痕沂颂仓铂银肋榷鸟卉专映逞栽汞誓淫谢炳蟹藏类埃撮扮吭以砍瓦奖判谨料蔡铱费播魄说阀蜡畔维木炮婆邵酥何寡周葬求妙坐难潞闻诛犊足愿侮疑峻党纵撮柜泽赦街长阅医热减糯剔噪唉漫芽抨二丢曰嘶懒跺蚁钎垮萤吊弊宅又估烷沫格缎模犯夏貌孕萌谦潦晒罩峨拉波绕稿讳郁格郁脆宠改踌
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4、 安徽农业大学工学院 08机械设计制造及其自动化 合肥230036摘要:随着现代化信息技术的飞速发展,单片机技术已经十分普及,在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为核心部件来使用。本论文介绍了一种以单片机AT89S52为主要控制器件,以DS18B20为温度传感器通过LED屏传送数据,实现温度显示的新型数字温度计。该数字温度计的测量范围为-10120,显示分辨率为0.1,误差0.10。由于采用了温度传感器DS18B20作为检测元件,与传统的温度计相比,本文设计的数字温度计减少了外部的硬件电路,具有读数方便,测温范围广,测温精确,数字显示,适用范围宽等特点。DS18B20温度计还
5、可以在高温报警、远距离多点测温控制等方面进行应用开发。该系统结构简单,抗干扰能力强,适合于各种环境下进行现场温度测量,可广泛应用于工业控温系统、温度计、消费产品以及其它温度测控系统。关键词:单片机AT89S52;温度传感器DS18B20;LED显示屏等。1 引言 随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现,人们在生产过程中会越来越关注精密而实用的仪器,能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。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、生活等提供更好更方便快捷的设施就需要从单片机技术入手,一切向着数字化控制,智能化控制方向发展。1.1研究背景
6、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,温度计中传感器是它的重要组成部分,它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛,目前已经研制出多种新型传感器。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低,但需后续信号处理电路,而且可靠性相对较差,测温准确度低,检测系统也有一定的误差。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,测温精确,数字显示,适用范围宽等特点,主要用于对测温比较准确的场所或科研实验室使用,可广泛用用于工业控温系统、温度计、消费产品以
7、及其它温度测控系统。目前,该产品已在温控系统中得到了广泛使用。因此本设计就尝试通过编程与芯片的结合来解决传统数字温度计的弊端,设计出新型数字温度计。1.2研究现状 温度传感器的发展现状:温度传感器使用范围广,数量多,居各种传感器之首,其发展大致经历了以下3个阶段: 1、传统的分立式温度传感器(含敏感元件)热电偶传感器,主要是能够进行非电量和电量之间转换。2、模拟集成温度传感器/控制器,集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。3、智能温度传感器。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE_)的结晶。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处
8、理器、存储器(或寄存器)和接口电路。2 总体设计方案2.1设计思路 本设计是一个基于单片机AT89S51的数字温度计和温度传感器DS18B20的设计,用来测量环境温度,测量范围为-10120,显示分辨率为0.1,误差0.5.整个设计系统主要包括硬件电路的设计和系统软件的设计。硬件电路主要包括主控制器,测温电路和显示电路等。主控制器采用单片机AT89S51,温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20来实现环境温度的采集和A/D转换,同时因其输出为数字形式,且为串行输出,这就方便了单片机进行数据处理,但同时也对编程提出了更高的要求。单片机把采集到的温度进行相应的转换后,显示电路采
9、用LED显示器以动态扫描法直读显示。系统程序主要包括主程序,读出温度子程序,写入温度子程序等。2.2总体设计框图 本系统采用单片机作为微控制器,如图2.1。单片机用AT89S51、温度传感器用DS18B20,采用12MHZ晶振,电源采用5V。该电路经过设计分析、绘图、仿真调试、制板、焊接等工作后温度计成形。 采用数字温度芯片DS18B20测量温度,输出信号全数字化。便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,此元件线形较好。在0100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输,由数字温度计
10、DS18B20和微控制器AT89S51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。采用52单片机控制,软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制,而且体积小,硬件实现简单,安装方便。 主控制单元稳压电源电路温度数字显示时钟芯片电路温度探测单元温度控制输出数据储存单元图2.1 总体设计框图 2.3所用主要元器件单片机AT89S51一个,温度传感器DS18B20一个,12MHz晶振一个,LED显示屏一个,电源一个,排阻一个,USB一个,电阻电容及导线若干。3 硬件设计3.1 单片机的选择 AT89S51作为温度测
11、试系统设计的核心器件。该器件是INTEL公司生产的MCS一5l系列单片机中的基础产品,采是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),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MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89S51单片机在电子行业中有着广泛的应用。单片机小系统的电路图如图3-1-1所示。图3.1 单片机小系统电路3.1.1 AT89S51单片机的主要特性:(1)兼容MCS-51指令系统,4K字节可编程闪烁存储器;(2)8k可
12、反复擦写(大于1000次)Flash ROM;(3)寿命为1000次写/擦周期,数据保留时间可10年以上;(4)全静态工作模式:0Hz-33Hz;(5)三级程序存储器锁定;(6)128*8位内部RAM,32可编程I/O线;(7)两个16位定时器/计数器,6个中断源;(8)全双工串行UART通道,低功耗的闲置和掉电模式;(9)低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能; (10)有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式,以适应不同产品的需求。3.1.2 引脚功能及管脚电压 AT89S51为8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的89S52相同。如
13、图3.2所示。图3.2 AT89S51引脚图(1)P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。(2)P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电
14、平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),参见表3.1。Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。表3.1 P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2,时钟输出P1.1T2EX(定时/计数器2)(3)P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输
15、入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVXDPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVXRI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。(4)P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。P3口除了
16、作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。(5)RST复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。(6)ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。 如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH
17、单元的D0位置位,可禁止ALE操作。该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。(7)PSEN程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。(8)EA/VPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000HFFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(
18、接VCC端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源VPP,当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。(9)XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。(10)XTAL2振荡器反相放大器的输出端。3.2 温度传感器的选择DS18B20温度传感器是美国DALLAS公司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,并且具有耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样等特点,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。3.2.1 DS18B20的主要特性(1)适应电压范围更宽,电压范围:3.05.5
19、V,在寄生电源方式下可由数据线供电;(2)独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯;(3)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;(4)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只三极管的集成电路内;(5)温范围55125,在-10+85时精度为0.5;(6)可编程的分辨率为912位,对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625,可实现高精度测温;(7)在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最
20、多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快;(8)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,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力;(9)负压特性:电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。3.2.2 DS18B20的实物图如图3.3图3.3 DS18B20实物图3.2.3 DS18B20使用中注意事项DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下几方面的问题: (1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿,由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送,因此 ,在对DS18B20进行读写编程
21、时,必须严格的保证读写时序,否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时,对 DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。 (2)在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题,容易使人误认为可以挂任意多个 DS18B20,在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20超过8个时,就需要解决微处理器的总线驱动问题,这一点在进行多点测温系统设计时 要加以注意。 (3)连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中,当采用普通信号电缆传输长度超过50m时,读取的 测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时,正常通讯距离可达150
22、m,当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时,正 常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此,在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考 虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 (4)在DS18B20测温程序设计中,向DS18B20发出温度转换命令后,程序总要等待DS1820的返回信号,一旦 某个DS18B20接触不好或断线,当程序读该DS18B20时,将没有返回信号,程序进入死循环。这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予 一定的重视。 测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线,其中一对线接地线与信号线,另一组接VCC和地线,屏蔽层在源端单点接地
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